工程材料大作业题目及答案

工程材料大作业题目及答案

机电13级

1.现有下列零件及可供选择的材料,给各零件选择合适的材料,并选择合适的最终热处理方法(或使用状态). 零件名称:自行车架,连杆螺栓,车厢板簧,滑动轴承,变速齿轮,机床床身,柴油机曲轴. 可选材料:60Si2Mn,ZQSn6-6-3,QT600-2, T12A, 40Cr, HT200, 16Mn, 20CrMnTi.

答：自行车架：16Mn 焊接连杆螺栓：40Cr 最终热处理方法：调质；车厢板簧：60Si2Mn 最终热处理方法：淬火+中温回火；滑动轴承：ZQSn6-6-3 使用状态：铸造；变速齿轮：20CrMnTi 最终热处理方法：渗碳后淬火、低温回火；机床床身：HT200 最终热处理方法：去应力退火；柴油机曲轴：QT600-2 最终热处理方法：等温淬火。

2.拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：锻造—热处理—机加工—热处理—磨加工（1）试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作用；（2）指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；（3）制定最终热处理工艺规定（温度、冷却介质）

答：（1）球化退火，作用：利于切削加工。得到球状珠光体，均匀组织，细化晶粒，为后面淬火处理作用组织准备。淬火+低温回火，作用：使零件获得较高的硬度、耐磨度和韧性，消除淬火内应力，稳定组织和尺寸。（2）显微组织：M回+Cm，大致硬度：60HRC （3）工艺规定：760℃水淬火+200℃回火

3.某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有良好的韧性（Ak>40J），原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明：（1）原45钢各热处理工序的作用；（2）改用15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？（3）改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺？

答：（1）原45钢各热处理工序的作用：凸轮轴要求整体抗冲击，凸轮部分要耐磨，所以整体调质处理，凸轮表面高频淬火处理提高表面硬度。（2）不能，表面硬度不够（3）表面要渗碳处理

4.某汽车齿轮选用20CrMnTi材料制作，其工艺路线如下：

下料——锻造——正火①切削加工——渗碳②淬火③低温回火④喷丸——磨削加工。请分别说明上述①、②、③和④项热处理工艺的目的及组织。

答：①调整硬度②细化晶粒③获得马氏体④消除或减少淬火内应力，稳定工件尺寸。①正火：对于低、中碳的亚共析钢而言，正火的目的是调整硬度，便于切削加工，细化晶粒，提高力学性能，为淬火作组织准备，消除残作内应力，防止在后续加热或热处理中发生开裂或形变。使用组织为：铁素体加索氏体。②渗碳：提高工件表面硬度、耐磨性及其疲劳强度，同时保持工件心部良好的韧性和塑性。使用组织：表层为高碳回火马氏体+颗粒碳化物+少量残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体+铁素体。③淬火：获得马氏体组织，提高工件的硬度，获得相应的力学性能。使用组织：淬火马氏体。④低温回火：减少或消除淬火内应力，稳定工件尺寸，获得工艺所要的力学性能。使用组织：回火马氏体。

对20CrMnTi的研究

20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。

特性及适用范围：

是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。是18CrMnTi 的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。

化学成份

碳C：0.17～0.23

硅Si：0.17～0.37

20CrMnTi

20CrMnTi

锰Mn：0.80～1.10

铬Cr：1.00～1.30

硫S：允许残余含量≤0.035

磷P：允许残余含量≤0.035

镍Ni：允许残余含量≤0.030

铜Cu：允许残余含量≤0.030

钛Ti：0.04～0.10

力学性能：

20CrMnTi

20CrMnTi

抗拉强度σb (MPa)：≥1080(110)

屈服强度σs (MPa)：≥835(85)

伸长率δ5 (%)：≥10

断面收缩率ψ(%)：≥45

齿轮钢成品图

齿轮钢成品图

冲击功Akv (J)：≥55

冲击韧性值αkv (J/cm2)：≥69(7)

硬度：≤217HB

试样尺寸：试样毛坯尺寸为15mm

●20CrMnTi密度:7.8×103kg/m3

弹性模量:207GPa

泊松比:0.25

导热率:1.26×10-5（1/℃）

热处理规范及金相组织：

热处理规范：淬火:第一次880℃,第二次870℃,油冷;回火200℃,水冷、空冷。

详细的热处理规范与力学性能:

试样毛坯尺寸/mm: 15

20CrMnTi圆钢

20CrMnTi圆钢

热处理|淬火|加热温度/℃|第一次淬火: 880

热处理|淬火|加热温度/℃|第二次淬火: 870

热处理|淬火|冷却剂: 油

热处理|回火|加热温度/℃: 200

热处理|回火|冷却剂: 水、空

力学性能|抗拉强度σb/MPa|≥: 1080

力学性能|屈服点σs/MPa|≥: 850

力学性能|伸长率δ5(%)|≥: 10

力学性能|面缩率ψ(%)|≥: 45

力学性能|冲击吸收功AKV/J|≥: 55

交货状态硬度HBS|≥: 217

●热处理规范及金相组织：

热处理规范：淬火:第一次880℃,第二次870℃,油冷;回火200℃,水冷、空冷；

金相组织：回火马氏体。

●交货状态：以热处理（正火、退火或高温回火）或不热处理状态交货，交货状态应在合同中注明。

●20CrMnTi的密度及弹性模量：

密度:7.8×103kg/m3弹性模量:207GPa泊松比:0.25导热率:1.26×10-51/℃

●20CrMnTi正火

20CrMnTi正火，20CrMnTi钢材在加热860℃保温速冷到680℃保温后空冷的等温正火工艺与加热960℃保温后雾冷的高温正火工艺，两种工艺相对比不同之处及作用.

表示方法

①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr、25Cr2MoVA合金管②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量<1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字"1"，例如钢号"12CrMoV"和"12Cr1MoV"，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。

③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。

④高级优质钢应在钢号最后加"A"，以区别于一般优质钢。

⑤专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。

合金管与无缝管两者既有关系又有区别，不能混为一谈。

合金管是钢管按照生产用料（也就是材质）来定义的，顾名思义就是合金做的管子；而无缝管是钢管按照生产工艺（有缝无缝）来定义的，区别于无缝管的就是有缝管，包括直缝焊管和螺旋管。