《机械基础》材料与选用（2）（讲义）重庆市机械加工类 考点讲练测

编写说明：重庆市《机械加工类专业考点讲练测》专辑，是依据重庆市中职毕业生参加高职分类考试招生专业综合理论考试—机械加工类考试说明的考试范围与要求编写的。紧密围绕机械加工类专业考纲所涉及的四门课程的 27个考试内容及要求，精心编撰了54套讲练测。每套讲练测的内容均涵盖考点解读、思维导图、知识梳理、概念回顾、概念强化题、高考真题与典型例题、课堂练习、课堂小结以及课后测验九个环节。 本讲属于重庆市《机械加工类专业考点讲练测》的第5套，包含讲义、课件以及测验这三个教学文件，且与之配套使用的还有重庆市《机械加工类专业考纲百套卷》。欢迎各位老师下载使用，并敬请给予宝贵建议。 重庆市《机械加工类专业考点讲练测》 【机械基础】5.材料与选用（2） 讲义 [考点解读] （5）掌握钢的热处理工艺。 （6）了解零件的失效形式。 （7）掌握选用材料的基本原则和方法。 [思维导图] [知识梳理] 三、钢的热处理 钢的热处理是指采用适当的方式对钢或钢制工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性 能的工艺。 通过适当的热处理，不仅能充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和使用寿命，而且还可以改善工 件的加工工艺性能。因此，热处理工艺在机械制造业中占有十分重要的地位。 根据加热和冷却方法不同，工业生产中常用的热处理工艺可大致分为：普通热处理，即退火、正火、淬火、回火， 俗称“四把火”;表面热处理，包括表面淬火(感应加热淬火、火焰淬火),化学热处理(渗碳、氮化等)。 1.钢的普通热处理 (1)退火 退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺。 退火的目的：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。 根据钢的成分和退火目的的不同，退火可分为：完全退火、球化退火和去应力退火等。 (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。只适 用于非合金钢及合金元素含量不高的合金钢。 正火的目的：细化组织，用于低碳钢时可提高硬度，改善切削加工性能；用于中碳钢和性能要求不高的 零件时可代替调质处理；用于高碳钢时可消除网状碳化物，为球化退火做组织准备。 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。常见冷却方法有：水冷，油 冷等。 淬火的目的：提高钢的强度、硬度和耐磨性。淬火后必须配以适当回火。 淬硬性：钢经淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中碳的质量分数，碳的质量分数越高，获得的硬 度越高。 淬透性：钢经淬火后获得淬硬层深度的能力，淬透性越好，淬硬层越厚，淬透性主要取决于钢的化学成 分和淬火冷却方式。 (4)回火 回火是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。淬 火钢必须及时回火。 回火的目的是减少或消除工件淬火时产生的内应力，稳定组织，以满足工件所需要的性能。回火是热 处理工艺的最后一道工序。 按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。常用回火的特点及应用范围如表所示。 种类 温度范围/℃ 特点 应用范围 低温回火 150~250 降低淬火内应力，提高韧性，并保持高硬度 和耐磨性 用于刃具、量具、滚动轴承、冷冲模及要求 硬而耐磨的零件 中温回火 250~500 高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性 用于弹性零件(如弹簧、发条)和热锻模 具等 高温回火 500~650 足够的强度与韧性，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。调质处理广泛用于螺栓、 连杆、齿轮、曲轴等重要的结构零件 2.钢的表面热处理 在冲击载荷和摩擦条件下工作的零件，如齿轮、凸轮等，要求其表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部 需要足够的塑性和韧性。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有表面淬火和化学热处理两种。 (1)表面淬火 表面淬火是仅对工件的表面层进行淬火，而心部仍保持未淬火状态。其目的是使工件表面具有高硬 度、耐磨性，而心部具有足够的塑性、韧性。常用的有火焰表面淬火、感应加热表面淬火。 火焰淬火的设备简单，操作简便，淬火生产成本低，适用于局部磨损的工件，如轴、齿轮、轨道等，用于特 大件更为经济有利，但火焰淬火容易使表面过热，淬火效果不稳定，因而在使用上有一定局限性。 感应加热淬火加热速度快，生产效率高，质量稳定且容易控制，易于实现自动化操作，因此适用于大批 量生产，但感应加热设备投资大，维修调试比较困难。 (2)化学热处理 化学热处理就是将工件置于适当的活泼介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变其 化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理工艺种类较多， 一般根据渗入钢件表面元素来命名。渗入的元素不同，钢件表面性能不同。 有：渗碳、碳氮共渗，可提高钢表面的硬度和耐磨性；氮化、渗硼，可使钢件表面特别硬，显著提高耐热抗氧化 性。渗碳、氮化、碳氮共渗是比较常用的化学热处理方法。 ①渗碳 渗碳是把低碳钢工件放在渗碳介质中，加热到一定温度(一般为930℃左右),保温足够长的时间，使表 面碳的质量分数升高的热处理工艺。 ②氮化 氮化是向钢的表面渗氮以提高表面层氮浓度的热处理过程。 二、零件的失效形式 零件失效是指零件在使用过程中，由于各种原因导致其不能正常工作或无法达到预期的性能要求。常见的失效形式主要有以下几种： 1.断裂失效 包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等。脆性断裂往往没有明显的塑性变形，突然发生；韧性断裂则伴有较大的塑性变形；疲劳断裂是在交变载荷作用下，经过一定次数后发生的断裂。 2.过量变形失效 零件由于发生过大的弹性变形或塑性变形，导致无法正常工作。例如，轴类零件发生弯曲变形，影响传动精度。 3.表面损伤失效 主要有磨损、腐蚀和表面疲劳等。磨损是零件表面相互接触并相对运动时，表面材料逐渐脱落的现象；腐蚀是零件在特定环境中与介质发生化学反应而受到破坏；表面疲劳则是零件表面在交变接触应力作用下产生裂纹和剥落。 4.功能失效 例如，滚动轴承丧失旋转精度、弹簧失去弹性等。 三、选用材料的基本原则和方法 1.基本原则 满足使用性能要求：根据零件的工作条件和失效形式，确定所需材料应具备的主要性能指标，如强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等。 兼顾工艺性能：材料应具有良好的铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能，以保证零件能以较低的成本和较高的质量制造出来。 注重经济性：在满足使用性能和工艺性能的前提下，应尽量选用价格低廉、资源丰富的材料，降低零件的制造成本。 2.选用方法 分析零件的工作条件和失效形式：明确零件所承受的载荷类型（静载、动载、冲击等）、工作环境（温度、湿度、介质等）以及对精度、寿命等方面的要求，判断可能的失效形式。 确定主要性能指标：根据工作条件和失效形式，确定对材料性能的要求，如强度、硬度、韧性、耐蚀性等关键指标的具体数值或范围。 筛选材料：根据性能指标，从材料手册、相关标准或数据库中筛选出符合要求的材料种类。 综合考虑工艺性和经济性：对筛选出的材料，进一步考察其工艺性能和成本，进行综合比较和权衡。 最终确定材料：结合实际生产条件和经验，确定最适合的材料，并确定相应的热处理工艺或表面处理方法，以进一步提高零件的性能。 例如，对于承受较大载荷且要求较高耐磨性的轴类零件，可选用中碳钢或中碳合金钢，如 45 钢、40Cr 等，并进行调质处理和表面淬火，以提高其综合性能。 [师生互动] 1. 简述退火和正火的主要区别。 【答案】退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）；正火是将钢加热到适当温度，保持一定时间后出炉空冷。正火的冷却速度比退火快，正火后的强度、硬度高于退火，且操作简便，生产周期短，成本低。 2. 淬火的目的是什么？淬火后为什么必须回火？ 【答案】淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性。淬火后必须回火是因为淬火会产生内应力，回火可以减少或消除内应力，稳定组织，满足工件所需的性能。 3.什么是钢的淬硬性和淬透性？它们分别取决于什么? 【答案】钢的淬硬性是钢经淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中碳的质量分数；淬透性是钢经淬火后获得淬硬层深度的能力，主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。 4.简述低温回火、中温回火和高温回火的特点及应用范围。 【答案】低温回火可降低淬火内应力，提高韧性，并保持高硬度和耐磨性，用于刃具、量具、滚动轴承、冷冲模及要求硬而耐磨的零件；中温回火有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，用于弹性零件（如弹簧、发条）和热锻模具等；高温回火有足够的强度与韧性，较好的综合力学性能，生产中把淬火和高温回火相结合称为调质处理，广泛用于螺栓、连杆、齿轮、曲轴等重要的结构零件。 [概念强化] 1.钢的普通热处理包括退火、 、淬火和回火。 【答案】正火 2.退火的冷却方式一般是 。 【答案】随炉冷却 3.正火比退火的冷却速度 ，组织更细。 【答案】快 4.淬火常见的冷却方法有 、油冷等。 【答案】水冷 5回火是将淬火钢重新加热到低于 的某一温度。 【答案】727℃ 6.表面淬火是仅对工件的。 进行淬火。 【答案】表面层 [高考模拟] 1钢的热处理中，以下属于普通热处理的是（ ） A. 退火 B. 表面淬火 C. 渗碳 D. 氮化 【答案】A 2.退火的目的不包括（ ） A. 提高硬度 B. 改善钢的性能 C. 消除残余内应力 D. 降低硬度利于切削加工 【答案】A 3.正火比退火的冷却速度（ ） A. 慢 B. 快 C. 相同 D. 不确定 【答案】B 4.淬火的目的是（ ） A. 提高塑性 B. 提高强度、硬度和耐磨性 C. 提高韧性 D. 改善切削加工性能 【答案】B 5.钢经淬火后能达到的最高硬度主要取决于（ ） A. 合金元素含量 B. 冷却方式 C. 钢中碳的质量分数 D. 加热温度 【答案】C 6.钢经淬火后获得淬硬层深度的能力称为（ ） A. 淬硬性 B. 淬透性 C. 耐磨性 D. 韧性 【答案】B 7.低温回火的温度范围是（ ） A. 150 - 250℃ B. 250 - 500℃ C. 500 - 650℃ D. 650 - 727℃ 【答案】A 8. 中温回火主要用于（ ） A. 刃具 B. 弹簧 C. 滚动轴承 D. 连杆 【答案】B 9.高温回火的温度范围是（ ） A. 150 - 250℃ B. 250 - 500℃ C. 500 - 650℃ D. 650 - 727℃ 【答案】C 10.表面淬火的目的是（ ） A. 使工件整体具有高硬度 B. 使工件表面具有高硬度 C. 提高工件的韧性 D. 提高工件的塑性 【答案】B 11.化学热处理有渗碳、氮化、 等。 【答案】碳氮共渗 12.零件失效形式中的断裂失效包括脆性断裂、 和疲劳断裂。 【答案】韧性断裂 13.选用材料时应首先满足 要求。 【答案】使用性能 14.感应加热淬火的淬火效果不稳定。（ ） 【答案】× 15.渗碳能提高钢表面的硬度和耐磨性。（ ） 【答案】× [课堂练习] 1. 火焰淬火的特点是（ ） A. 设备投资大 B. 淬火效果稳定 C. 适用于大批量生产 D. 设备简单，成本低 【答案】D 2.感应加热淬火的特点是（ ） A. 设备简单 B. 生产效率低 C. 质量不稳定 D. 易于实现自动化操作 【答案】D 3.以下属于化学热处理的是（ ） A. 正火 B. 退火 C. 渗碳 D. 回火 【答案】C 4. 渗碳是使工件表面（ ）升高的热处理工艺。 A. 氮的质量分数 B. 碳的质量分数 C. 氧的质量分数 D. 氢的质量分数 【答案】B 5. 零件失效形式中的脆性断裂（ ） A. 有明显塑性变形 B. 无明显塑性变形 C. 韧性较好 D. 不易突然发生 【答案】B 6. 轴类零件发生弯曲变形属于（ ） A. 断裂失效 B. 过量变形失效 C. 表面损伤失效 D. 功能失效 【答案】B 7.表面淬火的目的是什么？常用的表面淬火方法有哪些？ 【答案】表面淬火的目的是使工件表面具有高硬度、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表面淬火、感应加热表面淬火。 8.化学热处理的定义是什么？渗碳和氮化分别能使钢件表面获得什么性能？ 【答案】化学热处理是将工件置于适当的活泼介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。渗碳可提高钢表面的硬度和耐磨性；氮化可使钢件表面特别硬，显著提高耐热抗氧化性。 [课堂小结] 1. 钢的热处理工艺。 2. 零件的失效形式。 3. 选用材料的基本原则和方法 学科网（北京）股份有限公司 $$