专题五 钢的热处理（教案）-四川省职教高考《机械基础》（高教版）专题复习讲练测

专题五 钢的热处理（教案）-《机械基础》（高教版）-专题复习讲练测 [考纲要求] 1.学生应掌握整体热处理、表面热处理和化学热处理的定义、目的和基本工艺流程。 2.应能够解释不同热处理方法如何影响钢的硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等性能指标。 3.应了解零件失效的常见形式，包括断裂、磨损、腐蚀和疲劳，并掌握其原因及相应的预防和改进措施。 4.学生应学会根据零件的工作条件、性能要求和成本效益，合理选择钢材的供应形式和材料类型。 5学生应具备将理论知识应用于实际情境中的能力，能够通过案例分析或设计练习，展示对材料选用和热处理知识的综合运用。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 一、整体热处理 1.退火 退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。 退火的目的是降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性，以利于冷变形加工； 改善钢的性能或为以后热处理做好组织准备；消除钢中的残余内应力，防止变形和 开裂。笔记 2.正火 正火是将钢加热到适当温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。它比退 火的冷却速度快。正火只适用于碳素钢及合金元素含量不高的合金钢。正火的目的 是细化组织，用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性能；用于中碳钢和性能要 求不高的零件，可代替调质处理；用于高碳钢，可消除网状碳化物，为球化退火做 好组织准备。 正火与退火相比，钢在正火后的强度、硬度高于退火，而且操作简便、生产周 期短、成本低，在可能的条件下宜用正火代替退火。 3.淬火 淬火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后快速冷却的热处理工艺。最 常见的有水(盐水)冷淬火、油冷淬火等。淬火的目的是提高钢的硬度、强度和耐 磨性。钢在淬火后必须配以适当的回火，才能获得理想的力学性能。钢的强度、硬 度、耐磨性、弹性、韧性等都可以利用淬火与回火大大提高，因此淬火是强化钢材 的重要热处理工艺。 4.回火 将淬火钢重新加热到低于727℃的某一温度，保温一定时间，然后空冷到室温 的热处理工艺称为回火。淬火钢必须及时回火。回火的目的是减少或消除淬火时产 生的内应力，稳定组织，以满足工件需要的性能。回火是热处理工艺的最后一道 工序。 淬火后的钢件根据其力学性能的要求，需要确定合理的回火温度。按回火温度 不同可将回火分为低温回火、中温回火及高温回火。 (1)低温回火(150～250℃) 低温回火的目的是降低淬火内应力，提高韧性，并保持高硬度和耐磨性，主要 用于高碳工具钢和合金钢刃具、量具、滚动轴承、冷作模具和要求硬而耐磨的零件。 (2)中温回火(350~500℃) 中温回火的目的是使淬火钢件具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，主 要用于弹性零件(如弹簧、发条)和热作模具等。 (3)高温回火(500~650℃) 高温回火的目的是获得合理的硬度、强度、韧性、塑性以及较好的综合力学性 能。生产中把淬火和高温回火相结合的热处理称为调质处理，简称调质。调质处理 广泛用于螺栓、连杆、齿轮、曲轴等重要的结构零件。 二 、表面热处理 在冲击载荷和摩擦条件下工作的零件(如齿轮等),要求其表面具有高的硬度 和耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性。零件表面和心部不同的性能要求，难以 通过选材和普通热处理解决，而表面热处理能满足这类零件的要求。 常用的表面热处理方法是表面淬火。 表面淬火仅对零件的表面进行淬火，而心部仍保持未淬火状态。其目的是使零 件表面具有高的硬度、耐磨性，而心部具有足够的塑性、韧性。常用的表面淬火方 法有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火。 1.火焰加热表面淬火 将乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰喷射在零件表面上，快速加热，使 零件表面迅速达到淬火温度，而后立即喷水进行冷却的热处理工艺。火焰加热表面 淬火适用于碳素钢和合金结构钢。火焰加热表面淬火设备简单、速度快、变形小， 适用于局部磨损的零件，如轴、齿轮、轨道等，用于特大件更为经济有利。但火焰 加热表面淬火容易过热，淬火效果不稳定，因而在使用上有一定局限性。 2.感应加热表面淬火 把零件放在感应器(变磁场)中，依靠零件表面产生感应电流使零件表面温度 瞬时升高到淬火温度，并立即喷水冷却，使之获得淬硬的表层的热处理工艺。这种 处理异常迅速(几秒或几十秒),而且硬度高，氧化和变形小，操作简单，容易机 械化、自动化，适用于大批量生产，如齿轮轮齿表面淬火。 三 、化学热处理 化学热处理是将零件置于适当的活性介质中加热、保温、冷却，使一种或几种 元素渗入零件表面，以改变零件表面的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理工艺较多， 一般根据渗入的元素和零件表面性能的不同分为：渗 碳、碳氮共渗，可提高钢件表面的硬度和耐磨性；渗氮、渗硼，可使钢件表面特别硬，显著提高耐热和抗氧化性。渗碳、渗氮、碳氮共渗是比较常用的化学热处 理方法。 1.渗碳 渗碳是把低碳钢零件放在渗碳介质中，加热到一定温度(一般为930℃左右), 保温足够长的时间，使表面的碳浓度升高的热处理工艺。根据渗碳介质的状态不同， 渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，其中以气体渗碳应用最为广泛。渗碳 通常适用于低碳钢或低碳合金钢零件，主要用于表面要求高硬度、高耐磨，心部要 求足够强度和韧性，具有高疲劳强度的零件，如齿轮、活塞销、轴类零件等。但渗 碳工艺时间长、渗碳层较薄。 2.渗氮 渗氮是向钢的表面渗氮以提高表面氮浓度的热处理过程。常用的渗氮方法是把 氮气通入一定温度(一般为500~560℃)的密封炉中，氮气分解产生活性氮原子渗 入零件表面。渗氮后零件的硬度高(可达1000~1200HV)、耐磨性好、氧化变形 小，并耐热、耐腐蚀、耐疲劳等。38CrMoA1是常用的渗氮钢，渗氮后不需要进行淬 火处理。渗氮的最大缺点是工艺时间较长。笔记 四 、简化的Fe-Fe₃C 相图的特征 为便于分析，仅介绍简化的Fe-Fe₃C 相图，如图3-9所示。纵坐标为温度t, 横坐标为碳的平均质量分数wc。 横坐标上左端点wc=0, 即纯铁；右端点wc= 6.69%,即Fe₃C; 横坐标上的任何一点均代表一种化学成分的铁碳合金。 五、铁碳合金相图的应用 1 . 钢 铁 材 料 的 选 用笔记 建筑结构和各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用碳的平均质量分数较低 (wc<0.25%) 的钢材；机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳的 平均质量分数wc=0.30%~0.55% 的钢材；各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料， 则选用碳的平均质量分数Wc=0.70%～1.20% 的钢材。 2. 制 订 热 加 工 工 艺 (1)铸造 确定合金的浇注温度一般在液相线以上50～100℃,如图3-10中上方的铸造温 六、钢材的供应形式 市场上提供的钢材，是在钢厂经过轧制、拉拔、挤压等压力加工形成的，在性 能、形状、尺寸、表面等方面符合用户要求。常用的钢材有以下几种供应形式。 1 .钢板 厚度超过25mm 的为厚板，厚度为4~25 mm 的为中板，厚度小于4 mm 的为薄 板。钢带窄而长，成卷供应。钢板出厂前可以进行镀锌、镀锡及塑料复合等表面 处理。 2. 钢管 无缝钢管是经过冷拔或热轧成形的，能够承受较高压力，用于石油、化工等行 业。有缝钢管是将钢板或钢带卷制成形后焊接而成的，用于城市自来水、天然气等 低压管道。 3.钢丝 钢丝用热轧线材拉拔而成。退火低碳钢丝可用于包装时捆扎物品，高碳钢丝可 制成弹簧，多根钢丝可以捻成合股的钢丝绳和钢索，用于吊运或固定物体。 4.型钢 一类是由棒材轧机生产的简单截面型钢，如圆钢、方钢、扁钢、六角钢和八角 笔 记 钢等；另一类是由型材轧机生产的复杂截面型钢，如工字钢、角钢、槽钢、Z 形钢 和 T 形钢等。普通型钢主要用于建筑、桥梁等工程结构，优质型钢主要用于机械零 件及工具。常见型钢如图3-11所示。 [真题练讲] 1.(2019年四川省统一考试)在钢材的热处理过程中，淬火的目的是什么？ A. 提高钢的塑性 B. 降低钢的硬度 C. 增加钢的韧性 D. 快速形成马氏体以提高硬度 答案*D 解析：淬火是一种通过快速冷却以形成马氏体的热处理过程，目的是提高钢的硬度和耐磨性。 2.(2019年江苏省统一考试)表面热处理中的渗碳处理主要用于什么？ A. 提高钢的耐腐蚀性 B. 提高钢的焊接性能 C. 提高钢的表面硬度和耐磨性 D. 降低钢的热膨胀系数 答案：C*解析：渗碳是一种化学热处理方法，通过在钢表面增加碳含量来形成一层硬度较高的碳化物层，从而提高耐磨性。 3.(2021年四川省统一考试)在材料选用过程中，为什么需要考虑零件的工作温度？ A. 工作温度不影响材料性能 B. 为了降低材料成本 C. 为了确保材料在高温下仍能保持所需性能 D. 为了增加零件的重量 答案：C 解析：零件的工作温度会影响材料的机械性能，如强度和韧性，因此在选材时需要考虑以确保材料在特定温度下的性能。 4.(2022年吉林省统一考试)钢材的供应形式对零件加工有何影响？ A. 没有影响 B. 影响零件的加工成本 C. 影响零件的加工速度 D. 影响零件的加工质量和性能 答案：D 解析：钢材的供应形式，如板材、棒材、管材等，会影响加工过程和最终零件的质量和性能，因为不同的供应形式可能需要不同的加工技术和工艺。 5.(2022年四川省统一考试)为什么在选材时需要考虑材料的加工性？ A. 加工性不影响零件的性能 B. 为了增加材料的强度 C. 为了确保材料可以被加工成所需形状 D. 为了减少材料的使用寿命 答案：C 解析：材料的加工性决定了材料能否被加工成所需的形状和尺寸，这对于零件的设计和制造至关重要。 [限时练讲] 1.回火处理通常在淬火后进行，其主要目的是什么？ A. 进一步增加钢的硬度 B. 减少淬火引起的内应力 C. 提升钢的塑性以便于加工 D. 防止钢件生锈 答案：B 解析：回火是在淬火后进行的热处理过程，主要目的是减少淬火过程中产生的内应力，同时可以调整钢的硬度和韧性。 2.正火处理主要用于改善钢的哪些性能？ A. 耐腐蚀性 B. 硬度和强度 C. 塑性和韧性 D. 磁性 答案：C 解析：正火处理是将钢加热到一定温度后缓慢冷却的过程，主要用于消除锻造或热轧后的组织缺陷，改善钢的塑性和韧性。 3.在钢材的化学热处理中，渗氮处理主要用于什么？ A. 提高钢的耐磨性 B. 提高钢的焊接性能 C. 增加钢的耐腐蚀性 D. 减少钢的热处理变形 答案：A 解析：渗氮是向钢中渗入氮元素的过程，通过形成硬度高的氮化物层来提高钢的耐磨性和疲劳强度。 4.钢材的供应形式会影响其应用性能，这是因为什么？ A. 不同的供应形式有不同的价格 B. 不同的供应形式有不同的加工方法 C. 不同的供应形式会导致不同的微观结构 D. 不同的供应形式有不同的化学成分 答案：C 解析：钢材的供应形式如热轧、冷轧、锻造等，会在材料中产生不同的微观结构，这些结构差异会影响材料的机械性能和应用表现。 5.在材料选用时，为什么需要考虑材料的耐腐蚀性？ A. 耐腐蚀性不影响零件的使用寿命 B. 为了降低材料的加工成本 C. 为了确保材料在特定环境下的可靠性 D. 为了提高材料的硬度 答案：C 解析：材料的耐腐蚀性决定了其在潮湿或化学腐蚀环境下的性能，这对于确保零件在特定使用条件下的可靠性至关重要。 6.在选材时，为什么需要考虑材料的成本？ A. 成本与材料性能无关 B. 为了确保选用最昂贵的材料 C. 为了在满足性能要求的同时控制成本 D. 为了减少零件的加工时间 答案：C 解析：在选材时考虑成本是为了在满足零件性能要求的前提下，进行成本效益分析，选择性价比最高的材料。 7.为什么在零件设计时需要考虑材料的热处理特性？ A. 热处理特性对零件设计没有影响 B. 为了增加零件的重量 C. 为了提高零件的加工难度 D. 为了优化零件的最终性能 答案：D 解析：材料的热处理特性如淬透性、回火稳定性等，对零件的最终性能有重要影响，因此在设计时需要考虑这些特性以优化零件性能。 8. 请简述钢的热处理中的“整体热处理”是什么？它对钢材的性能有哪些影响？ 答案示例：整体热处理是指将钢材整体加热到一定温度，保温一段时间后，以适当的速度冷却，以改变其整体的组织结构和性能。这种处理方式可以提高钢材的硬度、强度和韧性，使其更适合承受较大的工作负荷。 9.什么是“表面热处理”？它与整体热处理有什么区别？ 答案示例：表面热处理是只对钢材表面进行加热和冷却处理，以改善其表面的硬度和耐磨性，而不影响材料的内部结构。与整体热处理相比，表面热处理的成本较低，且对材料的尺寸影响较小。 10.化学热处理是如何进行的？它对钢材的性能有哪些提升？ 答案示例：化学热处理是通过将钢材与某些化学元素接触，使这些元素渗入钢材表面，形成一层具有特殊性能的化合物层。这种处理可以显著提高钢材的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。 11.在材料选用时，为什么需要考虑零件的失效形式及原因？ 答案示例：考虑零件的失效形式及原因是为了确保选用的材料能够满足零件在使用过程中的力学性能、耐久性和可靠性要求。了解失效原因可以帮助我们选择更适合的材料，避免零件过早损坏。 12.请举例说明在选材时如何根据零件的工作条件和性能要求来选用合适的钢材。 答案示例：例如，如果一个零件需要在高温环境下工作，我们就需要选择耐高温的合金钢；如果零件需要承受较大的冲击负荷，我们则应选择韧性好的中碳钢。在选材时，还需要考虑成本、加工难度和供应情况等因素。 [学法建议] 1. 建议学生在理解理论概念的同时，通过实验室的实际操作来加深对热处理过程的认识。例如，可以安排学生观察不同热处理条件下钢材的微观结构变化，从而更好地理解理论背后的实际应用。 2. 鼓励学生通过分析具体的工程案例来学习材料的选用。教师可以提供一些典型的零件失效案例，让学生分析失效原因，并讨论如何通过选择合适的材料和热处理工艺来避免这些问题。 3. 引导学生采用问题解决的学习方法，即从实际问题出发，通过查找资料、讨论和实验来寻找解决方案。这种方法可以激发学生的好奇心和探索欲，帮助他们在解决具体问题的过程中掌握知识点。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$