工程材料习题Word文件下载.docx

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3.分析20CrMnTi钢得到下列组织的热处理工艺：

（1）板条马氏体；

（2）片状珠光体+铁素体；

（3）细片状珠光体+均匀分布的铁素体；

（4）表面的主要组织是片状回火马氏体，心部的主要组织是索氏体+低碳回火马氏体。

（1）热处理工艺：

油冷淬火因为20CrMnTi属低碳合金钢，淬透性好，油冷淬火即可获得板条马氏体。

（2）热处理工艺：

完全退火因为20CrMnTi属亚共析钢，通过完全退火后可获得接近平衡的组织，即片状珠光体+铁素体。

（3）热处理工艺：

正火因为细片状珠光体+均匀分布的铁素体组织是在较快的冷速下获得的，因而采用正火。

（4）热处理工艺：

渗碳+淬火+低温回火

片状回火马氏体是高碳马氏体的组织形态，20CrMnTi属低碳钢，通过表面渗碳就可提高表面的含碳量，从而使表面在淬火后得到片状马氏体；

片状回火马氏体和心部的低碳回火马氏体都是淬火后低温回火得到的。

4.某载重汽车发动机的汽缸盖螺栓，原选用40Cr钢调质处理，硬度为33～35HRC，后改用15MnVB钢880℃油淬、200℃低温回火，硬度为38～41HRC，提高使用寿命1.5倍，试分析原因。

本题答案：

载重汽车发动机的汽缸盖螺栓工作时承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力作用，而且应力较均匀地分布在整个截面上。

因此，要求选用全截面能够淬透的，具有一定韧性和足够强度能承受一定能量的周期性的冲击作用的材料。

15MnVB钢淬透性好，可保证全截面淬透。

在进行880℃油淬、200℃低温回火后的组织是低碳回火马氏体，有一定的韧性和较高强度，其强度、硬度（38～41处

HRC）比40Cr（33～35HRC）高，因而15MnVB的小能量多冲抗力比40Cr好，所以能够提高使用寿命1.5倍。

5.汽车齿轮通常用20CrMnTi钢制造，试问：

（共17分）

1）钢中含碳量及合金元素的主要作用（4分）。

2）根据工序正确安排生产过程的工艺路线（3分）。

锻造、正火、渗碳、下料、车削加工、淬火加低温回火、齿形加工、精加工、

3）画出最终热处理（渗碳、淬火、回火）的工艺曲线（5分），指出最终热处理所获得的组织（5分）。

1）平均含碳量为0.2%，Cr、Mn含量1%左右，T含量0.1%左右。

2）下料→锻造→正火→车削加工→齿形加工→渗碳→淬火加低温回火→精加工

3）热处理后表面组织主要是高碳回火马氏体。

心部组织与钢的淬透性和零件尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体和少量铁素体，多数情况下为托氏体、少量回火马氏体及少量铁素体。

1.给下列齿轮零件编制工艺流程，指出热处理方法及其作用，最终热处理后各部位组织和性能。

1）45钢车床齿轮，速度较大，承受中等载荷，齿部硬度要求高。

2）38CrMoAl精密齿轮，承受中等载荷，精度要求高。

1）45钢车床齿轮，工作时运转速度较大，承受中等载荷，齿部硬度要求一般在52-58HRC。

机床齿轮的工作条件与动力机械中的齿轮相比较，机床齿轮还是属于运转平稳、负荷不大、条件较好的一类。

生产实践证明，一般机床齿轮选用中碳钢制造，并经高频感应淬火，所得到的硬度、耐磨性、强度以及韧性均能满足要求，而且高频感应淬火变形小，生产率高。

根据工作条件制定工艺流程如下：

锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨

正火改善切削加工性。

调质可以使齿轮具有较高力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力。

调质后的组织为回火索氏体，在表面淬火时变形更小。

高频淬火低温回火后，表面是回火马氏体，硬度高，耐磨。

2）38CrMoAl精密齿轮，承受中等载荷，精度要求高。

工艺流程如下：

锻造→退火→粗车→调质→滚齿→去应力处理→精滚齿→剃齿→渗氮→珩齿

退火改善锻造组织，细化晶粒，调整硬度，提高切削加工性。

调质可获较高的强度和韧性，调质后的组织为回火索氏体。

去应力退火是为了消除切削加工中产生的应力，减小变形，退火温度应低于调质时的回火温度而高于渗氮温度20-30℃。

渗氮之后，表层有0.5mm左右的氮化层，硬度高（约950HV），耐磨性好，可保持齿轮在长期运转中的高精度。

2.给下列主轴零件编制工艺流程，指出热处理方法及其作用，最终热处理后各部位组织和性能。

（轴颈要求耐磨）

1）20Cr内圆磨床砂轮主轴（轴颈Φ30mm，内锥孔Φ25mm要求耐磨）

2）40Cr车床主轴

3）38CrMoAlA主轴

1）20Cr内圆磨床砂轮主轴（轴颈Φ30mm，内锥孔Φ25mm要求耐磨）工艺流程：

锻造→正火→切削加工→渗碳→车螺纹→淬火+低温回火→精磨。

正火是为了获得合适的硬度，便于切削加工，同时改善锻造组织，为渗碳处理作准备。

渗碳之后使表面的含碳量提高到0.8%-1.0%，淬火+低温回火后轴表面和内锥孔表面是高碳的回火马氏体组织，硬度高（58-60HRC），耐磨性好。

心部由铁素体、珠光体和低碳回火马氏体组成，韧性好，耐冲击。

适用于中等载荷，心部强度要求不高，但转速很高的场合。

2）40Cr车床主轴工艺流程：

锻造→退火→粗加工→调质→轴颈部和内锥孔表面淬火+低温回火→精磨。

退火是为了改善锻造组织，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性。

同时，为调质处理作组织上的准备。

调质后主轴有较高的强度和韧性,组织是回火索氏体。

轴颈部和内锥孔表面淬火+低温回火后，表面是回火马氏体，硬度高（52-57HRC），耐磨性好。

心部组织不变，为回火索氏体。

3）38CrMoAlA坐标镗床主轴的工艺流程：

锻造→完全退火→粗加工→调质→半精加工→低温退火→粗磨→氮化→半精磨→油煮定性→精磨→油煮定性→研磨

退火是为了获得合适的硬度，便于切削加工，同时改善锻造组织，为调质处理作准备。

调质是为了获得综合力学性能好的回火索氏体组织。

低温退火（550—600℃，保温3-4h）是为了消除切削加工造成的内应力，减小最终热处理变形，退火温度要低于调质的回火温度20-30℃。

在精加工工序中安排的油煮定性（亦称人工时效，140-160℃，18-20h），其目的也是为了消除应力、稳定组织。

氮化处理是为了获得高硬度，高耐磨性的表面氮化层，以保证机床在长期运转中的高精度。

3.镗床镗杆（Φ60mm

），在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoAlA。

该零件应采用何种预先热处理和最终热处理？

零

预先热处理：

1）锻坯退火，降低硬度，改善切削加工性。

2）粗加工后进行调质。

由于氮化层很薄（约0.5mm），且较脆，因此要有较高强度的心部组织需通过调质处理。

38CrMoAlA钢属高淬透性的调质钢，940±

10℃加热保温后油冷,620-650℃回火空冷，可使心部获得综合力学性能好的回火索氏体组织。

最终热处理：

磨削加工后进行渗氮处理，以使表面获得高硬度的渗氮层。

热处理后心部主要是回火索氏体，表面是高硬度的氮化层。

4.某汽车变速箱齿轮，要求齿面硬度高（耐磨），心部韧性好（耐冲击），同时具有高的抗弯强度（承受重载）,待选材料：

H70、20CrMnTi、T10、

GCr15、60Si2Mn、Q390、2Cr13、LC4、Cr12MoV

1）试为其选择正确的材料

2）钢中合金元素的主要作用

3）钢中含碳量为_________

4）根据工序正确安排生产过程的工艺路线：

喷丸、锻造、正火、渗碳、下料、粗加工、淬火加低温回火、精磨

5）热处理目的

正火目的—

渗碳目的—

淬火加低温回火的目的—

1）选择材料：

汽车变速箱齿轮的工作条件比较繁重，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面要求较高，选用20CrMnTi钢制造并经渗碳淬火低温回火处理后使用是比较合理的。

另外，汽车齿轮的批量大，对材料的工艺性能要给以足够的重视。

20CrMnTi正火后的切削加工性较好，也有较好的淬透性，可采用油冷淬火，过热倾向不大，渗碳后可预冷直接淬火。

从工艺性方面考虑选用20CrMnTi钢也是合理的。

2）钢中合金元素的主要作用：

Cr,Mn提高钢的淬透性；

Ti是强碳化物形成元素，Ti加入钢中有细化晶粒，抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。

3）钢中含碳量为0.2%

4）工艺路线：

下料→锻造→正火→粗加工→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨

5）热处理目的

正火目的—改善锻造状态的不正常组织，调整硬度，以利切削加工。

渗碳目的—使工件表面含碳量增高。

淬火加低温回火的目的—使表面获得高碳回火马氏体，硬度高，耐磨；

心部获得韧性好，耐冲击的索氏体+细珠光体+低碳回火马氏体的组织。

简答题（本大题共8小题，每小题8分，共64分）

1.在正常奥氏体化加热条件下，比较20CrMnTi、35、T8、40Cr四个钢号的淬透性和淬硬性，并说明理由。

淬透性由高到低依次为：

20CrMnTi、40Cr→T8钢→

35钢。

因为钢的淬透性取决于钢的含碳量和合金元素的种类及含量，含碳量越靠近共析成分的钢淬透性越好；

大多数合金元素（除Co）都有提高钢淬透性的作用，加入多种合金元素对淬透性影响比单一元素的作用要大。

淬硬性由高到低依次为：

T8→40Cr→35→20CrMnTi。

淬硬性是指钢淬火后所形成的马氏体组织所能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的碳浓度。

2.合金结构钢中Mn、Cr、Ni元素对马氏体开始转变点Ms有何影响？

对钢中残余奥氏体数量有何影响？

合金元素Mn、Cr、Ni降低马氏体开始转变温度，并增加残余马氏体量。

Mn的作用最明显，其次是Cr和Ni。

3.某汽车变速箱齿轮用20CrMnTi制造，必须进行下列各加工：

切削加工，锻造，最终热处理，下料，预先热处理，精磨，喷丸，试回答：

1）材料的含碳量及各元素的含量为多少？

各合金元素的作用是什么？

2）正确安排其生产工艺路线，不可随意增减，并写出热处理的工艺名称、所得组织、力学性能特点。

1）平均含碳量为0.2%，Cr、Mn

含量1%左右，T含量0.1%左右。

钢中合金元素的主要作用：

2）下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→油冷淬火→低温回火→喷丸→精磨

正火的组织：

细珠光体+均匀分布的铁素体。

渗碳淬火+低温回火的组织：

表面组织主要是高碳回火马氏体。

'

力学特点：

表面硬度高，耐磨性好，疲劳强度较高，力学性能比表面淬火高。

心部具有高的强度及良好的韧性和很低的缺口敏感性。

4.欲做下列零件：

小弹簧、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：

Q195、45、65Mn、T10）。

小弹簧：

65Mn；

螺钉：

Q195；

手锯条：

T10；

齿轮：

45

5.某汽车变速箱齿轮，要求齿面硬度≥59HRC，试选一材料，制定预备热处理和最终热处理工艺，指出热处理后的组织。

（待选材料：

T10、40Cr、GCr15、Q235）四

选择材料：

40Cr

预备热处理工艺：

正火处理，加热到860～900℃保温，空冷。

硬度在175～225HB，组织为均匀分布的片状珠光体和铁素体。

最终热处理工艺：

气体碳氮共渗（820～850℃，表面C=0.7～1.0%，N=0.2～0.4%），共渗后直接淬火+低温回火。

最终组织为：

共渗层表面组织由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物以及少量的残余奥氏体组成。

1.连杆螺栓，硬度要求30～38HRC，试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。

20CrMnTi、GCr15、T10、40Cr、Q235）

连杆螺栓是发动机上的一个重要连接件。

工作时承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力作用。

要求连杆螺栓要有足够的强度、冲击韧度和疲劳强度，硬度在30～38HRC范围。

在待选的材料中40Cr的力学性能满足要求，且具有较好的切削加工工艺性能和较好的淬透性，是较理想的材料。

最终热处理工艺：

调质处理840～860℃油冷淬火+520～560℃回火（水或油冷）

最终热处理后的组织为回火索氏体。

2.指出下列钢的类别，其含碳量约多少？

20、40Cr、20CrMnTi、T10A、GCr15、65

20：

优质碳素结构钢，ωc=0.2%；

40Cr:

合金调质钢，ωc=0.4%；

20CrMnTi：

合金渗碳钢，ωc=0.2%；

T10A：

高级优质碳素工具钢，ωc=1.0%；

GCr15：

滚动轴承钢，ωc=0.9-1.05%；

65：

碳素弹簧钢，ωc=0.65%

3.有20CrMnTi、38CrMoAl、T12、45等四种钢材，请选择一种钢材制作汽车变速箱齿轮（高速中载受冲击），并写出工艺路线，说明各热处理工序的作用。

;

20CrMnTi

汽车变速箱齿轮的工作条件比较繁重，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面要求较高，选用20CrMnTi钢制造可满足其力学性能要求。

20CrMnTi的加工工艺性能和淬透性也较好适合制作高速中载受冲击的汽车变速箱齿轮。

工艺路线：

正火目的是为了细化晶粒，改善锻造状态的不正常组织，调整硬度，以利切削加工。

渗碳可使工件表面含碳量增高。

渗碳之后淬火加低温回火是为了使表面获得高碳回火马氏体，硬度高，耐磨；

心部获得韧性好，耐冲击的低碳回火马氏体+细珠光体+铁素体的组织。

名词解释（本大题共2小题，每小题3分，共6分）

1.回火脆性

淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。

2.回火稳定性

回火稳定性是指淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力。

简答题（本大题共25小题，每小题10分，共250分）

1.现有低碳钢齿轮和中碳钢齿轮各一只，为了使齿轮表面具有高的硬度和耐磨性，应该选择何种热处理方法？

并比较热处理后它们在组织和性能上的差异。

低碳钢齿轮可采用渗碳、淬火、低温回火处理。

通过渗碳使表面含碳量达到1.0%左右，淬火回火后，表面是高碳的回火马氏体，硬度高，而心部仍然是低碳的组织，韧性好。

中碳钢齿轮可采用表面淬火低温回火处理。

淬火低温回火之后，表面是中碳回火马氏体，硬度高耐磨。

心部仍然是韧性好的原正火或调质状态的组织。

与表面淬火处理相比较，渗碳的零件表面硬度更高，更耐磨，心部韧性更好，更耐冲击。

2.将Φ10mm的T8钢圆片试样加热至780℃并保温，后经五种不同冷却方式分别得到：

①P、②S、③T、④B下＋M＋少量AR、⑤

M＋少量AR。

在C曲线上分别画出其冷却工艺曲线。

3.直径为10mm的45钢试样在不同热处理条件下得到的硬度如表所示，请将不同热处理条件下的显微组织填入表中的显微组织栏。

4.T8钢经球化退火后得到什么组织？

经淬火后得到什么组织？

淬火后分别在200℃、

℃、600℃回火又得到什么组织？

T8钢经退火后得到球状珠光体。

经淬火后得到马氏体+残余奥氏体。

淬火后分别在200℃、400℃、600℃回火得到回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体。

5.T8钢的C曲线如图所示，若使该钢在570℃等温不同的时间，按图示1、2、3、4的冷却速度冷至室温，试问各获得什么组织？

然后再进行高温回火，又各获得什么组织？

冷速1冷至室温：

马氏体+残余奥氏体；

高温回火后：

回火索氏体。

冷速2冷至室温：

细片状珠光体（托氏体）+马氏体+残余奥氏体；

细片状珠光体+回火索氏体。

冷速3冷至室温：

细片状珠光体（托氏体）；

细片状珠光体（托氏体）。

冷速4冷至室温：

1.指出下列工件正火的主要作用及正火后的组织。

（1）20Cr制造传动齿轮

（2）综合力学性能要求不高的45钢小轴（3）T12钢制造锉刀。

（1）目的：

预先热处理，细化晶粒，均匀组织，消除内应力，为最终热处理做组织准备。

另外，提高硬度，改善切削加工性。

组织：

晶粒均匀细小的大量铁素体和少量索氏体。

（2）目的：

正火使晶粒细化，组织均匀，力学性能较退火高，正火作为力学性能要求不高的小轴的最终热处理。

另外，正火可调整硬度，改善切削加工性。

晶粒均匀细小的铁素体和索氏体。

i

（3）目的：

细化晶粒，均匀组织，消除内应力，消除网状Fe3CⅡ，为球化退火做组织准备。

索氏体。

2.用45钢制造主轴，其加工工艺的路线为：

下料——锻造——退火——粗加工——调质处理，试问：

（1）调质处理的作用。

（2）调质处理加热温度范围。

（1）调质处理的作用：

获得回火索氏体，使主轴具有良好的综合力学性能，满足使用要求。

（2）调质处理加热温度范围：

淬火：

840±

10℃，高温回火：

580-640℃

3.什么叫回火？

淬火钢为什么要进行回火处理？

回火：

将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却的\钢淬火后获得的组织是马氏体和残余奥氏体，马氏体和残余奥氏体是不稳定的组织，它们有向较稳定组织转变的趋势，这将影响着零件的尺寸精度及性能稳定；

淬火钢的性能特点是硬度高，脆性大，内应力大，直接使用很容易破断损坏。

因此，淬火后要进行适当的回火处理，以稳定组织，稳定尺寸，消除或减小钢的残余应力，提高韧性。

4.什么叫淬火？

其主要目的是什么？

将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。

淬火的目主要是为了使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体组织，并配以不同温度回火获得各种需要的性能。

5.淬火钢采用低温、中温和高温回火各获得什么组织？

其主要应用在什么场合

（1）低温回火得到的组织是回火马氏体。

内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。

这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为58-64HRC。

l

（2）中温回火后的组织为回火屈氏体，硬度35-45HRC，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。

这种回火主要应用于含碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。

C

（3）高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度25-35HRC，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。

这种回火主要应用于含碳0.3-0.5%

的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。

1.亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应如何选择？

试从获得的组织及性能等方面加以说明。

亚共析碳钢淬火加热温度Ac3+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。

如果亚共析碳钢加热温度在Ac1～Ac3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的强度、硬度降低。

所以，加热温度应在Ac3以上。

但温度不能超过Ac3过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大马氏体。

过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（30～50℃），淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。

如果加热温度超过Accm，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。

淬火温度过高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增加。

2.何谓球化退火？

为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？

3.本题答案：

（1）将钢件加热到Ac1以上20～40℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500℃后再出炉空冷。

（2）过共析钢不能采用完全退火，因为加热温度超过A

ccm后，过共析钢的组织为单一的奥氏体，如果随后再缓慢地冷却，将得到层片状珠光体+网状二次渗碳体，不仅硬度高，难以切削加工，而且钢的脆性大，容易产生淬火变形及开裂。

通过球化退火，使层状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工并为随后的淬火做好组织准备。

3.确定下列钢件退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：

（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度

（2）ZG270-500的铸造齿轮

（3）锻造过热的45钢锻坯

（4）具有片状渗碳体的T12钢坯

（1）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；

答：

再结晶退火。

目的：

使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。

铁素体和珠光体。

（2）ZG270-500的铸造齿轮

完全退火。

因为铸造后的齿轮通常晶粒比较粗大，存在残余内应力。

细化晶粒，消除内应力。

（3）锻造过热后的45钢锻坯；

细化晶粒，消除过热组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

（4）具有片状渗碳体的T12钢坯；

球化退火。

使层片状渗碳体和少量二次渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性，并为随后