课堂讨论题、大作业及其要求

《金属材料学》课堂讨论大作业及其要求

（一） 课题讨论要求与方法

1、课题讨论目的

课题讨论是教学中的一个重要环节。通过对讲课中的一些重点、难点的讨论，使学生进一步掌握课程的重点、基本概念、基本原理。

通过课堂讨论，消化和巩固课程的理论知识，使学生得到进一步的总结和提高；同时对以前学过的专业基本知识也进一步得到复习和巩固，使学生对专业知识建立一个宏观而系统的概念，为专业课程设计作准备。

通过课堂讨论过程，培养和锻炼学生分析问题和解决问题的能力；训练学生答辩和陈述的能力。 当然，选材和制定工艺是一项比较复杂的技术工作。在实际工作中要做到合理正确地选材料和制定工艺，除了应掌握必要的专业理论知识外，还需要具有丰富的实践经验，并且要善于全面综合地考虑各方面有关的问题作出正确的分析判断。因此，课题讨论中所涉及的选材和制定工艺的问题只是使学生进行初步的练习，重要的是培养学生掌握分析问题和解决问题的思路和方法 。 2、课题讨论要求和方法

将学生分成若干个小组，每个小组负责一题；

讨论前，学生应根据题意，复习有关课程的内容，查阅有关资料；小组的同学要进行充分的讨论，认真进行分析。每个学生各自全面而详细地以小论文的形式写出题解；

课堂讨论时，每组选派一名代表作发言，讲述后，由其他学生提出问题，进行答辩； 最后，由教师或学生进行总结；

课堂讨论结束，每个学生对自己原来所写的内容进行修改和补充，作为一次小论文形式的大作业交给教师批阅评分。

（二） 课题讨论题

1、对比分析各类机器零件用钢的成分、工艺特点、组织、性能和用途，试以40Cr、20CrMnTi、60Si2Mn、GCr15为典型代表分别阐述。

2、对比分析工具钢的成分、工艺特点、组织、性能和用途，试以T10、5CrNiMo、CrWMn、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2为典型代表分别阐述。

3、汽车变速箱齿轮是汽车中的重要零件。通过它来改变发动机曲轴和传动轴的速度比。它们经常在较高的载荷下（包括冲击载荷和交变弯曲载荷）工作，磨损比较大；在运动中，由于齿根受到突然变载的冲击力及周期性的变动弯曲载荷，会造成轮齿的断裂或疲劳破坏；由于齿轮工作面承受比较大的压应力和摩擦力，会使齿面产生接触疲劳破坏及深层剥落。因此，齿轮在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面要求比较高。现有一汽车变速箱齿轮，齿面硬度要求为58-63HRC，齿心部硬度要求为33-45HRC，其余力学性能要求为：σS≥850MPa ,σ-1 ≥440MPa ,AKV ≥65J 。试从下列材料中选择制造该齿轮的钢号，写出工艺流程，制订有关的热处理工艺，并分析各热处理工艺的目的及相应的金相组织。

38CrMoAlA , 20CrMnTi , 20 , 40Cr 。

4、汽车钢板弹簧（如题4图）在汽车行驶过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，

1

绝大多数是疲劳破坏。其性能要求为σ

0.2

≥1160MPa , σb≥1280MPa ,δ10 ≥5% ,ψ≥25% 。而且，同

样材料处理是否正确，其寿命相差也很大。

1）在下列材料中选择合适的钢号：20Cr、40CrNiMo、60Si2Mn、65Mn； 2）对所选材料进行成分、组织、性能分析； 3）制定合理的热处理工艺，并作分析； 4）分析影响板弹簧寿命的主要因素。

题4图 一般汽车钢板弹簧形状

5、某型号柴油机凸轮轴，要求凸轮硬度≥50 HRC，心部具有良好的韧度，AKV ≥40J 。原采用45钢调质，再在凸轮表面高频淬火，最后低温回火。

1）说明45钢各热处理工艺及其作用；

2）能否用20钢代替45钢? 若能用20钢制造，仍用原工艺能否满足性能要求? 为什么? 3）为满足凸轮轴性能要求，改用20钢制造后应采用什么工艺? 并分析。

6、有一直径为Φ25mm的精密机床主轴。该主轴是在滑动轴承中工作，因而轴颈表面应有较高的硬度，50-55 HRC，以使其不易磨损，保证精度；该主轴在工作时受力较复杂，所以轴的各部分沿横断面的性能应均匀一致，以保证有一定的耐疲劳性，硬度为220-255HB。该主轴经最终热处理后的力学性能应为：σb≥900MPa , AKV ≥40J。

1）在45、40Cr、40CrNiMo、20Cr等钢中选择何种钢为好? 为什么? 2）制定热处理工艺，并分析讨论。

7、有一中型热锤锻模，形状比较复杂，锻坯生产批量大；在工作时承受强大的冲击力；工作时由于金属的流动，有很大的摩擦；整个工作过程是在较高温度下进行，整个模具温度一般能达到350-400℃；为使模具温度不至太高，要经常用介质冷却。常见的失效形式有型腔磨损、模腔塌陷、表面龟裂，严重时，整个模具开裂。该模面硬度要求38-41 HRC，模尾硬度要求34-39 HRC。

1）选择合适的材料，并分析说明理由； 2）制订热处理工艺，并讨论； 3）对常见的失效形式进行分析讨论。

8、归纳总结高速钢的成分、工艺、组织和性能特点，着重分析讨论以下几个问题： 1）分析高速钢中常用合金元素Cr、W、Mo、V的作用及含量； 2）对高速钢进行锻造的目的与要求，如锻造不当，会带来什么后果；

2

3）热处理工艺特点（包括预热、淬火加热温度、淬火保温时间、分级淬火、回火工艺等），并说明其理由；

4）分析热处理后的最终组织，说明合金元素的分布状况； 5）分析比较W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢的优缺点。

9、冷冲压模具是目前冷作模具中使用最广泛的一种。冷冲压模在工作时要承受强大的剪切力、压力、冲击力和摩擦力。因此，模具表面应有很高的强度、耐磨性、疲劳强度及足够的韧度。另外，为使产品形状尺寸准确、质量稳定，又要求整个工作表面性能均匀。一般是因磨损而使产品形状尺寸不合格，也可能因热处理不当而失效：如模具强度不足而被镫粗，模具脆性大导致刃口剥落，甚至开裂而过早失效。

现有硅钢片凹模，其尺寸为160×110×60mm。是用来冲制0.3mm厚的硅钢片。其技术要求：硬度58-62HRC，高耐磨性，热处理变形要特别小。在生产上一般选用Cr12MoV钢制造。

1）对Cr12MoV钢进行材料分析，以此说明选用该钢的理由； 2）确定合适的工艺流程，并对其中的热处理工艺进行分析说明； 3）如以Cr12、Cr6WV钢制造，试分别与Cr12MoV钢比较各自的优缺点。

10、某工厂生产精密丝杠（6级），尺寸为Φ45×800 mm。要求热处理后变形小，尺寸稳定，表面硬度54-58 HRC。用CrWMn钢制造，其工序为：热轧钢下料 →球化退火 →粗加工 →淬火 →低温回火 →精加工 →时效 →精磨。

1）试分析用CrWMn钢制造的原因；

2）从服役条件、性能要求、显微组织要求等方面来分析上述工艺安排能否达到要求。如有问题，应该如何改进。

3）能否用9Mn2V钢制造，说明理由。

（三） 大作业（小论文）范例

题目：圆板牙是用来加工外螺纹的（图略），其特点是刃部比较薄且在内部，切削工作温度不高，并不要求高的红硬性，但是其螺距及内孔要求变形小，刃部不得脱C。此外，工作时受扭矩较大。某圆板牙的技术要求为60-63HRC。螺孔中径尺寸要控制在规定的范围内。

1、根据圆板牙服役条件，分析其性能要求；

2、试在下列材料中选用合适的钢号：T12、CrWMn、W18Cr4V、9SiCr、GCr15； 3、制订热处理工艺规程，并分析。

圆板牙选材及工艺制订

（ ×××班级 ×××）

1、圆板牙的服役条件及技术要求

作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬； 螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小； 由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，寿命长；

圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。

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2、圆板牙选材分析

T12是碳素工具钢，含1.15-1.24%C。这样的高C能保证淬火后有高的硬度和较多的碳化物，以满足耐磨性和淬硬性的要求。根据圆板牙的性能要求知，T12钢不能满足热处理变形小（由于其淬透性差，需急冷而变形大）和韧度较好的要求。因此，T12钢不符合要求。

W18Cr4V是高速钢。最主要的特点是红硬性高，适用于在600℃工作温度下仍能保持其切削性能的高速切削场合。该钢的碳化物比较多，并且相对来说比较粗大，均匀性也难以达到最佳状态。对圆板牙这样薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，并且该钢的加工工艺性比较复杂，成本高。所以选用该钢也是不合适的。

余下的CrWMn、9SiCr、GCr15都可以作为工具钢使用。但对于制造圆板牙这样的薄刃工具，还需要进行综合全面的分析。这三种材料由于合金化元素的不同，各有其特点：

CrWMn ：由于Cr、W、Mn的复合加入，使其有较高的淬透性；Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64-66HRC，因此有较高的耐磨性；W能细化碳化物，改善了韧度；由于Mn的存在大为降低了MS点，该钢淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；但该钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。所以，如果采取有效工艺，使碳化物细小均匀，该钢是能满足要求的。

9SiCr ：Cr、Si的加入，提高了淬透性；因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀。使用时刃口部位不易崩刃；Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时的变形也很小。其缺点是脱C敏感性比较大。根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。

GCr15 ：是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。热处理变形比较小，尺寸很稳定。但是该钢和9SiCr 相比，回火稳定性比较差。因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。

综合起来，最后选择9SiCr是合适的。 3、9SiCr圆板牙的工艺规范

工艺路线：毛坯 →锻造 →球化退火 →机械加工 →淬火 →检查 →回火 →清洗 →检查 →发黑处理 →检查。

9SiCr圆板牙的热处理工艺如图1。下面进行工艺规范分析。 1）球化退火

锻造后球化退火的目的主要是降低硬度，改善切削性能，为最终热处理作组织准备。工具钢原始组织为球状珠光体经淬-回火后的力学性能和原始组织为片状珠光体相比，在强度、硬度相同情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。要注意的是球化退火前的组织要求是细片状珠光体，不允许有严重的网状碳化物，否则应在球化退火前安排正火处理。球化退火组织按照国家有关标准评级，应在2-5级范围内合格。 2）淬火工艺

等温淬火可使让应力和组织应力减至最小，并大大减少工具的变形，所以对圆板牙这类变形要求较高的工件，宜采用等温淬火工艺。

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T 850~870℃ 30~45ˊ/mm 790~810℃ 炉冷 710±10℃ 600~ 2-4h 650℃ 6-8h 500℃ 空冷 160~210℃ 190~200℃ 30-45ˊ 60-90ˊ 球化退火 等温淬火 回火 t 图1 9SiCr圆板牙的热处理工艺

首先在600-650℃预热，以减少高温停留的时间，从而减轻圆板牙的脱C现象。淬火加热温度的确定，除了考虑控制未溶碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、工具尺寸等因素。因为尺寸较大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的圆板牙宜采用较低的淬火加热温度，如：< M10的圆板牙，常采用860-870℃；> M10的圆板牙，采用850-860℃。

在盐浴炉中加热，要注意盐浴炉的脱氧，也能减轻圆板牙的脱C倾向。

等温温度一般为180℃左右。等温时，部分奥氏体转变为下贝氏体，从而使钢的硬度、强度和韧度得到良好的配合，并能保证工具具有良好的耐磨性。等温温度过高，硬度、强度会急剧下降；等温温度过低，得不到所需的下贝氏体数量。等温温度也会影响随后空冷时形成的马氏体数量，从而对螺孔的胀缩有影响。所以控制等温温度高低可以控制圆板牙螺孔的变形量。同样等温停留时间对力学性能也有影响，适当的时间使钢具有最佳的强韧性。试验表明，超过60分钟，性能就大为下降。这是因为下贝氏体和残余奥氏体量太多的缘故。一般采用30-45分钟比较合适。

等温淬火后的金相组织为：马氏体 + 下贝氏体 + 残余奥氏体 + 碳化物。 3）回火工艺

由于Si、Cr元素的作用，提高了钢的回火稳定性，因此可在190-200℃回火。在这温度下回火，硬度下降很少，回火后硬度仍然有60-63HRC。经过回火后的金相组织为：回火马氏体 + 下贝氏体 + 残余奥氏体 + 碳化物。大部分淬火应力已经消除。

参考文献（应该列出，但这里省略了）

分配：1班做1-5题；2班做6-10题，请利用书本、参考书、网络等完成作业，用PPT或者word的形式，于下节课（周四1、2节）分别由小组代表上讲台主讲。（原则上按照1-10的顺序）。

然后根据老师的点评。完善作业后，（word打印后，贴在作业本上）于下下周上交

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hil6.html