第3章 金 属 材 料
3.1 教 学 指 导
1. 教学要求
本章重点阐明碳钢的分类方法、成分和主要应用，各类合金钢的牌号、成分特点、热处理工艺、组织、性能和应用。简要阐述绍铸铁的牌号、成分、热处理工艺、组织、性能及其应用。一般介绍有色金属的牌号、成分、热处理工艺、组织、性能及其应用。
2. 教学目标
本章是工程材料课程的重点章。学生应重点掌握各类碳钢、合金钢的钢号、成分特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。
熟悉铸铁的牌号、成分、热处理工艺、组织及其应用。
一般了解有色金属的牌号、性能特点和应用。
3. 教学建议
(1) 金属材料是工程上最常用的、最重要的工程材料。本章是课程的重点，要求学生认真学习，认真领会。一些常用金属材料的牌号要熟记。
(2) 讲授合金钢内容时可以安排一次讨论。
(3) 组织学生观察、研究一台车床或一辆汽车，分析金属材料的应用情况。加深对课程内容的理解。
(4) 指导学生浏览相关网站，收集金属材料应用有关资料，了解新的金属材料研究情况，拓宽知识面。
(5) 建议本章学时： 8～10 学时。
3.2 习题参考答案
1. 解释名词 热硬性、石墨化、孕育（变质）处理、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效
答: 热硬性: 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。
石墨化: 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。
孕育（变质）处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的处理工艺。
球化处理: 在铁水中加入球化剂，以获得球状石墨的处理工艺称为球化处理。
石墨化退火: 使白口铸铁中的渗碳体分解成为团絮状石墨的退火过程。
固溶处理: 把合金加热到单相固溶体区，进行保温使第二相充分溶解，然后快冷（通
常用水冷却），得到单一的过饱和固溶体组织的热处理工艺。固溶处理可以使奥氏体不锈钢获得单相奥氏体组织，提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。固溶处理也在有色金属合金中得到应用。有色金属合金（如铝合金）先进行固溶处理获得过饱和固溶体，然后再进行时效处理，析出细小、均匀、弥散分布的第二相，提高合金的强度和硬度。
时效: 固溶处理后得到的过饱和固溶体在室温下或低温加热时析出细小、均匀、弥散分布的第二相，合金硬度和强度明显升高的现象称为时效或时效硬化。
2. 填空题
(1) 20是（优质碳素结构）钢，可制造（冲压件、焊接件、渗碳零件，如齿轮、销) .
(2) T12是（优质碳素工具）钢，可制造（锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具) .
(3) 按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（低合金钢) 、 (中合金钢）和（高合金钢）几类。
(4) Q345(16Mn)是（低合金结构）钢，可制造（桥梁、船舶、车辆、锅炉等工程结构) .
(5) 20CrMnTi是（合金渗碳）钢，Cr、Mn的主要作用是（提高淬透性、提高经热处理后心部的强度和韧性) , Ti的主要作用是（阻止渗碳时奥氏体晶粒长大、增加渗碳层硬度、提高耐磨性) ，热处理工艺是（渗碳后直接淬火、再低温回火) .
(6) 40Cr是（合金调质）钢，可制造（重要调质件如轴类件、连杆螺栓、进汽阀和重要齿轮等) .
(7) 60Si2Mn是（合金弹簧）钢，可制造（汽车板簧) .
(8) GCr15是（滚珠轴承）钢，1Cr17是（铁素体型不锈）钢，可制造（硝酸工厂设备以及食品工厂设备) .
(9) 9SiCr是（低合金刃具）钢，可制造（板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铰刀、冷冲模、冷轧辊等) .
(10) CrWMn是（冷作模具）钢，可制造（冷冲模、塑料模) .
(11) Cr12MoV是（冷模具）钢，可制造（冷冲模、压印模、冷镦模等) .
(12) 5CrMnMo是（热模具）钢，可制造（中型锻模) .
(13) W18Cr4V是（高速）钢，碳质量分数是（0.70%以上) , W的主要作用是（保证高的热硬性) , Cr的主要作用是（提高淬透性) , V的主要作用是（形成颗粒细小、分布均匀的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒) 。热处理工艺是 (1220～1280℃淬火＋ (550～570) ℃三次回火) ，最后组织是（回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体) .
(14) 1Cr13是（马氏体型不锈）钢，可制造（抗弱腐蚀性介质、能承受冲击载荷的零件) .
(15) 0Cr18Ni9Ti是（奥氏体型不锈）钢，Cr、Ni和Ti的作用分别是（提高钢基体的电极电位) 、 (获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性）和（优先与碳形成稳定化合物，避免晶界贫铬，以防止晶间腐蚀) .
(16) 灰口铸铁中碳主要以（石墨）的形式存在，可用来制造（一般机床底座、端盖、床身等) .
(17) 球墨铸铁中石墨的形态为（球状) ，可用来制造（受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等) .
(18) 蠕墨铸铁中石墨的形态为（蠕虫状) ，可用来制造（高层建筑中高压热交换器、汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件) .
(19) 影响石墨化的主要因素是（加热温度、冷却速度）和（合金元素) .
(20) 球墨铸铁的强度、塑性和韧性均较普通灰口铸铁高，这是因为（球墨铸铁的石墨呈球状) .
(21) HT200牌号中“HT”表示（灰铁) ，数字“200”表示（最低抗拉强度为200MPa) .
(22) 生产球墨铸铁选用（稀土镁）作为球化剂。
3. 是非题
(1) T8钢比T12钢和40钢有更好的淬透性和淬硬性。 (错)
(2) 调质钢的合金化主要是考虑提高其红硬性。 (错)
(3) 高速钢需要反复锻造是因为硬度高不易成形。 (错)
(4) T8钢与20MnVB相比，淬硬性和淬透性都较低。 (错)
(5) 18-4-1 (W18Cr4V）高速钢采用很高温度淬火，其目的是使碳化物尽可能多地溶入奥氏体中，从而提高钢的红硬性。 (对)
(6) 奥氏体不锈钢只能采用加工硬化提高强度。 (对)
(7) 奥氏体不锈钢的热处理工艺是淬火后低温回火处理。 (错)
(8) 铸铁可以经过热处理改变基体组织和石墨形态。 (错)
(9) 可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工。 (错)
(10) 石墨化的第三阶段不易进行。 (对)
(11) 可以通过球化退火使普通灰口铸铁变成球墨铸铁。 (错)
(12) 球墨铸铁可通过调质处理和等温淬火工艺提高其机械性能。 (对)
4. 综合分析题
(1) 说出Q235A、15、45、65、T8、T12等钢的钢类、碳质量分数，各举出一个应用实例。
答: 见表1-1. 表 1-1钢牌号钢 类碳质量分数应 用 实 例Q235A碳素结构钢0.14%～0.22%钢筋、钢板、钢管等15优质碳素结构钢约0.15%冲压件及焊接件，经热处
理后可制造轴、销等零件45优质碳素结构钢0.42%～0.50%齿轮、轴类、套筒等零件65优质碳素结构钢0.62%～0.70%弹簧T8碳素工具钢0.75%～0.84%冲头、凿子、锤子等工具T12碳素工具钢1.15%～1.24%锉刀、刮刀等刃具和量规、样套等量具 (2) 为什么低合金高强钢用锰作为主要的合金元素？
答: 我国的低合金结构钢基本上不用贵重的Ni、Cr等元素，而以资源丰富的Mn为主要元素。锰除了产生较强的固溶强化效果外，因它大大降低奥氏体分解温度，细化了铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除了晶界上的粗大片状碳化物，提高了钢的强度和韧性，所以低合金高强钢用锰作为主要的合金元素。 (3) 试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。
答: 渗碳钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Ni、Mn等，以提高热处理后心部的强度和韧性; 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素如Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物，并增加渗碳层的硬度，提高耐磨性。热处理特点是渗碳后直接淬火，再低温回火，得到的表面渗碳层组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，心部多数情况为屈氏体、回火马氏体和少量铁素体。调质钢的合金化特点是加入提高淬透性的合金元素如Cr、Mn、Ni、Si、B等，并可提高钢的强度，加入防止第二类回火脆性的元素如Mo、W；热处理特点是淬火（油淬）后高温回火，得到的组织是回火索氏体。 (4) 有两种高强螺栓，一种直径为10性能：
σ
b≥800
mm，另一种直径为30
a
k≥600
mm，都要求有较高的综合机械
2。试问应选择什么材料及
MPa, kJ/m
热处理工艺？
答: 在满足机械性能要求的基础上，工件的尺寸还决定所选材料的淬透性能。对于直径为3010
mm的螺栓，选择40Cr，热处理工艺为850℃油淬，500℃回火；对于直径为
mm的螺栓，选择40MnVB或40MnB代替40Cr，可节约Cr且达到基本要求，热
处理工艺为850℃油淬，500℃回火。 (5) 为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素？为什么要进行中温回火？
答: 硅元素的主要作用在于提高合金的淬透性，同时提高屈强比。进行中温回火的目的在于获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度，弹性极限高，并有一定的塑性和韧性。 (6) 轴承钢为什么要用铬钢？为什么对非金属夹杂限制特别严格？
答: 铬能提高淬透性，形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C，呈细密、均匀分布，提高钢的耐
磨性，特别是疲劳强度，因此轴承钢以铬作为基本合金元素。轴承钢中非金属夹杂物和碳化物的不均匀性对钢的性能，尤其是对接触疲劳强度影响很大，因为夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点，其危害程度与夹杂物的类型、数量、大小、形状和分布有关。因此，轴承钢对非金属夹杂物限制特别严格。 (7) 简述高速钢的成分、热处理和性能特点，并分析合金元素的作用。
答: 高速钢的成分特点是: ①高碳，其碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.50%左右，它一方面能保证与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度； ②加入Cr、W、Mo、V等合金元素。加入Cr提高淬透性，几乎所有高速钢的铬质量分数均为4%。铬的碳化物（Cr
23C
6）在淬
火加热时差不多全部溶于奥氏体中，增加过冷奥氏体的稳定性，大大提高钢的淬透性。铬还能提高钢的抗氧化、脱碳的能力。加入W、Mo保证高的热硬性，在退火状态下，W、Mo以M
6C型碳化物形式存在。这类碳化物在淬火加热时较难溶解，加热时，一部分碳化
2C
物溶于奥氏体，淬火后W、Mo存在于马氏体中，在随后的560℃回火时，形成W或Mo
2C弥散分布，造成二次硬化。这种碳化物在500～600℃温度范围内非常稳定，
不易聚集长大，从而使钢具有良好的热硬性；未溶的碳化物能起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。V能形成VC(或V
4C
3)，非常稳定，极难熔解，硬度极高（大大超过
W2C的硬度）且颗粒细小，分布均匀，能大大提高钢的硬度和耐磨性。同时能阻止奥
氏体晶粒长大，细化晶粒。热处理特点是1220～1280℃淬火＋ (550～570) ℃三次回火，得到的组织为回火马氏体、细粒状碳化物及少量残余奥氏体。性能特点是具有高硬度、高耐磨性、高热硬性、一定的塑性和韧性。其在高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。 (8) W18Cr4V钢的
A
c1约为820℃，若以一般工具钢
A
c1＋(30～
50)℃的常规方法来确定其淬火加热温度，最终热处理后能否达到高速切削刀具所要求的性能？为什么？其实际淬火温度是多少？
答: 若按照Ac1＋(30～50)℃的常规方法来确定W18Cr4V钢的淬火加热温
度，淬火加热温度为850～870℃，不能达到高速切削刀具要求的性能。因为高速钢中含有大量的W、Mo、Cr、V的难熔碳化物，它们只有在1200℃以上才能大量地溶于奥氏体中，以保证钢淬火、回火后获得高的热硬性，因此其淬火加热温度非常高，一般为1220～1280℃. (9) 不锈钢的固溶处理与稳定化处理的目的各是什么？
答: 不锈钢固溶处理的目的是获得单相奥氏体组织，提高耐蚀性。稳定化处理的目的是使溶于奥氏体中的碳与钛以碳化钛的形式充分析出，而碳不再同铬形成碳化物，从而有效地消除了晶界贫铬的可能，避免了晶间腐蚀的产生。 (10) 试分析20CrMnTi钢和1Cr18Ni9Ti钢中Ti的作用。
答: 20CrMnTi钢中Ti的作用是阻止渗碳时奥氏体晶粒长大、增加渗碳层硬度和提高耐磨性。1Cr18Ni9Ti钢中Ti的作用是优先与碳形成稳定化合物，避免晶界贫铬，提高耐蚀性。 (11) 试分析合金元素Cr分别在40Cr、GCr15、CrWMn、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、4Cr9Si2等钢中的作用。
答: 40Cr: 提高淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度；
GCr15: 提高淬透性，形成合金渗碳体(Fe,Cr)磨性，特别是疲劳强度；
3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐
CrWMn: 提高淬透性；
1Cr13: 提高钢基体的电极电位，使钢的耐蚀性提高；
1Cr18Ni9Ti: 提高基体的电极电位，在氧化性介质中极易钝化，形成致密和稳定的氧化膜，提高耐蚀性、抗氧化性，并有利于热强性；
4Cr9Si2: 提高抗氧化性，并有利于热强性，提高淬透性。 (12) 试就下列四个钢号： 20CrMnTi、65、T8、40Cr讨论如下问题：
① 在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬硬性，并说明理由；
② 各种钢的用途、热处理工艺、最终的组织。
答: ① 加热温度相同的情况下，淬透性20CrMnTi >40Cr>T8>65，淬硬性T8>65>40Cr>20CrMnTi。决定淬透性的因素是碳质量分数和合金元素，Cr、Mn等能显著提高淬透性，合金钢的淬透性一般要好于碳钢。决定淬硬性的因素主要是马氏体的碳质量分数。
② 见表1-2. 表 1-2钢牌号用 途热处理工艺最 终 组 织20CrMnTi汽车、拖拉机上的变速箱齿轮等重要零件870℃油淬+200℃回火表面为合金渗碳体、回火马氏体和少量残余奥氏体，心部多数情况下为屈氏体、回火马氏体和少量铁素体65弹簧淬火+中温回火回火屈氏体T8冲头、凿子、锤子等工具淬火+低温回火回火马氏体40Cr轴类件、连杆螺栓、
进汽阀和重要齿轮850℃油淬+520℃回火回火索氏体 (13) 试画出经正常淬火后的W18Cr14V钢在回火时的回火温度与硬度的关系曲线。
图 1-11
答: 见图1-11. (14) 要使球墨铸铁的基本组织为铁素体、珠光体或下贝氏体，工艺上应如何控制？
答: 要得到铁素体基体的球墨铸铁，应进行退火处理；要得到珠光体基体的球墨铸铁，应进行正火处理；要得到下贝氏体基体的球墨铸铁，则进行等温淬火。 (15) 有一灰口铸铁铸件，经检查发现石墨化不完全，尚有渗碳体存在，试分析其原因，并提出使这一铸件完全石墨化的方法。
答: 原因可能是铸铁结晶时冷却速度太快，碳原子不能充分扩散以石墨的形式析出，析出了渗碳体。要使该铸件完全石墨化，应进行高温退火，使渗碳体分解成石墨。如为共析渗碳体，可加热到550℃以上并长时间保温，将共析渗碳体分解为石墨和铁素体。 (16) 试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答: 石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。普通灰铸铁和孕育铸铁的石墨呈片状，对基体的严重割裂作用使其抗拉强度和塑性都很低。球墨铸铁的石墨呈球状，对基体的割裂作用显著降低，具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性，其综合机械性能接近于钢。蠕墨铸铁的石墨形态为蠕虫状，虽与灰铸铁的片状石墨类似，但石墨片的长厚比较小，端部较钝，对基体的割裂作用减小，它的强度接近于球墨铸铁，且有一定的韧性，较高的耐磨性。可锻铸铁的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，具有较高的强度、一定的延伸率。 (17) 试比较各类铸铁之间性能的优劣
顺序，与钢相比较铸铁性能有什么优缺点？
答: 球墨铸铁>可锻铸铁>蠕墨铸铁>灰口铸铁。与钢相比，铸铁具有以下性能特点： ①由于石墨的存在，造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异； ②铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减小了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力； ③石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性能； ④石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能； ⑤大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。 (18) 为什么一般机器的支架、机床的床身常用灰口铸铁制造？
答: 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，其中灰口铸铁是应用最广泛的，尽管其抗拉强度和塑性都较低，但其良好的减振性能，能够满足一般机器的支架、机床的床身等使用场合。 (19) 铝硅合金为什么要进行变质处理？
答: 一般情况下，铝硅合金的共晶体由粗针状硅晶体和α固溶体构成，强度和塑性都较差；经变质处理后的组织是细小均匀的共晶体加初生α固溶体，合金的强度和塑性显著提高，因此，铝硅合金要进行变质处理。 (20) 指出下列铜合金的类别、用途： H80、H62、HPb63-3、HNi65-5、QSn6.5-0.1、QBe2.
答: 见表1-3. 表 1-3合金牌号类 别用 途H80单相黄铜薄壁管、装饰品H62双相黄铜机械、电气零件，铆钉、螺帽、垫圈、散热器及焊接件、冲压件HPb63-3铅黄铜钟表零件、汽车、拖拉机及一般机器零件HNi65-5镍黄铜船舶用冷凝管、电机零件QSn6.5-0.1锡青铜精密仪器中的耐磨零件和抗磁元件、弹簧、艺术品QBe2铍青铜重要的弹簧及弹性元件，耐磨元件，高压高速高温轴承，钟表齿轮，罗盘零件 (21) 钛合金有哪些性能特点？举例说明它们的用途。
答: 钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好的低温韧性等性能特点。α钛合金主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等。β钛合金主要用于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。 (α＋β）钛合金主要用于要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。
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