工程材料课后习题(1)

2、试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。

答：

?某些合金元素的加入会是奥氏体区缩小，特别是Cr、Si含量高时将限制奥氏体区，甚至完全消失，使得室温下只有单相铁素体组织存在。如高Cr含量的铬不锈钢。

?某些合金元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn。当钢中加入大量这类元素时，甚至可使A1、A2、Acm线将至室温一下，从而获得在室温下只有单相奥氏体存在的所谓奥氏体钢。如高Mn含量的耐磨钢。

?大部分合金元素可使Fe-Fe3C相图中E点左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。某些高碳合金钢中就会出现莱氏体组织，称为莱氏体钢。如高速钢。 3、试根据合金元素与碳的相互作用进行分类，并指出： （1）哪些元素是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？ Ti、V、Cr、Mo、W、Mn、Zr、Nb; Co、Ni、Cu、B、Al、Si

（2）哪些元素为弱碳化合物形成元素？性能特点如何？ Mn

除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素土和奥氏体中 （3）哪些元素为强碳化物形成元素？性能特点如何？ 答：Ti、V、Zr、Nb； 和碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，在适当的条件下，节能形成他们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶于固溶体中。 （4）何为合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何？

合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体。铁原子可以被其他金属原子所置换，形成以 间隙 化合物为基体的固溶体，一般把它们称为合金渗碳体。

5、合金元素提高钢挥霍稳定性的原因是什么？常用以提高回火稳定性的回火稳定性的合金元素有哪些？

答

是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。由于合金元素强碳化物形成元素能使铁、碳原子扩散速度减慢，使淬火钢回火加热时马氏体不易分解，析出的碳化物也不易聚集长大，保持一种较细小、分散的组织状态，。合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变）;提高铁元素的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱，即提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。

6、分析碳及合金元素在低合金高强度钢中的作用，提高低合金高强度钢韧性的途径是什么？

答：（1）碳的质量分数一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性； （2）合金元素以Mn为主（国外以Cr、Ni为主），锰的质量分数最高可达1.8%，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度与韧性都得到改善；

（3）长加入少量的P、Cu元素以提高钢的耐大气腐蚀能力；

（4）部分钢中加入少量的稀土元素，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，从而提高钢的工艺性能和机械性能；

（5）对S、P的质量分数要求不太高，可使用平炉或转炉生产，十分经济。 途径：第313页最后七行

8、有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么意义？

答：所有的合金元素（Mn、P、N、C除外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。一些强碳化物形成元素，如Ti、Nb、V、Zr等都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用。

（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能

9、就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。

答：Si：①Si是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②Si是非碳化物形成元素，钢中的碳活度，所以含Si钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；③Si量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；④Si提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。⑤Si提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑥Si能够防止第一类回火脆性。 Mn: ①Mn强化铁素体，在低合金普通结构钢中固溶强化效果较好；（强度增加，韧性减小）②Mn是奥氏体形成元素，促进A晶粒长大，增大钢的过热敏感性；③Mn使A等温转变曲线右移，提高钢的淬透性；④Mn提高钢的回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑤Mn促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢回火脆性的倾向。

Cr：①Cr是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②Cr是碳化物形成元素，能细化晶粒，改善碳化物的均匀性；③Cr阻止相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；④Cr提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑤Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向； Mo:（W类似于Mo）①是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②是较强碳化物形成元素，所以能细化晶粒，改善碳化物的均匀性，大大提高钢的回火稳定性；③阻止奥氏体晶粒长大，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；④能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。⑤能有效地抑制有害元素的偏聚，是消除或减轻钢第二类回火脆性的有效元素。

V:（Ti、Nb类似于V）①是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好，弥散分布，能有效提高钢的热强性和回火稳定性；③阻止A晶粒长大的作用显著，细化晶粒，同时增大了钢的强度和韧性；④提高钢的淬透性，消除回火脆性。

Ni:①是奥氏体形成元素，促进晶粒长大，增大钢的过热敏感性；（强度增加，韧性增加）②是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Ni钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；③对晶粒长大的影响不大；④能提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。⑤提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑥促进钢中有害元素的偏聚，增大钢的回火脆性。 总结：

10、根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性、回火稳定性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrMn、40CrNi、40CrNiMo 答：因为Cr能够提高钢的淬透性、回火稳定性，中等程度阻碍A晶粒长大。能细化晶粒，提高韧性，同时他也可以增加钢的第二类回火脆性

Ni 能够提高钢的淬透性、韧性，增加钢的第二类回火脆性。同时他是非碳化合物形成元素，不能阻止奥氏体晶粒长大，对回火稳定性影响也不大。

Mn 能够提高钢的淬透性、回火稳定性。同时他是弱碳化合物形成元素，能促进奥氏体晶粒长大，会增加第二类回火脆性。固溶强化效应大，韧性差。

Mo 能够提高钢的淬透性、回火稳定性。细化晶粒，提高韧性，同时他也中等程度的阻碍了奥氏体的长大，抑制回火脆性。 所40Cr、40CrMn、40CrNi、40CrNiMo中，淬透性最好的是40CrNiMo，其次是40CrMn、40CrN，最差的是40Cr。回火稳定性最好的是40CrNiMo，其次是40Cr、40CrMn、40CrNi。奥氏体晶粒最大的是40CrMn，40Cr、40CrNi大小适中，、40CrNiMo最小。韧性最好的是40CrNiMo，然后是40CrNi、40Cr，40CrMn最差。回火脆性最强的是40CrMn、40CrNi，40Cr和40CrNiMo不是很明显。

12、机器零件用钢和构件用钢对使用性能和工艺性能上的要求有何不同？

答：机械零件永刚要求有较高的强度或较好的韧性，零件在整个截面上有均匀良好的综合机械性能，构件用钢由于工作表面承受很强烈的摩擦磨损，以及交变应力作用，要求具有很高的耐磨性跟耐疲劳性能。同时又经常承受较高的载荷，所以心部要求具有很高的强度和适当的韧性。

工艺性能上： 构件零件用钢要使其表面获得高的硬度和耐磨性，我们可以对零件进行渗碳处理，渗碳后进行淬火+低温回火热处理，渗碳前要进行正火预备热处理

机器零件也要进行预备热处理，预备热处理的方法可采用退火，正火或正火+高温回火。随后进行调质处理。即淬火+高温回火，消除内应力。增加韧性，调整强度，获得良好的综合力学性能。

21、通过对45钢和40Cr钢的性能分析，说明化学成分对钢的性能、热处理工艺的影响。 答：性能 45钢小截面零件调质后具有良好的综合力学性能，水淬是容易开裂，40Cr钢调质后具有良好的综合力学性能，由于加入了Cr元素，提高了钢的淬透性，使钢的强度提高，热处理：45钢在调质处理后淬火温度在一定范围内，而加入合金元素后，如40Cr钢在进行淬火时，淬火温度必须按照规定的温度加热，一般采用水淬；如40Cr钢淬火温度为500度，且淬火介质应该根据零件的尺寸大小及钢的淬透性高低来选择，一般采用油淬。 17、比较热作模具钢和合金调质钢的合金化和热处理特点，并分析合金元素作用的异同。

答：合金调质钢中加入元素为Cr、Mn、Si、Ni，它们大多溶于铁素体，使铁素体强化，并且提高了钢的淬透性；热作磨具钢主要加入元素为Cr、Mn、Mo、Ni，合金元素作用主要是为了强化铁素体，提高钢的淬透性，热处理是合金调质钢锻造后要进行正火，退火或正火+高温回火的预备热处理，便于机加工。为随后调质处理组织做准备，热作磨具钢，锻造后要进行退火处理，便于后面的机加工，随后进行淬火+高温回火的调质热处理。所以，这两种钢合金作用相同点为：合金元素都能强化铁素体，提高淬透性；热处理是在锻造后都要进行预备热处理过程不同，合金调质钢为正火，退火或正火+高温回火，而热作磨具钢则需要退火。

27、今有以拖拉机曲轴，根据其工作条件如何选材？其热处理工艺如何制定？

答:由于轴是机器中的重要零部件，在其工作是要承受较大的载荷，且该轴的制造截面又较大，所以要求轴具有较高的强度和韧性，在整个截面上，力学性能良好，均匀。所以对该曲轴我们选用合金调质钢中的4CrNi；热处理如下：下料---锻造---退火（或正火）---机加工---调质---机加工---装配

退火或正火作为预备热处理，其主要目的是为了改善锻造组织、细化晶粒，有利于切削加工，并为随后的调质热处理做好组织准备。调制热处理---淬火，油淬，获得马氏体。回火 水冷（防止第二类回火脆性）。经调质后金相组织为回火索氏体。

26、为什么硬质合金采用粉末冶金生产？YG8、YT30的成分和用途有何不同？

答：粉末冶金是用金属粉末或非金属粉末的混合物作原料，经压制成型后烧结，以获得金属零件和金属材料的方法。它可以生产其他工艺无法制造或难以制造的零件或材料。硬质合金原料为高硬度、高熔点的碳化物粉末和粘结剂，所以可以用粉末冶金生产YG8：成分为Co 8%、Wc 92%的钨钴类硬质合金，有较高的强度和韧性，一般都用与粗加工及加工表面比较粗糙的工件。

YT30:成分为含TiC 30%，Wo和Co70%的钨钴钛类硬质合金，有较高的硬度和较好的耐磨性及热硬性，一般用于高速切削及精加工。

第十章

一、 按石墨化程度分类：

白口铸铁第一、第二、第三石墨化过程全被抑制，完全按照铁碳相图进行结晶，其中的碳几乎全部以渗碳体的形式存在。断口呈现银白色。组织中含有大量的莱氏体，性能硬而脆。切削加工性能差。除少数用来制造不需要加工的硬度高、耐磨零件之外，主要用于炼钢原料。

灰口铸铁 第一、第二石墨化充分而得到的铸铁，第三部分部分完成。其中碳主要以石墨的形式存在。断口呈现暗灰色，故称灰口铸铁或灰铸铁，是工业上运用最多的铸铁。

麻口铸铁 第一阶段石墨化过程部分进行得到的铸铁，其中一部分碳以石墨化的形式存在，另一部分以渗碳体的形式存在。（G+Fe3C）组织介于灰口与白口之间断口呈黑白相间构成麻点。性能硬而脆，切削加工性能差。工业上少用。 二、按石墨形态分类：

灰铸铁 组织中石墨呈片状。力学性能差，生产工艺简单，价格低。运用广。（加入硅钙或硅铁等孕育剂得到孕育铸铁）优良的铸造性能、优良的耐磨性和消震性、较低的缺口敏感性（本身存在很多小缺口）、抗压不抗拉。

可锻铸铁 KT 组织中石墨呈团絮状，力学性能好于灰铸铁，（强度好于灰铸铁，具有一定塑性、韧性）生产工艺复杂，成本高。用来制造重要的小型铸件。（生产工艺：将白口铸铁长时间退火，使渗碳体分解，由于石墨数量较少，可形成团絮状分布在金属基体中，形成可锻铸铁）不可锻

球墨铸铁 QT 组织中石墨呈球状，生产工艺好于可锻铸铁，力学性能好，广泛应用。（加入纯镁或稀土镁合金，阻止结晶时片状石墨析出，促进球状石墨生成，得到球墨铸铁）组织有F+G、F+P+G、P+G。

蠕墨铸铁 组织中石墨呈现短小的蠕虫状，强度介于灰铸铁与可锻铸铁之间，铸造性跟耐疲劳性比球墨铸铁好，此外铸造性能跟减震能力优于球墨铸铁。可以用来制造大型复杂铸件，以及在较大温度梯度下工作的铸件。（铁水加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金进行适当处理，使石墨呈蠕虫状，形成蠕墨铸铁） 三、铸铁组织中影响石墨化的因素

答：（1）冷却速度对石墨化过程的影响：

冷却速度越慢，越有利于石墨化。

（2）铸铁中最常见的合金元素有：C、Si、Mn、P、S五大元素。它们对铸铁的石墨化过程和组织均有较大影响。

C、Si：强烈促进石墨化，调整其含量可控制铸铁的组织和性能。

Mn、Si：阻碍石墨化：Mn溶于Fe3C中，增加Fe与C的结合力，从而阻止石墨化；少量的S就能形成FeS或MnS，以FeS-Fe共晶形式分布于晶界，阻碍C原子扩散，S还降低铁水的流动性，恶化铸件性能。

P:能促进石墨化，但作用较小。

四、其他铸铁：1耐磨铸铁 : 高磷铸铁 高铬铸铁 P356 2耐热铸铁 P356 3耐蚀铸铁 P357

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