考点4 钢的热处理的基础知识 《金属加工基础》 山东省（春季高考）机械制造类 知识讲解

山东省（春季高考）机械类 金属加工 复习讲义 1—4 钢的热处理的基础知识 【考纲要求】 （1）了解热处理的概念、目的和分类。 （2）理解退火、正火、淬火、回火、调质的目的、方法及应用。 （3）了解时效处理的概念、方法。 （4）了解常用钢的热处理方法。 【知识和技能要点】 考点1 概述 1.定义 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温、冷却以获得预期组织结构与 性能的工艺。 2. 目的 提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求，延长零件的寿命。改善钢的加工性能，提高加 工质量，提高劳动生产率。 3.分类 (1)整体热处理。 定义：对工件整体进行穿透加热的热处理称为整体热处理。 方法：退火、正火、淬火、回火。 (2)表面热处理。 定义：改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺称为表面热处理。 方法：火焰淬火、感应淬火、电接触淬火。 (3)化学热处理。 定义：将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变 其化学成分、组织和性能的热处理。 方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属。 4.原理 热处理是通过改变工件材料内部的显微组织或改变工件材料表面的化学成分或组织，来改 善工件的工艺性能或使用性能 。 铁碳合金相图是确定热处理工艺的重要依据. 考点2 退 火 1.定义 退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 2.功能 (1)降低钢的硬度，提高塑性，改善切削加工性能和锻压加工性能。 (2)细化钢的组织，均匀其化学成分。 (3)消除钢的内应力，防止其变形和开裂。 (4)为后续切削加工或热处理作准备。 3.分类 根据钢的化学成分和退火目的不同，退火通常分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力 退火、均匀化退火等。 4.方法及应用 (1)完全退火。 ①定义：是指将工件加热到完全奥氏体化后在空气中缓慢冷却的热处理工艺。 ②加热温度：Ac₃+(30～50)℃。 ③目的：细化组织，降低硬度，提高塑性，消除内应力，为后续切削加工或热处理作准备。 ④应用：亚共析钢(0.0218%<wc<0.77%) 制造的铸件、锻件、焊件等。 ⑤不能用于过共析钢(0.77%<wc<2.11%)。 (2)等温退火。 ①定义：是将工件加热到 Ac₃ ( 或 Ac₁) 以上的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体 转变温度并等温保持一定时间，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。 ②加热温度：亚共析钢：Ac₃+(30～50)℃; 共析钢(wc=0.77%) 和过共析钢：Ac₁+(20~ 40)℃。 ③目的：基本上与完全退火相同，与完全退火相比，缩短了退火时间。 ④应用：亚共析钢、共析钢制造的铸件、锻件、冷挤压件等。 (3)球化退火。 ①定义：将钢加热到Ac₁ 以上的温度，保温一段时间后，缓慢地冷却到略低于 Ac₁ 的温度， 并等温保持一段时间，使组织转变完成，碳化物球状化而进行的退火。 ②加热温度：Ac₁+(10～20) ℃。 ③目的：使碳化物球化，降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能，为淬火作组织准备。 ④应用：共析钢、过共析钢制造的锻件、冷挤压件等。 ⑤对于碳化物网状化严重的钢，球化退火前应先进行正火。 (4)去应力退火。 ①定义：将钢加热至较低温度，保温一定时间后冷却，为去除工件塑性形变加工、切削加工 或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。 ②加热温度：Ac₁—(100～200)℃, 一般在500～650℃进行，钢不发生相变。 ③目的：消除残余应力，稳定尺寸，减少变形。 ④应用：铸件、锻件、焊件及精密加工件等。 (5)均匀化退火。 ①定义：将钢加热到高温，长时间保温，然后缓慢冷却，以减少工件化学成分和组织的不均 匀程度为主要目的的退火。 ②加热温度：Ac₃+(150～200)℃, 一般在1050～1150℃进行。 ③目的：减少化学成分偏析和组织的不均匀。 ④应用：质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯等。 考点3 正 火 1. 定义 正火是指将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。 2.正火与退火的区别 (1)加热温度比退火高，冷却速度比退火快，得到的珠光体晶粒较细，硬度和强度较退火高。 (2)操作简便，生产周期短，成本较低。 (3)功能与退火相似，所不同的是正火提高钢铁材料的硬度。 3.方法及应用 (1)方法：将钢加热到 Ac₃以上30～50℃,保温适当的时间后，然后在空气中冷却。 (2)应用。 ①改善钢铁材料的切削加工性能。 原因：低碳钢经过退火后硬度偏低，切削加工时有“粘刀”现象。通过正火能适当提高钢铁 材料硬度，细化晶粒，改善切削加工性。 应用：低碳钢和低碳合金钢一般选择正火作为预备热处理。 ②消除钢中的网状碳化物，为球化退火做组织准备。 原因：正火加热到 Ac₃ 以上时可使网状碳化物充分溶解到奥氏体中，空冷时碳化物来不及 析出，这样便消除了钢中的网状碳化物组织，细化了珠光体组织晶粒，有利于后续的球化退火和 淬火。 应用：过共析钢。 ③代替调质处理。 原因： 一些性能要求不高的零件、大结构的非合金钢在淬火时容易开裂。可采用正火来代 替调质作最终热处理。 应用：铁路车辆的车轴。 ④淬火返修件。 原因：消除淬火应力，防止工件重新淬火时产生变形与开裂。 考点4 淬火 1. 定义 淬火是将工件加热奥氏体化后以适当的方式冷却，获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理 工艺。 2. 目的 为了得到马氏体或(和)贝氏体组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性。并与回火工艺配合，获 得需要的使用性能。 3.加热温度 (1)亚共析钢 Ac₃+(30～50)℃。 (2)共析钢和过共析钢 Ac₁+(30～50)℃。 4.方法及应用 (1)单液淬火。 定义：将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的淬火方法。 特点：操作简单，易实现机械化和自动化。 应用：形状简单的钢件，如非合金钢水冷淬火，合金钢油冷淬火等。 (2)双液淬火。 定义：将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时 立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火方法。 特点：应力小、变形小，可防止工件开裂，但对操作技术要求较高。 应用：中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。 (3)马氏体分级淬火。 定义：将工件加热奥氏体化后先浸入温度稍高或稍低于Ms 线的盐浴或油浴中，保持适当时 间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法。 特点：显著减小工件的变形和开裂，操作技术要求较高。 应用：尺寸较小、形状复杂的由高碳钢或合金钢制造的工具和模具。 (4)贝氏体等温淬火。 定义：将工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间，等温保持，使奥氏体转变为贝氏 体的淬火方法。 特点：工件淬火应力和变形很小，工件的强度、韧性和耐磨性较高，但生产率低，操作技术要求较高。 应用：尺寸较小、形状复杂、要求变形小的由高碳钢或合金钢制造的工具、模具和弹簧。 考点5 淬火 1.定义 回火是指工件淬硬后，加热到 Ac₁ 以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处 理工艺。回火是在淬火后进行的，通常是零件进行热处理的最后一道工序。 2. 目的 (1)消除或减小工件的内应力，稳定其组织，保证其尺寸精度。 (2)调整工件的性能以获得较好的强度与韧性配合，满足工件的性能要求。 3.分类 根据钢材在回火过程中的温度范围可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。 4.方法及应用 (1)低温回火。 定义：工件在250℃以下进行的回火。 目的：保持淬火工件的高硬度、高耐磨性，降低淬火残余应力和脆性。 室温组织：回火马氏体(M′)。 应用：用于处理高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面 淬火件等。 (2)中温回火。 定义：工件在250～450℃时进行的回火。 目的：使工件获得较高的弹性、屈服强度和韧性。 室温组织：回火托氏体(T') 应用：用于处理弹性零件和冲击工具，如卷簧、板簧、弹簧钢丝等。 (3)高温回火。 定义：工件在500℃以上进行的回火。 目的：使工件获得较高的强度、塑性和韧性，使他们达到较好的匹配。 室温组织：回火索氏体(S′) 应用：用于处理钢制的重要结构件、轴类、连杆、螺栓、齿轮等。 5.调质处理 (1)定义：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。调质处理一般作为钢件的最终热处理。 (2)目的：使工件具有较好的强度、塑性和韧性，具有良好的综合力学性能。 (3)应用：要求具有综合的优良力学性能的机械零件，如丝杠、齿轮、轴等。可作为钢件表面 淬火和化学热处理的预备热处理。 考点6 时效 1. 定义 金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时发生力学性 能和物理性能随着时间而变化的现象，称为时效。 2. 方法及应用 (1)自然时效。 定义：指金属材料经过加工或固溶处理后，在室温下发生性能随着时间而变化的现象。 目的：利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力，稳定工件的形状和尺寸。 特点：优点是不使用任何设备，不消耗能源，但时效周期长，工件内部的残余应力不能完全 消除。 (2)热时效。 定义：指随着温度的不同，碳的溶解度发生变化，从而使钢的性能发生改变的过程。 (3)变形时效。 定义：指钢在冷变形后进行的时效。 (4)振动时效。 定义：指通过机械振动(如超声波)的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺。 特点：振动时效节能且效率高，不受工件尺寸和重量的限制，工件内部的残余应力可消除 30%,可代替人工时效和自然时效。 应用：振动时效适用于重要的铸件、锻件和焊件等。 (5)沉淀硬化时效。 定义：在过饱和固溶体中形成或析出弥散分布的强化相而使金属材料硬化的热处理工艺。 应用：沉淀硬化时效是不锈钢、高温耐热合金、高强度铝合金等的重要强化方法。 考点7 表面热处理 1.定义 表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。 2.目的 使工件表层获得高的硬度、耐磨性，而心部保持足够的强度和韧性。 3.方法及应用 (1)感应淬火。 定义：利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表面、局部或整体加热并快速冷却的淬 火工艺。 特点：感应淬火零件变形小，可有效提高工件的疲劳强度，生产率高，易实现机械化、自动 化，适用于大批量流水生产。 应用：主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的形状不复杂的工件。 (2)火焰淬火。 定义：利用可燃气体燃烧的火焰对工件表层加热并快速冷却的淬火工艺。 特点：操作简单，不需要特殊设备，生产成本低，但工件表面淬火质量难以控制，生产率低。 应用：主要用于单件或小批量生产，需要局部淬硬的工具或大模数齿轮、轴、工具及轧辊。 考点8 化学热处理 1.定义 化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表 层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理分为分解、吸收、扩散三个基本过程。 2. 目的 渗碳、渗氮、碳氮共渗的主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性，渗金属的主要目的是提 高工件表面的耐蚀性和抗氧化性等。 3.方法及应用 (1)渗碳。 定义：为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的梯度，将工件放入渗碳介质中加 热、保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 特点：工件表层获得高硬度、高耐磨性和高疲劳强度，而心部仍保持一定强度和良好韧性。 渗碳层深度一般为0.5～2.5 mm, 渗碳层的碳的质量分数 wc=0.8%～1.1%。 应用：适用于碳的质量分数为0.1%～0.25%的低碳钢和低碳合金钢。如15、20、20Cr、 20CrMnTi 钢等。 说明：渗碳后的工件要进行淬火和低温回火。 (2)渗氮。 定义：在一定温度下，于一定的渗氮介质中，使氮原子深入工件表层的化学热处理工艺。 特点：提高工件的表面硬度、耐磨性、热硬性、耐蚀性和疲劳强度。钢件渗氮后不需淬火，其 硬度就可达到68～72 HRC 。 但是渗氮层薄而脆，不能承受冲击和振动。生产成本较高。 应用：广泛应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴及循环应力作用下要求高疲 劳强度的零件(如高速柴油机曲轴)以及要求变形小和具有一定耐热、耐腐蚀能力的耐磨零件 (如气缸、阀门)等。 【练习题】 一、单项选择题 1．热处理工艺都由加热、保温和冷却三个阶段组成，可以用 ( )曲线来表示。 A.加热曲线 B.保温曲线 C.冷却曲线 D.热处理工艺曲线 2．碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为( )。 A.马氏体 B.托氏体 C.索氏体 D.贝氏体 3.45钢的淬火加热温度为( )。 A. cm+(30~50)℃ B. Ac1+(30∼50)∘C C.Ac3+(30~50)℃ D. A3+(30∼50)∘C 4．将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后在空气中冷却的热处理工艺称为( )。 A.正火 B.回火 C.退火 D.淬火 5．球化退火前有网状渗碳体的钢件，在球化退火前先进行( )。 A.退火 B.正火 C.淬火 D.回火 6．球化退火的应用范围为 ( )。 A.亚共析钢、过共析钢和合金钢件 B.过共析钢和合金工具钢等 C.不能用于过共析钢 D.以上都对 7．用T10A制造锯条，淬火后应进行 ( )回火。 A.高温 B.中温 C.低温 D.调质 8．钢淬火的主要目的是( )。 A.降低硬度 B.提高硬度 C.利于切削加工 D.防止变形开裂 9．淬火冷却时先将工件浸入一种冷却能力强的介质中，随后取出放入另一种冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺称为( )。 A.马氏体分级淬火 B.双介质淬火 C.贝氏体等温淬火 D.都可以 10．将淬火钢重新加热到Aci以下某个温度，保温后冷却的热处理工艺称为( )。 A.退火 B.正火 C.淬火 D.回火 11．零件渗碳后，需经怎样的热处理，才能达到表面高硬度和耐磨性的目的( )。 A.淬火十低温回火 B.正火 C.调质 D.退火 12.T10钢制手工锯条采用( )处理，满足使用要求。 A.调质 B.正火 C.淬火＋低温回火 D.完全退火 13．用40Cr制造齿轮、常采用的热处理方法是( )。 A.淬火＋低温回火 B.淬火＋中温回火 C.调质处理 D.表面淬火＋低温回火 14．下列是普通热处理的是( )。 A.正火 B.表面淬火 C.渗碳 D.碳氮共渗 15．汽车变速齿轮等承受交变载荷且摩擦较大的零件，可选用如下材料和热处理( )。 A.中碳钢或中碳合金钢、调质处理 B.高碳钢和高碳合金钢、淬火、低温回火 C.中碳合金钢，正火或调质、表面淬火、低温回火 D.低碳合金钢，渗碳后淬火、低温回火 16．热锻模具的最终热处理应选用( )。 A.淬火、低温回火 B.淬火＋中温回火 C.淬火、高温回火 D.氮化 17．中碳钢制造的轴，在锻造之后，粗加工之前，为了降低硬度和为后续调质处理做准备，一般要进行的热处理是( )。 A.球化退火 B.淬火 C.正火 D.高温回火 18．一般在动载荷下工作，具有高的弹性极限，高的疲劳强度，足够的韧性，良好的表面质量的零件，最合适的热处理工艺是( )。 A.淬火十低温回火 B.渗碳 C.调质 D.淬火＋中温回火 19．中小模数齿轮的表面淬火一般采用感应回热淬火( )。 A.工频 B.中频 C.高频 D.甚高频 20．利用机械振动的方式来消除、降低或均匀残余应力的工艺是( )。 A.去应力退火 B.形变热处理 C.振动时效 D.自然时效 21．合金渗碳钢渗碳后必须进行( )。 A.淬火加低温回火 B.淬火加中温回火 C.淬火加高温回火 D.只进行回火 22.45钢锻造毛坯，机械加工前应进行的预备热处理是 ( )。 A.球化退火 B.淬火 C.正火 D.高温回火 23．为提高45钢的切削加工性能，应采用 ( )热处理工艺 。 A.完全退火 B.球化退火 C.回火 D.淬火＋低温回火 24．为使T8钢得到回火马氏体，应进行 ( )。 A.淬火＋低温回火 B.淬火＋中温回火 C.淬火＋高温回火 D.水冷淬火 25.( )常用于要求形状不再发生变化的紧密工件如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。 A.退火处理 B.调质处理 C.淬火处理 D.时效处理 二、简答题 1．钢退火的目的是什么？ 2．某传动齿轮用20钢制造。请设计工艺路线。 请选择：低温回火、渗碳、磨削加工、正火、下料、粗及精加工、淬火、锻造下料( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3．根据要求，选择合适的热处理工艺（A．淬火＋低温回火；B．正火；C．完全退火；D．正火十球化退火；E.淬火十中温回火；F.调质；G.渗碳、淬火＋低温回火；H.去应力退火）。 （1）低碳钢需改善切削加工性能( ) （2）含碳量大于0.77%，并有网状渗碳体的钢件要降低硬度( ) （3）高硬度的刃具( ) （4）重要结构零件，如丝杠( ) （5）提高表层硬度和耐磨性( ) 4．某卧式车床主轴箱变速滑移齿轮，在工作中承载不大，受冲击不大，转动平稳，工作条件较好。加工工序大致为：下料-锻坯-粗加工（齿坯加工、滚齿）-精加工（剃齿）-精磨（磨齿）。 （1）根据经验，从下列材料中为齿轮选择最合适的材料（45、40Cr、GCr15、1Cr13.20CrMnTi、W18Cr4V) （2）若还要考虑热处理中提高淬透性，最合适的材料是哪一个？ （3）在加工过程中，下料、锻坯后，为消除锻造应力、细化和均匀组织，为以后热处理作准备，要进行哪一种整体热处理？ （4）齿轮粗加工之后，精加工之前，为了提高齿轮的心部综合力学性能，以承受较大的交变弯曲应力和一定的冲击载荷，应该还要进行什么热处理？ （5）轮齿在精磨前为提高表面硬度，一般要进行表面感应淬火，为消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，最后要对齿轮进行的热处理是什么？ 【答案】 一、单项选择题 1. D 2.A 3. C 4．A 5.B 6.B 7.C 8.B 9.B 10.D 11.A 12.C 13.C 14. A 15.D 16.B 17.A 18.D 19.C 20.C 21.A 22.C 23.A 24.A 25.D 二、简答题 1.(1）降低钢的硬度，提高塑性，改善钢的切削加工性能；(2）均匀钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；(3）消除工件的残余应力，防止变形与开裂；(4）为以后的热处理做准备。 2.（下料）;（锻造）;（正火）;（粗及精加工）;（渗碳）;（淬火）;（低温回火）;（磨削加工）。 3.(1)B．正火；(2)D．正火十球化退火；(3)A．淬火＋低温回火；(4)F．调质；(5)G．淬火渗碳。 4.(1)45、40Cr;(2)40Cr;(3）正火；(4）调质（淬火＋高温回火）;(5）低温回火。 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 学科网（北京）股份有限公司 $