第五章 低合金钢和合金钢
一、名词解释
1.合金元素为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。
2.合金钢 含有一种或数种有意添加的合金元素的钢，称为合金钢。
3.耐回火性 淬火钢件在回火时抵抗软化的能力，称为耐回火性(或回火稳定性)。 4.二次硬化 铁碳合金在一次或多次回火后提高其硬度的现象称为二次硬化。 5.不锈钢 不锈钢是指用来抵抗大气腐蚀或能抵抗酸、碱、盐等化学介质腐蚀的钢。 6.耐热钢 耐热钢是指在高温下不发生氧化，并且有较高热强性的钢。 二、填空题
1.低合金钢按主要质量等级分为 普通质量低合金 钢、 优质低合金 钢和 特殊质量低合金 钢。 2.合金钢按主要质量等级可分为 优质合金 钢和 特殊质量合金 钢。 3.特殊物理性能钢包括 永磁 钢、 软磁钢 钢、 无磁 钢和 高电阻 钢等。
4.机械结构用钢按用途和热处理特点,分为 合金渗碳钢 钢、 合金调质 钢、 合金弹簧 钢 和 超高强度 钢等。
5.不锈钢按其使用时的组织特征分为 铁素体型不锈 钢、 奥氏体型不锈 钢、 马氏体型不锈 钢、 奥氏体-铁素体型不锈 钢和 沉淀硬化型不锈 钢五类。 6.钢的耐热性包括 抗氧化 性和 高温热强 性两个方面。
7．60Si2Mn是 合金弹簧 钢，它的最终热处理方法是 淬火+中温回火 。 8．高速钢刀具在切削温度达600℃时，仍能保持 高硬度 和 耐磨性 。
9．铬不锈钢为了达到耐腐蚀的目的，其铬的质量分数至少为 13% 。 三、选择题
1．合金渗碳钢渗碳后必须进行 A 处理后才能使用。
A.淬火加低温回火； B.淬火加中温回火； C.淬火加高温回火。 2.将下列合金钢牌号归类。
耐磨钢 B ；合金弹簧钢 A ；合金模具钢 C ；不锈钢 D 。 A.60Si2MnA； B.ZGMn13-1； C.Cr12MoV； D.2Cr13。 3.为下列零件正确选材：
机床主轴C ；汽车、拖拉机变速齿轮D ；板弹簧 E ；滚动轴承 B ；贮酸槽A ；坦克履带F 。 A.1Cr18Ni9； B.GCr15； C.40Cr； D.20CrMnTi； E.60Si2MnA； F.ZGMn13-3。 4.为下列工具正确选材：
高精度丝锥 B ；热锻模E ；冷冲模 A ；医用手术刀片 C ；麻花钻头D 。 A.Cr12MoVA； B.CrWMn； C.7Cr17； D.W18Cr4V； E.5CrNiMo。 四、判断题
1.大部分低合金钢和合金钢的淬透性比非合金钢好。(对) 2.3Cr2W8V钢一般用来制造冷作模具。(错)
3.GCr15钢是滚动轴承钢，其铬的质量分数是15%。(错) 4.Cr12MoVA钢是不锈钢。(错)
5.40Cr钢是最常用的合金调质钢。(对) 五、简答题
1.与非合金钢相比，合金钢有哪些优点?
答：合金钢的力学性能比非合金钢好，主要是因为合金元素提高了钢的淬透性和耐回火性，以及细化了奥氏体晶粒，使铁素体固溶强化效果增强。此外，某些合金钢具有良好的耐腐蚀性、抗氧化性、热硬性、耐磨性等特殊性能。但合金钢的优点大多要通过热处理才能发挥出来。
2.合金元素在钢中以什么形式存在?对钢的性能有哪些影响?
答：合金元素在钢中以合金铁素体和合金碳化物形式存在。它们提高了合金钢的强度、硬度和耐磨性。
3.一般来讲，相同碳的质量分数的合金钢比非合金钢淬火加热温度高、保温时间长，这是什么原因? 答：合金钢的奥氏体形成过程，基本上与非合金钢相同，也包括奥氏体的形核、长大、碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。在奥氏体形成过程中，除Fe、C原子扩散外，还有合金元素原子的扩散。由于合金元素的扩散速度较慢，且大多数合金元素(除Ni、Co外)均减慢碳的扩散速度；加之合金碳化物比较稳定，不易溶入奥氏体中，因此，在不同程度上减缓了奥氏体的形成过程。所以，为了获得均匀的奥氏体，大多数合金钢需加热到更高的温度，并保温更长的时间。
4.说明在一般情况下非合金钢用水淬火，而合金钢用油淬火的道理。
答：由于非合金钢淬透性低，所以，用水淬火；而合金钢由于淬透性较高，所以，可以用油淬火。
5.合金元素对钢回火转变有哪些影响?有什么好处?
答：合金元素对钢回火时组织与性能的变化，都有不同程度的影响，主要是提高钢的耐回火性，有些合金元素还造成二次硬化现象和产生钢的回火脆性。
6.说明下列牌号属何类钢?其数字和符号各表示什么? 20Cr 9CrSi 60Si2Mn GCr15 1Cr13 Cr12
答：20Cr是合金渗碳钢，WC=0.2%，WCr=1%；
9CrSi是合金工具钢，WC=0.9%，WCr=1%，WSi=1%； 60Si2Mn是合金弹簧钢，WC=0.6%，WSi=2%，WMn=1%； GCr15是滚动轴承钢，WC=0.95~1.15%，WCr=1.5%； 1Cr13是不锈钢，WC=0.1%，WCr=13%； Cr12是合金工具钢，WC≥1.0%，WCr=12%.
7.试列表比较合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢碳的质量分数、典型牌号、常用最终热处理、主要性能及用途。
答：合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢碳的质量分数、典型牌号、常用最终热处理、主要性能及用途见下表 分类 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢
碳的质量 分数 WC=0.2%左右 WC=0.4%左右 WC=0.7%左右 WC=1.0%左右 典型牌号 20CrMnTi 40Cr 60Si2Mn GCr15 常用最终 热处理 淬火+低温回火 淬火+高温回火 淬火+中温回火 淬火+低温回火 主要性能 表面硬、耐磨 综合性能好 弹性高 硬、耐磨、疲劳强度高 用途 齿轮、小轴、阀嘴、销 齿轮、连杆、轴 弹性零件 滚动轴承、量具、模具 8.高速钢有何性能特点?回火后为什么硬度会增加?
答：高速钢的主要优点是经过科学的热处理后，具有较高的红硬性，能够在600℃以下保持较高的硬度和耐磨性，用其制作的刀具的切削速度比一般工具钢高得多，而且高速钢的强度也比碳素工具钢和低合金工具钢约高30%～50%。此外，高速钢还具有很好的淬透性，在空气冷却的条件下也能淬硬。但高速钢的导热性差，在热加工时要特别注意。
在回火过程中，残余奥氏体转变为马氏体，同时淬火马氏体也弥散析出细小碳化物，所以，高速钢经三次回火后，钢产生“二次硬化”现象，导致钢的硬度略有提高。
9.不锈钢和耐热钢有何性能特点?并举例说明其用途。
答：不锈钢的化学成分特点是铬和镍的质量分数高，一般WCr≥13%，这样不锈钢中的铬在氧化介质中能形成一层致密的具有保护作用的Cr2O3薄膜，覆盖住整个不锈钢表面，防止不锈钢被不断地氧化和腐蚀。
在耐热钢中主要含有铬、硅、铝等合金元素。这些元素在高温下与氧作用，在钢表面形成一层致密的高熔点氧化膜(Cr2O3、Al2O3、SiO2)，能有效地保护钢在高温下不被氧化。另外，加入Mo、W、Ti等元素是为了阻碍晶粒长大，提高耐热钢的高温热强性。
10.耐磨钢常用牌号有哪些?它们为什么具有良好的耐磨性和良好的韧性?并举例说明其用途。 常用的耐磨钢牌号有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4等。
耐磨钢水韧处理后，其韧性与塑性好，硬度低(180～220HBS)，它在较大的压应力或冲击力的作用下，由于表面层的塑性变形，迅速产生冷变形强化，同时伴随有形变马氏体转变，使表面硬度急剧提高到52～56HRC。耐磨钢常用于制造坦克和拖拉机履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿、破碎机牙板、铁路道岔等。
11.比较冷作模具钢与热作模具钢碳的质量分数、性能要求、热处理工艺有何不同? 答：冷作模具钢与热作模具钢在碳的质量分数、性能要求、热处理工艺的差异见下表 钢种 碳的质量分数 性能要求 热处理工艺 冷作模具钢 WC≥1.0% 热作模具钢 WC=0.3~0.6%
高硬度和耐磨性，塑性和韧性低 淬火+低温回火 硬度适中，抗热疲劳 淬火+中（或高）温回火
第七章低合金钢和合金钢
