《金屬學及熱處理》-郭海華 習題及解答 - 第7-10章

習題7（鋼）

1.試比較20CrMnTi與T1C鋼的淬透性和淬硬性.

20CrMnTi比T10的含碳量更低，合金元素含量更高，因此淬透性更好，但淬硬性更低。

2.試述滲碳鋼的合金化作用及熱處理特點.

（1）合金化作用：以典型的20CrMnTi為例，合金元素含量越高，鋼的淬透性越好，

淬火變形愈??；其中Cr、Mn元素還可以強化鐵素體，提高鋼的強度；Cr、Ti能形成穩(wěn)

定、細小、彌散的合金碳化物，可提高零件表面滲碳層的耐磨性。

（2）熱處理特點：熱處理是滲碳、淬火及低溫I可火。為了保證心部有足夠韌性，采用

低碳鋼；淬火有直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法，可以根據(jù)實際需求合理選擇。如

果要保證心部獲得足夠的低碳回火馬氏體以獲得較高的強度，要注意鋼的淬透性；由于滲

碳淬火表層的馬氏體比容大于心部比容，使表層為壓應力狀態(tài)，滲璇鋼還具有較高的疲勞

抗力。

3.為什么調(diào)質(zhì)鋼多為中碳鋼？調(diào)質(zhì)鋼中主要含有哪些合金元素？它們在鋼中的作用是什么？

（1）調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學性能。基于這樣的性能需求調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般為

0.25%?0.5%。含碳量過低，碳化物數(shù)量不足，第二相強化作用小，強度不足；含碳量過

高則韌性不足。

（2）調(diào)質(zhì)鋼中常加入Cr、Mn、Ni等元素，以提高鋼的淬透性、減小零件的淬火變

形、固溶強化鐵素體；加入少量Mo、V等元素能形成穩(wěn)定的合金碳化物，以細化奧氏體

晶粒、提高鋼回火穩(wěn)定性，進一步提高鋼的強度、硬度和韌性。

4.簡述刀具對鋼的性能要求；并比較碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼的性能特點，分析

三類鋼各適合于制作什么樣的刀具.

（1）刃具鋼切削時承受著壓力、彎曲力和強烈的摩擦力，因切削發(fā)熱，刃部溫度可達

500-600℃,此外，還承受一定的沖擊和震動。因此，刃具鋼應具有高硬度，一般在

60HRC以上；高熱硬性，即在高溫下保持高硬度的能力；足夠的韌性，防止刀具斷裂和崩

刃。

（2）碳素工具鋼：高硬度高耐磨，熱硬性低，工作溫度約200℃,適合手工低速切削軟

材料的刀具，如鋰刀、木工刀具等；

低合金刃具鋼：高硬發(fā)高耐磨，熱硬性有所提高，工作溫度約300C,適合低速機用切

1

削較硬材料的刀具，如低速切削鋁、銅、軟鋼等材料的車刀、銃刀、刨刀等；

高速鋼：高硬度高耐磨，熱硬性進一步提高，工作溫度約600C,適合高速機用切削硬

材料的刀具，如各類高速詵刀、鉆頭等。

5.(1)請說明W18Cr4V鋼中各合金元素的作用是什么？12)有人說“由于高速鋼含有大量合

金元素，故淬火后其硬度比其他工具鋼高，正是由于硬度高才適合高速切削”這種說法是否

正確，為什么？

(1)W、Cr、V在淬火過程中完全溶解在馬氏體中，在其后的560C回火時，從馬氏體中

彌散析出大量高硬度碳化物，從而產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，使鋼獲得高硬度(65HRC)和高熱硬

性(600℃)o其次，合金碳化物在淬火加熱時極難溶解，具有細化晶粒改善韌性，同時提

高耐磨性的作用：合金元素還有提高鋼淬透性，減少淬火變形的作用。

(2)說法錯誤，錯誤有2處：首先鋼淬火后的硬度主要取決于鋼的含碳量，基本與合

金元素無關(guān)：其二：只是硬度高還不能用于高速切削，還需要鋼具有好的熱硬性。

6.按要求填表

材料類別劃線部分含義最終熱處理工藝典型應用

08F冷沖壓鋼沸騰鋼退火、正火儀表板、汽車駕駛室蓋板

Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服強度最小值一般不需熱處理建筑、橋梁、汽車構(gòu)件

20Cr合金滲碳鋼wc0.2%滲碳+淬火+低回拖拉機齒輪、活塞銷

40Cr-合金調(diào)質(zhì)鋼wcQ0.4%調(diào)質(zhì)十表淬十低回機床齒輪、軸；連桿、螺栓

65Mn碳素彈簧鋼本身含鎰量較高淬火+E溫回火沙發(fā)彈簧、發(fā)條

T10A碳素工具鋼高級優(yōu)質(zhì)淬火+低溫回火鋸條、小型冷作模具

GCrl5Wc產(chǎn)1.5%滾動軸承鋼淬火+低溫回火軸承、量具

9SiCrvvc0.9%低合金刃具鋼淬火+低溫回火絲錐、板牙、鉆頭、冷沖模

Crl2MoVWc產(chǎn)12%冷作模具鋼淬火+多次高回鋼板沖裁模、銅板引深模、鋁

或：淬火+低回材冷擠模

5CrNiMovvc^0.5%熱作模具鋼淬火+高溫回火熱鍛模

或：淬火+中回

W18Cr4V18%高速鋼淬火+多次高回高速銃刀、鉆頭、絲錐等

12Crl8Ni90.12%奧氏體不銹鋼淬火+高溫回火化工設(shè)備、管道、醫(yī)療器械

7.工藝分析與應用.

2

(1)直徑為25mm的40CrNiMo棒料毛坯,經(jīng)正火后硬度高很難切削加工，這是什么原因?

設(shè)計一個最簡單的熱處理方法以提高其可加工性.

該鋼因為含有較多的合金元素，淬透性好，經(jīng)正火空冷時，可以獲得硬度很高的馬氏體

組織導致難以切削。

可采用退火緩冷。

(2)鉗工用廢的鋸條(T8J10A)燒紅(600或800C)后空冷即可變軟，而機用鋸條(W18CMV)

燒紅900C后空冷卻仍然相當硬，為什么？

T8、T1OA：

經(jīng)淬火+低回使用，M1熱硬性約200c投入使用；

600°C：M=S，硬度下降；

800℃：MJA-S,硬度下降。

W18Cr4V：

經(jīng)淬火+多次高回后，M，熱硬性約600C投入使用；

900eC：M，-A,碳化物未完全溶解；

因淬透性好，空冷可淬火A一M；

最終組織：M上分布著未溶高硬度的合金碳化物一硬度高。

(3)某廠在用Crl2型鋼制造冷作摸具時，采用了用原材料直接進行機械加工，熱處理后送

交使用的工藝，經(jīng)使用后用戶反映壽命一般都比較短。改進后的措施是將毛坯充分鍛造，使

得模具壽命明顯提高，這是什么原因？

Crl2型鋼由于合金元素多，使Fe-Fe3c相圖中的E點左移成為萊氏體鋼，鑄態(tài)組織

中含有大量粗大的魚骨狀共晶萊氏體(以共晶碳化物為主的組織)，硬度高，脆性大，如

在材料中存在大顆粒、帶狀或網(wǎng)狀等萊氏體，就會顯著降低鋼的強度、韌性，很易引起刀

具崩刃和脆斷。這些共晶碳化物來自于液體結(jié)晶，不能用熱處理方法消除，需采用鍛造，

反復徼粗、拔長，以破碎碳化物，使其呈小顆粒均勻分布。

(4)下列零件或構(gòu)件要求材料具有哪些主要性能？應選用何種材料(寫出典型材料牌號)，

應采用何種熱處理？

①大橋鋼結(jié)構(gòu)Q345出廠時已正火處理

②汽車齒輪20CrMnTi滲碳+淬火+低溫回火

③鋒床鐐桿38Cr\loAlA調(diào)質(zhì)+滲氮

④汽車發(fā)動機氣閥彈簧50CrVA淬火+中溫回火

⑤凸輪軸40Cr調(diào)質(zhì)

3

⑥收割機刀片T10A或9SiCr淬火+低溫回火

⑦汽輪機葉片20Crl3淬火+高溫回火

⑧硫酸、硝酸容器06Crl8NillTi固溶處理

習題8（鑄鐵）

1.鑄鐵和碳鋼相比，在成分、組織和性能上有什么主要區(qū)別？

成分：碳鋼0.WcW2.11%,鑄鐵含碳量更高：yvc>2.11%；

組織：碳鋼F+Fe3c（少）鑄鐵：F+Fe3c（多）

或：F+G、P+G、F+P+G

性能：鑄鐵因為組織中存在更多的Fe3C,具有硬度高、耐磨性更好的特點，但其強

度、塑性、韌性、疲勞抗力均比鋼更低。

2.C、Si、Mn、P、S元素對鑄鐵石墨化有什么影響？為葉么三低（C、Si、Mn低）一高（S

高）的鑄鐵易出現(xiàn)白II?

（I）C和Si對鑄鐵石墨化起決定性作用，是強烈促進石墨化的元素，C、Si含量

越高，石墨化越容易進行。Si對石墨化影響大約為C的三分之一。P是微弱促進石墨化

的元素。但由于鑄鐵中含P量低，對石墨化的影響并不顯著。S是強烈阻礙石墨化的元

素，它促使鑄鐵出現(xiàn)白口組織。Mn是阻礙石墨化的元素，但由于Mn能部分抵消S的

有害影響，可以間接起到促進石墨化的作用。

（2）因此，促進行墨化的元素C、Si以及Mn含量越低，強烈阻礙石墨化的S高，

石墨化越不容易進行，也就是易出現(xiàn)白口了。

3.石墨形態(tài)是影響鑄鐵性能特點的主要因素，試分別比較說明不同的石墨形態(tài)對灰鑄鐵和

球墨鑄鐵力學性能及熱處理工藝的影響。

鑄鐵中最常用的是灰口鑄鐵，其中石墨形態(tài)主要有片狀（灰鐵）、團絮狀（可鍛鑄鐵）、

球狀（球墨鑄鐵）等，在石墨總數(shù)量相當?shù)那闆r下，鑄鐵的性能主要受石墨形態(tài)的影響。

灰鑄鐵的石墨呈片狀，它引起的應力集中程度最大，球墨鑄鐵中石墨呈球狀，應力集中

4

程度最小，對基體的割裂作用也最?。ㄏ嗤w積的條件下，球形的表面積最?。?。因此，

球鐵比灰鑄鐵具有更高的強度和韌性?？慑戣T鐵介于二者之間。

熱處理僅能改變鑄鐵基體組織，不能改變石墨形態(tài)，因此它對灰鑄鐵力學性能的

改善是有限的，灰鑄鐵常用的熱處理有退火、自然時效、表面熱處理。由于球墨鑄鐵石

墨對基體影響大為減少，通過熱處理可使基體組織充分發(fā)揮作用，球快擁有與鋼相似的

多種熱處理，有退火、正火、調(diào)質(zhì)、等溫淬火等，可以獲得不同性能滿足不同的應用需

求。

4.在灰鑄鐵石墨化過程中，若第一、第二階段完全石墨化，第三階段石墨化完全進行、部

分進行、沒有進行時，分別獲得什么組織的鑄鐵？

當?shù)谌A段石墨化

完全進行時：鐵素體十石墨；

部分講行時：鐵素體+珠光體+石墨

沒有進行時：珠光體+石墨。

5.球墨鑄鐵的性能特點及用途是什么？

球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，球狀石墨對基體的割裂作用和應力集

中作用更小，與片狀石墨和團絮狀石墨相比，球墨鑄鐵的力學性能最好，基體強度的利用率

高達70%?90%,球墨鑄鐵可與相應基體組織的鑄鋼相媲美，對于承受靜載荷的零件，用球

墨鑄鐵代替鑄鋼，特別利于形狀更雜零件的成型。寧可鍛鑄鐵相比，還具有生產(chǎn)周期短、不

受鑄件尺寸限制等特點。球墨鑄鐵中的石墨球愈小、愈分散，球墨鑄鐵的強度、塑性、與韌

性愈好。球墨鑄鐵還具有其他的優(yōu)良性能，如鑄造性能'減摩性、切削加工性等。

球墨鑄鐵能通過各種熱處理改變其性能。主要用于各種曲軸、凸輪軸、連接軸、連

桿、齒輪、離合器片、液壓缸體等零部件。

6.和鋼相比，球墨鑄鐵的熱處理有什么異同？

鋼的組織本質(zhì)上是以鐵素體為基體，混合滲碳體或其他碳化物構(gòu)成，這些碳化物都

是從奧氏體中首先析出之后形成的，組織中沒有從液體直接結(jié)晶形成的碳化物，所以熱

處理即可改變基體，也可改變其中碳化物的形態(tài)和分布。

球墨鑄鐵是灰口鑄鐵中的一種，它的組織本質(zhì)上是鋼的基體+球狀石墨，而灰口

鑄鐵是第一階段、第二階段均石墨化的鑄鐵，其中第二階段從奧氏體中析出的石翠相對

較少，因此，直接從液體中形成的石墨（一階段）更多，這些石墨的形態(tài)、分布是不能

通過熱處埋改變的。因此，球鐵的熱處理主要是改變基體的熱處理。

5

7.HT200、HT350、KTH300-06.QT400、QT600各是什么鑄鐵？各具有什么樣的基體和石墨

形態(tài)？說明它們的力學性能特點及用途。

HT200是灰鑄鐵，基體為珠光體，粗大的片狀石墨。其抗拉強度不低于200MPa,

用于承受大載荷和較重要的零件，如氣缸體、齒輪、齒輪箱、機座、飛輪、缸套、活塞、

聯(lián)軸器、軸承座等。

HT350為孕育灰鑄鐵，基體為珠光體，細小的片狀石墨。其抗拉強度不低于

350Mpa,用于承受高載荷的重要零件，如重要設(shè)備床身、機座、受力較大的齒輪、凸輪、

高壓油缸、滑閥殼體等。

KTH300-06為黑心可鍛鑄鐵，基體為鐵素體，團絮狀石墨。其抗拉強度不低于

300MPa,伸長率不低于6%,用于穹頭、三通管件，中低壓閥門等。

QT400為球墨鑄鐵，基體為鐵素體，球狀石墨。其抗拉強度不低于400MPa,用于

承受沖擊、振動的零件,如汽車、推折機的輪轂、郭動橋克、梯叉，壓縮機高低壓勺缸，

電機外殼，齒輪箱、機器底座、電動機架等。

QT600為球墨鑄鐵，基體為珠光體+鐵素體，球狀石墨。其抗拉強度不低于600MPa,

用于承受大載荷、受力復雜的零件，如汽車、拖拉機的曲軸、連桿、凸輪軸，部分磨床、

銃床的主軸，小型水輪機主軸等。

習題9（有色金屬及硬質(zhì)合金）

1.填空題

（1）根據(jù)鋁合金的成分、組織和工藝特點，可以將其分為變形鋁合金與鑄造鋁合金

兩大類。

（2）將鋁合金進行固溶處理以獲得過飽和固溶體，通過」過程獲得細小彌散分布的

第二相，使母相產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯運動，引起強度和硬度顯著增高。

（3）超硬鋁合金具有良好的熱塑性，但疲勞性能較差,耐熱性和耐蝕性也不高。

（4）鑄造鋁硅合金ZAlSi12的組織為粗大針狀的硅晶體，通過變質(zhì)處理細化組

織，可顯著提高合金強度和塑性。

（5）鍍青銅能通過固溶處理和人工時效進行強化,以獲得高的彈性極限、疲勞抗

力和耐蝕性、耐磨性及耐低溫特性。

6

（6）在鎂合金中加入合金元素提高合金的強度、耐蝕性（或耐熱性）等性能;通過

固溶處理+時效處理的熱史理強化提高強度。

（7）鈦在882c時會進行a-Ti向BTi的轉(zhuǎn)變，晶格類型從密排六方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心

立方品格。

（8）a+6型鈦合金兼具a型鈦合金和B型鈦合金的優(yōu)點，強度高，塑性好，具有良好

的熱強性、耐蝕性和低溫韌性，其中應用最為廣泛的是TC4.

（9）變形鋁合金按能否熱處理強化可以分為可熱處理鋁合金和不可熱處理鋁合

金_。

（10）銅合金按成形方法分類變形銅合金和鑄造銅合金。

（11）常見軸承合金根據(jù)主要成分可分為名基—軸承合金、鉛基軸承合金和鋁基軸

承合金。

2.簡答題

（1）何種鋁合金宜采用時效強化？何種鋁合金宜采用變形強化？

硬鋁合金及超硬鋁合金采用時效強化，防銹鋁合金采用變形強化。

（2）變形鋁合金包括哪兀類？航空發(fā)動機活塞、飛機大梁、飛機蒙皮應選用哪種鋁合金？

我國傳統(tǒng)變形鋁合金的分類方法是依據(jù)其性能特點來分的，分為四類，即防銹鋁合金、

硬鋁合金、超硬鋁合金和鍛鋁合金。

航空發(fā)動機活塞：骰造鋁合金

飛機大梁：超硬鋁合金

匕機蒙皮：硬鋁合金

（3）脫溶是一些合金時效強化過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象,試說明脫溶過程的析出相轉(zhuǎn)變過程步驟，

并說明合金的性能的變化，

時效脫溶簡稱時效，固溶體自高溫急冷到固態(tài)溶解度曲線以下，由于冷卻速度快，第

二相（如鋁合金B(yǎng)相）米不及析出，形成了過飽和固溶體，然后在較低的溫度下這種不穩(wěn)定

的過飽和固溶體將逐漸向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著時間變化發(fā)生脫溶分解。隨時效溫度和固溶體

合金成分的不同，時效脫溶過程中會析出各種彌散分布的亞穩(wěn)定沉淀相（如鋁合金6”相），

這種亞穩(wěn)定沉淀相與母相共格或局部共格，使母相產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯運動，引起強度

和硬度顯著增高，但塑性、韌性則降低。時效脫溶是一種金屬的強化方法，也稱時效強化或

沉淀硬化。

（4）下列零件分別應選攔哪種銅合金：彈殼、鐘表齒輪、高級精密彈黃、發(fā)動機軸承？

7

彈殼：普通黃銅H68

鐘表齒輪：特殊黃銅HA159-3-2

高級精密彈簧：鋁青銅QA17、鍍青銅QBe2

發(fā)動機軸承：特殊黃銅HPb59-1、鍍青銅QBe2

習題10（機械零件選材及工藝路線分析）

1.以你在金工實習中用過的幾種零件或工具為例，簡要說明它們的選材方法。

榔頭：T7\T8沖擊力大含碳量相對最低；

鋸條：T10沖擊力相對更小含碳量相對更高一些；

鏗刀：T12\T13沖擊力相對進一步減小，含碳量相對最高。

2.有一根45鋼制造的軸,使用過程中出現(xiàn)磨損，表面組織為M回+T,硬度約45HRC,心部

組織為F+S,硬度約20HRC,其制造工藝為:

鍛造一正火一機械加工一高頻表面淬火（油冷）一低溫呵I火一機械精加工

試分析其磨損原因，提出改進辦法。

磨損主要是表面硬度不夠，45鋼經(jīng)淬火和低溫回火后硬度可達55HRC左右。究其原

因是表面組織中除了M網(wǎng)外還有一部分T,這是淬火冷速不夠造成的。在油冷狀態(tài)下，由于

45鋼是碳素鋼，淬透性不高，冷卻時只有最外層冷速大于材料臨界冷速Vk獲得了馬氏體（經(jīng)

低溫回火為\1日），表層其余組織為T。

改進辦法是調(diào)節(jié)好高頻淬火頻率控制好加熱深度，然后采用水冷。

如果還不能滿足使用要求，還可以換成滲碳鋼，將表層最終硬度提高到60HRC左右。

3.某結(jié)構(gòu)復雜的熱作模具，其硬度要求為50?55HRC,試選用合適的材料，確定其加工工藝

流程并加以說明其中熱處理的作用。

熱作模具因為在高溫下工作，材料必須具有高的熱硬性，而高的熱硬性是通過高溫回火

來獲得的（500?650℃）；熱作模具因為要提高熱疲勞抗力的原因，含碳最不能過高，一般

為中碳范圍（一般卬c-0.3?0.5%）。因此硬度50?55HRC屬于高硬度要求。

為獲得此高硬度要求，首先要選擇熱作模具中的高含碳量，其次，材料中應含有充分的

產(chǎn)生二次硬化的合金元素，如W、Mo、V等。

其次，考慮到是“結(jié)構(gòu)復雜的熱作模具”，其對淬透性的要求高（以保證低的變形度和

8

高精度）、變形抗力要求也高。應該選擇含有有效提高淬透性的元素，如：Cr、M。等。

綜上，可選擇高合金熱作模具鋼4Cr3Mo3W4VNb。

4.按表中所列工件在備選材料中選擇合適的材料，