搜索
1第七章合金钢碳钢具备很多优点，在机器制造业中获得了广泛应用。但是碳钢淬透性低、回火抗力差、不具备特殊的物理、化学性能，且屈强比低，约为0.6。而合金钢屈强比一般为0.85～0.9。在零件设计时，屈服强度是设计的依据。所以，碳钢的强度潜力不能充分发挥。为了满足使用要求，必须选用合金钢。1、合金元素对钢中基本相有哪些影响？答：⑴与碳亲合力很弱的合金元素，溶入铁素体内形成合金铁素体，对基体起固溶强化作用，与碳不发生化合反应。⑵与碳亲合力较强的合金元素，一般能置换Fe3C中的铁原子，形成合金Fe3C。合金Fe3C较Fe3C稳定性略高，硬度较为提高，是低合金钢中存在的主要碳化物。⑶与碳亲合力很强的合金元素，且含量大于5％，易形成特殊碳化物。它比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度、耐磨性和回火稳定性。2、普通低合金钢与含碳量相同的碳素钢相比有什么特点？这类钢常用于哪些场合？钢中合金元素主要作用是什么？答：普通低合金钢是一种低碳、低合金含量的结构钢，其含碳量＜0.2％，合金元素含量＜3％。与具有相同含碳量的碳素钢相比具有较高的强度，较高的屈服强度，因此，在相同受载条件下，使结构的重量减轻20～30％。具有较低的冷脆转变温度（-30℃）。普通低合金钢主要用于桥梁、车辆、油罐以及工程构件。因此它的工作环境大多在露天，受气温和大气中腐蚀性气体的影响较大。钢中合金元素的主要作用：Mn—强化铁素体基体；V、Ti—细化铁素体晶粒，形成碳化物起弥散强化的作用；Cu、P—提高钢对大气的抗蚀能力。3、普通低合金钢常用于哪些场合？对性能有何要求？如何达到这些性能要求？答：普通低合金钢主要用于桥梁、车辆、油罐以及工程构件。由于它的工作环境大多在露天，受气温和大气中腐蚀性气体的影响较大。因此对它的性能要求如下：良好的综合力学性能，σs＝350～650MPa，δ＝16～23％，αk＝60～70J/cm2；良好的焊接性、冷热加工性；较好的抗蚀性；低的冷脆转化温度，一般为-30℃。为了达到这些要求，普通低合金钢碳含量低，一般为0.1～0.2％；合金元素含量低，一般＜3％。主加元素Mn用来强化铁素体基体；辅加元素V、Ti用来形成碳化物起弥散强化的作用，同时细化铁素体晶粒；Cu、P用来提高钢对大气的抗蚀能力。4、合金钢与碳钢相比，为什么它的力学性能好？热处理变形小？为什么合金工具钢的耐磨性、热硬性比碳钢高？答：合金钢中的合金元素能溶入铁素体基体起固溶强化作用，只要加入量适当并不降低钢的韧性；除了Co和Al外，其它合金元素均使C曲线右移，使合金钢淬火时临界冷却速度下降，淬透性提高，从而使力学性能在工件整个截面上均匀（特别是σs和αk）。故合金钢力学性能好。合金钢淬透性高，临界冷却速度小，故可用较小的冷却速度进行淬火，使热应力大大降低，所以，合金钢的热处理变形小。合金工具钢中存在合金渗碳体和特殊炭化物，比碳素工具钢中的渗碳体具有更高的硬度和稳定性，弥散度高，故耐磨性高。25、合金元素对淬火钢回火转变有何影响？答：合金元素对淬火钢回火转变的影响：⑴提高回火稳定性在保持相同硬度的条件下，合金钢的回火温度比碳钢高，因此，内应力消除更充分一些，韧性也就更高一些。⑵产生二次硬化在500～600℃回火时，钢中强碳化物形成元素从马氏体中析出与母相保持共格关系的高度弥散的特殊碳化物（如Mo2C、W2C、VC等），使强度、硬度反而提高。此外，高合金钢淬火组织中残余奥氏体较多，且十分稳定，当加热到500～600℃时，特殊碳化物析出，使残余奥氏体中的碳和合金元素含量降低，Ms点提高，同时，残余奥氏体转变为马氏体，这种现象称为二次淬火，这是造成二次硬化的又一个原因。⑶避免出现第Ⅱ类回火脆性淬火合金钢在450～650℃回火后缓慢冷却，冲击韧性急剧下降。为了避免第Ⅱ类回火脆性的产生，在此回火温度范围内回火后快冷，并且增加一次低于此温度的补充回火，以消除由于快冷造成的内应力。另外还可以在钢中加入W1％或Mo0.5％，以防止第Ⅱ类回火脆性。6、什么是渗碳钢？它的最终热处理采用何种热处理？获得的组织是什么？合金元素的主要作用是什么？答：进行渗碳处理的钢称为渗碳钢。它的最终热处理为渗碳＋淬火＋低温回火。获得的组织：表层是高碳回火马氏体＋渗碳体或碳化物；心部若淬透为低碳回火马氏体，若未淬透为少量低碳回火马氏体＋屈氏体＋铁素体。渗碳钢中主加元素为Cr、Ni、Mn、B用于强化基体，提高淬透性；辅加元素为W、Mo、V、Ti，用于细化晶粒，它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效抑制了渗碳时的过热现象。7、渗碳钢主要应用在什么场合？工作状况如何？对原材料、力学性能、渗碳工艺性能有什么要求？答：渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机齿轮。它的工作条件使齿轮受交变弯曲应力，由于接触应力很高，加工精度决定了齿轮啮合时不会是纯滚动，所以齿面还受很大的摩擦力。对原材料要求：不允许有粗大的非金属夹杂物；对力学性能要求：渗碳层的硬度要高，一般为58～64HRC，心部应具有较高的强度和硬度，一般σb＝500～1200MPa，硬度25～45HRC；对渗碳工艺性能的要求：渗碳速度较快；渗碳层的成分要适当，为0.85～1.05％；成分过渡要平缓；过热敏感性要小；表层残余奥氏体量要少。8、现有20CrMnTi钢制造的汽车齿轮，要求齿面硬化层为1.0～1.2mm，齿面硬度为58～62HRC，心部硬度为35～40HRC。⑴确定齿轮生产工艺路线；⑵画出最终热处理工艺曲线；⑶说明热处理作用；⑷最终热处理获得的表层与心部组织。答：⑴齿轮生产工艺路线：下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨⑵920～94084023090min90min6h时间空冷温度（℃）油冷20CrMnTi齿轮最终热处理工艺曲线3⑶正火：消除锻造应力；细化晶粒；降低硬度，改善切削加工性能。预冷淬火＋低温回火：获得表层的高硬度；心部的高强度和高韧性。喷丸：消除表面氧化皮，提高表面质量；使表面留存残余压应力，提高疲劳强度。⑷表层：高碳回火马氏体＋渗碳体或碳化物；心部：低碳回火马氏体＋屈氏体。9、什么是调质钢？它的化学成分有什么特点？主要应用于什么场合？对性能有何要求？答：经调质处理后使用的钢称为调质钢。它的化学成分为中碳、低合金，碳含量一般为0.3～0.5％，合金元素含量＜5％。主要用于制造轴类、曲轴类、连杆螺栓等重要零件，这些零件在工作时承受交变的弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力。对调质钢的性能要求：⑴具有良好的综合力学性能σb＝450～1000MPa，δ≥10％，αk≥50J/cm2；⑵良好的淬透性淬透性对材料的力学性能影响极大。如45钢860℃油淬+560℃回火，￠20～40试样，σb=850MPa，σs=560MPa，αk=110J/cm2。未淬透，σs/σb=0.65低，材料浪费大；￠5～10σb=1000MPa，σs=840MPa，αk=110J/cm2，淬透，σs/σb=0.84高，材料浪⑶避免高温回火脆性10、调质钢的最终热处理采用何种热处理？获得的组织是什么？常用调质钢的牌号有哪些？主加和辅加合金元素有哪些，要作用是什么？答：调质钢的最终热处理采用淬火+高温回火；组织是S回。常用调质钢的牌号：40Cr、30CrMo、30CrMoTi。调质钢的主加元素是Mn、Si、Cr、Ni及少量B，主要目的是提高钢的淬透性，强化基体；辅加元素是W、Mo、V、Ti，主要目的是细化晶粒，提高回火抗力；少量的B以进一步提高淬透性；W和Mo还可以防止第二类回火脆性。11、现有40Cr钢制造的机床主轴，心部要求良好的强韧性（200～300HBS），轴颈处要求硬而耐磨（54～58HRC），试问：⑴编写加工工艺路线和最终热处理工艺曲线；⑵说明预先热处理和最终热处理的作用和最终热处理后的组织。答：⑴加工工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→喷丸⑵正火：消除锻造应力；细化晶粒；降低硬度，改善切削加工性能；为调质处理做好组织准备。调质处理：获得综合力学性能。最终组织：S回。喷丸：消除表面氧化皮，提高表面质量；使表面留存残余压应力，提高疲劳强度。880570120min90min时间温度（℃）油冷40Cr机床主轴最终热处理工艺曲线空冷412、为什么弹簧钢多采用Si作为主要合金元素？为何采用淬火＋中温回火？硬度能达到多少？常用的弹簧钢牌号有哪些？应用上有哪些特点？答：钢中加入Si可以提高淬透性，强化基体，并明显提高回火稳定性。因为在马氏体分解过程中，必然伴随着碳化物的转变；在ε-Fe2.4C中能溶解Si，而Fe3C中却不能溶解Si，这样势必形成所谓高硅墙，阻碍ε-Fe2.4C向Fe3C转变，因而延缓了马氏体分解的速度，提高了钢的回火抗力。同时使屈强比提高到接近于1，提高了强度利用率和弹簧的疲劳强度。弹簧钢采用淬火后中温回火，可以获得具有较高的弹性极限、较高的疲劳强度以及一定的塑性和韧性的回火屈氏体组织。硬度为38～50HRC。常用的弹簧钢牌号有：65Mn、60Si2Mn，用于制造截面尺寸较大的弹簧，但热处理时有回火脆性和过热现象。50CrVA、55SiMnV，用于制造高温、高负荷下工作的弹簧。13、弹簧对材料的性能有何要求？弹簧的表面质量对其使用寿命有何影响？可采用哪些措施提高弹簧使用寿命？答：弹簧主要用做减震储能，因此要求具有高的弹性极限、屈强比和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性。弹簧一般是在动载荷下工作，受到反复弯曲或拉、压应力，因此表面若有裂纹、斑疤、夹杂及压入的氧化皮等，均会成为疲劳源，以致发生疲劳破坏，使弹簧的使用寿命降低。提高弹簧使用寿命的措施：⑴材料选用上碳素弹簧钢采用中、高碳，碳含量一般为0.6～0.8％；合金弹簧钢碳含量一般为0.45～0.7％，保证弹簧具有一定的塑性和韧性，防止产生脆性断裂。⑵合金元素的选用上主加合金元素Mn、Si、Cr，提高钢的淬透性，强化基体，提高屈强比；辅加元素W、V，减少脱碳和过热倾向，同时进一步提高淬透性、弹性极限、屈强比、耐热性和冲击韧性。⑶最终热处理上采用淬火+中温回火，获得T回组织；表面进行喷丸处理，使工件表面留存残余压应力，提高疲劳极限。14、滚动轴承钢的化学成分有何特点？为什么？常用的滚动轴承钢的牌号有哪些？答：化学成分特点：高碳含量约为0.95～1.15％；主加合金元素为铬含量约为0.40～1.65％。高碳保证钢经热处理后具有高硬度和获得一定量的高耐磨性的合金碳化物。主加合金元素Cr，以提高钢的淬透性并与碳形成合金渗碳体（Fe、Cr）3C，阻止奥氏体晶粒长大，淬火后获得细小的隐晶马氏体组织，提高钢的强度、韧性、接触疲劳强度。但是Cr的含量过高，使残余奥氏体量增加，降低钢的强度和硬度。对于大型轴承，还需加入Si、Mn、Mo、V等元素，以提高钢的强度、弹性极限，并进一步改善淬透性。常用滚动轴承钢的牌号有：GCr9、GCr15制造中、小型轴承；GCr15SiMn制造大型轴承。15、滚动轴承钢的热处理有何特点？热处理主要目的是什么？组织是什么？答：滚动轴承钢的主要热处理为：球化退火、淬火+低温回火，对于精密轴承还需进行冷处理+低温回火。球化退火的目的：降低硬度，改善切削加工性能，并为最终热处理作好组织准备。组织为铁素体和均匀分布的细小粒状碳化物。淬火+低温回火的目的：获得高硬度、高的疲劳极限、高的耐磨性。组织为极细的回火马氏体、细小均匀分布的粒状碳化物、极少量的残余奥氏体。冷处理的目的：进一步消除残余奥氏体；低温回火消除冷处理产生的内应力，稳定尺寸。516、滚动轴承钢主要应用于什么场合？滚动轴承的工作条件有什么特点？工作条件对滚动轴承钢的性能提出什么要求？答：滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承套圈、滚动体以及各种耐磨零件。滚动轴承工作条件特点：滚动轴承钢制造的滚动轴承内外套圈及滚动体都是在交变的接触应力下工作的，最大接触应力可达3000～000MPa。在滚动过程中，滚动体、套圈、保持架之间还有相对滑动，产生摩擦。在某些情况下，还受复杂的冲击、扭转载荷。工作条件对滚动轴承钢性能要求：高硬度（62～64HRC），高耐磨性；高接