金屬材料學(xué)(戴起勛版)第4章整理答案

1、4-1 在使用性能和工藝性能的要求上，工具鋼和機(jī)器零件用鋼有什么不同？工具鋼使用性能： （1） 硬度。工具鋼制成工具經(jīng)熱處理后具有足夠高的硬度。工具在高的切削速度和加工硬材料所產(chǎn)生高溫的受熱條件下，仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。（2） 耐磨性。工具鋼具有良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力。工具在承受相當(dāng)大的壓力和摩擦力的條件下，仍能保持其形狀和尺寸不變。（3） 強(qiáng)度和韌性。工具鋼具有一定的強(qiáng)度和韌性，使工具在工作中能夠承受負(fù)荷、沖擊、震動(dòng)和彎曲等復(fù)雜的應(yīng)力，以保證工具的正常使用。（4） 其他性能。由于各種工具的工作條件不同，工具用鋼還具有一些其他性能，如模具用鋼還應(yīng)具有一定的高溫力學(xué)性能、熱疲勞

2、性、導(dǎo)熱性和耐磨腐蝕性能等。工藝性能:（1） 加工性.工具鋼應(yīng)具有良好的熱壓力加工性能和機(jī)械加工性能，才能保證工具的制造和使用。鋼的加工性取決于化學(xué)成分、組織的質(zhì)量。（2） 淬火溫度范圍.工具鋼的淬火溫度應(yīng)足夠?qū)?，以減少過熱的可能性。（3） 淬硬性和淬透性.淬硬性是鋼在淬火后所能達(dá)到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學(xué)成分特別是碳含量有關(guān)，碳含量越高，則鋼的淬硬性越高。淬透性表示鋼在淬火后從表面到內(nèi)部的硬度分布狀況。淬透性的高低與鋼的化學(xué)成分、純潔度、晶粒度有關(guān)。根據(jù)用于制造不同的工具，對(duì)這兩種性能各有一定的要求。（4） 脫碳敏感性.工具表面發(fā)生脫碳，將使表面層硬度降低，因此要求工具鋼的脫碳敏

3、感性低。在相同的加條件下，鋼的脫碳敏感性取決于其化學(xué)成分。（5） 熱處理變形性.工具在熱處理時(shí)，要求其尺寸和外形穩(wěn)定。（6） 耐削性.對(duì)很制造刀具和量具用鋼。要求具有良好的磨削性。鋼的磨削性與其化學(xué)成分有關(guān)，特別是釩含量，如果釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.50%則磨削性變壞。機(jī)器零件用鋼使用性能：（1） 較高的疲勞強(qiáng)度和耐久強(qiáng)度。（2） 高的屈服強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度以及較高的斷裂抗力。（3） 良好的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度。（4） 較高的韌性，以降低缺口敏感性。工藝性能：通常機(jī)器零件的生產(chǎn)工藝： 型材改鍛毛坯熱處理切削加工最終熱處理磨削 以切削加工性能和熱處理工藝性能為機(jī)器零件用鋼的主要工藝性能。4-2工具鋼常要做

4、那些力學(xué)性能試驗(yàn)？測(cè)定哪些性能指標(biāo)？為什么？強(qiáng)度、塑性：靜彎或扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)彎曲強(qiáng)度、撓度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)角；韌度：一般采用無缺口式樣；硬度：一般硬度60HRC以上，鋼中存在的大量碳化物可提高23HRC;淬透性：斷口法碳素工具鋼和低合金工具鋼；端淬法合金工具鋼，以端淬曲線上60HRC處距水冷端距離表示。淬透性作用強(qiáng)弱順序： Si、Mn、Mo、Cr、Ni熱穩(wěn)定性：（鋼在較高溫度下保持一定強(qiáng)度的性質(zhì)）對(duì)高速鋼，通常是紅硬性；變形開裂傾向：主要原因是熱應(yīng)力組織應(yīng)力。4-3試用合金化原理分析說明9SiCr、9Mn2V、CrWMn鋼的優(yōu)缺點(diǎn)。9SiCr Si、Cr提高淬透性，油淬臨界直徑D油<40mm；

5、 Si、Cr提高回火穩(wěn)定性，經(jīng)250回火，硬度>60HRC； K細(xì)小、均 勻不容易崩刃； 通過分級(jí)淬火或等溫淬火處理，變形較?。?Si使鋼的脫碳傾向較大。CrWMn Cr、W、Mn復(fù)合，有較高淬透性，D油=5070mm； 淬火后AR在1820%，淬火后變形??； 含Cr、W碳化物較多且較穩(wěn)定，晶粒細(xì)小高硬度、高耐磨性； 回穩(wěn)性較好，當(dāng)回火溫度>250，硬度才<60HRC； W使碳化物易形成網(wǎng)狀。 9Mn2V1）Mn淬透性，D油 = 30mm；2）Mn MS，淬火后AR較多，約2022%，使工件變形較??；3）V能克服Mn的缺點(diǎn)，過熱敏感性，且能細(xì)化晶粒；4）含0.9%C左右，K細(xì)

6、小均勻，但鋼的硬度稍低，回火穩(wěn)定性較差，宜在200以下回火；5）鋼中的VC使鋼的磨削性能變差。9Mn2V廣泛用于各類輕載、中小型冷作模具。 4-4 9SiCr和60Si2Mn都有不同程度的脫C傾向，為什么?兩者均含Si元素，Si是促進(jìn)石墨化的元素，因此加熱時(shí)易脫碳。4-5 分析比較T9和9SiCr:1）為什么9SiCr鋼的熱處理加熱溫度比T9鋼高?2）直徑為30 40mm的9SiCr鋼在油中能淬透，相同尺寸的T9鋼能否淬透? 為什么?3）T9鋼制造的刀具刃部受熱到200-250，其硬度和耐磨性已迅速下降而失效；9SiCr鋼制造的刀具，其刃部受熱至230-250，硬度仍不低于60HRC，耐磨性良

7、好，還可正常工作。為什么?4）為什么9SiCr鋼適宜制作要求變形小、硬度較高和耐磨性較高的圓板牙等薄刃工具?1) 9SiCr中合金元素比T9多，加熱奧實(shí)體化時(shí)，要想使合金元素熔入奧氏體中并且還能成分均勻，需要更高的溫度。2）不能。因?yàn)?SiCr中Si、Cr提高了鋼的淬透性，比T9的淬透性好，9SiCr的油淬臨界直徑D油<40mm，所以相同尺寸的T9鋼不能淬透。3）Si、Cr提高回火穩(wěn)定性，經(jīng)250回火，硬度>60HRC；4）Cr、Si的加入提高了淬透性并使鋼中碳化物細(xì)小均勻，使用時(shí)刃口部位不易崩刀；Si抑制低溫回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變非常有效，所以該鋼的低溫回火穩(wěn)定性好，熱處理是的變形也很

8、小。缺點(diǎn)是脫碳敏感性比較大。因此，如果采用合適的工藝措施，控制脫碳現(xiàn)象，適合制造圓板牙等薄刃工具。4-6 簡(jiǎn)述高速鋼鑄態(tài)組織特征。高速鋼的鑄態(tài)組織常常由魚骨狀萊氏體（Ld）、黑色組織（共析體等）和白亮組織（M+AR）組成。組織不均勻，可能含粗大的共晶碳化物，必須通過鍛軋將其破碎，萊氏體網(wǎng)是任何熱處理方法所不能消除的，只有通過熱壓力加工達(dá)到一定的變形量之后才能改善。4-7在高速鋼中，合金元素W、Cr、V的主要作用是什么?W：鎢是鋼獲得紅硬性的主要元素。主要形成M6C型K，回火時(shí)析出W2C；W強(qiáng)烈降低熱導(dǎo)率鋼導(dǎo)熱性差Cr 加熱時(shí)全溶于奧氏體，保證鋼淬透性 ，大部分高速鋼含4Cr 。增加耐蝕性，改善

9、抗氧化能力、切削能力。V 顯著提高紅硬性、提高硬度和耐磨性，細(xì)化晶粒，降低過熱敏感性。以VC存在.4-8 高速鋼在淬火加熱時(shí)，如產(chǎn)生欠熱、過熱和過燒現(xiàn)象，在金相組織上各有什么特征？欠熱：淬火溫度較低，大量K未溶, 且晶粒特別細(xì)小。過熱：淬火溫度過高，晶粒長(zhǎng)大，K溶解過多，未溶K發(fā)生角狀化；奧氏體中合金度過高，冷卻時(shí)易在晶界上析出網(wǎng)狀K。過燒：如果溫度再高，合金元素分布不均勻，晶界熔化，從而出現(xiàn)鑄態(tài)組織特征，主要為魚骨狀共晶萊氏體及黑色組織。 4-9 高速鋼（如W18Cr4V）在淬火后，一般常采用在560攝氏度左右回火3次的工藝，為什么？高速鋼淬火后三次560回火主要目的是：促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

10、馬氏體，未回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體；減少殘余應(yīng)力。高速鋼淬火后大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，殘留奧氏體量是2025%，甚至更高。第一次回火后，又有15%左右的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有10%左右的殘留奧氏體，15%左右新轉(zhuǎn)變未經(jīng)回火的馬氏體，還會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力，對(duì)性能還有一定的影響。為此，要進(jìn)行二次回火，這時(shí)又有56%的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同樣原因?yàn)榱耸故Ｓ嗟臍埩魥W氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，和使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體并消除應(yīng)力，需進(jìn)行第三次回火。經(jīng)過三次回火殘留奧氏體約剩13%左右。4-10高速鋼每次回火為什么一定要冷到室溫再進(jìn)行下一次回火? 為什么不能用較長(zhǎng)時(shí)間的一次回火來代替多次回火?這是因?yàn)闅堄鄪W氏

11、體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是在回火冷卻過程中進(jìn)行的。因此，在每次回火后，都要空冷至室溫，再進(jìn)行下一次回火。否則，容易產(chǎn)生回火不足的現(xiàn)象（回火不足是指鋼中殘余奧氏體未完全消除）。不能:因?yàn)楦咚黉摵辖鹪囟喽鴮?dǎo)致殘余奧氏體多，淬火后的組織是馬氏體+殘余奧氏體，第一次回火使得馬氏體回火變成為回火馬氏體，而殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這部分馬氏體卻在第一次回火中沒有得到回火，因此，高速鋼一次回火不能使所有的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體。由于多次回火可以較完全消除奧氏體以及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，必須多次回火，一般3次。4-11高速鋼在退火態(tài)、淬火態(tài)和回火態(tài)各有什么類型的碳化物? 這些不同類型的碳化物對(duì)鋼的性

12、能起什么作用?退火態(tài)：退火后的顯微組織為索氏體基體上分布著均勻、細(xì)小的碳化物顆粒，碳化物類型為M6C型、M23C6型及MC型。淬火態(tài)：加熱時(shí)，K溶解順序?yàn)椋篗7C3M23C6型在1000左右溶解完 M6C型在1200時(shí)部分溶解 MC型比較穩(wěn)定，在1200時(shí)開始少量溶解?；鼗饝B(tài)：主要為M6C(淬火殘留)、MC(回火時(shí)析出和淬火殘留)、M2C (回火析出)等K.4-12 高速鋼W6Mo5Cr4V2的A1溫度在800攝氏度左右，為什么常用的淬火加熱溫度卻高達(dá)1200攝氏度以上？高速鋼淬火的目的是獲得高合金度的奧氏體，淬火后得到高合金馬氏體，具有高的回火穩(wěn)定性，在高溫回火時(shí)彌散出合金碳化物而產(chǎn)生二次硬

13、化，使鋼具有高硬度和紅硬性。高速鋼的合金碳化物比較穩(wěn)定，必須在高溫下才能將其溶解。所以，雖然高速鋼的A1在800攝氏度左右，但其淬火溫度必須在A1+400攝氏度以上。4-13 高速鋼在淬火加熱時(shí)，常需要進(jìn)行一次或二次預(yù)熱，為什么？預(yù)熱有什么作用？高速鋼導(dǎo)熱性差,淬火加熱溫度又高,所以要預(yù)熱。可根據(jù)情況采用一次預(yù)熱和二次預(yù)熱。預(yù)熱可 減少淬火加熱過程中的變形開裂傾向； 縮短高溫保溫時(shí)間，減少氧化脫碳； 準(zhǔn)確地控制爐溫穩(wěn)定性。 4-14高速鋼在分級(jí)淬火時(shí)，為什么不宜在950-675攝氏度溫度范圍內(nèi)停留過長(zhǎng)時(shí)間？高速鋼在高溫加熱奧氏體化后，奧氏體中合金度比較高，具有較高的穩(wěn)定性。由于合金度高，所以有

14、碳化物析出的趨勢(shì)。如果冷卻時(shí)在760攝氏度以上的范圍停留，或緩慢地冷卻到760攝氏度，奧氏體中會(huì)析出二次碳化物，在760攝氏度左右會(huì)析出特別強(qiáng)烈。在冷卻過程中析出碳化物，降低了奧氏體中的合金度，從而影響了高速鋼的紅硬性。所以，從工藝上看，對(duì)某些需要做空氣預(yù)冷或在800攝氏度左右作短時(shí)停留的工具，應(yīng)特別注意控制預(yù)冷時(shí)間，停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，在625攝氏度進(jìn)行10min的停留就會(huì)降低紅硬性。所以，高速鋼為了防止開裂和減少變形，通常采用在600攝氏度左右分級(jí)淬火，其停留時(shí)間也應(yīng)嚴(yán)格控制，一般不超過15min.(書上P104最后一段)4-15 Cr12MoV鋼的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么?屬于高耐磨微變

15、形冷作模具鋼，其特點(diǎn)是具有高的耐磨性、硬度、淬透性、微變形、高熱穩(wěn)定性、高抗彎強(qiáng)度，僅次于高速鋼，是沖模、冷鐓模等的重要材料，其消耗量在冷作模具鋼中居首位。該鋼雖然強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好，但其韌度較差，對(duì)熱加工工藝和熱處理工藝要求較高，處理工藝不當(dāng)，很容易造成模具的過早失效。4-16為減少Cr12MoV鋼淬火變形開裂，只淬火到200左右就出油，出油后不空冷，立即低溫回火，而且只回火一次。這樣做有什么不好? 為什么?此題實(shí)在不會(huì)，能百度到的相關(guān)資料如下Cr12MoV淬火、回火工藝選擇Cr12MoV分級(jí)淬火（減少變形、防止開裂）：加熱溫度采用1020，保溫后放入260280硝鹽爐中分級(jí)310min

16、，轉(zhuǎn)入溫度為Ms-(1020)硝鹽爐中停留510min后空冷。或者直接淬入160180的硝鹽爐中停留510min后空冷?？绽涞?20左右轉(zhuǎn)入回火工序。Cr12MoV等溫淬火（增加強(qiáng)韌度）：加熱溫度采用1020，保溫后放入Ms-(1020)的硝鹽爐中均溫310min，轉(zhuǎn)入260280保溫23h空冷后到120左右轉(zhuǎn)入回火工序。Cr12MoV鋼降溫淬火（減少淬火變形）：Cr12MoV鋼制造的壓膠木粉的成型模，形狀復(fù)雜、尺寸變形要求嚴(yán)格，要求有一定的韌性，但硬度要求一般為4550HRC。采用1020加熱淬火，就必須用高溫回火，這樣變形難以控制。現(xiàn)在某些工廠采用880加熱后，油冷到150200立即轉(zhuǎn)入3

17、00等溫34h，200回火。這樣處理的模具變形極小，韌性也好，硬度在45HRC左右。缺陷是熱處理組織中有少量的屈氏體存在。Cr12MoV鋼回火溫度的選擇：淬火加熱采用10201050，要求高硬度可用180200回火；為防止線切割開裂可選用400420回火。因淬火冷卻發(fā)生變形，采用480回火可使尺寸有少量的收縮；采用510回火可使尺寸有少量的脹大。模具的深冷處理：提高耐磨性，增加尺寸穩(wěn)定性。把淬火后的模具放入液氮中12h進(jìn)行深冷處理，然后進(jìn)行回火，也可以在回火后進(jìn)行深冷處理。Cr12MoV模具經(jīng)深冷處理后硬度有12HRC的提高。4-17簡(jiǎn)述冷作模具、熱作模具的服役條件及對(duì)鋼性能的要求。冷作模具服

18、役條件：工作T不高，模具主要承受高壓力或沖擊力，有強(qiáng)烈的摩擦。主要技術(shù)要求為具有高硬度和耐磨性，有一定韌性。熱作模具服役條件：模具是在反復(fù)受熱和冷卻條件下工作.模具受熱時(shí)間越長(zhǎng)，受熱程度就越嚴(yán)重.許多模具還受到較大沖擊力。工作條件苛刻 。熱作模具鋼應(yīng)具有高抗熱塑性變形能力、高韌性、高抗熱疲勞、良好的抗熱燒蝕性 4-18高速鋼和經(jīng)過二次硬化的Cr12型鋼都有很高的紅硬性，能否作為熱作模具使用? 為什么?不能。高速鋼雖有高的耐磨性、紅硬性，但韌性比較差、在較大沖擊力下抗熱疲勞性能比較差，高速鋼沒有能滿足熱錘鍛模服役條件所需要高韌性和良好熱疲勞性能的要求。4-19 對(duì)熱錘鍛模的回火硬度要求是：小型模

19、具硬度略高，大型模具硬度略低；模面硬度較高，模尾硬度較低。為什么?小型鍛模由于鍛件冷卻比較快，硬度相對(duì)較高，所以小型鍛模應(yīng)具有較高的耐磨性，硬度要求也應(yīng)在40-44HRC.如果型腔淺而簡(jiǎn)單，硬度要求還應(yīng)再提高。大型鍛模由于鍛模尺寸很大，淬火是的應(yīng)力和變形比較大，此外工作時(shí)應(yīng)力分布也不均勻，需要有較高的韌度，并且鍛件的溫度也相對(duì)較高，硬度較低，大型鍛模的硬度以35-38HRC為宜.鍛模模面和模尾硬度要求不同，模尾部分應(yīng)力集中、承受沖擊，硬度要求低。4-20熱錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模的主要性能要求有什么異同點(diǎn)?同：較高的高溫強(qiáng)度與耐磨性，良好的耐熱疲勞和導(dǎo)熱性，異：熱鍛模鋼還要有高的淬透性，良好的

20、沖擊韌度和低的回火脆性傾向熱擠壓鋼要求高的熱穩(wěn)定性。壓鑄模鋼要求耐蝕性。4-21形狀復(fù)雜的5Cr06NiMo(5Cr08MnMo)鋼制造的熱錘鍛模，為減少變形、防止開裂，在淬火工藝操作上應(yīng)該采取哪些措施?（1）預(yù)熱。為了減小熱應(yīng)力而造成的變形，熱鍛模一般均經(jīng)550一6O0預(yù)熱(箱式爐)保溫。（2）采用油冷。油冷的特點(diǎn)是高溫區(qū)的冷卻能力低，低溫區(qū)的冷卻速度合適，可以大大降低淬火工件的組織應(yīng)力，減小工件變形和開裂的傾向。適用于過冷比較穩(wěn)定的合金鋼。4-22 5CrW2Si鋼中的合金元素有什么作用? 該鋼常用作什么工具?W：進(jìn)一步提高耐磨性和細(xì)化晶粒，W還能有效地削弱第二類回火脆性，所以含W鋼可在4

21、30470回火，可得到更好的韌度。Si、Cr：提高低溫回火穩(wěn)定性，并推遲低回脆性區(qū)，因此可提高回火溫度到280，而得到較高的韌度，特別是Si元素更為有效；這些元素都提高淬透性、強(qiáng)度和耐磨性。4-23 常用哪些熱處理措施來保證量具的尺寸穩(wěn)定性?（1） 調(diào)質(zhì)處理。獲得回火索氏體，減少淬火變形和提高機(jī)械交工的光潔度。（2） 淬火和低溫回火。常采用不完全淬火+低溫回火，保證硬度的前提下，盡量降低淬火溫度并進(jìn)行預(yù)熱，以減少加熱和冷卻過程中的溫差和淬火應(yīng)力。（3） 冷處理。高精度量具淬火后必須進(jìn)行冷處理，以減少殘余奧氏體量，從而增加尺寸穩(wěn)定性。（4） 時(shí)效處理。淬火回火后，在120-150攝氏度進(jìn)行24-

22、36 h的失效處理，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，大大增加尺寸穩(wěn)定性而不降低其硬度。4-24 試總結(jié)合金元素Si、Mn、Mo、V、Cr、Ni在合金鋼中的作用，并能簡(jiǎn)述其原理。Si的作用如下：1）提高鋼強(qiáng)度； Si是鐵素體形成元素，有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用；2）提高鋼的淬透性；可阻止鐵素體形核和長(zhǎng)大，使“C”曲線右移；3）提高低溫回火穩(wěn)定性；因Si可以抑制回火時(shí)K的形核、長(zhǎng)大及轉(zhuǎn)變；4）提高淬火加熱溫度；，Si提高A1溫度。5）提高抗氧化性，因?yàn)樗梢孕纬芍旅芊€(wěn)定的氧化膜，同時(shí)可以提高FeO的形成溫度。6）加熱時(shí)易脫碳；Si是促進(jìn)石墨化的元素。Mo元素在合金中的主要作用歸結(jié)如下：（1）降低回火脆性，一般認(rèn)為Mo可

23、以抑制有害元素在晶界的偏聚；（2）提高貝氏體的淬透性，因?yàn)镸o大大推遲珠光體的轉(zhuǎn)變而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響較小；（3）細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。Mo是強(qiáng)碳化物形成元素，與碳的結(jié)合力較大形成的碳化物穩(wěn)定，不易長(zhǎng)大。（4）提高熱強(qiáng)性，因?yàn)镸o可以較強(qiáng)地提高固溶體原子的結(jié)合力。（5）提高防腐性，特別是對(duì)于非氧化性介質(zhì)。因?yàn)镸o可以形成致密而穩(wěn)定的MoO3 膜；（6）提高紅硬性，因Mo與C原子結(jié)合力強(qiáng)，故回火穩(wěn)定性比較好并且形成的在高溫下碳化物穩(wěn)定。Ni元素在合金鋼中的作用：1）基體韌度 Ni位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，使應(yīng)力松弛；2）穩(wěn)定A， NiA1 ，擴(kuò)大區(qū)，量大時(shí)，室溫為A組織； 3）淬透性G，使“C”線右移，Cr-Ni復(fù)合效果更好；4）回火脆性 Ni促進(jìn)有害元素偏聚；5）