工程材料7,8章作业

答：目的：当C＞0.03%时，C超过奥氏体的溶碳量，钢只有快速从溶解度以上高温冷却到室温(避免在溶解度以下的高温停留)，才能得到含过饱和碳的单一奥氏体组织，否则会有高铬碳化物(Cr23C6)在晶界沉淀析出，或有金属间相在晶界析出，大大降低钢的抗晶间腐蚀、点腐蚀及沿晶间型的应力腐蚀开裂，这是奥氏体不锈钢最大的缺点。稳定化处理和固溶处理就是为了解决这些问题

稳定化处理是为了固定碳：固定碳加入Ti、Nb等强碳化物形成元素，需进行稳定化处理，但稳定化处理也不能防止奥氏体不锈钢在某些介质中的晶间腐蚀。

固溶处理的影响：固溶处理后，使奥氏体成份均匀化，抑制高铬碳化物的形成。 处理工艺：稳定化处理：把钢加热到850~900℃，保温2~4小时，再通过水冷快速降至室温，因TiC或NbC沉淀的最快速度是在880℃左右，而Cr23C6在晶间最快的沉淀速度是在600~750℃，稳定化处理避免了在晶间腐蚀倾向敏感温度范围内停留，会降低晶间腐蚀倾向。 固溶处理：把这类钢加热到1050~1150℃，保温2~4小时，使碳化物溶于高温奥氏体中，再通过快速水冷却至室温获得单一的奥氏体组织。

16、与普通铸铁作比较，耐蚀、耐磨、耐热铸铁为什么具有特殊性能？

答：耐蚀：添加Si, Cr, Al等，使表面形成致密且附着力强的保护膜；添加Si, Cr, Mo, Cu, Ni等，提高基体电极电位；改变组织，获得奥氏体组织，使石墨球化等。

耐蚀铸铁就是在铸铁中加入Si、Al、Cr、Ni等元素构成的。常用高硅铸铁Si含量14~16%，依靠表面SiO2膜而抗蚀。铝铸铁：含3.5-6%Al的铸铁。能在铸铁表面形成含Al2O3的保护膜，耐碱腐蚀高铬铸铁：含14-36%的Cr。在氧化性介质中铸铁表面能生成一层极薄（约10nm）的而紧密附着在合金表面的含铬氧化膜，大大提高了铸铁的耐蚀性 耐磨：耐磨铸铁分为减磨铸铁和抗磨铸铁两类。（1）减磨铸铁

减磨铸铁的组织应是软基体上分布有坚硬的相。软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑，而坚硬相可承受摩擦。

细片状珠光体为基德灰铸铁基本上能满足这样的要求。其中铁素体基体为软基体，渗碳体为坚硬相，同时石墨还有储油和润滑的作用。为了进一步提高珠光体灰铸铁的耐磨性，可加入适量的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金元素。

常用的和金减磨铸铁有高磷铸铁，它含有0.4%~0.7%的磷。P在主贴中能形成各种Fe3P共晶的坚硬骨架，使铸铁的耐磨性提高。另一种减磨铸铁是磷铜钛铸铁，这种铸铁中，磷的作用同高磷铸铁，铜能促进第一阶段石墨化并能细化珠光体，钛能促进石墨化，并可形成高硬度的TiC。含高磷的铬钼铜铸铁也是一种有价值的减磨铸铁。

（2)抗磨铸铁

抗磨铸铁的组织应具有均匀的高硬度。普通白口铸铁就是一种抗磨性搞的铸铁，但其脆性大，因此常加入适量的Cu、Cr、Mo、W、Ni、Mn等合金元素，增加其韧性，并具有更高的硬度和耐磨性。

近年来，我国试制成功一种具有较好冲击韧性和强度的中猛球墨铸铁，即在稀土镁球墨铸铁中加入5%~9.5%的锰，含硅量控制在3.3%~5.0%范围内，经球化和孕育处理，适当控制冷却速度，使铸铁在浇铸后得到马氏体与大量残余奥氏体加碳化物与球状石墨的组织，具有高耐磨性。

耐热：高温下能抗“氧化”和“生长”且能承受一定载荷的铸铁。

氧化——铸铁在高温下与周围气氛接触使表层发生化学腐蚀的现象。

生长——铸铁在600℃以上反复加热冷却时产生的不可逆体积长大的现象。

铸铁“生长”的原因：氧化性气体渗入铸铁内部发生了内氧化；铸件中的渗碳体在高温下“石墨化”以及加热冷却过程中铸铁基体组织发生相变引起体积变化。

“氧化”和“生长”的危害：铸件在高温和载荷作用下，由于氧化和生长最终导致零件变形、翘

曲、萌生裂纹、甚至破裂。

17、将回转件、紧固件、轴承、弹簧等各类零部件的主要工作条件及失效情况作比较，了解各种零部件对材料性能要求的异同。 答：轴类零件对材料的要求

i) 具有高的强度，足够的刚度和良好的韧性，以防止断裂及过量变形； ii) 具有高的疲劳强度，防止疲劳断裂； iii) 具有较高的硬度和耐磨性；

iV) 具有一定淬透性，保证轴有（1/2～2/3）R的淬硬层深度。 齿轮类零件对材料的要求

具有高的接触疲劳强度，高的表面硬度和耐磨性，防止齿面损伤；

具有高的抗弯强度，适当的心部强度和韧性，防止疲劳、过载及冲击断裂；

具有良好的切削性能，淬火变形要小，以获得高的加工精度和低的表面粗糙度值，提高齿轮抗磨损能力；

两齿轮啮合，小齿轮硬度应比大齿轮高些。 转子与叶轮对材料性能的要求

转子对材料的要求与轴基本相同。

叶轮对材料的要求比较高。 螺栓连接对材料性能的要求

强度高；塑性韧性好，缺口敏感性小；抗松弛稳定性高；脆断倾向小；有良好的化学稳定性；合理匹配螺栓与螺母材料。 滚动轴承对材料性能的要求

a.高的强度，尤其是高的接触疲劳强度； b.高而且均匀的硬度和耐磨性；

c.适当的韧性和淬透性，并具有一定的抗蚀能力； d.各种性能均匀而且稳定。

弹簧对材料性能的要求

a.高的弹性极限、屈服强度和高的屈强比；

b.高的疲劳强度；

c.具有足够的塑性和韧性，大尺寸弹簧有好的淬透性；

d.在高温及腐蚀性条件下的弹簧所用钢材应具有良好的耐热和抗蚀性。

18、列表比较制造轴、齿轮、转子、与叶轮、螺栓连接、轴承、弹簧等零部件常用材料的牌号、

热处理状态、主要考核性能指标。 常用材料牌号 热处理状态 主要考核性能指标 轴 普通：Q235、 Q255、Q275 优质：35、45、50 45钢使用最广泛 不需热处理 强度、刚度 提高耐磨性、疲劳强 度 合金钢：40Cr、40MnB、强度和淬火性比碳素20CrMnTi、12CrNi3、GCr15 钢好 齿轮 中碳钢：Q255、Q275、40、45、50、50Mn 正火或调质处理 接触疲劳强度 抗弯强度 碳钢或中碳低合金钢，如45、高频或中频淬火及低切削性能 温回火 淬火变形 50Mn、40Cr、40MnB 合金渗碳钢或碳氮共渗钢，如渗碳、淬火、低温回心部强度和韧性 火 20Cr、20CrMnTi 氮化钢，如35CrMo、调质处理及氮化处理 38CrMoAl 碳素铸钢有ZG35、ZG45、ZG55等，合金铸钢有ZG40Cr、ZG35CrMo 转子和叶轮 选用轴类常用材料 与轴类相似 转子对材料的要求与轴基本相同。 叶轮对材料的要求比较高 热轧/热轧 正火/热轧、正火 强度；塑性韧性，缺口敏感性；抗松弛稳定性；脆断倾向；有良好的化学稳定性；是否合理匹配螺栓与螺母材料 螺栓连接 Q235-A/Q215-A、Q235-A 35/Q235-A、20、25 40MnB、40MnVB、40Cr/35、调质/正火 40Mn、45 30CrMoA/40Mn45/30CrMnA 35CrMoA/40Mn45/30CrMoA 35CrMoVA/35CrMoA、35CrMoVA 25Cr2MoVA/30CrMoA、35CrMoA、25Cr2MoVA 40CrNiMoA、1Cr5Mo、2Cr13/ 35CrMoA、40CrNiMoA 1Cr5Mo、1Cr13、2Cr13 轴承 、、调质/正火、调质 调质/正火、调质 调质/调质 调质/调质、调质 调质/调质 GCr15、GCr15SiMn、球化退火、淬火和低强度、硬度和耐磨性GsiMnMoV、GCr6、GCr9、温回火。精密轴承冷韧性和淬透性抗蚀能处理、低温时效处理 力性能均匀而且稳定GCr9SiMn、GSiMnMoV 性 典型牌号有：65Mn、60Si2Mn、50CrVA、55SiMnMoVNb、60Si2MnBRe、70Si3MnA、65Si2MnWA 淬火、中温回火 弹性极限、屈服强度和屈强比；疲劳强度； 塑性和韧性，大尺寸弹簧是否有好的淬透性； 在高温及腐蚀性条件下的弹簧所用钢材是否具有良好的耐热和抗蚀性。 弹簧

19、从管道材料考虑，如何预防压力管道发生断裂和泄漏？ 答：压力管道对材料性能的要求

①足够的强度，良好的塑性和韧性。

②良好的冷热加工成形性能。尤其是良好的焊接性能。 ③与环境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。

20、分析下列牌号钢铁的种类、含碳量及主要合金元素的含量、常用热处理工艺、使用状态下的金相组织、性能特点及用途举例。

（1） HT200：灰口铸铁，含碳量2.7～4.0％、含硅量0.5～3％和锰、磷、硫总量不超过2％，抗拉强度为200MPa, 较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好；铸造性能较好，需要进行人工时效处理 QT450-5：球墨铸铁，含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%和适量的稀土、镁等球化元素 抗拉强度 σb (MPa)：≥450条件屈服强度 σ0.2 (MPa)：≥310伸长率 δ (%)：≥5 热处理规范：铸态 金相组织：石墨+铁素体+珠光体 STSi15Re：高硅铸铁，Wc≤1.00，Wsi 14.25~15.75 Wmn≤0.50 Wp≤0.10 Ws≤0.10 WRe≤0.10 HRC≤48 ZG230-450：组成元素比例(%)：碳C:≤0.20；锰Mn：≤1.20；磷P：≤0.04；硫S：≤0.04；硅Si：≤0.50；热处理：退火：正火：正火回火（回火温度≤550℃） ZGCr5Mo： ZG1Cr18Ni9： （2） 牌号 种类 含碳量及主要合金元素含量 其含碳量≤0.25％内含≤1.2％的Mn，少量为脱氧而加的Si、Al等元素 常用热处使用状态性能特理工艺 下的金相点 组织 热轧 焊接性和冷成形性优良 用途举例 Q235-A·F 屈服点为235MPa的普通低碳沸腾钢 设计压力<0.16MPa、设计温度在 0 ℃~250 ℃、压力容器壳体厚度<12mm、无易燃或毒性介质的容器 Q235-A 屈服点为235MPa的普通低碳镇静钢 其含碳量≤0.25％内热轧 含≤1.2％的Mn，少量为脱氧而加的Si、Al等元素，同时含硫和磷有 铁素体+屈服强珠光体 度为设计压力小于或等于 235MPa，抗拉1.10MPa、设计温度℃在 ～强度0 372-461