内容正文:
续表
牌号 含碳量(%) 类别 最终热处理 应用举例
W18Cr4V 0.7-0.8 高速钢 高温淬火+多次回火 钻头
5CrMnMo 0.5 热作模具钢 淬火+中温回火 热锻模
ZGMn13 0.9~1.4 耐磨钢 水韧处理 坦克履带
第5讲 钢的热处理
【同步精练一】
一、填空题
1.保温 冷却 2.同素异构转变
3.奥氏体晶核的形成与长大 残余渗碳体的溶解
4.加热温度 保温时间
5.片层间距的大小 细 强度和硬度
6.过冷 残余
7.临界冷却速度 Ms
8.Ms~Mf 针 板条 板条状马氏体
9.连续冷却 等温冷却
二、选择题
10.B 11.B 12.C 13.B 14.A 15.A 16.C
17.D 18.B 19.D
三、问答题
20.(1)屈氏体
(2)马氏体 针状
(3)V5 V3
(4)350℃~Ms 230℃
(5)过冷奥氏体
21.(1)γ-Fe α-Fe
(2)体心正方
(3)一定温度范围内(Ms~Mf)连续冷却
(4)极快
【同步精练二】
一、填空题
1.正火 回火 2.临界冷却速度 提高
3.中温
4.表面淬火 化学热处理
5.马氏体 体心正方晶格
6.调质处理 回火索氏体
7.淬火+低温回火 保温时间
8.加热温度和目的
9.马氏体的分解 渗碳体的形成
二、选择题
10.B 11.B 12.B 13.C 14.C 15.B 16.A
17.D 18.A 19.B 20.A 21.B 22.C
三、问答题
23.(1)索氏体 片 低
(2)淬火 高温回火 回火索氏体 球 高
(3)布氏 深度
【拓展提升】
1.(1)合金渗碳钢 0.2% 好 细化晶粒
(2)内应力 硬度 切削加工性 均匀 细化
(3)含碳 渗碳 后
(4)提高硬度 58—62 低碳 强度 韧性 33—
48
205
单招零距离机械专业综合
单招零距离·机械专业综合(下)
拓展提升
1.根据所学钢的知识完成下表:
牌号
含碳量(%)
类别
最终热处理
应用举例
Q460
20CrMnTi
40Cr
60Si2Mn
GCr15
W18Cr4V
5CrMnMo
ZGMn13
应用从以下给定的中选一种填写:车床主轴、板弹簧、鸟巢、变速齿轮、坦克履带、热锻模、
钻头、滚珠
第5讲钢的热处理
考纲要求
要
求
内
容
掌握
钢的退火、正火、淬火、回火等热处理方法的目的、一般过程和应用。
了解
钢在加热和冷却时组织的转变。
常用表面热处理的方法、目的和应用。
知识体系
热处理工艺曲线
加热温度
钢在加热时的组织转变奥氏体化的过程
奥氏体晶粒的长大
冷却方式
钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体的等温转变图
马氏体转变
钢的热处理
退火
整体热处理
正火
淬火
回火
热处理的分类
表面热处理火焰加热表面淬火
感应加热表面淬火
渗碳
化学热处理渗氨
碳氮共渗
·452·
总复习方案·第五部分金属材料与热处理
考点分布
年份
知识点
题型
分值
正火热处理的温度
选择题
3分
2018
残余奥氏体定义、四种淬火工艺曲线及淬火
特点、过冷奥氏体等温冷却转变及珠光体的
问答作图题
8分
力学性能决定因素
贝氏体的定义
选择题
3分
2019
滚动轴承钢的预备热处理中正火和
球化退火的目的、最终热处理的组织
问答作图题
8分
单液淬火后的组织
选择题
3分
钢的临界冷却速度
填空题
2分
2020
马氏体转变过程中品格的转变
填空题
3分
正火、退火、淬火、回火的加热速度及
组织,回火脆性
问答作图题
8分
常考点:
(1)等温转变曲线图
(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织
(3)钢的退火
(4)钢的正火
(5)钢的淬火
(6)钢的回火
(7)钢的表面热处理
(8)钢的渗碳
知识梳理
1.钢的热处理定义、原因、作用、方法和工艺组成
定义
热处理是指通过适当的方法将固态金属钢进行加热、保温和冷却,从而获得所需组
织和性能的工艺方法
原因
热处理能使钢的性能发生变化,根本原因是因为钢有同素异构转变,从而使组织和
性能发生改变
作用
可以显著提高钢的力学性能,发挥钢材的潜力,提高工件的使用性能和寿命;还可以
改善工件的工艺性能,提高产品质量和减少刀具磨损
普通热处理(包括:退火、正火、淬火和回火)
方法
表面热处理(包括:表面淬火和化学热处理)
工艺组成
加热、保温和冷却
2.钢在加热时的组织转变
(1)加热目的:获取奥氏体,它对钢冷却后的组织和性能有重要影响。
①奥氏体的形成
·453·
单招零距离·机械专业综合(下)
②奥氏体转变过程
奥氏体的形核与长大→剩余渗碳体的溶解→奥氏体成分均匀化。
(2)奥氏体晶粒的长大
钢在加热时,为得到细小而均匀的奥氏体晶粒,必须严格控制加热温度和保温时间。
3.钢在冷却时的组织转变
(1)钢加热获得奥氏体组织后,不同的冷却过程决定着钢热处理后的组织与性能。
(2)钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种。一种是等温冷却,另一种是连续冷却。
(3)过冷奥氏体的等温转变:
①过冷奥氏体:在共析温度以下存在的奥氏体。
②等温转变图:表示过冷奥氏体的转变温度,转变时间与转变产物之间关系的曲线图称为
等温转变图,如图5一5一1所示。曲线也称为C曲线。
800
700
P170-230HBS
600
S(230-320HBS
A-T
T(330400HBS)
500h
B(4045HRC)
丝400
A-B
转变终了线
理
B(45-55HRC)
300叶转变开始线
A-B
M
200F
a
A→M
100
M+A'(6065HRC)
OM
-100
0
10
10101010
时间s
图5-5-1
注:在C曲线的拐弯处(约550℃,俗称鼻尖),孕育期最短,过冷奥氏体最不稳定,转变最快。
(4)过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能:
类型
组织名称
符号
形成温度范围/℃
显微组织
性能
珠光体
A1~650
粗片层状的F和FeC的
HRC<25,片层问距越
P
混合物
小,塑性变形抗力越大,
珠光体型
强度和硬度越高
转变A1
细片层状的F和FeC的
550℃
索氏体
s
650~600
25~35HRC
混合物
托氏体
极细片层状的F和FeaC
600550
35~40HRC
的混合物
上贝氏体
Br
细条状FeC分布于片状
(40~45)HRC,但强度
贝氏体型
550~350
低、塑性差、脆性大
转
变
的F之间,呈羽毛状
550℃
细小的碳化物分布于针
下贝氏体
(45~55)HRC,塑性和韧
~M.
B下
350~M.
叶状的F之间,呈暗黑色
针状或竹叶状
性均高于上贝氏体
附:马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数。随着马氏体中碳的质量分
数增加,其强度与硬度也随之增加。含碳量大于1.0%的马氏体,硬度高,脆性大;而含碳量小
·454·
总复习方案·第五部分金属材料与热处理
于0.2%的马氏体,有良好的强度,较好的韧性。
4.钢的退火与正火
退火与正火除经常作预先热处理工序外,对一般俦件、焊接件以及一些性能要求不高的工
件,也可作最终热处理。
(1)退火:
①定义:将钢加热到适当温度,保持一定的时间,然后缓慢冷却(一般为炉冷)的热处理工艺。
②常用的方法:
退火方法
工艺方法
目的
应用
把钢加热到完全奥氏体化(Ac:以上
用于亚共析碳钢和
完全退火
30℃~50℃),保温一段时间后随炉缓
细化晶粒,消除内应力,
合金钢的铸件、锻
慢冷却(随炉或埋入干砂、石灰中),以
降低硬度,改善切削加工
获得接近平衡组织的热处理工艺
性能
件、焊接件等,不能
用于过共析钢
把过共析钢加热到Ac1以上20℃~
主要用于过共析
降低硬度,改善切削加工
球化退火
30℃,保温一定时间后以不大于50℃/h
钢、共析钢,如碳素
的冷却速度随炉冷却,使钢中的碳化物
性,并为淬火作好组织
钢、合金工具钢和
呈球状的工艺方法
准备
轴承钢等
将工件缓慢加热到A1以下100℃~
消除由于塑性变形、焊
适用于锻造、铸造、
去应力退火
200℃,保温一定时间后随炉慢冷至
接、切削加工、铸造等形
焊接及切削加工后
20℃,再出炉冷却的工艺方法
成的残余应力
的工件
(2)钢的正火:
①定义:将钢加热到Ac1或Acm以上30℃~50℃,保温一定的时间,出炉后在空气中冷
却的热处理工艺。
②目的:与退火的目的基本相同。
③应用:
1)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。
2)可细化晶粒,正火后组织的力学性能较高,对于要求不高的结构零件,可作最终热处理。
3)可消除过共析钢中网状二次渗碳体,改善钢的力学性能,为球化退火做组织准备。
4)代替中碳钢和低碳结构钢的退火,改善他们的组织结构和切削加工性。
(3)正火与退火的主要区别:
①正火的冷却速度较快,过冷度较大,正火后所获得的组织比较细,强度和硬度比退火高一些。
②正火比退火生产周期短,成本低,操作方便,在可能条件下优先采用正火。
③复杂的零件采用正火易开裂,宜采用退火。
5.钢的淬火
(1)定义:将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃,保温一定时间,然后冷却获得马氏体
或下贝氏体组织的热处理工艺。
(2)目的:获得马氏体组织,提高钢的硬度和强度,使工件获得良好的使用性能。
(3)钢的淬火工艺:
钢的淬火加热温度可以由Fe一FeC相图来确定。
①亚共析钢淬火加热温度为Ac3以上30℃~50℃,淬火后得到均匀细小的马氏体。
②共析钢和过共析钢淬火加热温度为A1以上30℃~50℃,淬火后获得细小马氏体和球
·455·
单招零距离·机械专业综合(下)
状渗碳体,由于有高硬度的渗碳体和马氏体存在,能保证得到最高的硬度和耐磨性。
(4)钢的淬透性和淬硬性:
①淬透性:在规定条件下,钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。它与钢的临界冷
却速度有密切的关系,临界冷却速度越低,钢的淬透性越好。
②淬硬性:钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。它取决于钢的含碳量。
含碳量越高,淬硬性越好。
③淬透性和淬硬性是具有不同含义的两个概念。
(5)淬火缺陷:
①氧化与脱碳;②过热与过烧;③变形与开裂;④硬度不足。
6.钢的回火
(1)定义:将淬火钢重新加热到Ac点以下的某一温度,保温一定时间后冷却到室温的热
处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。
(2)回火的目的:
①获得工件所要求的力学性能。
②稳定工件尺寸。
③降低脆性,消除或减少内应力。
说明:回火钢的性能只与加热温度有关,而与冷却速度无关;
回火碳钢硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而降低;
钢回火后有韧性下降的回火脆性现象,可用加热后快冷的方法避免。
(3)回火种类与应用:
名称
温度
组织
性能
应用
刃具、冷作模具、量具和滚动
高硬度和高耐磨性,一定的韧
低温回火
150℃~250℃
回火马氏体
性,淬火内应力有所降低
轴承,渗碳、碳氮共渗和表面
淬火的零件
中温回火
350℃~500℃
回火屈氏体
有高的屈服强度,弹性极限和一
定的韧性,淬火内应力基本消除
各种弹簧和模具热处理
广泛用于汽车、拖拉机、机床
具有强度、硬度、塑性和韧性都
等承受较大载荷的结构零
高温回火
500℃-650℃
回火索氏体
较好的综合力学性能
件,如连杆、齿轮、轴类、高强
度螺栓等
说明:调质处理是淬火十高温回火的复合热处理工艺。
调质处理后的力学性能(强度、韧性)比相同硬度的正火好,这是因为前者的渗碳体呈粒
状,后者为片状。
调质一般作为最终热处理,但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬
度不高,便于切削加工,并能获得较低的表面粗糙度值。
7.钢的表面热处理
(1)目的:仅使表面层具有硬而耐磨的马氏体组织,而心部具有较好塑性、韧性。
(2)方法:表面淬火和化学热处理。
·456·
总复习方案·第五部分金属材料与热处理
典例精析
【例1】用20 CrMnTi钢制造的齿轮,要求齿轮表面硬度高而心部具有良好的韧性,应采
用热处理
,若改用45钢制造这一齿轮,则采用热处理
。()
A.渗碳十低温回火
B.表面淬火十低温回火
C.渗碳十淬火十低温回火
D.表面淬火十渗碳十淬火
【解析】从齿轮表面硬度高而心部具有良好的韧性这个要求看,必须经过表面热处理。
20 CrMnTi钢按含碳量分属于低碳钢,若要求齿轮“外硬内韧”,则必须保证齿面的含碳量及渗
碳层深度的要求,渗碳后表面含碳量提高了,但是必须要经过淬火及低温回火才能达到要求。
而45钢属于中碳钢,不需要经渗碳处理,只要进行表面淬火十低温回火便能使齿轮表面硬度
高而心部具有良好的韧性。
【答案】B
【例2】过共析钢的淬火加热温度应选择在()以上30~50℃。
A.Ac1
B.Ac3
C.Accm
D.Acm
【解析】Ac1以上30~50℃是共析钢、过共析钢的淬火加热温度;Ac3以上30~50°C
是亚共析钢的淬火加热温度;过共析钢的淬火加热温度到Accm以上,不仅奥氏体晶粒粗大,
淬火后马氏体粗大,增加脆性,工件氧化、脱碳严重,增大淬火应力,增加变形、开裂倾向,而且
残留奥氏体增多,降低钢的硬度和耐磨性。
【答案】A
【例3】提高20 CrMnTi钢表层的含碳量需通过
个基本过程来完成。
【解析】化学热处理的三个基本过程:分解、吸收、扩散。
【答案】分解
吸收
扩散
【例4】图5一5一2为共析钢的等温转变C曲线图,试回答下列问题。
3
公
图5-5-2
(1)在A1550C温度范围内,冷却曲线①转变的产物是
,其力学性能主要取
决于
的大小。
(2)钢淬火时为了保证获得马氏体组织,并使淬火应力最小,在C曲线“鼻尖”附近冷却速
度要
,在Ms线附近冷却速度要。(填“快”或“慢”)
·457
单招零距离·机械专业综合(下)
(3)在350℃~Ms范围内,冷却曲线②转变的产物是下贝氏体,其组织内的铁素体呈
状。
(4)冷却曲线③表示马氏体分级淬火,转变的产物是马氏体,其晶格类型为
晶
格,该淬火方法常用于临界冷却速度较(填“大”或“小”)合金钢工件。
(5)若冷却曲线③的水平部分位于稍低于Ms的位置,与图示位置的淬火效果
(填“相同”或“不相同”)
【解析】(1)珠光体(P)
片层间距
(2)快慢
(3)针叶
(4)体心正方小
(5)相同
【答案】见解析
【例5】某柴油机凸轮轴,要求凸轮表面有高的硬度(HRC>50),而心部具有良好的韧
性。原来用45钢调质,再在凸轮表面进行高频淬火,最后低温回火。现因库存钢材用完,拟用
15钢代替。试回答下列问题:
(1)原45钢的各热处理工序的作用。
(2)改用15钢后,仍按原热处理工序进行,能否满足性能要求?为什么?
(3)改用15钢后,需采用何种热处理工艺才能达到所要求的性能?
【解析】本题考查含碳量不同的钢采用不同的热处理。中碳钢一般预处理进行正火处
理,粗加工后进行调质处理,有表面要求时再进行高频淬火十低温回火。低碳钢一般预处理进
行正火处理,要达到“外硬内韧”,粗加工后进行渗碳,再进行淬火十低温回火。
【答案】(1)调质:提高心部综合力学性能;
高频淬火十低温回火:提高HRC、耐磨性,降低脆性,保证要求的硬度值。
(2)不能。因为含碳量为0.15%淬不硬,表面硬度不足,耐磨性不够。
(3)渗碳十淬火十低温回火。
同步精练一
一、填空题
1.热处理工艺一般都由加热
和
三个阶段组成。
2.热处理能使钢的性能发生变化的根本原因是由于铁有
3.共析钢加热时,珠光体转变为奥氏体主要由
和奥氏体的均匀化三
个过程组成。
4.严格控制
和
是为了在加热获得细小而均匀的奥氏体,以免晶粒粗大。
5.珠光体的性能主要取决于
的大小,在珠光体转变区内,转变温度越
低,形成的珠光体片层越
越高。
6.奥氏体在A,线以上是稳定相,当冷却到A1线以下不稳定的称为
奥氏体,马
氏体转变不能完全转变,即使M:以下温度仍存在的称
奥氏体。
7.奥氏体转变为马氏体需要很大的过冷度,其冷却速度应大于
,而且必须过
冷到
温度下。
8.马氏体的转变温度范围为
,其显微组织与含碳量有关。含碳量高的马氏体
呈
状,含碳量低的马氏体呈
状。其中具有良好的强度和较好韧性的为
·458·
总复习方案·第五部分金属材料与热处理
9.钢的热处理工艺有
和
两种冷却方式。
二、选择题
10.钢在热处理工艺中,加热是为了获取(
)。
A.铁素体
B.奥氏体
C.渗碳体
D.珠光体
11.残余奥氏体是(
)温度以下存在,尚未转变的奥氏体。
A.Ms
B.Mf
C.A1
D.共晶
12.以下各合金元素,不能提高钢的淬透性的是(
)。
A.Mo
B.Mn
C.Co
D.Cr
13.过冷奥氏体转变为马氏体的转变温度范围是(
)。
A.A1~650℃
B.-50~230℃
C.600650℃
D.550~600℃
14.奥氏体等温转变产物的组织中,晶粒最粗大的是(
)。
A.珠光体
B.索氏体
C.屈氏体
D.马氏体
15.C曲线右移使临界冷却速度和淬透性如何变化(
).
A.减小、增大
B.减小、减小
C.增大、减小
D.增大、增大
16.共析钢在等温转变过程中得到索氏体的温度范围是(
)。
A.A,~650℃
B.350~550℃
C.600~650℃
D.550~600℃
17.一般零件均以(
)作为热处理技术条件。
A.强度
B.塑性
C.韧性
D.硬度
18.在过冷奥氏体等温转变图的“鼻尖”处,孕育期最短,因此该温度下()。
A.过冷奥氏体稳定性最好,转变速度最慢
B.过冷奥氏体稳定性最差,转变速度最快
C.过冷奥氏体稳定性最好,转变速度最快
D.过冷奥氏体稳定性最差,转变速度最慢
19.含碳量具有一定饱和程度的铁素体和分散的渗碳体(或碳化物)所组成的混合物称为
A马氏体
B.屈氏体
C.索氏体
D.贝氏体
三、问答题
T/C
20.钢经过加热获得奥氏体组织后,如在不同的冷却
条件下冷却,所得到的转变产物也不同。以共析钢为例,
VI
将其在不同条件下连续冷却的冷却曲线画在等温转变图
上,如图5一5一3所示,试回答下列问题:
(1)V2冷却转变的温度在600~550℃左右,转变产
Ms
物是
组织。
(2)V,冷却转变的组织是
,若含碳量
M
较高其断面形状为
图5-5-3
(3)图中临界冷却速度是
,相当于在油
中冷却的速度是
(4)下贝氏体转变温度范围是
,Ms的温度大约是
左右。
(5)A1线以下、aa'线以左、Ms线以上区域组织称为
·459·
单招零距离·机械专业综合(下)
21.钢在淬火时向马氏体转变过程中,其主要特点是:
(1)钢冷却到M以下时奥氏体转变为马氏体,只有
向
的晶格
改变,不发生碳原子扩散。
(2)马氏体晶格为碳原子位于晶格间隙位置的
晶格。
(3)马氏体转变是在
过程中进行的,马氏体数量随温度下降而不
断增多,若冷却停止,则转变也停止。
(4)马氏体转变速度
○同步精练二
一、填空题
1.为了消除高碳钢的网状渗碳体,常采用
热处理工艺,为了消除锻造时的内应
力,常采用
热处理工艺。
2.钢的淬透性取决于钢的
,合金钢的铬元素能
(填“提高”或“降低”)其
淬透性。
3.
回火主要用于弹性零件及热锻模具等,以提高其弹性极限、屈服强度等力学性能。
4.钢的常用表面热处理的方法有
和
两种。
5.淬火的主要目的是为了获得
,其晶格类型是
6.淬火加高温回火的复合热处理工艺称为
,经过该种热处理后的工件可获
得
7.渗碳后的工件需经过
的热处理,一般渗碳层深度取决于
8.根据
不同,常用的退火方法有完全退火、去应力退火和球化退火。
9.钢回火时的组织转变分四个阶段:
、残余奥氏体的分解、
、渗碳体的
聚集长大。
二、选择题
10.化学热处理与其他热处理的主要区别是()。
A.加热温度
B.改变表面化学成分
C.组织变化
D.冷却速度
11.钢淬火后的组织是(
)。
A.马氏体+铁素体
B.马氏体十少量奥氏体
C.珠光体
D.渗碳体
12.用65Mn钢热成型弹簧后应进行(
A.淬火
B.淬火+中温回火
C.淬火十高温回火
D.不需要淬火
13.分级淬火分级的目的是(
)。
A.使用A成分趋于均匀
B.使工件在介质中停留期间完成组织变化
C.使工件内外温差达到最小,减小淬火应力
D.以上都不对
14.工业生产中所说的“水淬油冷”是指(
)。
A.分级淬火
B.延时淬火
C.双介质淬火
D.等温淬火
·460·
总复习方案·第五部分金属材料与热处理
15.用45钢制造的凸轮,要求凸轮表面很硬,心部具有良好的韧性,应采用(
)热
处理。
A.渗碳十淬火十低温回火
B.表面淬火十低温回火
C.氰化处理
D.调质处理
16.为了消除过共析钢中的网状渗碳体,改善钢的力学性能,并为球化退火准备,常用(
处理。
A.正火
B.退火
C.淬火
D.调质
17.火焰加热表面淬火常用的可燃气体是()。
A.氢气
B.天然气
C.沼气
D.乙炔气
18.感应加热表面淬火如果采用高频感应加热,其加热的频率是(
)。
A.200~300KHzB.1~10KHz
C.20~100KHz
D.50Hz
19.钢淬火后再回火时,如果回火温度在300~400℃之间,其转变产物是(
)。
A.M回十A残余B.T回
C.S回
D.M回
20.钢的淬硬性主要取决于钢的(
)。
A.含碳量
B.铁素体组织
C.珠光体组织
D.莱氏体组织
21.T12A制造锉刀,其预备热处理是(
)。
A.调质
B.正火再球化退火
C.直接球化退火
D.正火不需球化退火
22.钢的淬透性主要取决于钢的(
)。
A.含碳量
B.铁素体组织
C.化学成分
D.马氏体的量
三、问答题
23.有一批材料为40Cr的轴,在生产中不慎将热处理后的正火件与调质件弄混,可用测
量硬度的方法来区分。试回答下列问题:
(1)正火件获得的组织为
,是铁素体和渗碳体的
状组织,其硬度较
;
(2)调质处理是指
和
的复合热处理,调质件获得的组织为
是铁素体和渗碳体的
状组织,其硬度较
(3)测量硬度的常用方法有
硬度实验法,主要是测量压痕直径:洛氏硬度实验
法主要测量压痕
拓展提升
1.齿轮如图5一5一4:
经过对齿轮的结构及工作条件的分析确定:该齿轮选用20 CrMnTi的锻件毛坯,热处理技
术条件如下:
齿面渗碳层深度:0.8-1.3mm;
齿面硬度为58-62HRC,心部硬度为33一48HRC。
生产过程中,齿轮加工工艺路线如下:
备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。
热处理工序分析如下:
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