《机械基础》金属材料及热处理（2）（讲义）河北省机械类专业 考点讲练测

编写说明：《机械类专业考点讲练测》专辑，是依据河北省普通高校对口考试大纲（专业课）——机械类的考试范围与要求编写的。紧密围绕机械类专业考纲所涉及的三门高考课程的20个考点，精心编撰了42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、高考真题或高考模拟题、课堂练习、课堂小结以及课后测验等九个环节。 本讲属于《机械类专业考点讲练测》的8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河北省《机械类考纲百套卷》。欢迎各位老师下载使用，并敬请给予宝贵建议。 河北省《机械类专业考点讲练测》 【机械基础】 8.金属材料及热处理（2） 讲义 [考纲要求] 1．熟悉碳素钢、合金钢、铸铁的分类、牌号、性能及用途。 2．熟练掌握钢的热处理方法及其目的和应用。 [思维导图] [知识梳理] 1、 钢的热处理 将钢或钢制工件在固态下加热、保温、冷却,以改变其组织,从而获得所要求的性能的一种工艺,称为钢的热处理。钢之所以能通过热处理改变其性能,根本原因是铁有同素异构转变。 意义:对钢进行适当热处理,可充分发挥钢材的潜力,提高工件使用性能和使用寿命,改善工件的工艺性能,提高加工质量和劳动生产率。 分类:根据工艺不同,钢的热处理可分为普通热处理和表面热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火。表面热处理包括表面淬火(火焰加热、感应加热)和化学热处理(渗碳、氮化等)。 1.退火 (1)定义 退火是将钢加热到适当温度并保温一定时间后,缓慢冷却(一般随炉冷却)至室温的热处理方法。 (2)目的 1)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。 2)细化晶粒,均匀组织,改善钢的性能或为以后的热处理作准备。 3)消除残余内应力,防止工件变形与开裂。 (3)分类 1)完全退火 定义:完全退火是将钢加热至4以上20~40℃,保温一定时间后随炉缓慢冷却的工艺方法。 特点及目的:冷却后A转变为细小而均匀的F+P,可细化晶粒,消除内应力,降低钢的硬度为随后的加工和淬火做好组织准备。 用途:主要用于中碳钢、中低碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等,有时也用于焊接件 2)球化退火 定义:球化退火是将钢加热至A.线以上20~40℃,保温一段时间后,随炉冷却到室温以获得球状珠光体的工艺方法。 特点及目的:将片层状的珠光体转变为球形细小颗粒的珠光体,降低硬度,以便于切削加工防止淬火加热时奥氏体晶粒粗大,减小工件变形和开裂。 用途:主要用于中碳钢、中低碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等,有时也用于焊接件。 2)球化退火 定义:球化退火是将钢加热至A.线以上20~40℃,保温一段时间后,随炉冷却到室温以获得球状珠光体的工艺方法。 特点及目的:将片层状的珠光体转变为球形细小颗粒的珠光体,降低硬度,以便于切削加工防止淬火加热时奥氏体晶粒粗大,减小工件变形和开裂。 用途:主要用于共析钢和过共析钢(如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等)。 3)去应力退火 定义:去应力退火是将钢加热至略低于A,线的温度(一般为500~650 ℃),保温一定时间后缓慢冷却至室温的工艺方法， 特点及目的:消除内应力(去应力退火过程中组织不会发生变化)。 用途:只用来消除零件在锻造、铸造、焊接等生产时产生的内应力,以防止工件变形和开裂加热过程中组织不会发生变化。 2.正火 (1)定义 正火是将钢加热至 Acm或A.以上 30~50℃,保温一段时间后,在空气中冷却至室温的工艺方法。 (2)特点 正火后可得到细珠光体组织索氏体,强度、硬度较高。工艺周期短,成本低,得到的组织性能好。 (3)目的 1)细化组织,提高硬度,改善低碳钢、低碳合金钢的切削加工性能。 2)用于中碳钢和性能要求不高的零件,可代替调质处理。 3)用于高碳钢,消除网状渗碳体,为球化退火做准备。 (4)退火和正火的区别 1)正火工艺周期短,成本低,得到的组织性能较好,故生产中低碳钢、低碳合金钢常以正火代替退火。但由于正火冷却速度较快,可能会使形状较复杂的零件产生较大的内应力甚至开裂所以形状较复杂的零件不适用正火处理,而对于力学性能要求不是很高的零件,正火还可作为最终热处理。 2)高碳钢一般都先通过正火处理以消除钢中网状渗碳体组织,再进行球化退火处理。 3.淬火 (1)定义 淬火是将钢加热到A.或A,线以上30~50 ℃保温后,快速冷却,以获得马氏体组织的热处理工艺。 (2)目的 提高钢的硬度、强度和耐磨性。 (3)淬火加热温度的选择 淬火是热处理工艺过程中最重要、最复杂的一种工艺,冷却速度过快,容易造成工件变形或开裂,冷却速度过慢则达不到所要求的硬度,所以在操作过程中对不同的钢种施以不同的加热温度和冷却速度,以达到工件所设计的硬度和强度。 1)亚共析钢:加热至 A.线以上 30~50 ℃。加热温度过高,会使A晶粒粗化,淬火后的马氏体组织粗大,使钢脆化;加热温度过低(A.~A,之间),则淬火组织中含有未溶铁素体,降低工件的硬度和力学性能。 2)(过)共析钢:加热至A以上30~50℃。淬火后可形成细颗粒状渗碳体均匀分布于针状马氏体基体上的组织。这种组织耐磨性好,强度高,脆性小。 (4)淬火冷却速度、介质的选择 淬火的主要目的是为了得到马氏体组织,因而冷却速度必须大于该钢的临界冷却速度。而快冷会造成很大的内应力,使工件变形和开裂,钢的理想淬火冷却速度是慢一快一慢三步,因此，对冷却介质的选择尤为重要。传统的冷却介质有空气、油、水、盐水、碱水五种,它们的冷却能力依次增加。其中水、油是生产中应用最为广泛的冷却介质。 (5)钢的淬透性和淬硬性 1)淬透性:在规定条件下,钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。淬透性取决于该钢的临界冷却速度,临界冷却速度越低,钢的淬透性越好,反之越差。淬透性好的钢更适合制造截面尺寸较大的零件。合金钢的淬透性一般比碳素钢好,这是因为各种合金元素融入奥氏体后能提高其稳定性,减缓过冷奥氏体的转变速度,降低钢的临界冷却速度。合金钢适合油冷。 2)淬硬性:钢在理想的淬火条件下获得马氏体后所能达到的最高硬度。硬性主要取决于钢的碳含量。低碳钢淬硬性差,高碳钢淬硬性好。 3)注意:淬透性好的钢不一定淬硬性好,如高碳钢和合金钢比,高碳钢淬硬性比合金钢好但淬透性合金钢比高碳钢好。 4.回火 钢淬火后的不稳定组织马氏体和残余奥氏体会向稳定组织转变,从而引起工件变形或开裂因此必须马上进行回火处理。 （1）定义 回火是将淬火后的钢重新加热至A,,线以下某一温度,经过适当保温后空冷至室温的热处理工艺 (2)目的 减小或消除内应力,防止工件变形开裂;稳定组织,稳定尺寸;调整钢的性能 (3)分类 1)低温回火(150~250℃):低温回火组织为回火马氏体,目的是降低淬火内应力,提高韧性,保持高硬度和耐磨性。主要用于制造高碳工具钢和合金刃具、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 ℃):中温回火组织为回火屈氏体,目的是使淬火件具有高的弹性极限、屈服极限和适当的韧性。主要用于制造弹性零件及热锻模具。 3)高温回火(500~650℃):高温回火组织为回火索氏体,广泛用于螺栓、连杆、齿轮、曲轴等重要的结构零件,具有良好的综合力学性能。通常把淬火和高温回火相结合的处理工艺称为调质处理。由于调质后,可使工件获得良好的综合力学性能,不仅强度较高,塑性和韧性也较好比正火后组织力学性能更佳,因而一些重要的受力复杂的结构零件常采用调质处理。 5.钢的表面热处理 (1)目的 使工件表面具有高硬度、高耐磨性,而心部具有足够的塑性、韧性。 (2)种类 1)表面淬火:仅对钢的表面进行淬火,而不改变其成分的热处理工艺称为表面淬火。常用的表面淬火可分为火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火。 1 火焰加热表面淬火:设备简单,操作方便，成本低,火质量不稳定。适于单件、小批及大型零件的生产。 2 感应加热表面淬火:加热速度快,淬火质量好,淬硬层深度易于控制,但设备复杂,成本高,适于大批量生产 2)化学热处理:将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗人它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 五、碳素钢、合金钢、铸铁 1.非合金钢(碳素钢) 碳的质量分数大于0.021 8%、小于2.11%,且不含有特意加人合金元素的铁碳合金,称为非 合金钢。 (1)常存元素对钢的性能的影响 1)硅:炼钢后期作脱氧剂带人;提高钢的强度、硬度,是钢中的有益元素。 2)锰:炼钢脱氧剂;提高钢的强度与硬度,是钢中的有益元素。 3)硫:生铁带人;对钢造成热脆性,是钢中的有害元素。 4)磷:生铁带人;对钢造成冷脆性,是钢中的有害元素。 (2)碳素钢的分类 1)按钢的碳含量分类:低碳钢、中碳钢、高碳钢。 2)按钢的质量分类:普通钢、优质钢、高级优质钢。 3)按钢的用途分类:结构钢、工具钢。 (3)非合金钢的牌号、性能及用途 1)碳素结构钢 ①普通碳素结构钢 牌号:由代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号和脱氧方法符号按顺序组成。例如 Q235AF:表示屈服强度为 235 MPa的A级沸腾钢。此类钢性能一般,主要用于厂房、桥梁船舶、铆钉、螺钉、螺母等。 ②优质碳素结构钢 牌号:用两位数字表示钢中平均碳含量的万分之几。例如:08钢,表示碳的质量分数c为0.08%;属于低碳钢,强度、硬度较低,塑性,韧性及焊接性良好;主要用于冲压件、焊接结构件及渗碳件。45 钢,表示碳的质量分数wc为0.45%;属于中碳钢,有较高的强度和硬度;主要用于制作受力较大的机械零件,如连杆、曲轴、齿轮等。60钢,表示碳的质量分数w.为0.6%;属于高碳钢,有较高的强度、硬度和弹性;主要用于制造较高强度、耐性和弹性的零件,如气门弹簧、弹簧垫等. 2)碳素工具钢 牌号:T+数字(平均碳含量的千分数)。如T12A:表示平均碳的质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。这种钢具有较高的硬度和耐磨性,用于制造刃具、模具、量具及其他工具。 2.合金钢 合金钢就是在非合金钢的基础上,为了改善钢的某些性能,在冶炼时有意加人一些元素的钢。 (1)合金钢的分类 1)可按主要质量等级分类。 2)按性能或用途分为:工程结构用合金钢,机械结构用合金钢,不锈、耐蚀和耐热钢,工具钢,轴承钢,特殊物理性能钢等。 (2)合金钢的牌号 1)合金结构钢:用“两位数字+元素符号+数字”表示,前面的两位数字表示钢的"c,元素符号表示钢中所含的合金元素,后面的数字表示该元素平均质量分数的百分之几。当合金元素的质量分数小于1.5%时,牌号中只标明元素符号,不标含量。例如:60Si2Mn,表示 wc为 0.6%,硅的质量分数约为2%,锰的质量分数小于1.5%。 2)合金工具钢:合金含量的表示与合金结构钢相同,碳含量用一位数字表示碳质量分数的千分数,当wc大于或等于 1.00%时,不予标出。例如:9SiCr,表示wc为0.9%,Si、Cr 的质量分数都小于 1.5%。 3)特殊专用钢:为表示钢的用途,在钢号前面冠以汉语字母,不标碳的质量分数。例如:GCr15 为滚珠轴承钢。 (3)常用合金钢 1)合金结构钢:是机械制造、交通运输、石油化工及工程建筑等方面应用最广、用量最大的-类合金钢,用于各类工程结构件和制造各种零件,按用途分为工程结构用钢(普低钢)和机械结构用钢。 ① 工程结构用钢(普低钢):碳含量低,合金含量低,如16MnV,用于工程结构--桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器和起重机械等。强度比同碳含量的非合金钢高,塑性、韧性、耐蚀性和焊接性良好。 ②机械结构用钢:用于制造各种机械零件,按热处理特点分为:合金渗碳钢:含碳量一般为 0.1%~0.25%,如:20CrMnTi,用于制造渗碳零件的合金钢。合金调质钢:含碳量一般为 0.25%~0.50%,属于中碳合金钢。如:40Cr,用于制造齿轮、连 杆、主轴等重要零件,调质后使用。合金弹簧钢:碳的质量分数一般为 0.45%~0.70%,如 60Si2Mn,用于制造各种弹簧。滚动轴承钢:碳的质量分数一般为0.95%~1.15%,如CCr15,主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针),也可用来制造各种工具和耐磨零件。轴承钢都是特殊质量 合金钢。2)合金工具钢:用于制造尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具及切削速度较高的刃具。① 用于制造刀具:如 9SiCr用于制造丝锥、板牙、铰刀,W18Cr4V 用于制造切削速度较高和形状复杂的成形刀具。 ②)用于制造模具:如 Cr12、Cr12MoV,用于制造冲压、锻压、压铸成形模具。 ③用于制造量具:如GCr15,用于制造测量工具。 [师生互动] 1. 指出钢的淬透性、淬透深度和淬硬性三者之间的区别？ 【答案】：钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得马氏体的能力。它是钢材本身固有的一种属性。它主要与钢的过冷奥氏体稳定性或钢的临界淬火冷却速度有关）。而这些影响因素又与合金元素含量密切相关。淬透深度指的是工件表面到半马氏体区的距离。它除取决于钢材的淬透性之外，还与所采用的冷却介质、工件尺寸等外部因素有关淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火所能达到最高硬度的能力。主要与钢中的含碳量有关。 2. 什么叫钢的回火脆性？下列几种钢中，哪类钢的回火脆性严重，如何避免? 45、40Cr、35SiMn、40CrNiMo 【答案】随着回火温度升高，在250～650℃两个区间（1分）存在冲击韧性明显下降的脆化现象，称为钢的回火脆性。 上述几种钢都属于调质钢，淬火后要经历高温回火，其中40Cr、35SiMn钢由于含有Cr、Si、Mn等合金元素，在高温回火慢冷时容易产生第二类回火脆性，可以采用快冷来抑制这类回火脆性。40CrNiMo合金钢中由于加入了Mo元素，能抑制第二类回火脆性的产生。 3. 为什么钢淬火后必须经过回火才能使用？常用的回火工艺有那些？ 【答案】淬火后的钢，组织为马氏体加残余奥氏体，硬度、强度有很大提高），但塑性、韧性明显降低；残余奥氏体在使用过程中会自发的产生组织变化，既影响性能也影响尺寸精度；淬火钢内往往存在很大的内应力，并导致韧性下降、零件变形和开裂。因此淬火后的钢必须经过回火才能使用。常用的回火工艺有低温回火、中温回火和高温回火。 4.为什么钢淬火后必须经过回火才能使用？常用的回火工艺有那些？ 【答案】淬火后的钢，组织为马氏体加残余奥氏体，硬度、强度有很大提高，但塑性、韧性明显降低）；残余奥氏体在使用过程中会自发的产生组织变化，既影响性能也影响尺寸精度；淬火钢内往往存在很大的内应力，并导致韧性下降、零件变形和开裂。因此淬火后的钢必须经过回火才能使用。 常用的回火工艺有低温回火、中温回火和高温回火。 5.、说出什么是退火，什么是正火，并比较正火与完全退火的区别。 【答案】退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。正火是将刚加热到Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上30℃～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织（一般为索氏体）的热处理工艺。正火与完全退火的主要区别是冷却速度较快，得到的组织较细，能获得更高的强度和硬度；同时生产周期较短，成本较低。 [概念强化] 1.钢的高温回火脆性可以通过快速冷却避免。( ) 【答案】√ 2.感应加热工件表面时，由于工件表面涡流产生的热量，使工件表层迅速加热到淬火温度，而心部温度接近室温，随后快速冷却，从而达到了表面淬火的目的。( ) 【答案】√ 3.钢的任何化学热处理都包括分解、吸收和扩散三个基本过程。它改变表层化学成分但不改变其组织( ) 【答案】× 4、当力学性能要求不太高时，正火可作为________热处理；当力学性能要求较高时，正火可作为________热处理。 【答案】最终 预先 5.亚共析钢要使铁素体全部转变为奥氏体，必须加热到________以上；对于过共析钢，则要加热到Accm以上，________才能完全溶入奥氏体。 【答案】 Ac3 渗碳体（Fe3C） 6.钢丝在冷拉过程中必须经 ( ) 退火。 A．扩散退火 B．去应力退火 C．再结晶退火 D．重结晶退火 【答案】B 7、钢经调质处理后所获得的组织的是( ) 。 A．淬火马氏体 B．回火索氏体 C．回火屈氏体 D．索氏体 【答案】B 8、高频淬火时淬硬层的深度与频率的关系是（）。 A.频率越高，淬硬层越深 B.频率越高，淬硬层越浅 C.频率对淬硬层深度影响不大 D.频率越低，淬硬层越低 【答案】B [高考模拟] 1.（单项选择题）表面热处理的目的是使工件表面具有高硬度、高耐磨性,而心部具有足够的( )。 A.硬度 B.脆性 C.链造性 D.韧性 【答案】D 2.（单项选择题）淬火的主要目的是为了获得( ） A.奥氏体 B.马氏体 C.珠光体 D.渗碳体 【答案】B 3.（单项选择题）钢的完全退火主要用于( )。 A.过共析钢 B. 共析钢 C.亚共析钢 D.高碳钢 【答案】C 4.（单项选择题）对于过共析钢,适宜的火加热温度是( A.Ac1以上 30~50℃ C.Acm以上 30~50℃ B.Ac3线以上30~50℃ D.Ac以上 30~50 ℃ 【答案】A 5.（单项选择题）调质处理就是( )的热处理。 A.淬火+低温回火 B.淬火+中温回火 C.淬火+高温回火 D.以上都不对 【答案】C 6.（判断题）淬透性好的钢,淬火后硬度一定很高. ( ) 【答案】× 7.（判断题）中温回火适用于低碳钢。( ) 【答案】× 8.（判断题）钢渗氮后无须淬火即有很高的硬度及耐磨性。（ ） 【答案】√ 9.（判断题）在退火状态(接近平衡组织)45 钢比20钢的塑性和强度都高。 ( ) 【答案】× 10.（判断题）除Fe、C外还含有其他元素的钢就是合金钢。( ) 【答案】× 11.（填空题）合金工具钢 Cr12MoV 表示平均碳的质量分数大于_______,,铬的质量分数约为______,钼和钒的质量分数都小于______。 【答案】1% 12% 1.5% 12.（填空题）在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，即稳定组织，又保留加工硬化，这种方法称为________。 【答案】去应力退火 13.（填空题）调质处理的钢与正火钢相比，不仅强度较高，而且塑性和________也高于正火钢，这一差异是由于调质处理后钢中渗碳体呈________而正火后的渗碳体呈________引起的。 【答案】韧性 颗粒状 层片状 14.(简答题））现需制造一汽车传动齿轮，要求表面具有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心 部具有良好韧性，应采用如下哪种材料及工艺，为什么？ 【答案】① T10钢经淬火+低温回火； ②45钢经调质地处理；③用低碳合金结构钢20CrMnTi经渗碳+淬 火+低温回火。 答：T10钢经淬火+低温回火的组织为回火马氏体+渗碳体+残余奥氏体，硬度为58~62HRC，表 面具有高的硬度、耐磨性，但心部韧性差，因此，①不合适。 45钢经调质处理后的组织为回火索氏体，硬度为25~35HRC，综合机械性能较好，但表面不耐 磨，因此，②不合适。 用低碳合金结构钢20CrMnTi经渗碳+淬火+低温回火后，表面组织为回火马氏体+合金碳化+少 量残余奥氏体，硬度为60~67HRC，表面具有高的硬度、耐磨性，且心部组织为回火马氏体+ 少量铁素体，硬度为50~55HRC，具有较高的强度和一定的韧性，因此，③合适。 15.(简答题）指出下列钢件的热处理工艺，说明获得的组织和大致的硬度： 【答案】① 45钢的小轴（要求综合机械性能好）； 答：调质处理（淬火+高温回火）；回火索氏体；25~35HRC。 ② 60钢簧； 答：淬火+中温回火；回火托氏体；35~45HRC。 3 T12钢锉刀。 答：淬火+低温回火；回火马氏体+渗碳体+残余奥氏体；58~62HRC。 [课堂练习] 1.（单项选择题）将加热的工件投入温度稍高于Ms的盐浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变 后取出空冷，这种方法称为 ( )。 A.双液淬火 B.分级淬火 C.等温淬火 D.球化退化 【答案】C 2.（单项选择题）影响临界冷却速度的主要原因是（）。 A、奥氏体晶粒的粗细 B、奥氏体成分的均匀性 C、钢的化学成分 D. 奥氏体晶粒的大小 【答案】C 3.（单项选择题）无需淬火既有很高的硬度及耐磨性的化学热处理是（ ） A、 气体渗碳 B、 渗氮 C、 碳氮共渗 D 、液体渗碳 【答案】B 4.（填空题）钢的热处理是将钢在一定介质中________、________和________，使它的整体或表面________发生变化，从而获得所需性能的一种工艺。 【答案】加热 保温 冷却 组织 5.（简答题）图所示为四种淬火方法冷却曲线，分析并回答下列问题： （1）图中冷却到A线以下尚未转变的奥氏体称为？冷却到Ms线以下未能转变的奥氏体称为? （2）珠光体转变的温度范围是? （3）什么是奥氏体转变为马氏体的转变区？ 【答案】（1）过冷奥氏体（或A过）、残余奥氏体（或A残） （2） A1-650℃ （3） Ms-Mf 6、（简答题）经冷轧后的15钢板，要求降低硬度时应采用怎样的退火方法？指出退火目的及退火后 的组织。 【答案】退火方法：再结晶退火； 退火目的：消除加工硬化及内应力； 退火后的组织： P+F。 [课堂小结] 一.钢的热处理体 1.退火 2.正火 3.淬火 4.回火 5、钢的表面热处理 二、碳素钢、合金钢、铸铁 1.非合金钢（碳素钢） 2.合金钢 3、铸铁 学科网（北京）股份有限公司 $$