1、 1 一、简答题： 1已知某优质碳素 结构 钢经完全退火后珠光体的体积分数为 59%。 （ 1）计算该钢含碳量并给出钢号。 （ 2）该钢能否制造直径为 30mm的轴类零件？为什么？ （ 3）能否制造直径为 300mm的轴类零件？为什么？ 答： （ 1）该钢含碳量为： 0.59 0.77%=45.43%。 45 钢。 （ 2） 能 。 因该钢的水淬临界直径 D0=16mm， 用 水淬该轴基本可淬透。 （ 3） 不 能 。因该钢的水淬临界直径 D0=16mm， 用 水淬该轴件 也 不能淬透，从而 其性能 不能满足使用要求。 2蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，同时 要求具有一定的耐腐蚀性。 （
2、 1）在 1Cr18Ni9Ti、 2Cr13、 45 和 20CrMnTi 四种钢中选择一种合适的材 ； （ 2）画出最终热处理工艺曲线（注明温度范围）。 答： （ 1）选 2Cr13 钢较合适。 （ 2）如下图所示 2Cr13 钢的 最终热处理工艺曲线 示意图 3某尺寸较大的轴承套圈试生产时选用 GCr15，淬火后心部总出现较多的屈氏体组织不能满足要求。 （ 1）分析出现屈氏体的原因； （ 2）改用哪种钢比较合适？ （ 3）画出预先热处理和最终热处理工艺曲线。 答： （ 1）由于 尺寸较大 ，该钢的油淬临 界直径小，心部淬不透所致。 （ 2）改用 GCr15SiMn 钢较合适。 （ 3） 预
3、先热处理和最终热处理工艺曲线 如下图所示 预先热处理 等温球化退火 工艺曲线示意图 10001050 200300 油 淬 空 冷 时间 温度 时间 温度 Ar 1 (1020) 随炉冷至 550 后 再空冷 Ac 1 (2030) 2 最终热处理工艺曲线 示意图 4某零件用 45 钢制造，淬火时用水作冷却介质，淬硬层深度不能满足要求。仓库中有 40Cr、 50、 40 和 60Si2Mn 四种材料。 （ 1）选用哪种钢比较合适？ （ 2）淬火时选用哪种淬火介质比较合适？ （ 3）回火温度选在什么温度范围内比较合适？ 答： (1)选 40Cr 钢。（ 2）淬火介质用油。（ 3）回火温度 550
4、 20 。 5针对 汽车或拖拉机 传递动力的齿轮回答以下问题。 （ 1）分析主要失效形式和对性能的主要要求； （ 2）在 45、 16Mn、 CrWMn 和 20CrMnTi 中选择一种合适的材料并写出简明加工路线。 答： （ 1）其主要失效形式有：弯曲疲劳；接触疲劳；磨损；断齿等。 （ 2）选 20CrMnTi钢。 其简明加工路线为：下料 锻造正火机加工渗碳、淬火、低温回火喷丸精磨装配 6一个直径为 60mm的轴，要求抗拉强度大于 900MPa 且综合力学性能较好，目前仓库中有 25、 40Cr、 GCr15、 9SiCr 四种 材料可供选用。问： （ 1）选哪种材料最合适（简要说明理由）；
5、 （ 2）画出最 终 热处理工艺曲线（要求给出温度范围），为什么要选用这种工艺？ 答： （ 1） 40Cr。该钢的淬透性好， 60mm的轴淬火后心部可获得良好的性能。 （ 2） 最终热处理工艺曲线 示意图 如下： 用该工艺处理后其组织为回火索氏体， 能 使其 具有良好的综合力学性能。 7一种零件需要切削加工，批量很大，要求材料具有良好加工性能，抗拉820840 150170 油 淬 空 冷 时间 温度 840860 550580 油 淬水冷 时间 温度 3 强度大于 450MPa，延伸率大于 30%，其他性能没有要求。回答： （ 1）选择一种最合适的材料； （ 2）写 出简明加工路线； （ 3
6、）所选材料与 45 钢相比有哪些优点。 答： （ 1）选 Y20 钢。 （ 2） 下料 机加工检查包装 （ 3） 所选材料与 45 钢相比 其 切削性 好 、一般不需进行热处理。 8某零件用 45 钢制造，淬火时用水作冷却介质，要求淬硬层深度为 8mm，实际得到的淬硬层深度为 3mm。仓库中有 40CrMn、 50、 40 和 5CrMnMo 四种材料。 （ 1）选用哪种钢比较合适？ （ 2）淬火时选用哪种淬火介质比较合适？ （ 3）回火温度选在什么温度范围内比较合适？ 答： （ 1）选 40CrMn 钢 较合适 。 （ 2） 淬火介质 选用 20#机 油 较合适。 （ 3） 回火温度 在 5
7、00520 。 9说明高碳钢常用的预先热处理工艺（画出工艺曲线并进行简要分析）；说明预先热处理的目的。 答： 高碳钢常用的预先热处理工艺 为球化退火。其工艺曲线见下图所示。加热温度 选在 Ac 1 (2030) ，目的是保留部分渗碳体，为在 Ar 1 (1020) 等温时形成球状渗碳体作为核心。 预先热处理（球化退火）的目的：降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机加工，也为最终热处理作好组织准备。 10某机床主轴（直径约 40mm），要求有良好的综合力学 性能，轴颈部分要求耐磨（ 5055HRC），选择一种比较合适的材料；写出简明加工工艺路线；说明工艺路线中各个热处理环节的目的。 答： 选 45
8、 钢。 其简明加工路线为：下料 锻造预先热处理（退火或正火）机加工 1（粗）淬火 +高温回火（调质）机加工 2（精）局部高频淬火 （ 轴颈部分 ） 磨削包装。 预先热处理 是为了消除锻造应力、降低硬度、便于机加工，为调质作好组织准备。调质处理是为了使主轴具有高的综合力学性能和疲劳强度。 局部高频淬火使 轴颈部分 获得高硬度、高耐磨性。 时间 温度 Ar 1 (1020) 随炉冷至 550 后 再空冷 Ac 1 (2030) 4 二、分析比较 CrWMn 合金工具钢与 T10 碳素工 具钢。 1 CrWMn 钢的淬火加热温度与 T10 钢相比哪个高？为什么？ 答： CrWMn 钢的淬火加热温度
9、比 T10 钢的高。 因 该 钢 中 加入了能提高钢的相变点 的 合金元素 Cr、 W， 且 Cr、 W 易与 碳形成较高熔点的合金碳化物， 为 使其中的合金元素溶入奥氏体中， 充分发挥合金元素的固熔强化作用， 故 该钢的加热温度要 比 T10 钢的 高些 。 2直径均为 30mm的 T10 钢和 CrWMn 钢，加热透烧后均在油中冷却，获得的淬硬层深度相同吗？为什么？ 答： 不同 ， T10 钢的 淬硬层 较 CrWMn 钢 的 薄 ，因为 T10 钢 的 淬透性差 （与 CrWMn钢 相比而 言） ，它又是碳素工具钢，不能用冷却能力较差的油作淬火介质。 3为什么用 T10 钢制造的刀具刃部
10、受热至 200250 其硬度和耐磨性已迅速下降，以致于失效；而 CrWMn 钢制造的刀具刃部在 230250 条件下工作，硬度仍不低于 60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作？ 答： T10 钢 属碳素工具钢，其 抗回火稳定性差，热硬性低， 刃部受热至 200250时淬火马氏体就会分解，使其硬度和耐磨性大大降低， 以致于失效；而 CrWMn钢 中 的 合金元素 W 能提高回火稳定性和热硬性，其 刃部受热至 200250 时淬火马氏体不易分 解，故 硬度仍不低于 60HRC，且耐磨性能良好，尚可维持正常工作 。 4若用 CrWMn 钢制造圆板牙或丝锥等薄刃刀具，应采用何种热处理工艺（包括预
11、先热处理和最终热处理）？试分析各热处理工艺的作用及其所得组织。 答： 预先热处理 采用 球化退火工艺 。其作用是： 消除锻造应力、 降低硬度，使渗碳体呈球状，不仅便于机加工，也为最终热处理作好组织准备。 组织为 P 球状 。 最终热处理 采用 淬火 +低温回火工艺。 淬火 处理后使其具有高的硬度、耐磨性和热硬性，足够的强度，一定的韧性。 其 组织为：淬火马氏体 +粒状合金渗碳体。 低温回火 的作用是 降低淬火 应力、稳定组织、稳定尺寸、调整硬度。 其组织为：回火马氏体 +粒状合金渗碳体。 三、根据 Fe Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因。 1 完全退火后含碳量为 1.0的钢比含碳量为 0
12、.5的钢硬度高。 答： 因组织 及其硬度 不同 所致 。即 含碳量为 1.0的钢 经 完全退火后 组织为P+Fe3C网状 ，而 含碳量为 0.5的钢 经 完全退火后 组织为 P+F， 且 F 含量 约 35%。由于 Fe3C 的硬度比 F 的高，故 完全退火后含碳量为 1.0的钢比含碳量为 0.5的钢硬度高。 2钳工用手工锯锯 T10、 T12 钢料时比锯 10、 20 钢料费力，锯条 容易磨钝。 答： 一般情况下 T10、 T12 钢料 供货状态为球化退火态，其组织为球状珠光体 （ 即细小粒状的渗碳体均匀分布在铁素体基体上 ），而 10、 20 钢料 供货状态为退火态，其组织为块状的珠光体
13、+铁素体，且铁素体含量较多。渗碳体与铁素体相比，前者硬度高、耐磨性好，故 用手工锯锯 T10、 T12 钢料时比锯 10、 20 钢料费力，锯条容易磨钝。 3在室温下，含碳量为 0.8的钢其强度比含碳量为 1.2的钢高。 答： 在室温下，含碳量为 0.8的钢 其组织为 P。 含碳量为 1.2的钢 其组织为P+Fe3C。 而 Fe3C 是一个硬脆相，故它 的存在使 含碳量为 1.2的钢 的强度降低。 5 4含碳量为 0.45的钢加热到 1200 开始锻造，冷却到 800 停止锻造。 答： 45 钢在 1200800 锻造恰巧是在其塑性良好的单相奥氏体区进行，若开锻温度 1200 ，由于其奥氏体晶
14、粒易长大，使其塑性变差，易产生锻造缺陷；若停锻温度 800 ， 落在 45 钢的 P+F 两相区 ，其塑性 也 变差， 也 易产生锻造缺陷 （如锻造裂纹）。 5 铁丝易折弯，铸铁易破裂，为什么？ 答： 铁丝一般 为 低碳钢 丝 ，室温组织为 P+F，硬度低、塑性好， 抗弯能量差，故易折弯。铸铁含碳量高，室温组织由 P+ Fe3C网状 +Ld 组成， 硬度高、脆性大、抗裂纹扩展能力差，故易破裂。 6 为什么钢铆钉用低碳钢（ c=0.25%)制作？ 答： c=0.25%的 钢制 铆钉 通常在正火态下使用，其室温组织为细小块状的细珠光体加铁素体，该组织具有一定的强度和良好的韧性，即具有良好的综合力学
15、性能，故能满足使用性能（如较好的抗冲击、抗剪能力 等 ）的要求。 7 为什么绑扎物体一般用铁丝（镀锌低碳钢丝）， 而起重机钢丝绳却用 60钢（ c=0.60%)制成？ 答： 镀锌低碳钢丝，其硬度低、塑性好、易折弯， 故容易将物体绑紧。而起重机钢丝绳的力学性能需较高的抗拉强度，用 60 钢经淬火加中温回火，可获得具有高强度的回火屈氏体组织 ，故 制作钢丝绳 用 60 钢。 四、 问答题 1 A、 B 合金相图属于共晶相图， A 组元的熔点为 330 ， B 组元的熔点为 200 ，共晶转变温度为 160 ，共晶合金中 B 的质量分数为 60%， B 在 （以A 为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为
16、10%， A 在 （以 B 为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为 5%，室温下两组元互不相溶（溶解度为 0）。画出相图，将题中给出的 3 个温度和 3 个成分点以及各区域的相组成标在相图上。 答 ： 2 拟用 T10A 钢制造形状简单的冲头，回答以下问题。 （ 1）写出其简明生产工艺路线。 + +L +L L 160 330 200 10% 95% 60% A B wB(%) 温度/6 （ 2）画出各热处理工艺曲线图（注明温度、冷却介质）。 （ 3）写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。 答： （ 1）锻造 球化退 火机加工淬火 +低温回火 （ 2） 查阅资料得知： Ac1、 Acm 分别为
17、 730 800 （ 3） 球化退火得到 球 状珠光体，硬度 170200HBS。 回火后得到回火马氏体 +粒状 渗碳体 +残余奥氏体，硬度 6065HRC 3 有两种含 碳量不同的铁碳合金，它们的室温平衡组织各由两种组织组成，它们都有珠光体组织，珠光体的质量分数均为 90%。回答以下问题。 (1) 分别写出这两种合金的组织名称。 (2) 计算这两种合金的含碳量。 (3) 计算这两种合金室温下 相和 Fe3C 相的质量分数。 答： （ 1） F+P 和 P+Fe3C （ 2） F+P： wc=0.90.77%=0.693% P+ Fe3C ： wc=0.90.77%+0.16.69%=1.36
18、2% （ 3） F+P： w=(6.69-0.693)/6.69=89.6% w Fe3C=1- w=10.4% P+ Fe3C ： w=(6.69-1.362)/6.69=79.6% w Fe3C=1- w=20.4% 4针对传递动力用的齿轮，回答以下问题。 （ 1）分析一般受力情况和对材料性能的主要要求。 （ 2）模数 m=5 的齿轮，要求表面硬度为 6063HRC，心部硬度为 4043HRC，渗碳层深度为 1.01.3mm。选用哪种钢比较合适，写出 简明加工工艺路线并说明各个热处理的目的。 答： （ 1）受力分析：弯曲应力、接触应力、摩擦力、冲击力。 性能要求：高的弯曲疲劳强度、高的接触
19、强度、高耐磨性和心部具有较高韧性。 （ 2）选用渗碳钢如 20CrMnTi。 锻造 正火（退火） 机加工 渗碳 预冷淬火 +低温回火 760780 170200 水冷 750760 时间 /h 炉冷 700720 时间 /h 温度/温度/炉冷 7 预先热处理采用正火，消除锻造应力，便于机加工。 通过渗碳提高表面含碳量，淬火回火后使表面具有高硬度、高耐磨性、高的（弯曲和接触）疲劳强度，而心部为低碳回火马氏体，具有较高强度、塑性和韧性。 5某型号柴油机的凸轮轴，要求凸 轮表面有高的硬度（ 50HRC），而心部具有良好的韧性（ Ak40J），原采用 45 钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温
20、回火，现因工厂库存的 45 钢已用完，只剩 15 钢，拟用 15 钢代替。回答下列问题。 （ 1）说明原 45 钢调质和高频淬火的目的及其热处理后得到的组织。 （ 2）改用 15 钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？ （ 3）改用 15 钢后，为达到所要求的性能，应采用何种热处理工艺？分析所选工艺能满足所要求的性能的原因。 答： （ 1）调质得到回火索氏体组织，使心部具有良好的韧性，综合力学性能好。高频淬火是为了提高凸轮表面的硬度和耐磨性。 （ 2）不能。因为 15 钢含碳量低，用原工艺进行处理，心部强度低，凸轮表面耐磨性差。 （ 3）用 15 钢进行渗碳处理可以满足要求。渗碳
21、后采用淬火 +低温回火，心部具有较高强度和韧性，而表面具有高硬度和高耐磨性。 6拟用 GCr15 钢制造一种小型拔丝模，回答以下问题。 （ 1）写出其简明生产工艺路线。 （ 2）画出各热处理工艺曲线图（注明温度、冷却介质）。 （ 3）写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。 答： （ 1） 下料 锻造 球化退 火机加工淬火 +低温回火 （ 2） 查阅资料 得知： Ac1、 Acm 分别为 745 900 （ 3） 球化退火得到粒状珠光体，硬度 207229HBS。 回火后得到回火马氏体 +粒状 渗碳体 +残余奥氏体，硬度 6366HRC 7拟用 9SiCr 钢制造形状简单的冲头，回答以下问
22、题。 （ 1）写出其简明生产工艺路线。 （ 2） 画出各热处理工艺曲线图 ， 注明温度、冷却介质 （ 注：该钢的 Ac1、Ar1、 Acm 分别为 770 、 730 、 870 ）。 820840 150170 油 冷 780810 时间 /h 炉冷 710720 时间 /h 温度/温度/炉冷 8 （ 3）写出各热处理工序后得到的组织名称及硬度范围。 答： （ 1）锻造 球化退 火机加工淬 火 +低温回火 （ 2） 各热处理工艺曲线 如下图所示： （ 3） 球化退火得到 球 状珠光体 组织 ， 其 硬度 190200HBS。 回火后得到回火马氏体 +粒状 渗碳体 +残余奥氏体，硬度 6163
23、HRC。 8.在共析碳钢 C 曲线上，标出退火、 正火、 等温淬火、油淬、水淬 的冷却工艺曲线，并注明由各冷却工艺曲线所能得到的组织。 答 ： a) 退火组织为 P； b) 正火组织为 S 或 S+T； c) 等温淬火组织为 B 下 ； d) 油淬组织为 M 淬火 +T； e) 水淬组织为 M 淬火 。 共析碳钢 C 曲线 9. 45 钢在 Ac1Ac3 之间加热淬火后的硬度 和 完全奥氏体化加热淬火后的硬度是否相同？为什么？ 答： 不同，前者的硬度低于后者。 因为 45 钢在 Ac1Ac3 之间加热淬火后组织为 M+F，其中 F 硬度较低，而 45钢完全奥氏体化加热淬火后组织为均一的 M。故
24、前者的硬度低于后者。 e a b c A1 MS 时间 温 度 d 850870 180200 油 冷 时间 /h 温度/空 冷 790800 时间 /h 炉冷 700720 温度/炉冷 550空 冷 9 10 已知 A、 B 二元合金相图属于匀晶相图， A 组元的熔点为 700， B 组元的熔点为 400， 550时液相 L 中 A 的质量分数为 40%，固相 中 A 的质量分数为 60%。 (1) 画出该合金相示意图并将各区域的相 组成标在相图上； (2) 计算 wB=50%的合金在 550时液相和固相的质量分数。 答： (2) W%=(60 - 50)/(60 - 40)100%=50% WL %=1 - 50%=50% 或 W L %=(50 - 40)/(60 -40)100%=50% W%=1 - 50%=50% 400 700 B A 60 40 L 550 50 M P N +L L WA%
