机械制造基础第5章碳素钢与合金钢

机械制造基础

复习与思考题

5-1 合金元素对铁碳合金相图有什么影响？这种影响有什么意义？

答：

1．改变了奥氏体区的范围

铜、锰、镍等这类合金元素使A3、A1温度下降，GS线向左下方移动，这类元素大都具有面心立方晶格，随着锰、镍含量的增大，会使相图中奥氏体区一直延展到室温下。

铝、铬、钼、钨、钒、硅、钛等，这类合金元素使A3和A1温度升高， GS线向左上方移动，如图5.3.1b所示。随着钢中这类元素含量的增大，可使相图中奥氏体区消失，此时，钢在室温下的平衡组织是单相的铁素体，这种钢称为铁素体钢。

2．改变Fe-Fe3C相图S、E点位置

大多数合金元素均能使S点、E点左移。共析钢中碳的质量分数就不是 c =0.77%，而是 c＜0.77%。出现共晶组织的最低碳的质量分数不再是 c =2.11％，而是 c＜2.11％。

例如，含 c=0.4%的碳钢原属亚共析钢，当加入 Cr=12%后就成了共析钢。又如含 c＝0.7％～0.8％的高速钢，由于大量合金元素的加入，在铸态组织中却出现合金莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。

5-2 合金元素对钢的热处理过程有何影响？试从加热冷却两方面加以说明。

答：1．合金元素对钢加热时转变影响

合金钢加热时奥氏体形成过程基本上与碳钢相同，但合金元素会影响奥氏体的形成速度，其主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度所致。

大多数合金元素（除钴，镍外），减缓了碳原子向奥氏体中的溶入与扩散速度，所以大大减缓奥氏体的形成过程。

2．合金元素对钢冷却转变的影响

(1)合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响 除钴外，大多数合金元素溶入奥氏体后降低原子扩散速度，使奥氏体稳定性增加，从而使C曲线右移。

由于合金元素使C曲线右移，故降低了钢的马氏体临界冷却速度，增大了钢的淬透性。

(2)合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响 除钴、铝外，大多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf降低，其中铬、镍、锰作用较强。

5-3为什么调质钢的碳含量均为中碳？合金调质钢中常含有那些元素？它们在调质钢中起什么作用？

答：调质钢碳的质量分数一般在 c=0．30％～0．55％之间，碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。

合金调质钢中常含有锰、铬、镍、硼，主要目的是增加钢的淬透性。全部淬透的零件在

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高温回火后可以获得均匀的综合力学性能。主加元素（除硼外）都有较显著强化铁素体的作用，并且当它们含量在一定范围时还可提高铁互体的韧性。

5-4 为什么常用弹簧钢在淬火后一般要中温回火？回火后的硬度大致是多少？

答：热成形弹簧钢在淬火后一般需要中温回火(350~500℃)处理，得到回火屈氏体，具有高的规定非比例伸长应力与疲劳强度，硬度一般为42HRC~48HRC。

5-5 对－（＋）字旋具（螺丝刀）性能有何要求？选择何种材料？要求硬度多少？ 答： 对－（＋）字旋具（螺丝刀）性能要求高的硬度、高耐磨性、足够的韧性和塑性 。 一般用的螺丝刀可以用碳钢做，材料T7，淬火+低温回火后硬度60HRC左右。

5-6 用9SiCr钢制成圆板牙，其工艺流程为：锻造→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨平面→开槽加工。试分析：

（1）球化退火、淬火及低温回火的目的。

答：球化退火目的：消除和改善锻造所造成的组织缺陷及内应力；使二次渗碳体及珠光体中片状渗碳体球状化，从而降低硬度，改善切削加工性。

淬火目的：得到马氏体组织，使圆板牙的强度、硬度提高。

低温回火目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火内应力。

（2）球化退火、淬火及低温回火的大致工艺参数。

答：球化退火大致工艺参数：780℃加热，炉冷

淬火大致工艺参数：830~860℃淬火加热温度，油冷

低温回火大致工艺参数：200℃回火，空冷

5-7高速钢经铸造后为什么要反复锻造？锻造后切削加工前为什么必须要退火？淬火温度选择在高温（1280℃）的目的何在？淬火后为什么需要经过三次以上回火？它在560℃回火是否是调质处理？

答：由于高速工具钢含有大量合金元素，故铸态组织出现莱氏体，属于莱氏体钢。其中共晶碳化物呈鱼骨状且分布很不均匀，造成强度及韧性下降。这些碳化物不能用热处理来消除，必须通过高温轧制及反复锻造将其击碎，并使碳化物呈小块状均匀分布在基体上。因此，高速工具钢反复锻造的目的不仅仅在于成形，更重要的是打碎莱氏体中粗大的碳化物。

因高速工具钢的奥氏体稳定性很好，经锻造后空冷，也会发生马氏体转变。为了改善其切削加工性能，消除残余内应力，并为最终热处理作组织准备，必须进行退火。

高速工具钢淬火加热温度为1270~1280℃，其目的是为了提高红硬性。由于高速钢的红硬性主要决定于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶入奥氏体中的合金元素量。对W18Cr4V钢，随着加热温度升高，溶入奥氏体中的合金元素量增加，为了使钨、钼、钒元素尽可能多地溶入奥氏体，提高钢的红硬性，其淬火温度应高。但加热温度过高时，合金碳

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化物溶解过多，阻碍晶粒长大因素减少，因此奥氏体晶粒粗大，剩余碳化物聚集，使钢性能变坏，故高速工具钢的淬火加热温度一般不超过1300℃。

为了消除淬火应力，减少残余奥氏体量，稳定组织，提高力学性能指标，则淬火后必须进行回火。由于W18Cr4V钢在淬火状态约有20％~25％的残余奥氏体，一次回火难于全部消除，经三次回火后即可使残余奥氏体减至最低量(第一次回火1h降到10％左右，第二次回火后降到3％~5％，第三次回火后降到最低量1％~2％)。

在560℃左右回火过程中，由马氏体中析出高度弥散的钨、钒的碳化物，使钢的硬度明显提高；同时残余奥氏体中也析出碳化物，使其碳和合金元素含量降低，Ms点上升，在回火冷却过程中残余奥氏体转变成马氏体使硬度提高达到64HRC ~66HRC，形成“二次硬化”。

所以在560℃回火不是调质处理。

5-8 1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17与Cr12、Cr12MoV钢中铬的质量分数均在12%以上，是否都是不锈钢？为什么？

答：1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17是不锈钢；

Cr12、Cr12MoV不是不锈钢，因为Cr12、Cr12MoV钢是碳的质量分数均大于1%，由于碳的质量分数高，使耐蚀性大大降低，故Cr12、Cr12MoV不是不锈钢。

5-9 奥氏体不锈钢和耐磨钢的热处理目的与一般钢的淬火目的有何不同？

答：一般钢的淬火目的：得到马氏体，提高材料的强度、硬度和耐磨性，再经回火后，使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。

奥氏体不锈钢热处理目的：水淬快冷至室温，即获得单相奥氏体组织，提高钢的耐蚀性。 耐磨钢热处理目的：在水中急冷，防止碳化物析出，获得均匀的、单一的过饱和单相奥氏体组织。强度、硬度并不高，而塑性、韧性却很好。但是，当工作时受到强烈的冲击或较大压力时，则表面因塑性变形会产生强烈的冷变形强化，从而使表面层硬度提高到500HBW~550HBW，因而获得高的耐磨性，而心部仍然保持着原来奥氏体所具有的高的塑性与韧性，能承受冲击。

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