机械制造基础第六章合金钢及其热处理习题解答.docx
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机械制造基础第六章合金钢及其热处理习题解答
第六章合金钢及其热处理
习题解答
6-1什么是合金元素?
按其与碳的作用如何分类?
答：
1、为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢，加入的元素称为合金元素。
常用的合金元素有锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土（RE）等。
2、合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。
常见的非碳化物形成元素有：
镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等。
它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的晶格中，或形成其它化合物，如氮可在钢中与铁或其它元素形成氮化物。
常见的碳化物形成元素有：
铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等（按照与碳亲和力由弱到强排列）。
通常钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素。
钢中形成的合金碳化物主要有合金渗碳体和特殊碳化物两类。
6-2合金元素在钢中的基本作用有哪些?
答：
合金元素在钢中的基本作用有：
强化铁素体、形成合金碳化物、阻碍奥氏体晶粒长大、提高钢的淬透性和提高淬火钢的回火稳定性。
6-3低合金结构钢的性能有哪些特点?
主要用途有哪些?
答：
低合金结构钢的性能特点是：
①具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性；②良好的焊接性；③较好的耐蚀性。
低合金结构钢—般在热轧空冷状态下使用，被广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。
6-4合金结构钢按其用途和热处理特点可分为哪几种?
试说明它们的碳含量范围及主要用途。
答：
合金结构钢是指用于制造各种机械零件和工程结构的钢。
主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。
1、低合金结构钢的成分特点是低碳（wC<0.20％），—般在热轧空冷或正火状态下使用，用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。
2、合金渗碳钢的平均wC一般在0.1％～0.25％之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧性。
合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。
合金渗碳钢主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件，如汽车、飞机的齿轮，内燃机的凸轮等。
3、合金调质钢的平均wC一般在0.25％～0.50％之间。
合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火（即调质处理），组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。
若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。
它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺栓和齿轮等。
4、合金弹簧钢的平均wC一般在0.45％～0.70％之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。
弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其热处理方法也不同。
（1）热成形弹簧。
当弹簧丝直径或钢板厚度大于10～15mm时，一般采用热成形。
其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为40～45HRC。
（2）冷成形弹簧。
对于直径小于8～10mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。
若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火和中温回火；若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200～300℃的去应力退火，以消除内应力，并使弹簧定形。
重要弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。
60Si2Mn钢是应用最广的合金弹簧钢，被广泛用于制造汽车、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧以及安全阀用弹簧等。
弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨件，如弹簧夹头、机床主轴等。
5、滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体（滚针、、滚柱、滚珠）、内外套圈的专用钢。
滚动轴承钢是高碳铬钢，其平均wC为0.95％～1.15％，以保证轴承钢具有高的强度、硬度和形成足够的碳化物以提高耐磨性。
滚动轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火，硬度为61～65HRC。
对于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，可在淬火后进行一次冷处理，以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后再进行一次人工时效处理，消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。
6-5试比较碳素工具钢、低合金刃具钢和高速钢的热硬性，并说明高速钢热硬性高的主要原因。
答：
碳素工具钢在温度高于200℃时热硬性变差；低合金刃具钢热硬性在300℃以下；用高速钢热硬性可达600℃。
高速钢热硬性高的主要原因是高速钢的含碳量较高，wc在0.75％～1.60％的范围内，并含有大量的碳化物形成元素钨、钼、铬、钒等。
高的碳含量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性；钨和钼的作用相似（质量分数为1％的钼相当于质量分数为2％的钨），都能提高钢的热硬性。
含有大量钨或钼的马氏体具有很高的回火稳定性，在500～600℃的回火温度下，因析出微细的特殊碳化物（W2C、Mo2C）而产生二次硬化，使钢具有高的热硬性，同时还提高钢的耐磨性。
6-6高速钢经铸造后为什么要反复锻造?
为什么选择高的淬火温度和三次560℃回火的最终热处理工艺?
这种热处理是否为调质处理?
答：
因为高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物，降低了高速钢的力学性能，特别是韧性，而且用热处理方法不能根本改变碳化物的分布状态，因此，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其尽可能均匀分布。
锻造比最好大于10，锻后必须缓冷，以免开裂。
高速钢的淬火加热温度很高（1200～1300℃）的目的是为了使碳化物尽可能多地溶人奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。
高速钢淬火后应立即回火，一般在550～570℃回火三次。
在此温度范围内回火时，钨、钼、钒的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；进行多次回火，其目的是为了逐步减少残余奥氏体的量和消除内应力。
这种热处理不是调质。
6-7用Cr12钢制造的冷冲模，其最终热处理方法有几种?
各适用于什么条件下工作的模具?
答：
Cr12型钢的最终热处理有两种方法。
一种是低温淬火和低温回火法（也叫一次硬化法）。
这种方法可使模具获得高硬度和高耐磨性，淬火变形小。
一般承受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处理。
另一种热处理方法是高温淬火和高温（510～520℃）多次回火法（也叫二次硬化法）。
这种方法能使模具获得高的热硬性和耐磨性，但韧性较差。
一般承受强烈摩擦，在400～450℃条件下工作的模具适用此法。
Cr12型钢用于制造冷冲模冲头、冷切剪刀、钻套、量规、冶金粉模、拉丝模、车刀、铰刀等。
Cr12MoV用于制造截面较大，形状复杂，工作条件繁重的模具，如圆锯、搓丝板、切边模、滚边模、标准工具与量规等
6-8说明下列钢号的类别、用途及最终热处理方法：
Q345、ZGMn13、40Cr、20CrMnTi、60Si2Mn、9CrSi、GCr15、W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr13A1、5CrMnMo。
答：
列表回答如下：
牌号
类别
用途
最终热处理
Q345
低合金高强度结构钢
大型钢构、桥梁、船舶、锅炉、压力容器、重型机械、电站设备等
热轧空冷或正火
ZGMn13
高锰耐磨钢
车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗、铁道道岔等
水韧处理
40Cr
合金调质钢
重要的调质件，如，轴类、压杆螺栓、汽车转向节、齿轮等
调质处理
20CrMnTi
合金渗碳钢
承受调整、中载或重载、摩擦的重要渗碳件，如，齿轮、凸轮等
渗碳+淬火+低温回火
60Si2Mn
合金弹簧钢
减振弹簧、螺旋弹簧等
淬火+中温回火
9CrSi
合金工具钢
耐磨性高、切削不剧烈的刀具，如，板牙、丝锥、钻头等
淬火+低温回火
GCr15
滚动轴承钢
滚动轴承的内、外圈及滚动体、量块等
淬火+低温回火
W6M05Cr4V2
高速钢
要求耐磨性、韧性有较好配合的高速切削刀具，如，丝锥、钻头、滚刀、拉刀等。
淬火+多次回火
Crl2MoV
冷作模具钢
用于制造冷冲模、挤压模等
淬火+低温回火
1Cr13
马氏体不锈钢
用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等
淬火+回火
0Cr19Ni9
奥氏体不锈钢
食品设备、一般化工设备等
固溶处理
0Cr13A1
铁素体耐热钢
工作温度低于900℃，受力不大的炉用构件，如，退火炉罩等
退火+空冷或缓冷
5CrMnMo
热作模具钢
中型锤锻模
淬火+高温回火
6-9对量具钢有何要求?
量具通常采用何种最终热处理工艺?
答：
1、量具钢的性能要求有：
高硬度和耐磨性、高的尺寸稳定性、足够的韧性。
2、采用碳素工具钢时，最终热处理为淬火+低温回火；采用渗碳钢时，最终热处理为渗碳+淬火+低温回火；采用中碳钢时，最终热处理为高频感应淬火；采用合金工具钢或滚动轴承钢时，最终热处理为淬火+低温回火。
3、对于精度要求高的量具，为保证尺寸稳定性，常在淬火后进行一次冷处理，在低温回火后还应进行一次稳定化处理（100～150℃、24～36h），以进一步稳定组织和尺寸，并消除淬火内应力。
6-10奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的与一般合金钢的淬火目的有何不同?
答：
奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的是为了获得单相奥氏体，而一般合金钢淬火的目的是为了获得马氏体。
6-11高锰钢的耐磨机理与一般淬火工具钢的耐磨机理有何不同?
它们的应用场合有何不同?
答：
高锰钢受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形面产生强烈加工硬化，获得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。
旧表面磨损后新露出的表面又在力的作用下形成新的耐磨层。
高锰钢主要用于制造车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗、铁路道岔、防弹钢板等有强烈冲击或强大挤压力作用下的耐磨件。
一般淬火工具钢通过淬火+低温回火整体得到硬而耐磨的马氏体。
工具钢通常用于制造刀具、刃具、模具等。
6-12解释下列现象：
（1）在相同含碳量的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，保温时间长；
（2）高速钢需经高温淬火和多次回火；
（3）在砂轮上磨各种钢制刀具时，需经常用水冷却；
（4）用ZGMn13钢制造的零件，只有在强烈冲击或挤压条件下才耐磨。
答：
（1）合金元素的加入使碳化物比较稳定，不易分解溶入奥氏体，为了得到更均匀的奥氏体，就要提高加热温度和保温时间；
（2）高速钢的淬火加热温度很高（1200～1300℃）的目的是为了使碳化物尽可能多地溶人奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。
在550～570℃回火，使钨、钼、钒的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；进行多次回火，其目的是为了逐步减少残余奥氏体的量和消除内应力。
（3）若砂轮磨刀具产生的温度过高，会使刀具回火，故需用水冷却；
（4）用ZGMn13钢制造的零件，受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形面产生强烈加工硬化，才能获得高的耐磨性。
9CrSi
合金工具钢
耐磨性高、切削不剧烈的刀具，如，板牙、丝锥、钻头等
淬火+低温回火
GCr15
滚动轴承钢
滚动轴承的内、外圈及滚动体、量块等
淬火+低温回火
W6M05Cr4V2
高速钢
要求耐磨性、韧性有较好配合的高速切削刀具，如，丝锥、钻头、滚刀、拉刀等。
淬火+多次回火
Crl2MoV
冷作模具钢
用于制造冷冲模、挤压模等
淬火+低温回火
1Cr13
马氏体不锈钢
用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等
淬火+回火
0Cr19Ni9
奥氏体不锈钢
食品设备、一般化工设备等
固溶处理
0Cr13A1
铁素体耐热钢
工作温度低于900℃，受力不大的炉用构件，如，退火炉罩等
退火+空冷或缓冷
5CrMnMo
热作模具钢
中型锤锻模
淬火+高温回火
6-9对量具钢有何要求?
量具通常采用何种最终热处理工艺？
答：
量具钢的性能要求有：
高硬度和耐磨性、高的尺寸稳定性、足够的韧性。
采用的热处理方法为下限温度淬火及冷处理。
6-10奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的与一般合金钢的淬火目的有何不同?
答：
奥氏体不锈钢和耐磨钢的淬火目的是为了获得单相奥氏体，而一般合金钢淬火的目的是为了获得马氏体。
6-11高锰钢的耐磨机理与一般淬火工具钢的耐磨机理有何不同?
它们的应用场合有何不同?
答：
高锰件受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形面产生强烈加工硬化，获得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。
旧表面磨损后新露出的表面又在力的作用下形成新的耐磨层。
应用于有强烈冲击或强大挤压力作用下的耐磨件。
6-12解释下列现象：
（1）在相同含碳量的情况下，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，保温时间长；
（2）高速钢需经高温淬火和多次回火；
（3）在砂轮上磨各种钢制刀具时，需经常用水冷却；
（4）用ZGMn13钢制造的零件，只有在强烈冲击或挤压条件下才耐磨。
答：
（1）合金元素的加入使碳化物奥氏体转变温度，为了得到更均匀的奥氏体，就要提高加热温度和保温时间；
（2）淬火温度高（>1200℃），是为了获得高合金元素含量的马氏体。
560℃三次回火使合金逐步析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化，并且使A’转变为M，每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。
（3）砂轮磨刀具产生的热量，会使刀具回火，需用水冷却；
（4）用ZGMn13钢高锰件受强烈冲击或强大挤压时，表面因塑性变形面产生强烈加工硬化，获得高的耐磨性，心部保持原来的高韧状态。
旧表面磨损后新露出的表面又在力的作用下形成新的耐磨层。
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