金屬材料學
（一） 課題討論要求與方法
1、課題討論目的
課題討論是教學中的乙個重要環節。通過對講課中的一些重點、難點的討論，使學生進一步掌握課程的重點、基本概念、基本原理。
通過課堂討論，消化和鞏固課程的理論知識，使學生得到進一步的總結和提高；同時對以前學過的專業基本知識也進一步得到複習和鞏固，使學生對專業知識建立乙個巨集觀而系統的概念，為專業課程設計作準備。
通過課堂討論過程，培養和鍛鍊學生分析問題和解決問題的能力；訓練學生答辯和陳述的能力。
當然，選材和制定工藝是一項比較複雜的技術工作。在實際工作中要做到合理正確地選材料和制定工藝，除了應掌握必要的專業理論知識外，還需要具有豐富的實踐經驗，並且要善於全面綜合地考慮各方面有關的問題作出正確的分析判斷。因此，課題討論中所涉及的選材和制定工藝的問題只是使學生進行初步的練習，重要的是培養學生掌握分析問題和解決問題的思路和方法 。
2、課題討論要求和方法
將學生分成若干個小組，每個小組負責一題；
討論前，學生應根據題意，複習有關課程的內容，查閱有關資料；小組的同學要進行充分的討論，認真進行分析。每個學生各自全面而詳細地以小**的形式寫出題解；
課堂討論時，每組選派一名代表作發言，講述後，由其他學生提出問題，進行答辯；
最後，由教師或學生進行總結；
課堂討論結束，每個學生對自己原來所寫的內容進行修改和補充，作為一次小**形式的大作業交給教師批閱評分。
（二） 課題討論題
1、對比分析各類機器零件用鋼的成分、工藝特點、組織、效能和用途，試以40cr、20crmnti、60si2mn、gcr15為典型代表分別闡述。
2、對比分析工具鋼的成分、工藝特點、組織、效能和用途，試以t10、5crnimo、crwmn、cr12mov、w6mo5cr4v2為典型代表分別闡述。
3、汽車變速箱齒輪是汽車中的重要零件。通過它來改變發動機曲軸和傳動軸的速度比。它們經常在較高的載荷下（包括衝擊載荷和交變彎曲載荷）工作，磨損比較大；在運動中，由於齒根受到突然變載的衝擊力及週期性的變動彎曲載荷，會造成輪齒的斷裂或疲勞破壞；由於齒輪工作面承受比較大的壓應力和摩擦力，會使齒面產生接觸疲勞破壞及深層剝落。
因此，齒輪在耐磨性、疲勞強度、心部強度和衝擊韌度等方面要求比較高。現有一汽車變速箱齒輪，齒面硬度要求為58-63hrc，齒心部硬度要求為33-45hrc，其餘力學效能要求為：σs≥850mpa ,σ-1 ≥440mpa ,akv ≥65j 。
試從下列材料中選擇製造該齒輪的鋼號，寫出工藝流程，制訂有關的熱處理工藝，並分析各熱處理工藝的目的及相應的金相組織。
38crmoala , 20crmnti , 20 , 40cr 。
4、汽車鋼板彈簧（如題4圖）在汽車行駛過程中承受各種應力的作用，其中以反覆彎曲應力為主，絕大多數是疲勞破壞。其效能要求為σ0.2≥1200mpa , σb≥1300mpa ,δ10 ≥5% ,ψ≥25% 。
而且，同樣材料處理是否正確，其壽命相差也很大。
1）在下列材料中選擇合適的鋼號：20cr、40crnimo、60si2mn、65mn；
2）對所選材料進行成分、組織、效能分析；
3）制定合理的熱處理工藝，並作分析；
4）分析影響板彈簧壽命的主要因素。
題4圖一般汽車鋼板彈簧形狀
5、某型號柴油機凸輪軸，要求凸輪硬度≥50 hrc，心部具有良好的韌度，akv ≥40j 。原採用45鋼調質，再在凸輪表面高頻淬火，最後低溫回火。
1）說明45鋼各熱處理工藝及其作用；
2）能否用20鋼代替45鋼? 若能用20鋼製造，仍用原工藝能否滿足效能要求? 為什麼?
3）為滿足凸輪軸效能要求，改用20鋼製造後應採用什麼工藝? 並分析。
6、汽車、拖拉機發動機中的連桿螺栓是發動機中承受載荷較重的零件。裝配時，按規定要擰緊，因而受到均勻拉伸應力；工作時受到反覆的交變應力；在活塞換向時還受衝擊力。如選材和處理不當，連桿螺栓易斷裂，使汽缸破壞，或過量變形而失效。
對m12的技術要求為：最終處理後硬度28-33 hrc，σb≥950mpa , σs≥800mpa , δ5 ≥9% ,ψ≥42% ，akv ≥60j 。
1）查閱有關資料，分析連桿螺栓的服役條件及效能要求。選擇合適的材料；
2）確定工藝流程，制定熱處理工藝，並分析；
3）能否用15mnvb鋼製造，說明理由。
7、有一直徑為φ25mm的精密工具機主軸。該主軸是在滑動軸承中工作，因而軸頸表面應有較高的硬度，50-55 hrc，以使其不易磨損，保證精度；該主軸在工作時受力較複雜，所以軸的各部分沿橫斷面的效能應均勻一致，以保證有一定的耐疲勞性，硬度為220-255hb。該主軸經最終熱處理後的力學效能應為：
σb≥900mpa , akv ≥40j。
1）在45、40cr、40crnimo、20cr等鋼中選擇何種鋼為好? 為什麼?
2）制定熱處理工藝，並分析討論。
8、汽車半軸（如題8圖）是傳遞扭矩驅動車輪轉動的直接驅動件。汽車在上坡或啟動時，扭矩比較大，特別是急剎車或行馳在不平坦的道路上，工作條件更為繁重。因此，半軸主要承受衝擊、彎曲疲勞和扭轉應力的作用。
躍進—130型汽車屬型載重汽車，半軸的技術要求為淬火後離表面0.3r（半徑）處保證能獲得90%的馬氏體組織。杆部硬度為37~44hrc，盤部外圓硬度為24~34hrc。
（1）根據服役條件分析性要求；
（2）選擇合適的材料，並分析；
（3）制訂熱處理工藝。
題8圖各類汽車半軸
a)一端法蘭式 b)二端花鍵式 c)比截面台階式
9、有一中型熱錘鍛模，形狀比較複雜，鍛坯生產批量大；在工作時承受強大的衝擊力；工作時由於金屬的流動，有很大的摩擦；整個工作過程是在較高溫度下進行，整個模具溫度一般能達到350-400℃；為使模具溫度不至太高，要經常用介質冷卻。常見的失效形式有型腔磨損、模腔塌陷、表面龜裂，嚴重時，整個模具開裂。該模面硬度要求38-41 hrc，模尾硬度要求34-39 hrc。
1）選擇合適的材料，並分析說明理由；
2）制訂熱處理工藝，並討論；
3）對常見的失效形式進行分析討論。
10、在45、5crmnmo、w18cr4v、t12等材料中選擇製造手工絲錐（≤m12）的鋼種；分析手工絲錐的服役條件及效能要求；寫出其工藝流程；制訂熱處理工藝並分析說明。
11、歸納總結高速鋼的成分、工藝、組織和效能特點，著重分析討論以下幾個問題：
1）分析高速鋼中常用合金元素cr、w、mo、v的作用及含量；
2）對高速鋼進行鍛造的目的與要求，如鍛造不當，會帶來什麼後果；
3）熱處理工藝特點（包括預熱、淬火加熱溫度、淬火保溫時間、分級淬火、回火工藝等），並說明其理由；
4）分析熱處理後的最終組織，說明合金元素的分布狀況；
5）分析比較w18cr4v、w6mo5cr4v2鋼的優缺點。
12、冷衝壓模具是目前冷作模具中使用最廣泛的一種。冷衝壓模在工作時要承受強大的剪下力、壓力、衝擊力和摩擦力。因此，模具表面應有很高的強度、耐磨性、疲勞強度及足夠的韌度。
另外，為使產品形狀尺寸準確、質量穩定，又要求整個工作表面效能均勻。一般是因磨損而使產品形狀尺寸不合格，也可能因熱處理不當而失效：如模具強度不足而被鐙粗，模具脆性大導致刃口剝落，甚至開裂而過早失效。
現有矽鋼片凹模，其尺寸為160×110×60mm。是用來沖製0.3mm厚的矽鋼片。
其技術要求：硬度58-62hrc，高耐磨性，熱處理變形要特別小。在生產上一般選用cr12mov鋼製造。
1）對cr12mov鋼進行材料分析，以此說明選用該鋼的理由；
2）確定合適的工藝流程，並對其中的熱處理工藝進行分析說明；
3）如以cr12、cr6wv鋼製造，試分別與cr12mov鋼比較各自的優缺點。
13、某工廠生產精密絲槓（6級），尺寸為φ45×800 mm。要求熱處理後變形小，尺寸穩定，表面硬度54-58 hrc。用crwmn鋼製造，其工序為：
熱軋鋼下料 →球化退火 →粗加工 →淬火 →低溫回火 →精加工 →時效 →精磨。
1）試分析用crwmn鋼製造的原因；
2）從服役條件、效能要求、顯微組織要求等方面來分析上述工藝安排能否達到要求。如有問題，應該如何改進。
3）能否用9mn2v鋼製造，說明理由。
14、有一標準塊規，尺寸為40×10×8 mm。塊規用來測量和標定線性尺寸，精度要求較高。硬度要求：≥62 hrc。某廠選用gcr15鋼製造。
1）試寫出塊規的加工工藝路線；
2）根據服役條件、效能要求分析選材的理由；
3）制訂熱處理工藝，並分析說明。
15、搓絲板是滾壓外螺紋的工具。工作時，齒部受較強的衝擊力和擠壓力，通常因磨損或崩齒而失效。以前，工廠常用cr12或cr12mov鋼製造，成本高，並且工藝複雜。
後來成功地改用9sicr鋼製造，壽命大為提高，成本也下降了。
1）綜合分析說明改用9sicr鋼製造的原因；
2）現用9sicr鋼製造m > 6的搓絲板。請制訂工藝路線和熱處理工藝。
16、試總結合金鋼中常用元素si、mn、cr、mo、ni、v的各種作用，對每種作用簡要闡明其原理。
17、查閱有關文獻資料，選擇某一種新型金屬基複合材料或金屬功能材料，就其成分、工藝、效能和應用或發展趨勢進行交流討論。
（三） 大作業（小**）範例
題目：圓板牙是用來加工外螺紋的（圖略），其特點是刃部比較薄且在內部，切削工作溫度不高，並不要求高的紅硬性，但是其螺距及內孔要求變形小，刃部不得脫c。此外，工作時受扭矩較大。
某圓板牙的技術要求為60-63hrc。螺孔中徑尺寸要控制在規定的範圍內。
1、根據圓板牙服役條件，分析其效能要求；
2、試在下列材料中選用合適的鋼號：t12、crwmn、w18cr4v、9sicr、gcr15；
3、制訂熱處理工藝規程，並分析。
圓板牙選材及工藝制訂
×××（江蘇大學材料科學與工程學院 ×××班級）
1、圓板牙的服役條件及技術要求
作為刃具，硬度要求60-63hrc，則必須具有較高的淬透性，並保證圓板牙內部刃口部位淬硬；
螺孔中徑、螺距及內孔的精度涉及到加工後螺紋的精度，因此材料在熱處理過程中要保證變形很小；
由於刃口較薄且在內部，所以要求該材料組織中碳化物細小均勻，以保證在工作時刃口不崩刃、耐磨性好，壽命長；
圓板牙在工作時受扭矩較大，則須保證材料有良好的強韌性配合。
2、圓板牙選材分析
t12是碳素工具鋼，含1.15-1.24%c。
這樣的高c能保證淬火後有高的硬度和較多的碳化物，以滿足耐磨性和淬硬性的要求。根據圓板牙的效能要求知，t12鋼不能滿足熱處理變形小（由於其淬透性差，需急冷而變形大）和韌度較好的要求。因此，t12鋼不符合要求。
w18cr4v是高速鋼。最主要的特點是紅硬性高，適用於在600℃工作溫度下仍能保持其切削效能的高速切削場合。該鋼的碳化物比較多，並且相對來說比較粗大，均勻性也難以達到最佳狀態。
對圓板牙這樣薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，並且該鋼的加工工藝性比較複雜，成本高。所以選用該鋼也是不合適的。
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