工程材料作业（4）答案
1.解释下列现象:
(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）
(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
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（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温
度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。）
(3) 为何含C大于0.4%，含Cr大于12%的Cr钢属于过共析钢，含碳1.5%，含Cr12%的钢属于莱氏体钢。
在合金元素的作用下，使得铁碳相图的S点（即﹤﹤0.77%）和E点（即﹤﹤2.11%）因此，C大于0.4%，含Cr大于12%的Cr钢属于过共析钢，含碳1.5%，含Cr12%的钢属于莱氏体钢。
(4) 高速钢在热轧或锻造后，经空冷获得马氏体组织。
高速钢由于合金元素含量高，使得C曲线右移很多，即过冷奥氏体区很大，淬火临界冷却速度大为降低，因此采取空冷即可获得马氏体组织。高速钢俗称“风钢”（锋钢）
2．何谓合金渗碳钢？为何渗碳钢的含碳量都较低？合金渗碳钢常用的合金元素有哪些及其主要作用？为何渗碳后要进行淬火和低温回火？
经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢。
含碳量低是为了保证零件心部有足够的塑性和韧性。
渗碳钢常用的合金元素是：Cr，Ni，Mn，B，主要目的是提高淬透性。还加入少量Ti，V，V，Mo等强碳化物形成元素，形成稳定碳化物，提高耐磨性，并阻碍晶粒长大。
渗碳仅是改变了低碳钢表面的成分即表面为高碳钢，若退火仍然是平衡组织，没有强化效果。只有经过淬火+低温回火后，才能实现表面的强化，而保持心部的塑韧性。
3．何谓合金调质钢？为何调质钢的含碳量中碳？调质钢常用的合金元素有哪些及其主要作用？
经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢。
选择中碳是为了保证零件心部（整体）的综合机械性能良好。
常用合金元素是Cr、Mn、Ni、Si等，提高钢的淬透性，同时强化铁素体，提高基体强度。
4．指出下列合金钢的类别，用途，含碳量和合金元素的作用，热处理特点：20CrMnTi 40MnB，60Si2Mn，9SiCr，GCr15，W18Cr4V，Cr12MoV，5CrMnMo
5、庞国星教材P110：4-1：见教材，不提供答案。
6、高速钢铸造后为什么反复锻造？高速钢切削加工前又为什么进行低温奥氏体化退火？该钢淬火加热温度为什么高达1280℃？淬火后为何三次回火？高速钢560℃回火是否属于调质处理？为什么？
（1）高速钢铸造后为什么反复锻造：高速钢是莱氏体钢，铸造组织成分不均匀，偏析严重，存在大量的粗大碳化物，将降低钢的韧性。碳化物不能采用热处理工
艺消除，只能采用反复锻造将其打碎，使之均匀分布。
高速钢切削加工前又为什么进行低温奥氏体化退火：即球化退火，降低硬度，便于切削加工。
该钢淬火加热温度为什么高达1280℃：保证合金元素（W、Cr）溶入奥氏体，形成合金奥氏体，才能保证形成合金马氏体，并在回火时，析出合金碳化物，获得二次硬化的效果。
淬火后为何三次回火：因为残余奥氏体的量较大（30%），需要多次回火才能消除（5%以下）。同时，为了消除较大的残余应力。
高速钢560℃回火是否属于调质处理：不是调质。由于存在二次硬化，高速钢的红硬性好，在560℃回火仍能保持高硬度。
7、试比较分析T9碳素工具钢与9SiCr合金工具钢：
（1）为什么9SiCr钢热处理温度比T9高？
为了保证合金元素溶入奥氏体，形成合金奥氏体，最终形成合金马氏体，在回火时析出合金碳化物，以提高红硬性。
（2）直径为Φ30—40mm的9SiCr钢在油中冷却能淬透，相同尺寸的T9在油中能否淬透？
相同尺寸的T9在油中不能淬透。因为，合金元素的加入，提高了钢的淬透性。（3）为什么T9制造的刀具刃部受热至200——250℃其硬度和耐磨性迅速下降，以至于失效，而9SiCr钢刀具刃部在230——250℃条件下工作，硬度仍不低于HRC60，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作？
T9属于碳素工具钢，其红硬性较差，不适合于在200℃以上工作。而9SiCr属于低合金工具钢，合金元素提高了淬透性，并形成合金马氏体，在回火时析出合金碳化物，以提高红硬性。
（4）为什么9SiCr钢比较适合制造要求变形小的、硬度较高的（HRC60-63）、耐磨性能良好的圆板牙等薄刃刀具？9SiCr钢制圆板牙如何进行热处理？试对其热处理工艺进行分析。
淬透性好，在冷速较缓的油中即可淬透。因此可以制造较复杂的，要求变形小的工具如圆板牙等。
9SiCr钢制圆板牙如何进行热处理：
锻造——正火+球化退火——机加工——淬火+低温回火——精加工
正火+球化退火：彻底消除网状渗碳体，达到切削加工要求的硬度
淬火：实现马氏体强化。组织：M+A’+未溶Cm，HRC60以上
低温回火：保持高硬度，改善塑韧性。组织：M回+未溶Cm+ A’（少量），HRC60
8、为下列工件选择合适的材料和热处理方法：
工件：发动机连杆螺栓、发动机排气门弹簧、镗床镗杆、自行车车架、车辆缓冲弹簧、车床未座顶尖、机用大钻头、螺丝刀、车床丝杠螺母、高速粗车铸铁的车刀、普通机床地脚螺栓
材料：38CrMoAlA、40Cr、45、Q235、50CrV A、T7、T10、Q295、W18Cr4V、60Si2Mn
发动机连杆螺栓：40Cr 完全退火，调质
发动机排气门弹簧：50CrV A（要求耐热），完全退火，淬火+中温回火
车辆缓冲弹簧：60Si2Mn，完全退火，淬火+中温回火
镗床镗杆：38CrMoAlA（高级轴类零件），完全退火，渗氮（或碳氮共渗）+淬火+低温回火
自行车车架：Q235，成型+焊接，不用热处理
车床未座顶尖：45，完全退火，调质
机用大钻头：T7（考虑冲击力），球化退火，淬火+低温回火
螺丝刀：T10，球化退火，淬火+低温回火
车床丝杠螺母：铜合金
高速粗车铸铁的车刀：W18Cr4V，球化退火，淬火+低温回火
普通机床地脚螺栓：Q295，不用热处理