工程材料第三章答案

工程材料习题与辅导（第四版）朱张校姚可夫3.2 习题参考答案1. 解释名词热硬性、石墨化、孕育（变质）处理、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效答: 热硬性: 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。

热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。

石墨化: 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。

孕育（变质）处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的处理工艺。

球化处理: 在铁水中加入球化剂，以获得球状石墨的处理工艺称为球化处理。

石墨化退火: 使白口铸铁中的渗碳体分解成为团絮状石墨的退火过程。

固溶处理: 把合金加热到单相固溶体区，进行保温使第二相充分溶解，然后快冷（通常用水冷却），得到单一的过饱和固溶体组织的热处理工艺。

固溶处理可以使奥氏体不锈钢获得单相奥氏体组织，提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。

固溶处理也在有色金属合金中得到应用。

有色金属合金（如铝合金）先进行固溶处理获得过饱和固溶体，然后再进行时效处理，析出细小、均匀、弥散分布的第二相，提高合金的强度和硬度。

时效: 固溶处理后得到的过饱和固溶体在室温下或低温加热时析出细小、均匀、弥散分布的第二相，合金硬度和强度明显升高的现象称为时效或时效硬化。

2. 填空题(1) 20是（优质碳素结构）钢，可制造（冲压件、焊接件、渗碳零件，如齿轮、销) .(2) T12是（优质碳素工具）钢，可制造（锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具) .(3) 按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（低合金钢) 、(中合金钢）和（高合金钢）几类。

(4) Q345(16Mn)是（低合金结构）钢，可制造（桥梁、船舶、车辆、锅炉等工程结构) .(5) 20CrMnTi是（合金渗碳）钢，Cr、Mn的主要作用是（提高淬透性、提高经热处理后心部的强度和韧性) , Ti的主要作用是（阻止渗碳时奥氏体晶粒长大、增加渗碳层硬度、提高耐磨性) ，热处理工艺是（渗碳后直接淬火、再低温回火) .(6) 40Cr是（合金调质）钢，可制造（重要调质件如轴类件、连杆螺栓、进汽阀和重要齿轮等) .(7) 60Si2Mn是（合金弹簧）钢，可制造（汽车板簧) .(8) GCr15是（滚珠轴承）钢，1Cr17是（铁素体型不锈）钢，可制造（硝酸工厂设备以及食品工厂设备) .(9) 9SiCr是（低合金刃具）钢，可制造（板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铰刀、冷冲模、冷轧辊等) .(10) CrWMn是（冷作模具）钢，可制造（冷冲模、塑料模) .(11) Cr12MoV是（冷模具）钢，可制造（冷冲模、压印模、冷镦模等) .(12) 5CrMnMo是（热模具）钢，可制造（中型锻模) .(13) W18Cr4V是（高速）钢，碳质量分数是（0.70%以上) , W的主要作用是（保证高的热硬性) , Cr的主要作用是（提高淬透性) , V的主要作用是（形成颗粒细小、分布均匀的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒) 。

热处理工艺是(1220～1280℃淬火＋(550～570) ℃三次回火) ，最后组织是（回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体) .(14) 1Cr13是（马氏体型不锈）钢，可制造（抗弱腐蚀性介质、能承受冲击载荷的零件) .(15) 0Cr18Ni9Ti是（奥氏体型不锈）钢，Cr、Ni和Ti的作用分别是（提高钢基体的电极电位) 、(获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性）和（优先与碳形成稳定化合物，避免晶界贫铬，以防止晶间腐蚀) .(16) 灰口铸铁中碳主要以（石墨）的形式存在，可用来制造（一般机床底座、端盖、床身等) .(17) 球墨铸铁中石墨的形态为（球状) ，可用来制造（受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等) .(18) 蠕墨铸铁中石墨的形态为（蠕虫状) ，可用来制造（高层建筑中高压热交换器、汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件) .(19) 影响石墨化的主要因素是（加热温度、冷却速度）和（合金元素) .(20) 球墨铸铁的强度、塑性和韧性均较普通灰口铸铁高，这是因为（球墨铸铁的石墨呈球状) .(21) HT200牌号中“HT”表示（灰铁) ，数字“200”表示（最低抗拉强度为200MPa) .(22) 生产球墨铸铁选用（稀土镁）作为球化剂。

3. 是非题(1) T8钢比T12钢和40钢有更好的淬透性和淬硬性。

(错)(2) 调质钢的合金化主要是考虑提高其红硬性。

(错)(3) 高速钢需要反复锻造是因为硬度高不易成形。

(错)(4) T8钢与20MnVB相比，淬硬性和淬透性都较低。

(错)(5) 18-4-1 (W18Cr4V）高速钢采用很高温度淬火，其目的是使碳化物尽可能多地溶入奥氏体中，从而提高钢的红硬性。

(对)(6) 奥氏体不锈钢只能采用加工硬化提高强度。

(对)(7) 奥氏体不锈钢的热处理工艺是淬火后低温回火处理。

(错)(8) 铸铁可以经过热处理改变基体组织和石墨形态。

(错)(9) 可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工。

(错)(10) 石墨化的第三阶段不易进行。

(对)(11) 可以通过球化退火使普通灰口铸铁变成球墨铸铁。

(错)(12) 球墨铸铁可通过调质处理和等温淬火工艺提高其机械性能。

(对)4. 综合分析题(1) 说出Q235A、15、45、65、T8、T12等钢的钢类、碳质量分数，各举出一个应用实例。

答: 见表1-1. 表1-1钢牌号钢类碳质量分数应用实例Q235A碳素结构钢0.14%～0.22%钢筋、钢板、钢管等15优质碳素结构钢约0.15%冲压件及焊接件，经热处理后可制造轴、销等零件45优质碳素结构钢0.42%～0.50%齿轮、轴类、套筒等零件65优质碳素结构钢0.62%～0.70%弹簧T8碳素工具钢0.75%～0.84%冲头、凿子、锤子等工具T12碳素工具钢1.15%～1.24%锉刀、刮刀等刃具和量规、样套等量具(2) 为什么低合金高强钢用锰作为主要的合金元素？答: 我国的低合金结构钢基本上不用贵重的Ni、Cr等元素，而以资源丰富的Mn为主要元素。

锰除了产生较强的固溶强化效果外，因它大大降低奥氏体分解温度，细化了铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除了晶界上的粗大片状碳化物，提高了钢的强度和韧性，所以低合金高强钢用锰作为主要的合金元素。

(3) 试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。

答: 渗碳钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Ni、Mn等，以提高热处理后心部的强度和韧性; 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素如Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物，并增加渗碳层的硬度，提高耐磨性。

热处理特点是渗碳后直接淬火，再低温回火，得到的表面渗碳层组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，心部多数情况为屈氏体、回火马氏体和少量铁素体。

调质钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Mn、Ni、Si、B等，并可提高钢的强度，加入防止第二类回火脆性的元素如Mo、W；热处理特点是淬火（油淬）后高温回火，得到的组织是回火索氏体。

(4) 有两种高强螺栓，一种直径为10mm，另一种直径为30mm，都要求有较高的综合机械性能：σb≥800MPa, a k≥600kJ/m2。

试问应选择什么材料及热处理工艺？答: 在满足机械性能要求的基础上，工件的尺寸还决定所选材料的淬透性能。

对于直径为30mm的螺栓，选择40Cr，热处理工艺为850℃油淬，500℃回火；对于直径为10mm 的螺栓，选择40MnVB或40MnB代替40Cr，可节约Cr且达到基本要求，热处理工艺为850℃油淬，500℃回火。

(5) 为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素？为什么要进行中温回火？答: 硅元素的主要作用在于提高合金的淬透性，同时提高屈强比。

进行中温回火的目的在于获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度，弹性极限高，并有一定的塑性和韧性。

(6) 轴承钢为什么要用铬钢？为什么对非金属夹杂限制特别严格？答: 铬能提高淬透性，形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C，呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度，因此轴承钢以铬作为基本合金元素。

轴承钢中非金属夹杂物和碳化物的不均匀性对钢的性能，尤其是对接触疲劳强度影响很大，因为夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点，其危害程度与夹杂物的类型、数量、大小、形状和分布有关。

因此，轴承钢对非金属夹杂物限制特别严格。

(7) 简述高速钢的成分、热处理和性能特点，并分析合金元素的作用。

答: 高速钢的成分特点是: ①高碳，其碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.50%左右，它一方面能保证与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度；②加入Cr、W、Mo、V等合金元素。

加入Cr提高淬透性，几乎所有高速钢的铬质量分数均为4%。

铬的碳化物（Cr23C6）在淬火加热时差不多全部溶于奥氏体中，增加过冷奥氏体的稳定性，大大提高钢的淬透性。

铬还能提高钢的抗氧化、脱碳的能力。

加入W、Mo保证高的热硬性，在退火状态下，W、Mo以M6C 型碳化物形式存在。

这类碳化物在淬火加热时较难溶解，加热时，一部分碳化物溶于奥氏体，淬火后W、Mo存在于马氏体中，在随后的560℃回火时，形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。

这种碳化物在500～600℃温度范围内非常稳定，不易聚集长大，从而使钢具有良好的热硬性；未溶的碳化物能起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。

V能形成VC(或V4C3)，非常稳定，极难熔解，硬度极高（大大超过W2C的硬度）且颗粒细小，分布均匀，能大大提高钢的硬度和耐磨性。

同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。

热处理特点是1220～1280℃淬火＋(550～570) ℃三次回火，得到的组织为回火马氏体、细粒状碳化物及少量残余奥氏体。

性能特点是具有高硬度、高耐磨性、高热硬性、一定的塑性和韧性。

其在高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。

(8) W18Cr4V钢的A c1约为820℃，若以一般工具钢A c1＋(30～50)℃的常规方法来确定其淬火加热温度，最终热处理后能否达到高速切削刀具所要求的性能？为什么？其实际淬火温度是多少？答: 若按照A c1＋(30～50)℃的常规方法来确定W18Cr4V钢的淬火加热温度，淬火加热温度为850～870℃，不能达到高速切削刀具要求的性能。

因为高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V的难熔碳化物，它们只有在1200℃以上才能大量地溶于奥氏体中，以保证钢淬火、回火后获得高的热硬性，因此其淬火加热温度非常高，一般为1220～1280℃.(9) 不锈钢的固溶处理与稳定化处理的目的各是什么？答: 不锈钢固溶处理的目的是获得单相奥氏体组织，提高耐蚀性。

稳定化处理的目的是使溶于奥氏体中的碳与钛以碳化钛的形式充分析出，而碳不再同铬形成碳化物，从而有效地消除了晶界贫铬的可能，避免了晶间腐蚀的产生。