《金属工艺学》课后习题Word文件下载.docx

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多晶体：

由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体。

《

5．常见金属晶格类型有哪几种试绘图说明。

①体心立方晶格

②面心立方晶格

③密排六方晶格

6．晶体的各向异性是如何产生的为何实际晶体一般都显示不出各向异性

在相同晶格中，由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，因而原子间距不同，原子间相互作用的强弱不同，从而导致晶体的宏观性能在不同方向上具有不同数值，此现象称为晶体的各向异性。

实际晶体一般是由许多单晶体组成的多晶体。

在多晶体中，各晶粒的原子排列规律相同，只是位向不同而已。

由于晶粒的性能在各个方向上互相影响，再加上晶界的作用，就完全掩盖了每个晶粒的各向异性，故测出多晶体的性能在各个方向上都几乎相等，显示出各向同性的性质。

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7．实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷对性能有何影响

①点缺陷（空位和间隙原子）：

产生晶格畸变。

②线缺陷（位错）：

对金属晶体的生长、相变、扩散、塑性变形、断裂及其他许多物理化学性能都有重要影响，同时材料中的位错愈多，其强度就越高。

③面缺陷（晶界与亚晶界）

晶体中的这些缺陷使其晶格畸变，引起塑性变形、抗力增大，从而使金属的强度提高。

8．什么是过冷度过冷度和冷却速度有何关系

理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。

冷却速度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

9．晶粒大小对力学性能有何影响控制晶粒大小的途径有哪些

一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好。

细化晶粒的途径有：

增加过冷度、变质处理、振动处理。

10．什么是固溶体、金属化合物和多相复合组织它们在晶体结构上有什么特点

固溶体：

在固态下，组成合金的一种或多种组元溶入另一组元的晶格中所组成的晶体叫固溶体。

在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生晶格畸变，晶格畸变阻碍了位错的运动，使晶格间的滑移变得困难，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使合金的强度、硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。

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金属化合物：

金属组元间按照一定的原子数比发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。

这种化合物可以由金属与金属组成，也可以由金属与非金属组成，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。

多相复合组织：

由两种以上相组成的多相组织合金，称多相复合组织。

包含两种或两种以上的固溶体和金属化合物。

多相复合合金的性质是以组成它的物质的性质之算术平均值来估算的。

11．解释下列概念，并说明其性能和显微组织特征：

铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体。

铁素体：

碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F表示。

Α-Fe是体心立方晶体。

由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。

奥氏体：

碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A表示。

γ-Fe是面心立方晶格。

由于奥氏体的溶碳量比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶体，所以其塑性较好，变形抗力较低。

渗碳体：

渗碳体是含碳量为%的铁与碳的金属化合物。

渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，它的硬度很高，而塑性和韧性很差，脆性大。

珠光体：

铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，称为珠光体，用P表示。

珠光体的含碳量为%，其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

（

莱氏体：

含碳量为%的铁碳合金，在1148℃时同时由液体中结晶出奥氏体和渗碳体后所形成的复合组织即为高温莱氏体，用Ld表示。

在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，即为低温莱氏体，用L’d表示。

莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度高、塑性差。

12．根据Fe—Fe3C相图，确定下列三种钢在给定温度时的组织。

钢号

温度/℃

组织

20（ωc=%）

770

铁素体和奥氏体

900

单一奥氏体

T8（ωc=%）

680

珠光体和二次渗碳体

-

奥氏体和二次渗碳体

T10（ωc=%）

700

；

13．说明下列各渗碳体的生成条件：

一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体。

一次渗碳体：

直接由液态结晶出来的渗碳体，形态是白色长条状。

二次渗碳体：

由奥氏体超出碳溶解度而析出来的，形态是沿着奥氏体晶界分布，成网状。

三次渗碳体：

由铁素体超出碳溶解度而析出来的，形态是沿着铁素体晶界分布，由于含量太少，形不成网状，以短棒状分布于铁素体晶界。

14．根据Fe—Fe3C相图解释下列现象：

（1）在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000~1250℃。

转变为单一奥氏体，塑性较好，易锻造成型。

？

（2）钢铆钉一般用低碳钢制作。

塑性好易变形，产生加工硬化延长铆钉使用寿命。

（3）在1100℃时，ωc=%的碳钢能进行锻造，而ωc=%的铸铁不能进行锻造。

因碳钢在1100℃时为单一奥氏体组织，易锻造成型。

而铸铁在1100℃时是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，锻造易开裂，故铸铁不能进行锻造只能铸造。

（4）钢适于压力加工成形，而铸铁适用于铸造成形。

钢加热时可以变为单一奥氏体组织，而铸铁加热时不能变为单一奥氏体组织，它是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，故钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。

（5）在室温ωc=%的碳钢比ωc=%的碳钢强度高。

含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。

而含碳量超过%时，析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使得钢脆性增加，强度下降。

第二章钢的热处理

1．指出Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm各相变点的意义。

Ac1：

实际加热时的共析转变线。

Ac3：

实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。

Accm：

实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。

Ar1：

实际冷却时的共析转变线。

'

Ar3：

实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。

Arcm：

实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。

2．简述共析钢的奥氏体化过程。

①奥氏体晶核的形成

②奥氏体晶核的长大

③残余渗碳体溶解

④奥氏体的均匀化

·

3．试画出共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，以此说明各种转变产物的名称及转变温度区范围、转变产物性能。

①高温转变区（珠光体型转变区）：

过冷奥氏体在A1线至550℃温度范围的转变产物为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体型组织。

②中温转变区（贝氏体型转变区）：

过冷奥氏体在550℃至Ms线温度范围的转变产物为贝氏体组织，是过饱和铁素体和渗碳体组织的多相复合组织。

③低温转变区（马氏体型转变区）：

当奥氏体被连续急冷至Ms线以下温度时，由于过冷度很大，原子扩散困难，过冷奥氏体发生特殊的马氏体转变。

部分未来得及转变的奥氏体，称为残余奥氏体。

马氏体具有很高的硬度和强度，耐磨性也很高。

4．热处理使钢奥氏体化时，原始组织以粗粒状珠光体好还是以细片状珠光体好为什么

粗粒状珠光体好。

原始组织越细，相界面越多，提供的奥氏体晶核就愈多，加速奥氏体的形成。

一般奥氏体化速度快的组织，完成奥氏体化后容易晶粒粗大。

奥氏体晶粒粗大，转变产物的强度、塑性、韧性就比较低。

【

5．珠光体、贝氏体和马氏体的组织和性能有什么区别

珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。

其有珍珠般的光泽。

其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。

强韧性较好。

贝氏体是过冷奥氏体的中温（550℃～Ms）转变产物，α-Fe和Fe3C的复相组织。

温度偏高区域（550～350℃）转变产物叫上贝氏体，外观貌似羽毛状，冲击韧性较差。

温度偏低区域（Ms～350℃）转变产物叫下贝氏体。

其强度和硬度高，并有良好的塑性和韧性，是一种综合力学性能好的组织。

马氏体（M）是碳溶于α-Fe的过饱和固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。

板条状马氏体是低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁系合金的典型组织；

片状马氏体则常见于高、中碳钢。

高的强度和硬度是马氏体的主要特征之一，同时，片状马氏体脆性也比较高。

6．简述退火、正火的概念、目的、种类和应用范围。

退火工艺是指将钢材或钢件加热到适当温度，保温一定时间缓慢冷却，从而获得接近平衡状态组织的热处理工艺。

、

退火目的：

①降低硬度，改善切削加工性能。

②消除残余内应力，防止变形与开裂，稳定尺寸。

③细化晶粒，均匀组织及成分，改善钢性能，并为以后的热处理作准备。

退火种类：

①完全退火：

中碳钢，低、中碳合金结构钢；

②等温退火：

高碳钢、合金工具钢和高合金钢；

③球化退火：

共析钢和过共析钢；

④去应力退火：

铸钢件、锻轧件、焊接件和机加工零件；

⑤扩散退火：

钢锭和铸钢件。

正火工艺是指将钢材或钢件加热到临界温度Ac3或Accm以上某一适当温度，经保温一定时间后在空气中冷却，以获得珠光体组织的热处理工艺。

正火目的：

①改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；

②用于普通结构零件或大型结构零件的最终热处理；

③消除过共析钢中的网状渗碳体；

④作为预备热处理：

中碳钢和合金结构钢。

7．淬火的目的是什么亚共析钢和过共析钢淬火加热温度如何选择

淬火的目的是把奥氏体化的钢件淬成马氏体，然后和不同回火温度相配合，获得所需的力学性能。

选择淬火加热温度的依据是钢的相变点，原则上亚共析钢为Ac3+（30~50℃），共析钢和过共析钢为Ac1+（30~50℃）。

8．对淬火讲，什么样的冷却介质才是理想的

理想的淬火冷却介质在冷却过程中，要求在C曲线的“鼻子”上温度缓冷，以减小急冷所产生的热应力；

在“鼻子”处具有保证奥氏体不发生分解的冷却速度，而在进行马氏体转变时，即在Ms点以下的温度时，冷却速度尽量小，以减少组织转变的应力。

9．将ωc=%和ωc=%的两种钢试样，分别加热到600℃、780℃、900℃，然后在水中淬火。

各获得什么组织硬度随加热温度如何变化为什么

①ωc=%

600℃：

未达到相变温度，因此没有发生相变，组织为铁素体和珠光体。

780℃：

加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体、马氏体和少量残余奥氏体。

%

900℃：

加热温度在Ac3以上，加热时全部转变为奥氏体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。

②ωc=%

未达到相变温度，因此没有发生相变，组织为珠光体和二次渗碳体。

加热温度在Ac1～Ac3之间，因此组织为二次渗碳体、马氏体和少量残余奥氏体。

加热温度越高，硬度越高。

因为温度越高，组织越容易转变为奥氏体，淬火冷却后转变的马氏体含量越高，而马氏体具有很高的硬度和强度，所以淬火冷却后的组织硬度也越高。

10．试述淬透性和淬硬性的概念。

!

淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。

它是反映钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的容易程度。

淬硬性指钢淬火硬化后所能达到的最高硬度的能力。

11．为什么淬火后的钢一般都要紧接着进行回火指出各种回火得到的组织及使用范围。

工件淬火后，其组织和内部应力都是不稳定的，为了稳定组织、消除应力、调整硬度、提高塑性和韧度等，必须进行回火处理。

①低温回火：

回火马氏体。

主要用于各种刃具、量具、滚动轴承、冷变形模具、渗碳体和高频感应淬火件等。

②中温回火：

回火托氏体。

主要用于各种弹簧、某些模具以及要求具有高强度的轴、轴套和刀杆等。

③高温回火：

回火索氏体。

主要用于汽车、拖拉机、机床上的各种重要构件。

还常作为氮化、高频淬火等表面强化件以及某些精密零件如丝杠、量具、模具的预备热处理。

…

12．为了改善碳素工具钢的切削加工性，应采用何种预备热处理

正火—球化退火。

13．一个工件原始组织含有网状碳化物，试制定热处理工艺使之获得回火马氏体组织。

正火—球化退火—淬火—低温回火。

14．什么是化学热处理它与普通热处理有什么不同

将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种化学元素的原子渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，叫做化学热处理。

化学热处理存在扩散及化学成分的变化，如渗碳将在表面形成富碳层，而渗氮则形成渗氮层。

其目的就是利用化学成分的变化提高工件的使用寿命，或提高其使用强度。

15．表面淬火的目的是什么有几种表面淬火的方法

表面淬火是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬硬组织——马氏体，而心部仍保持原来塑性、韧度较好的组织的热处理方法。

常用方法有：

感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

16．现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同的齿轮，分别进行普通整体淬火、渗碳淬火和高频感应加热淬火，使用最简单的方法把它们区别出来。

高频感应加热淬火只处理齿轮的齿部，通过观察表面颜色可以很容易区分出来。

￥

用硬度计分别在齿部及轮幅部打一下硬度，如硬度相同或接近则证明是普通整体淬火，如硬度不相同有明显差别（至少HRC10度以上差别）则证明是渗碳淬火。

17．某柴油机的凸轮轴，要求表面有高的硬度（HRC>

50），而心部具有良好的韧性（AKU>

40J）。

原来用45钢调质处理，再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火。

现因45钢已用完，拟改用20钢代替。

（1）试说明原45钢各热处理工序的作用；

调质的作用：

使零件获得好的综合使用性能（硬度、耐磨性、强韧性都较高）。

表面高频淬火—低温回火的作用：

提高零件表面的硬度和耐磨性，保持心部原来的塑性和韧性。

（2）改用20钢后，其热处理工序是否应进行修改应采用何种热处理工艺最恰当

应进行修改。

渗碳—淬火—低温回火。

18．确定下列钢件的退火工艺，并说明其退火目的和退火后组织。

（1）经冷轧后的15钢板；

退火工艺：

完全退火。

细化晶粒，充分消除工件的内应力，降低钢的硬度，为随后的切削加工和淬火作好组织准备。

退火后组织：

等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。

（2）ZG270-500的铸钢齿轮；

经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。

完全退火可以细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。

（3）锻造过热的60钢坯；

由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均匀，且存在残余内应力。

晶粒均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。

：

（4）具有片状珠光体的T12钢坯。

球化退火。

由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。

通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。

球状珠光体和球状渗碳体。

19．甲、乙两厂同时生产一批45钢零件，硬度要求为220~250HBS。

甲厂采用调质处理，乙厂采用正火处理，都可达到硬度要求。

试分析甲、乙两厂产品的组织和性能的差别。

甲厂（调质）：

组织为回火索氏体。

强度、硬度、耐磨性降低，大幅度提高了塑性、韧性，得到较好的综合力学性能的钢。

乙厂（正火）：

组织为细珠光体和铁素体。

正火消除中碳钢经热加工后产生的组织缺陷，塑性基本不降低。

20．下列零件均选用锻造毛坯。

试为其选择热处理方法，并写出简明的工艺路线。

（1）机床变速箱齿轮，模数m=4，要求齿面耐磨，心部强度和韧度要求不高，选用45钢；

下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频感应淬火+低温回火→精磨→成品

（2）重载荷工作的镗床镗杆，要求精度很高，并在滑动轴承中运转，镗杆表面应具有高硬度，心部应具有较高综合力学性能，选用38CrMoAl钢。

下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→渗氮→研磨→成品

21．现有T12钢制作的丝锥，成品硬度要求60HRC以上，加工工艺路线为轧制—热处理—机加工—热处理—机加工。

试写出上述热处理工序的方法及其作用。

球化退火：

轧制后当轧材组织球化不良时要采用球化退火作为预先热处理，目的是球化碳化物，以降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并未淬火最好组织准备。

淬火+低温回火：

为使丝锥齿刃部有高硬度，而心部有足够韧性，并使淬火变形尽可能减小及考虑到齿刃部很薄，故采用等温淬火或分级淬火+低温回火。

）

22．某发动机轴承是用GCr15制造的，它经淬火和回火后达到所需要性能，正常操作条件下似乎满足要求，但在零度以下暴露一段时间后发动机失效了，拆卸后发现轴承尺寸明显胀大的同时，轴承中出现不少脆性裂纹。

失效的原因是什么

轴承零件经淬火和回火后，保留了一定数量的残佘奥氏体，而奥氏体是一种不稳定相，当过冷至零度以下，这部分残余奥氏体会继续转化为马氏体。

由于马氏体组织的体积大于奥氏体组织，所以轴承在转变过程中体积发生胀大，挤压外部早前形成的马氏体组织，导致轴承中出现脆性裂纹。

第三章工程材料

1．钢中常存杂质元素有哪些对钢的性能有何影响

碳钢中除铁和碳两种元素以外，还含有硅、锰、磷、硫、非金属夹杂物等。

硅和锰是炼钢后期在脱氧和合金化时，加入钢液而残留钢中，能提高钢的强度和硬度，是有益元素。

|

硫和磷是由生铁带入钢中的有害元素，磷会形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在100℃以下的塑性和韧性急剧下降，即“冷脆”；

硫和铁形成低熔点的共晶体（Fe+FeS），造成钢材在1000~1200℃进行轧制或锻造时开裂，即“热脆”。

钢中的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐等。

它们的存在使钢的强度、硬度降低，是有害元素。

2．为什么合金钢的淬透性比碳钢的高

合金元素中，除了钴以外，所有的合金元素溶于奥氏体以后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变，使C曲线右移，提高了钢的淬透性。

3．解释下列现象：

（1）大多数合金钢的热处理加热温度比相同含碳量的碳钢高；

淬火加热的目的是让碳及合金元素充分溶解。

合金元素扩散速度慢，另外合金元素形成的碳化物（氮化物）溶解需要更高温度和时间。

（2）高速钢在热轧（或热锻）后，经空冷获得马氏体组织。

由于高速钢的合金元素含量高，C曲线右移，一般合金元素越高临界冷却速度V越小，淬透性越好，当空冷的冷却速度V1大于临界冷却速度V时，空冷即可获得马氏体。

另外，不论什么钢，轧或锻都需要在奥氏体区进行变形，因此锻（轧）后仍然是奥氏体，从奥氏体冷却下来只要冷却速度够即可转变成马氏体。

4．为什么碳钢在室温下不存在单一的奥氏体或单一的铁素体组织，而合金钢中有可能存在这类组织

碳钢在727℃以上时存在单一奥氏体组织，低于此温度时奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。

碳钢中含有碳元素，与铁元素生成一部分铁碳化合物Fe3C。

一般碳素钢在室温下的金相组织由铁素体、珠光体和渗碳体组成。

合金钢中存在某些合金元素，可以增加奥氏体的稳定性，阻止奥氏体在低温下发生转变，使得合金钢在室温下存在单一奥氏体组织。

5．何谓调质钢为何调质钢大多数为中碳钢合金元素在调质钢中起什么作用

所谓调质钢，一般是指含碳量在~%的中碳钢。

一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以习惯上就把这一类钢称作调质钢。

只有中碳钢通过调质后才能得到很好的机械性能，即较高的强度，很好的塑性和韧性。

含碳量过低，强度、硬度不足；

含碳量过高，塑性、韧性不足。

调质钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。

6．为什么刃具钢中含高碳钢合金刃具钢加入哪些合金元素其作用怎样

为了保证刃具钢具有高的硬度和高的耐磨性。

加入的合金元素主要为Cr、Mn、Si、W和V等。

其中Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，同时强化马氏体，提高回火稳定性；

溶入渗碳体，形成合金渗碳体时，还有利于提高钢的耐磨性。

W和V能提高硬度和耐磨性，并防止钢在加热时的过热，保持晶粒细化。

7．试根据下表所列项目，小结对比几类合金钢的主要特点：

钢种

成分特点

常用牌号

热处理特点

热处理后组织

主要性能

用途举例

?

低合金结构钢

ωc<

%，ωe<

3%

16Mn、09MnV

热轧空冷，不进行热处理

铁素体+索氏体

良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性

用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉等

合金渗碳钢

ωc=~%，加入铬、镍、锰、硅、硼、钒、钛等元素

20CrMnTi、20Cr、20MnVB

渗碳—淬火—低温回火

低碳回火马氏体+合金碳化物

优良的耐磨性、耐疲劳性，足够高的韧性和强度

制造汽车、拖拉机中的变速齿轮、内燃机上的凸轮轴和活塞销等

合金调质钢

ωc=~%，加入铬、镍、锰、硅、硼、钨、钼、钒、钛等元素

40Cr、40MnVB、35CrMo

调质处理

回火索氏体+合金碳化物

很高的强度，很好的塑性和韧性，具有良好的综合力学性能

常用来制造一些受力复杂的重要零件（齿轮、曲轴、高强螺栓等）

合金弹簧钢

ωc=~%，加入硅、锰、铬、钨、

钒等元素

$

55Si2Mn、60SiMn、50CrVB

淬火—中温回火

回火托氏体+合金碳化物

高弹性极限、高疲劳强度与足够的塑性和韧性

用作重要的弹性零件，如汽车和火车用板簧、缓冲卷簧等

合金轴承钢

ωc=~%，加入铬元素

GCr15、GCr15SiMn

正火—球化退火—淬火—冷处理—低温回火—时效处理

回火马氏体+合金碳化物

高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性

常用来制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外圈套，也用来制造各种工具和耐磨零件

合金刃具钢

ωc=~%，加入铬、锰、硅等元素

9SiCr、CrWMn

球化退火—淬火—低温回火

，

高