第七章合金钢简答题.doc

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＝350～650 MPa，δ＝16～23％，αk＝60～70 J/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。
5、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：
920～940
840
230
90min
90min
6h
时间
空冷
温度（℃）
油冷
20CrMnTi齿轮最终热处理工艺曲线
下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨
⑵

⑶ 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＝450～1000 MPa，δ≥10％，αk≥50 J/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
880
570
120min
90min
时间

温度（℃）
油冷
40Cr机床主轴最终热处理工艺曲线
空冷

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。
12、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。

16、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；高接触疲劳强度，不易产生点蚀；高的弹性极限和一定的韧性；高的淬透性；高的尺寸稳定性；一定的抗蚀性。

17、滚动轴承钢对S、P含量的限定有什么要求？为什么？
答：滚动轴承钢对S、P含量的限定十分严格，S＜0.020％，P＜0.007％。因为S、P形成的非金属夹杂物，降低接触疲劳极限。

18、试分析高速工具钢中化学成分的特点，合金元素的作用。写出高速钢刃具的加工工艺路线，并分析最终热处理的工艺特点。其主要用途是什么？常用的牌号是什么？
答：高速工具钢中化学成分的特点表现为高碳、高合金，碳含量为0.7～1.65％，并含有大量的W、Mo、Cr、V等强碳化物形成元素。
合金元素的作用：Cr的主要作用是提高钢的淬透性；W和Mo的主要作用是提高钢的回火稳定性；V的主要作用是提高钢的硬度和耐磨性。
高速钢刃具的加工工艺路线：
下料→锻造→球化退火→机械加工→1280℃淬火→560℃三次回火→磨削开刃
高速钢最终热处理为1280℃淬火、560℃三次回火，其特点是预热次数多，加热温度高，回火温度高，回火次数多。
高速工具钢主要用于制造刃具和冷作模具。常用的牌号是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。

19、高速工具钢按其所含的主要元素可分为哪两类，举列说明。它们的共同特点是什么？
答：高速钢按其所含的主要元素分为钨系（W18Cr4V）和钼系（W6Mo5Cr4V2）。
它们的共同特点是碳含量较高，并含有多种碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等。

20、高速工具钢经铸造后为什么要反复锻造？锻造后在切削加工前为什么必须退火？采用何种退火方法？退火温度是多少？退火后组织是什么？硬度为多少？
答：高速钢的铸态组织中有粗大的鱼骨状合金碳化物，使钢的机械性能下降。这种碳化物不能用热处理来消除，只有采用反复锻击的方法将其击碎，并均匀分布在基体上。
高速钢经锻造后，存在锻造应力及较高硬度。经退火处理以降低硬度，改善切削加工性，并消除内应力。
退火方法有普通退火和等温退火，退火温度约为830℃，退火后组织是索氏体及细粒状碳化物，硬度为207～255HBS。

21、画出高速钢最终热处理工艺曲线，分析淬火加热过程和冷却过程有什么特点。
温度（℃）
时间
1270～1280℃
580～
620℃
800～
840℃
560℃
560℃
560℃
3.5min
1h
1h
1h
7min
分级淬火
三次回火
W18Cr4V钢淬火与回火工艺曲线
答：

采用分级加热、分级冷却，
防止变形和开裂。

22、分析高速钢淬火温度为什么高达1280℃？淬火后的组织是什么？淬火后为什么要经三次560℃回火？560℃回火后的组织是什么？高速工具钢在560℃回火是否是调质处理？
答：高速钢良好的切削性能，主要取决于高的热硬性，而热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量。因此，高速钢在淬火时加热温度的选定，必须使合金元素充分溶入奥氏体中。W、Cr、V在＞1000℃时溶入量显著增加，但温度过高，奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量增加，性能降低。故高速钢淬火为温度1280℃。淬火后的组织是马氏体、残余奥氏体和合金碳化物。
高速钢淬火后，残余奥氏体的量可达20～30％，必须进行多次回火以促使其发生转变。在560℃范围内回火时，一方面从马氏体中析出细小分散的W2C、MoC、VC，形成弥散硬化；另一方面从残余奥氏体中析出合金碳化物，降低残余奥氏体中合金的浓度，使Ms点上升，当随后冷却时，残余奥氏体转变成马氏体，产生二次硬化。回火后的组织为回火马氏体、合金碳化物、少量的残余奥氏体。
高速工具钢在560℃回火不是调质处理。

23、简述高速钢的成分、热处理和性能特点，并分析合金元素作用。
答：成分特点：高碳ωc=0.7～1.65%；高合金。
热处理特点：淬火温度高,在1270～1280℃淬火，淬火后560℃三次回火.
性能特点：具有高强度，高硬度，高冲击韧性。
合金元素作用：Cr提高钢的淬透性,W提高钢的红硬性和回火稳定性;V提高钢的硬度和耐磨性，Mo防止第二类回火脆性产生.

24、硬质合金是如何形成的？它有什么特性？
答：硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。
它的硬度高、热硬性高、耐磨性高。

25、硬质合金分为哪二类？性能上有什么不同？应用上有什么不同？
答：硬质合金分为钨钴类硬质合金和钨钴钛类硬质合金二类。
钨钴钛类硬质合金比钨钴类硬质合金硬度高，热硬性高，耐磨性高，但韧性低。钨钴类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属、塑料。钨钴钛类硬质合金主要用于加工合金钢、耐热钢。

26、冷作模具钢对材料的性能有什么要求？常用的冷作模具钢的牌号有哪些？
答：冷作模具钢是用来制造使金属在冷态下变形的模具。因此要求材料具有很高的硬度、强度、良好的耐磨性及足够的韧性。
尺寸小的冷作模具钢常用牌号为：T10、T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。大型模具必须采用淬透性好、耐磨性高、热处理变形小的钢，一般采用Cr12、Cr12MoV等。

27、试分析Cr12MoV钢的碳含量和合金元素的作用。
答：Cr12MoV钢是冷作模具钢，其碳含量为1.45～1.70％，保证热处理后获得高硬度、高耐磨性。主加合金元素Cr含量高，可显著提高钢的淬透性，，使截面厚度≤400mm的模具在油中淬透，并形成Cr7C3合金碳化物，具有极高的硬度（约1820HV）和耐磨性。加入Mo、V进一步提高钢的淬透性，同时改善碳化物偏析，细化晶粒，提高强度和韧性。

28、Cr12型钢中碳化物的分布对钢的使用性能有何影响？热处理能改善其碳化物分布吗？生产上常采用什么方法予以改善？
答：Cr12钢是冷作模具钢，主加元素Cr含量高，可显著提高钢的淬透性，同时形成Cr7C3，使钢获得极高的硬度和耐磨性。Cr7C3的分布不均匀，使钢的使用性能下降。热处理不能改善碳化物分布。生产上采用加入合金元素V、Mo，以改善Cr7C3偏析现象；采用表面化学热处理如离子氮化、软氮化、渗硼等，提高Cr12钢的耐磨性和抗疲劳强度。

29、制造量具的钢应具有什么特性？常用的量具钢牌号有哪些？
答：制造量具的钢应具有良好的尺寸稳定性，较高的硬度和耐磨性。
制造简单量具的钢可选用碳素工具钢，如T10A、T12A等；制造高精度量具的钢可选用低合金工具钢，如9SiCr、GCr15、CrMn、CrWMn等。

30、量具钢使用过程中常见的失效形式是磨损与尺寸变化，为了提高量具的使用寿命，应采用哪些热处理方法？并安排各热处理工序在加工工艺路线中的位置。
答：量具钢采用的热处理和热处理工序在加工工艺路线的位置：
淬火、低温回火→-80℃冷处理→低温回火→磨削→去应力回火

31、奥氏体不锈钢中合金元素的作用是什么？
答：奥氏体不锈钢中主加合金元素为Cr、Ni、Ti、Nb，它们的作用分别为：
Cr增加钢的钝化能力，提高耐蚀性；Ni扩大γ相区，使钢在室温下具有单相奥氏体组织，；Ti、Nb抑制Cr23C6在晶界析出，防止产生晶界腐蚀。

32、什么是不锈钢的固溶处理？其目的是什么？
答：固溶处理是将奥氏体不锈钢加热至1050～1150℃，使所有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快冷，使单相奥氏体组织保留至室温。
其目的是在室温下获得单相奥氏体组织，提高耐蚀性。

33、什么是不锈钢的稳定化处理？其目的是什么？
答：稳定化处理是将固溶处理后的奥氏体不锈钢加热到850～880℃，保温6h左右，使（Cr、Fe）23C6完全溶解，Ti或Nb的碳化物部分溶解，随后缓慢冷却，使Ti或Nb的碳化物充分析出，使碳几乎全部溶解于碳化钛或碳化铌中，而不在析出（Cr、Fe）23C6。
其目的彻底消除晶界腐蚀倾向。
34、高锰钢的耐磨原理与淬火工具钢的耐磨原理有何不同？它们的应用场合有何不同？
答：淬火工具钢淬火、低温回火后获得高碳回火马氏体组织，具有高硬度，从而具有高耐磨性。而高锰钢的硬度并不高，但当受到猛裂冲击或强大的压力作用时，会使表层由于塑性变形使位错密度增加并诱发ε碳化物沿滑移面形成，因此，可明显提高表层的硬度和耐磨性。

35、什么是水韧处理？其目的是什么？
答：将高锰钢加热至1050～1100℃保温，使碳化物全部溶解，快速水冷，形成单相奥氏体组织，这种处理称为水韧处理。
其目的是为了使在晶界处析出的碳化物重新溶解，冷却后获得单相奥氏体组织。

36、常用耐磨钢的牌号是什么？其化学成分有什么特点？合金元素的作用是什么？
答：常用耐磨钢的牌号为：ZGMn13。其化学成分的特点是高碳、高锰，碳含量为0.9～1.4％，锰含量为10～15％，有时根据需要还添加少量Cr、Ni、Mo，以细化晶粒，提高强度，在室温下获得单相奥氏体组织。

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