金属材料与热处理(全)

1、 第一章：金属的结构与结晶 1-1金属的晶体结构 学习目的：了解金属的晶体结构。 重点：有关金属结构的基本概念： 晶面、晶向、 晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见 的类型。 难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。 2-1金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 1、晶体：晶体：所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。 （晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的 相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）原子在空间呈规则排列的固体原子在空间呈规则排列的固体 物质称为物质称为“晶体晶体”。 2、 非晶体：非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的（如普通玻璃、松 香

2、、树脂等）。 非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。 二、金属晶格的类型 晶体结构的概念晶体结构的概念 1、晶格和晶胞晶格和晶胞 晶格：晶格：把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子 称为晶格。 晶胞：晶胞：构成晶格的最基本单元。 2、晶面和晶向、晶面和晶向 晶面：晶面：点阵中的结点所构成的平面。 晶向：晶向：点阵中的结点所组成的直线。 由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。 （阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点， 称为阵点或结点。点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体。 晶体

3、晶体 晶格晶格 晶胞晶胞 晶面晶面 晶向晶向 晶体规则排列示意图晶体规则排列示意图 金属晶格的类型金属晶格的类型 1、是指金属中原子排列的规律。 2、体心立方晶格：体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并 且在立方体的体中心还有一个原子。 属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及-铁-Fe 3、面心立方晶格：面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体， 但在立方体的每个面上还各有一个原子。 属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等 4、密排六方晶格：密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方 面心还各有一个原子，

4、而且简单六方体中心还有3个原子。 属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、 镉（Cd）等。 三、单晶体与多晶体三、单晶体与多晶体 1、晶粒：晶粒：金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的， 小晶体称为晶粒。 2、晶界：晶界：晶粒间交界的地方称为晶界。 3、单晶体：单晶体：只由一个晶粒组成的晶体。（晶格排列方位完全一致。必须人工制 作，如单晶硅。） 4、多晶体：多晶体：整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。（普通金属 材料都是多晶体） 四、晶体的缺陷四、晶体的缺陷 1、晶体缺陷：晶体缺陷：晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。 1）空位、间隙原子和置代原子 晶体中

5、的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷点缺陷。 2）位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错 局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。 （ 线缺陷）线缺陷） 3）晶界和亚晶界 1-1纯金属的结晶 学习目的：学习目的：掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲 线、及过冷度。 掌握纯金属的结晶过程。 熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用 细化晶粒的方法。 同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。 教学重点与难点： 细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是 教学的难点。 纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。 教学过程。 复习旧课：复习旧课： 1、晶体结构的概念。 2、常见

6、的三种金属晶格类型。 3、晶体的缺陷。 导入新课： 金属由原子不规则排列的液体金属由原子不规则排列的液体 转变为原子规则排列的固体的转变为原子规则排列的固体的 过程称为结晶。过程称为结晶。 一、纯金属的结晶过程一、纯金属的结晶过程 1、纯金属的冷却曲线及过冷度。、纯金属的冷却曲线及过冷度。 1）金属的结晶必须在低于其理论 结晶温度（熔点To )下才能进行。 2）理论结晶温度和实际结晶温度 之差称这“过冷度”（T=To- T1）。 3）金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。 （冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。）（冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。） 2、

7、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程 1 1） 在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成 、晶核长大来完成 其结晶过程。 二、晶粒大小对金属材料的影响二、晶粒大小对金属材料的影响 （一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。）（一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。） 1、金属晶粒大小取决于结晶时的形核率 、长大速度。细化晶粒，则要 形核率越高、长大速度越慢。 2、常用的细化晶粒的方法： A、增加过冷度 B、变质处理 C、振动处理。 三、同素异构转变三、同素异构转变 1、金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为 同素异构转变。 2、具有同素异构转变的金属有：铁、钴、钛、

8、锡、锰等。同一金属的同素 异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母， 等表示。 3、纯铁的同素异构转变： 1394 912 -Fe - Fe Fe-Fe - Fe Fe 体心体心 面心面心 体心体心 4、金属的同素异构转变，也称为“重结晶”。 其与液态金属结晶有许多相似处：有一定转变温度，有过冷现象； 有潜热放出和吸收 ； 也由形核、核长大来完成。 不同处：属固 态相变 ， 转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转 变中有体积的变化，会产生较大内应力。 2-2金属的力学性能 学习目的：学习目的： 理解金属材料性能（工艺性能、使用 性能）的概念、分类。 掌握强度的概念及其种

9、类、应力的概念及符号。 掌握拉伸试验的测定方法；力伸长曲线的几 个阶段；屈服点的概念。 教学重点与难点教学重点与难点 1、理解力伸长曲线是教学重点； 2、强度、塑性是教学难点。 教学过程： 复习复习 载荷可分为：静载荷、冲击载荷、交变载荷。载荷可分为：静载荷、冲击载荷、交变载荷。 内力、应力的概念。内力、应力的概念。 新课：新课： 力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。 力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。力学性能包括：强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。 一、强度：一、强度： 概念：金属在静载荷作

10、用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度 的大小用应力来表示。的大小用应力来表示。 根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、 抗剪强度和抗扭强度等。抗剪强度和抗扭强度等。 一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。 1 1、拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。、拉伸试样：拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。 DoDo：直径：直径 Lo Lo：标距长度：标距长度 长试样：长试样：Lo

11、=10doLo=10do 短试样：短试样：Lo=5doLo=5do 力力- -伸长曲线：伸长曲线： 如下图，以低碳钢为例如下图，以低碳钢为例 纵坐标表示力纵坐标表示力F F，单位，单位N N；横坐标表示伸长量；横坐标表示伸长量L L，单位为，单位为mmmm。 （1 1）oeoe：弹性变形阶段：弹性变形阶段： 试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而 消失的变形称为弹性变形。消失的变形称为弹性变形。FeFe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大 拉伸力。拉伸力。 （2 2）eses：屈服

12、阶段：屈服阶段： 不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情 况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显 的塑性变形。的塑性变形。FsFs称为屈服载荷称为屈服载荷 （3 3）sbsb：强化阶段：强化阶段： 随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称 加工硬化）。加工硬化）。FbFb：试样拉伸的最大载荷。：试样拉伸的最大载荷。 （4 4）bzbz：缩颈阶

13、段（局部塑性变形阶段）：缩颈阶段（局部塑性变形阶段） 当载荷达到最大值当载荷达到最大值FbFb后，试样的直径发生局部收缩，称为后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈缩颈”。 工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没 有屈服现象，而且也不产生有屈服现象，而且也不产生“缩颈缩颈”。如铸铁等。如铸铁等。 3 3、强度指标：、强度指标： （1 1）屈服点：）屈服点： 在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力 称为屈服点。

14、称为屈服点。 用符号用符号FelFel表示表示 ，计算公式：，计算公式：Fel=Fs/So Fel=Fs/So 对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示， 计算公式：计算公式：0.2=F0.2/So0.2=F0.2/So 屈服点屈服点ss和规定残余伸长应力和规定残余伸长应力0.20.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。 材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金 属材料性能的重要指标。属材料性能的重要指

15、标。 （2 2）、抗拉强度）、抗拉强度:b:b材料在断前所能承受的最大应力材料在断前所能承受的最大应力. . b = Fb / So b = Fb / So 注：零件在工作中所受的应力注：零件在工作中所受的应力, ,不允许超过不允许超过b,b,否则会断裂否则会断裂. . 它也是零件设计它也是零件设计 选材的重要依据选材的重要依据. . 二、塑性：二、塑性： 断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。 常用伸长率和断面收率表示。常用伸长率和断面收率表示。 1 1、 伸长率：伸长率： 试样拉断后，标距的伸长与原始

16、标距的百分比称为伸长率。用试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用表示：表示： 计算公式：计算公式：A=(l1-l0)/l0 A=(l1-l0)/l0 100%100% 2 2、 断面收缩率：断面收缩率： 试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面 收缩率。用收缩率。用表示表示 Z=(SO-S1)/SO Z=(SO-S1)/SO 100%100% 金属材料的伸长率（金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性）数值越大，表示材料的塑性 越好。越好。 例、有一直径例

17、、有一直径dO=10mmdO=10mm，lo=100mmlo=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得的低碳钢试样，拉伸验时测得FS=21KNFS=21KN， Fb=29KNFb=29KN，d1=5.65mmd1=5.65mm，l1=138mml1=138mm，求：，求：RelRel、RmRm、A A、Z Z。 解：（解：（1 1）计算）计算SOSO，S1S1 S0=d02/4 =3.14 S0=d02/4 =3.14102/4=78.5mm2102/4=78.5mm2 S1S1=d12/4 =3.14=d12/4 =3.145.652/4=25mm25.652/4=25mm2 （2 2）计算）计

18、算ss、bb Fel=FS/SO=21Fel=FS/SO=21103/78.5 =267.5Mpa103/78.5 =267.5Mpa Fm= Fb/SO=29Fm= Fb/SO=29103/78.5 =369.4Mpa103/78.5 =369.4Mpa （3 3）计算）计算A A、Z Z A=(l1-l0)/l0A=(l1-l0)/l0100%=(138-100)/100100%=(138-100)/100100%=38%100%=38% Z=(S0-S1)/S0Z=(S0-S1)/S0100%=(78.5-25)/78.5100%=(78.5-25)/78.5100%=68%100%=6

19、8% 小结：抗拉强度是小结：抗拉强度是零件设计零件设计 选材的重要依据选材的重要依据. . A A、Z Z的值越大，表示材料的塑性就越好。的值越大，表示材料的塑性就越好。 2-2金属的力学性能 学习目的：学习目的：了解疲劳强度的概念。 掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬 度测试及表示的方法。 掌握冲击韧性的测定方法。 教学重点与难点教学重点与难点 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测 试及表示的方法。 2-2金属的力学性能 教学过程： 复习：强度、塑性的概念及测定的方法。 新课： 一、硬度一、硬度 材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。（是衡量材（是衡量材 料软

20、硬程度的指标）料软硬程度的指标） 根据硬度的试验方法可以把硬度分为：布氏硬度试验方法、洛氏硬度试验方 法、维氏硬度试验方法。 1、布氏硬度 （1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定 的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压 痕直径来计算硬度。 用HBS（HBW）表示，S表示钢球、W表示硬质合金球 当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。 （2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺 序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间 （1015不标注）。 应用范围：主要适于

21、灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。 缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件 布氏硬度试验原理图 洛氏硬度试验原理图 练习、 170HBS10/100/30 530HBW5/750 （1）表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的 布氏硬度值为170。 （2）表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持105s时 测得的布氏硬度值为530。 2、洛氏硬度 （1）测试原理： 采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属

22、表面后，经规定保持时间后即 除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。 表示符号：HR （2）标尺及其适用范围： 每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标 尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。 见表：P21 2-2 不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。 表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬 度的标尺。 （3）优缺点： 优点：操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可测成 品及较薄工件；测硬度范围大。 缺点：数值波动大 3、维氏硬度。 （1）原理： 与布氏硬度试验相同。测量压痕对角线长度，从表中查出。 表示

23、：与布氏硬度相同。 如：640HV30 表示用294.2N试验力，保持10S15S测定的维氏硬度值为640。 （2）可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软 到很硬的各种金属材料的硬度、准确。 二、冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。 1、常用一次摆锤冲击弯曲，试验来测定金属材料的冲击韧性。 （1）冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤 冲击试样前后的冲击势能差。 （2）试样被冲断时所吸收的能量既是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收 功。 符号用 AK 表示。 AK=GH1-

24、GH2=G(H1-H2)AK=GH1-GH2=G(H1-H2) （3）冲击吸收功（AK）除以试样缺口处的截面积（S0),即可得到材料的冲 击韧度，用符号aK表示。aK = AK / S0 aK = AK / S0 ； 单位单位 J / Cm J / Cm2 2 （4）冲击韧度：是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。 aK aK 值越大，表示材料的冲击韧性越好。值越大，表示材料的冲击韧性越好。 （5）实践中，绝大多数受冲击载荷的工件是在小能量多次冲击作用下而破 坏的。（多次冲击损伤的积累 裂纹产生、扩展而引至的结果） 注：金材受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主取决于注：金材受大能量的冲

25、击载荷作用时，其冲击抗力主取决于akak大小。而小能大小。而小能 量多次的冲击载荷作用，其冲击抗力主取决于材料的强度和塑性。量多次的冲击载荷作用，其冲击抗力主取决于材料的强度和塑性。 三、 疲劳强度 1、疲劳概念： 在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长 时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。 2、疲劳破坏的特征 、疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然 破坏； 、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点； 、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。 小结：硬度的试验原理及表示方法。小结：硬度的试验原理及表示方法。 第三章 铁碳合金

26、3-1 合金及其组织 教学目的：教学目的： 1、掌握合金的概念及无相的概念 2、掌握合金的组织概念、性能特点。 3、掌握固溶解，金属化合物质、混合物 教学重点与难点：教学重点与难点： 掌握合金的概念是教学重点。 掌握三种合金组织的名称及性能是教学难点。 教学过程：教学过程： 新课新课 1、合金的概念：、合金的概念： 合金是一种金属元素与其它金属元素可非金属元素通过熔炼或其他方法结 合而成的具有金属特性的物质。 例如：普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组 成的合金。 2、 组元或元的概念：组元或元的概念： 组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。硬铝是由铝、铜、镁或铝、 铜

27、 、锰组成的三元合金。（合金中元数目的多少，合金可分为：二元、合金中元数目的多少，合金可分为：二元、 三元、多元合金。）三元、多元合金。） 3、相的概念、相的概念 在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。 注：合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所注：合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所 决定。决定。 4 4、组织：、组织：所谓合金的组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。 合金中各组元之间结合方式不同，合金中各组元之间结合方式不同，合金组织可分为：合金组织可分为： 一、固一、固溶体体 固溶体是一种组元的在子深入另一组元的晶格中所形成

28、的均匀固相。 溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类 型。 1、分类：溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同， 可分为： 1）、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称 为间隙固溶体。 2）、置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固 容体称为置换固溶体。 2、性能影响： 材料塑性变形抗力 强、硬度的现象称“固溶强化”（强化金材的 重要途径）。 二、金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。 其性能物特点是熔点高，硬度高，脆性大。金属化合物能提高合金的硬度和 耐磨性，但塑性和韧性会降低。 三、混合物： 两种

29、或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。 -各相仍保持自己原来的晶格；其性能取决于各相的性能、形态、 数量、大小。 小结小结 ： 本次课讲解了工业上强化金属材料的重要手段分 别有- 1 形变强化； 2 细化晶粒； 3 固溶强化； 4 弥 散强化 3-2 铁碳合金相图 教学目的：教学目的： 1、掌握铁碳合金相图，简化图各区域组织符号及名 称。 2、掌握铁碳合金相图重要点线的含义，特别是共晶 点，共析点及转变式。 3、熟悉掌握铁碳合金的分类。 教学重点与难点：教学重点与难点： 1、教学重点与难点是简化相图各区域的组织符号及 转变。 教学过程：教学过程： 复习： 铁碳合金的五种基本组织：铁素

30、体（F、 Fe）、奥素体（A、- Fe）、 渗碳体(Fe3C)、珠光体（P）、莱氏体（Ld） 导入新课： 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金，在不 同温度条件下，具有不同的组织和性能；因此其应用和工艺处理应有不同的 选择。为了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，必须认识铁碳合金相 图。 一、铁碳合金相图的组成。 1、铁碳合金相图是表示在缓慢冷却（或缓慢加热）条件下，不同成分的铁碳合 金的状态或组织随温度变化的图形。 2、FeFe3C相图中点、线的含义。 （1）点的含义： A点：纯铁的熔点，15380C D点：渗碳体的熔点，12270C C点：共晶点，11480C L

31、C (A+Fe3Ci) E点：C在-Fe中最大溶解度，C=2.11 G点：纯铁的同素异构转变点，9120C， Fe Fe S点：共析点， As P（F+Fe3C） (2)线的含义： ACD线：液相线，在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。 AECF线：固相线，在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。 在ACD线与AECF线之间是结晶区，即过渡区。 GS线：从A中析出F的开始线，又称A3线 ES线：C在A中溶解度曲线，亦称为Acm线。 ECF：共晶线，温度为11487270C。 PSK线：共析线，7270C ，A1线 3、铁碳合金的分类 （1） 钢：0.0218%C2.11%的铁碳合金 亚共析钢：0.

32、0218%C0.77% 共析钢：C=0.77% 过共析钢：0.77%C2.11% （2） 白口铸铁：2.11%C6.69% 亚共晶白口铸铁：2.11%C4.3% 共晶白口铸铁：C=4.3% 过晶白口铸铁：4.3%C6.69% F：小结 G：布置作业：1、简画出铁碳合金相图。 2、解释共晶转变和共析转变。 3-3 碳素钢 教学目的： 1、掌握碳素钢的概念； 2、掌握Si、Mn、S、P对钢的性能影响； 3、掌握碳素钢的分类方法； 4、掌握碳素钢结构钢的牌号及用途。 教学重点与难点： 1、碳素钢的分类是教学重点； 2、碳素钢的常存元素对钢的性能影响是教学难点。 教学过程： 碳素钢的概念： 含碳量大于

33、0.0218%小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合 金，称为碳素钢或碳钢。 一、常存元素对钢的性能的影响 1、硅 1）来源：炼钢后期作脱氧剂带入； 2）对钢的性能影响：提高钢的强度、硬度； 3）是钢中的有益元素。 2、锰 1）来源：炼钢脱氧剂。 2）对钢的性能影响：提高钢的强度与硬度。 3）是钢中的有益元素。 3、硫 1）来源：生铁带入； 2）对钢的性能影响：对钢造成热脆性； 3）是钢中的有害元素。 4、磷 1）来源：生铁带入； 2）对钢的性能影响，对钢造成冷脆性； 3）是钢中的有害元素。 二、碳素钢的分类 1、按钢的含碳量分类： 1）低碳钢：C0.25% 2） 中碳钢：0.25%

34、C0.6% 3）高碳钢：C0.6% 2、按钢的质量分类： 1）普通钢：S0.05%，P0.045% 2）优质钢：S0.035%，P0.035% 3）高级优质钢：S0.025%，P0.025% 3、按钢的用途分类： 1）结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程构件。C0.7% 2）工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70% 4、按冶炼时脱氧程度的不同分类 1）沸腾钢 2、镇静钢 3、半镇静钢 三、碳素钢的牌号及用途 1、 碳素钢结构钢： 1）牌号：Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号； 2）性能：一般； 3）应用：厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。 4）例如：Q235

35、-A?F：表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。 四、碳素钢的牌号及用途 1、优质碳素结构钢： 1）牌号：用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。 2）、分类： （1）、0825钢，属于低碳钢 性能：强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好； 用途：冲压件、焊接结构件及渗碳件 如：深冲器件、压力容器等。 （2）、3055钢 属于中碳钢 性能：较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。 用途：制作受力较大的机械零件。 如：连杆、曲轴、齿轮等 （3）、60钢以上 属于高碳钢。 性能：有较高的强度、硬度和弹性； 用途：制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如：气门弹簧、弹簧垫等. 2、碳素工

36、具钢： 1） 牌号：T+数字（平均含碳量的千分数） 如：T12A：表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。 2) T7T8：钻头、模具等 T9T10：丝锥、板牙等 T11T13：锉刀、削刀等 3、铸造碳钢： 1）牌号：ZG+数字数字 第一组数字：屈服点 第二组数字：抗拉强度值 如：ZG270500， 2）应用：制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。 小结: 解释下列的牌号。 1）45钢 2） T8 3） T8Mn 4）T8A 作业： P51 9、11、13 41热处理的原理及分类 42钢在加热及冷却时的组织转变 教学目的： 1、了解钢在加热时的转变及A晶粒的长大。 2、掌握热处理概念、

37、分类、热处理工艺曲线；钢加 热及保温得目的。 3、掌握过冷奥氏体的等温转变图建立； 4、掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。 教学重点和难点： 1、A晶粒的长大是教学的重点。 2、过冷奥氏体的等温转变图建立；过冷奥氏体等温 转变产物的组织和性能是教学的难点。 41热处理的原理及分类 教学过程： 新课： 1、 热处理：热处理： 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却加热、保温和冷却以以 获得所需要的组织结构与性能的工艺。获得所需要的组织结构与性能的工艺。 2 2、 热处理的目的：热处理的目的： 、提高零件的使用性能；、充分发挥钢材

38、的潜力；、延长零件、提高零件的使用性能；、充分发挥钢材的潜力；、延长零件 的使用寿命；、改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的的使用寿命；、改善工件的工艺性能，提高加工质量，减小刀具的 磨损。磨损。 3 3、热处理方法有：退火、正火、淬火、回火及表面热处理。、热处理方法有：退火、正火、淬火、回火及表面热处理。 但任何一种均由加热、保温、冷却三阶段所组成但任何一种均由加热、保温、冷却三阶段所组成。 4 4、热处理使钢性能发生变化的原因：、热处理使钢性能发生变化的原因： 由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织

39、与结构变化与结构变化。 42钢在加热及冷却时的组织转变 一、钢在加热时的转变一、钢在加热时的转变 热处理中，钢加热为获得热处理中，钢加热为获得A A；且；且A A晶粒大小、成分、均匀程度，对钢冷却后的晶粒大小、成分、均匀程度，对钢冷却后的 组织、性能有重要的影响。组织、性能有重要的影响。 1 1、钢的奥氏体化、钢的奥氏体化 1 1）、奥氏体晶核的形成及长大；）、奥氏体晶核的形成及长大； 2 2）、残余渗碳体的溶解；）、残余渗碳体的溶解； 3 3）、奥氏体的均匀化；）、奥氏体的均匀化； 2 2、在热处理工艺中，钢保温的目的是：、在热处理工艺中，钢保温的目的是： 、为了使工件热透；、使组织转变完全

40、；、使奥氏体成分均匀。、为了使工件热透；、使组织转变完全；、使奥氏体成分均匀。 3 3、 奥氏体晶粒的长大：奥氏体晶粒的长大： 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大 由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相图可知，相图可知，A1 A1 、A3 A3 、AcmAcm是钢在极缓慢加热（或冷却）时的临界是钢在极缓慢加热（或冷却）时的临界 点。但实际冷速、热速较快，钢转变总有滞后现象。点。但实际冷速、热速较快，钢转变总有滞后现象。 实际加热，钢转变总高于相图临界点，分别用：实际加热，钢转变总高于相图临界点，分别用：Ac1Ac1、Ac3 Ac3 、AccmAcc

41、m； 实际冷却，钢转变总低于相图临界点，分别用：实际冷却，钢转变总低于相图临界点，分别用：Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm。 二、钢在冷却时的转变二、钢在冷却时的转变 1)1)、钢经过加热获得、钢经过加热获得A A组织后，如在不同的冷却条件下冷却，可使钢获得不同的组织后，如在不同的冷却条件下冷却，可使钢获得不同的 力学性能，组织也有明显的不同。力学性能，组织也有明显的不同。 为何存在差异为何存在差异? A? A在冷却过程中的组织变化规律在冷却过程中的组织变化规律? ? 2 2）、热处理工艺中）、热处理工艺中, ,常用的冷却方式常用的冷却方式: : （1 1）、等温冷却转变；）、等温

42、冷却转变； （2 2）、连续冷却转变。）、连续冷却转变。 1 1、过冷、过冷A A的等温转变：的等温转变： A A 在临界点在临界点A1A1以下是不稳定的，必会发生转变，但不是冷到以下是不稳定的，必会发生转变，但不是冷到A1A1以下立即发以下立即发 生，而是经一个孕育时期后才开始。生，而是经一个孕育时期后才开始。 这种在共析温度（这种在共析温度（A1A1）以下存在的）以下存在的A A，-称为称为“过冷过冷A”A”。 过冷过冷A A在不同在不同进行转变，将获得不同组织。进行转变，将获得不同组织。 能表示过冷能表示过冷A A的转变的转变、转变时间、转变产物之间关系的曲线，称为、转变时间、转变产物之

43、间关系的曲线，称为“等温等温 转变图转变图”。-简称为：简称为：C C曲线曲线 三、相图分析：三、相图分析： 1 1、过冷、过冷A A在在A1A1以下等温转变的以下等温转变的不同，则转变产物不同，在不同，则转变产物不同，在MsMs以上，可发生两以上，可发生两 种类型的转变：种类型的转变： 1 1、P P转变：转变： A1 A1 550 550范围等温。范围等温。-分解转变为分解转变为F F、Fe3C Fe3C 片混合物。片混合物。 此此P P 转变区内，当等温转变区内，当等温，则，则 P P 片层越薄片层越薄产物塑变抗力产物塑变抗力、bb和硬度和硬度 。 等温温度和片层间距由大到小，等温温度和

44、片层间距由大到小，分别有产物：分别有产物： P P（A1A1650650）、）、 S S（650 650 600 600）、）、T T（600 600 550 550）。）。 2 2、B B 转变：转变： 550 550 Ms Ms范围等温。范围等温。-形成含过饱和碳的形成含过饱和碳的F+ Fe3CF+ Fe3C组成的非组成的非 片层混合物，称为片层混合物，称为“贝氏体贝氏体” B B 随随A A成分、转变温度不同有多种形态，常有：成分、转变温度不同有多种形态，常有： B B上上-550 -550 350 350间等温，呈羽状。间等温，呈羽状。 硬度为硬度为40 40 45 HRC 45 HR

45、C，塑性很差。，塑性很差。 B B下下-350 -350 Ms Ms间等温，呈黑针状。间等温，呈黑针状。 硬度为硬度为45 45 55 HRC 55 HRC，bb、塑性、韧性良好。、塑性、韧性良好。 3 3、 M M（马氏体）转变：（马氏体）转变：-是非扩散过程的转变是非扩散过程的转变 1 1）、当钢从）、当钢从A A 区急冷到区急冷到Ms Ms 以下时，以下时，A A转变为转变为M M（碳在（碳在- Fe- Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶 体）。体）。 转变转变低，原子扩散能力小，在低，原子扩散能力小，在M M转变过程中，只有晶格改变转变过程中，只有晶格改变 -Fe - -Fe - FeF

46、e，而无碳原子的扩散。，而无碳原子的扩散。 1 1）、）、M M晶格特点：晶格特点： 体心正方晶格。体心正方晶格。 2 2）、马氏体转变的特点：）、马氏体转变的特点：1 1转变是在一定的转变是在一定的范围内（范围内（Ms Ms Mf Mf）连续冷却）连续冷却 中进行；中进行； 2 2转变速度极快；转变速度极快； 3 3转变时体积发生膨胀，产生很大的内应力，转变时体积发生膨胀，产生很大的内应力， 工件易裂、变形；工件易裂、变形； 4 4转变不完全性，在转变不完全性，在MfMf以下仍有以下仍有A A残（使硬度、耐磨性残（使硬度、耐磨性 ）。）。 3 3）、）、M M组织形态：组织形态： 针状针状M

47、 M一般为一般为C 1.0 %C 1.0 %的钢淬火后所获得的钢淬火后所获得高碳高碳M.M.，硬度高、脆性大。，硬度高、脆性大。 板条板条M - M - 一般为一般为C 0.2 %C V V临临 ，但，但V V冷过快冷过快 工件体积收缩，组织工件体积收缩，组织 转变剧烈转变剧烈 内应力内应力 工件易变形、开裂。工件易变形、开裂。 淬火介质的选择很重要。淬火介质的选择很重要。 2 2）、）、由由C C曲线可知，要获得曲线可知，要获得M-M-无需在整个冷却过程中都快关键在无需在整个冷却过程中都快关键在C C曲线鼻尖曲线鼻尖 附近快冷。附近快冷。在高温段在高温段650650550550冷却速度要足够

48、快，而低温段冷却速度要足够快，而低温段300300 以下要足够慢。以下要足够慢。 3 3）常用淬火冷却介质：常用淬火冷却介质： 油、水、油、水、 盐水、碱水等。盐水、碱水等。 其中碳钢适用冷却介质其中碳钢适用冷却介质- - 一般为一般为“水水”；合金钢；合金钢 -“ -“油油”。 4 4、淬火方法：、淬火方法： 1 1）、单液淬火法）、单液淬火法 2 2）、双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。）、双介质淬火：如，先水后油；先水后空气。 3 3）、马氏体分级淬火；）、马氏体分级淬火； 4 4）、贝氏体等温淬火。）、贝氏体等温淬火。 5 5、钢的淬透性、淬硬性钢的淬透性、淬硬性 1)1)、淬透性

49、、淬透性 、指在规定条件下，钢淬火冷却时所获指在规定条件下，钢淬火冷却时所获M M组织深度组织深度的能力。的能力。 、用不同的钢制成相同形状、尺寸工件，在同样的淬火条件下，淬透性好的、用不同的钢制成相同形状、尺寸工件，在同样的淬火条件下，淬透性好的 钢获钢获M M深度较深；淬透性差的钢获深度较深；淬透性差的钢获M M深度较浅。深度较浅。 、淬透性与钢的淬透性与钢的V V临有关；当钢的临有关；当钢的V V临越低临越低钢的淬透性越好。钢的淬透性越好。 钢的淬透性越好，淬火回火后截面组织均匀、综合力学性能好。钢的淬透性越好，淬火回火后截面组织均匀、综合力学性能好。 钢的淬透性越好钢的淬透性越好在冷却

50、时可用较缓和冷却介质，在冷却时可用较缓和冷却介质，变形开裂。变形开裂。 淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。 2 2）淬硬性：）淬硬性： 指钢淬火后所能达到的指钢淬火后所能达到的最高硬度最高硬度的能力。的能力。 、淬硬性主要取决于：钢中的含碳量。、淬硬性主要取决于：钢中的含碳量。C% C% ，钢淬硬性，钢淬硬性 。 、淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。 6 6、淬火缺陷：、淬火缺陷： 1 1）、氧化与脱碳）、氧化与脱碳 2 2）、过热和过烧）、过热和过烧 3 3）、变形与开裂）、变形与开裂 4 4）、硬度不足）、硬度不足 5 5

51、）、软点）、软点 小结：小结： 43热处理的基础方法 教学目的： 1、掌握回火的概念、目的； 2、掌握淬火钢回火时组织与性能的变化； 3、重点掌握回火的分类及应用，调质； 教学重点与难点： 钢的回火分类及应用是教学重点与难点。 43热处理的基础方法 教学过程： 复习旧课： 1、淬火的概念及淬火方法、应用。 2、钢的淬火缺陷。 导入新课： 一、回火 1、概念： 将钢淬火后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到 室温的热处理工艺称为回火。 2、回火目的： 1）消除内应力； 2）获得所需要的力学性能； 3）稳定组织和尺寸。 3、淬火钢在回火时组织与性能的变化 1）马氏体分解； 2

52、）残余奥氏体分解 3）渗碳体的形成 4）渗碳体的聚集长大。 其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧其基本的趋势是：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧 性提高。性提高。 4、回火的分类及应用。、回火的分类及应用。 1 1）淬火钢回火的组织转变过程是由非平衡组织）淬火钢回火的组织转变过程是由非平衡组织平衡组织转变，依靠原子扩散平衡组织转变，依靠原子扩散 而进行的，原子扩散速度取决于温度，温度越高，扩散速度愈高。决定钢回而进行的，原子扩散速度取决于温度，温度越高，扩散速度愈高。决定钢回 火后的组织、性能的主因素是：回火温度。火后的组织、性能的主因素是：回火

53、温度。 2 2）回火温度根据工件要求的力学性能来选择。回火温度根据工件要求的力学性能来选择。 3 3）回火种类有：）回火种类有： 、低温回火：（低温回火：（150 - 250150 - 250）-获回火获回火M M 工件性能：保持高硬度工件性能：保持高硬度(58-64 HRC)(58-64 HRC)和耐磨性，一定的韧性（和耐磨性，一定的韧性（钢的淬火应力、钢的淬火应力、 脆性）。脆性）。 中温回火中温回火: :（350 - 500350 - 500）-获回火获回火T T 工件性能：高弹性极限、工件性能：高弹性极限、SS和适当韧性，硬度可达：和适当韧性，硬度可达：35-50HRC35-50HRC

54、。 主用于：弹性零件、热锻模具等。主用于：弹性零件、热锻模具等。 高温回火：（高温回火：（500 - 650500 - 650）-获回火获回火S S 工件性能：良好的综合力学性能工件性能：良好的综合力学性能( (足够强度、高韧性足够强度、高韧性, ,硬度硬度15-36 HRC)15-36 HRC)。 广泛用于：受力构件。如：螺栓、连杆、齿轮、曲轴等广泛用于：受力构件。如：螺栓、连杆、齿轮、曲轴等 。 注：注：1 1、 淬火淬火 + +高温回火高温回火 称为称为“调质调质”处理。处理。 小结小结 作业：作业： 44钢的表面热处理 教学目的： 1、掌握钢的表面热处理概念、两种方法； 2、掌握钢的渗

55、碳的原理及热处理方法； 教学重点与难点： 1、掌握钢的表面热处理概念、两种方法是重点； 2、掌握钢的渗碳的原理及热处理方法是难点； 44钢的表面热处理 教学过程：教学过程： 复习旧课：复习旧课： 1 1、回火的概念及回火的方法、应用。、回火的概念及回火的方法、应用。 导入新课：导入新课： 概述：概述： 在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表在机械设备中，有许多零件（如齿轮、活塞销、曲轴等）是在冲击载荷及表 面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性，而心部要有 足够的塑性和韧性。这类零件要

56、进行表面热处理足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理 常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。常用的表面热处理方法有：表面淬火及化学热处理。 一、表面淬火一、表面淬火 对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。 1 1、火焰加热表面淬火、火焰加热表面淬火 、工艺：应用氧、工艺：应用氧乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热并乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行快速加热并 随后冷却。随后冷却。 、特点：淬硬层深度一般为、特点：淬硬层深度一般为2mm6mm2mm6mm。加热温度及淬硬层不易控制，易产生。加热温度及淬硬层不易控制，易产生 过热和

57、加热不均匀现象，淬火质量不稳定。过热和加热不均匀现象，淬火质量不稳定。 2、感应加热表面淬火 、工艺：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件的表面受到局部加、工艺：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件的表面受到局部加 热，并进行快速冷却。热，并进行快速冷却。 、加热速度快；淬火质量好；淬硬层深度易于控制。、加热速度快；淬火质量好；淬硬层深度易于控制。 二、化学热处理二、化学热处理 1 1、化学热处理的过程：、化学热处理的过程： 分解分解吸收吸收扩散扩散 2 2、钢的渗碳、钢的渗碳 、工艺、工艺: :将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层。将钢件置于渗碳介质中加热并保温，

58、使碳原子渗入工件表层。 、目的：提高钢件表层的含碳量。、目的：提高钢件表层的含碳量。 、渗碳后的工件需经淬火及低温回火。、渗碳后的工件需经淬火及低温回火。 3 3钢的渗氮钢的渗氮 4 4、碳氮共渗、碳氮共渗 51合金元素在钢中的主要作用 52合金钢的分类和牌号 教学目的： 1、掌握合金钢的概念、合金元素在钢中的主要作用； 2、掌握合金钢的分类和牌号。 教学重点难点： 1、合金钢的牌号是教学的重点难点。 51合金元素在钢中的主要作用 教学过程：教学过程： 新课：新课： 碳素钢的不足：碳素钢的不足： 1、淬透性差。、淬透性差。 2、回火稳定性差。、回火稳定性差。 3、综合机械性能差。、综合机械性能

59、差。 4、不能满足某些特殊场合的要求。、不能满足某些特殊场合的要求。 合金钢定义：合金钢定义： 合金钢就是在碳钢的基础上，改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一合金钢就是在碳钢的基础上，改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一 种或数种合金元素的钢。种或数种合金元素的钢。 一、合金元素在钢中的主要作用一、合金元素在钢中的主要作用 1、强化铁素体、强化铁素体 2、形成合金碳化物、形成合金碳化物 、合金渗碳体、合金渗碳体 、特殊碳化物、特殊碳化物 3、细化晶粒、细化晶粒 4、提高钢的淬透性 5、提高钢的回火稳定性 52合金钢的分类和牌号 一、合金钢分类：一、合金钢分类： 1 1、按用途分类：、按用途分类

60、： 合金结构钢合金结构钢-主用于工程结构、机零件的制造。主用于工程结构、机零件的制造。 合金工具钢合金工具钢,- ,- 主用于刀、模、量具件等的制造。主用于刀、模、量具件等的制造。 特殊性能钢特殊性能钢.有特殊物理、化学性能的钢。有特殊物理、化学性能的钢。 2 2、按合金元素总量分类：、按合金元素总量分类： 低合金钢低合金钢 Me 5% Me 10% Me 10% 二、合金钢的牌号：二、合金钢的牌号： 1 1、合金结构钢：主用于工程用钢、机械零件制造用钢。、合金结构钢：主用于工程用钢、机械零件制造用钢。 牌号表示牌号表示- 两位数两位数 + + 元素符号元素符号 + + 数字数字 平均碳平均碳