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因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200℃的刀具就不能采用碳钢制作而采用合金钢来制作。 (3)合金钢能满足一些特殊性能的要求
如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）。
2.合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Ni对钢的C曲线和MS点有何影响？将引起钢在热处理、组织和性能方面的什么变化？
答：除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还将C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区。除Co、Al外，其他合金元素均使Ms点降低，残余奥氏体量增多。
由于合金元素的加入降低了共析点的碳含量、使C曲线右移, 从而使退火状态组织中的珠光体的比例增大, 使珠光体层片距离减小, 这也使钢的强度增加, 塑性下降。 由于过冷奥氏体稳定性增大, 合金钢在正火状态下可得到层片距离更小的珠光体, 或贝氏体甚至马氏体组织, 从而强度大为增加。Mn、Cr、Cu的强化作用较大, 而Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般结构钢的实际含量)下影响很小。合金元素都提高钢的淬透性, 促进马氏体的形成, 使强度大为增加但焊接性能变坏。 3.合金元素对回火转变有何影响？
答；合金元素对回火转变及性能的影响如下：
1.产生二次硬化
由于合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,还阻碍碳化物的聚集和长大,因而合金钢中的碳化物在较高的回火温度时,仍能保持均匀弥散分布的细小碳化物的颗粒。强碳化物形成元素如Cr、W、Mo、V等,在含量较高及在一定回火温度下,还将沉淀析出各自的特殊碳化物。如Mo2C、W2C、VC等,析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上,并与马氏体保持共格关系,阻碍位错运动,使钢的硬度反而有所提高,这就形成了二次硬化。钢的硬度不仅不降低,反而再次提高。
在合金钢中,当含有W、Mo、Ti、V、Si等,它们一般都推迟a相的回复与再结晶和碳化物的聚集,从而可抑制钢的硬度、强度的降低。 2.提高淬火钢的回火稳定性（耐回火性）
由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢
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要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。
3.回火时产生第二类回火脆性
在合金钢中,除了有低温回火脆性外,在含有Cr、Ni、Mn等元素的钢中,在550~650℃回火后,又出现了冲击值的降低(如图8),称为高温回火脆性或第二类回火脆性。此高温回火脆性为可逆回火脆性，或第二类回火脆性。产生这类回火脆性的原因,一般认为是由于锡、磷、锑、砷等有害元素沿奥氏体晶界偏聚,减弱了晶界上原子间的结合力所致。 4.解释下列现象：
（1）在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高；
答：在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热
处理加热温度都比碳钢高，其主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度所致。非碳化物形成元素如Ni、Co,可降低碳在奥氏体中的扩散激活能,增加奥氏体形成速度。相反,强碳化物形成元素如v、Ti、w、Mo等,与碳有较大的亲合力,增加碳在奥氏体中的扩散激活能,强烈地减缓碳在钢中的扩散,大大减慢了奥氏体化的过程。
奥氏体形成后,尚未固溶的各种类型的碳化物,其稳定性各不相同。稳定性高的碳化物,要使之完全分解和固溶于奥氏体中,需要进一步提高加热温度,这类合金元素将使奥氏体化的时间增长。
合金钢中奥氏体化过程还包括均匀化的过程。它不但需要碳的扩散,而且合金元素也必需要扩散。但合金元素的扩散速度很慢,即使在1000℃的高温下,也仅是碳扩散速度的万分之几或干分之几。因此,合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化,从而充分发挥合金元素的作用。
（2） 在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高
的回火稳定性；
答：当温度超过150℃以后,强碳化物形成元素可阻碍碳的扩散,因而提高了马
氏体分解温度。与碳钢相比,合金钢中的残余奥氏体要在更高的回火温度才能转变。在高合金钢中残余奥氏体十分稳定,甚至加热到500~600℃并保温一段时间仍不分解。合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,阻碍了碳化物的聚集和长大，使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。
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（3） 含碳量≥0.40%、含铬12%的铬钢属于过共析钢，而含碳1.5%、含铬12%的钢属于莱氏体钢；
答：由于合金元素加入后显著改变了S点的位置，使它向碳含量减少的方向
移动。所以含碳量≥0.40%、含铬12%的铬钢属于过共析钢，而含碳1.5%、含铬12%的钢属于莱氏体钢
（4） 高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织。
答：由于钢中含有大量的合金元素，高速钢的过冷奥氏体非常稳定，因而钢
的淬透性很高。对于中、小型刃具在热锻或热轧后，经空冷可获得马氏体组织。
5.何谓调质钢？为什么调质钢的含碳量均为中碳？合金调质钢中常含哪些合金元素？它们在调质钢中起什么作用？
答：通常把经调质处理后才使用的钢称为调质钢。从碳含量上看，低碳钢在
淬火及低温回火状态虽具有良好的综合机械性能，但它的疲劳极限低于中碳钢，淬透性也不如中碳钢。高碳钢虽然强度高，但它的韧性及塑性很低。因此，调质钢的含碳量均为中碳。
合金调质钢中常含合金元素有铬、锰、镍、硅、钼、钨、钒、铝、钛等。合金调质钢的主加元素有铬、锰、镍、硅等,以增加淬透性。它们在钢中除增加淬透性外,还能强化铁素体,起固溶强化作用。辅加元素有钼、钨、钒、铝、钛等。钼、钨的主要作用是防止或减轻第二类回火脆性,并增加回火稳定性;钒、钛的作用是细化晶粒;加铝能加速渗氮过程。
6.W18Cr4V钢的Ac1约为820℃，若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能？为什么？W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，又是为什么？ 答：若以一般工具钢Ac1+30-50℃常规方法来确定W18Cr4V钢淬火加热温度，
在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的性能。因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高耐磨性的要求。为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到远远大于Ac1的温度，既1280℃左右。18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进行560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
第七章 铸 铁
1.白口铸铁、灰口铸铁和钢，这三者的成分、组织和性能有何主要区别？ 答：碳钢是指含碳量0.02%～2.14%的铁碳合金，铸铁是指大于2.14%的铁碳
合金。与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素。
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钢的组织为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+二次渗碳体；钢的组织为珠光体+二次渗碳体+莱氏体、莱氏体、一次渗碳体+莱氏体。
钢中低碳钢塑性韧性较好、强度和硬度较低，良好的焊接性能和冷成型性能；中碳钢有优良的综合机械性能；高碳钢塑性韧性较低，但强度和硬度较高、耐磨性较好。以上钢均可进行锻造和轧制，并可经过热处理改变其组织，进而极大的提高其性能。
白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体,性能硬而脆,很难切削加工,但其耐磨性好，铸造性能优良。
灰铸铁组织中碳全部或大部分以片状石墨形式存在,断口呈暗灰色。其铸造性能、切削加工性、减摩性、消震性能良好，缺口敏感性较低。 2.化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织有何影响？ 答：(1)化学成分
1)碳和硅。碳和硅是强烈促进石墨化元素,铸铁中碳和硅的含量越高,就越容易充分进行石墨化。由于共晶成分的铸铁具有最佳的铸造性能。因此,将灰铸铁的碳当量均配制到4%左右。
2)锰。锰是阻止石墨化的元素,但锰与硫化合成硫化锰,减弱了硫的有害作用,结果又间接促进石墨化的作用。故铸铁中有适量的锰是必要的。 3)硫。硫是强烈阻碍石墨化的元素,它不仅强烈地促使白口化,而且还会降低铸铁的流动性和力学性能,所以硫是有害元素,必须严格控制其含量。 (2)冷却速度
生产实践证明,在同一成分的铸铁件中,其表面和薄壁部分易出现白口组织,而内部和厚壁处则容易进行石墨化。由此可见,冷却速度对石墨化的影响很大。冷却速度越慢,原子扩散时间充分,也就越有利于石墨化的进行。冷却速度主要决定于浇注温度、铸件壁厚和铸型材料。
4)磷。磷是弱促进石墨化的元素,同时能提高铁液的流动性,但磷的含量过高会增加铸铁的脆性,使铸铁在冷却过程中易开裂,、所以也应严格控制其含量。
3.试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨
地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体,石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。
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球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。 可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。
第八章 有色金属及其合金
1.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的？
答：铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。能热处理强化的变形铝合金可利用时效强化（固溶处理后时效处理）达到强化目的。
2.何谓硅铝明？它属于哪一类铝合金？为什么硅铝明具有良好的铸造性能？在变质处理前后其组织及性能有何变化？这类铝合金主要用在何处？
答：铝硅铸造合金又称为硅铝明，由于含硅量为17%附近的硅铝明为共晶成
分合金，具有优良的铸造性能。在铸造缓冷后,其组织主要是共晶体(α十Si),其中硅晶体是硬化相,并呈粗大针状,会严重降低合金的力学性能,为了改善铝硅合金性能,可在浇注前往液体合金中加入含钠的变质剂,纳能促进硅形核,并阻碍其晶体长犬,使硅晶体成为极细粒状均匀分布在铝基体上。钠还能使相图中共晶点向右下方移动,使变质后形成亚共晶组织。变质后铝合金的力学性能显著提高。
铸造铝硅合金一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂及有一定力学性能的铸件,如发动机缸体、手提电动或风动工具(手电钻)以及仪表外壳。同时加入镁、铜的铝硅系合金(如ZL108),在变质处理后还可进行固溶处理+时效,使其具有较好耐热性和耐磨性,是制造内燃机活塞的材料。
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