机械制造基础

机械制造基础项目1金属材料的性能及常用金属材料（1）熟练掌握金属材料力学性能的基本概念；（2）能够根据零件的使用条件，选择性能指标适合的材料；（3）能够根据材料的牌号，判断其所属种类、性能特点、应用场合。知识目标1技能目标2（1）掌握金属材料常用的性能指标；（2）熟悉常用金属材料的成分、分类、牌号、主要性能及用途；（3）了解材料成分对其性能的影响。任务1.1金属材料性能认知学习任务1.2常用金属材料认知学习任务1.3实践技能训练任务导航3任务1.1金属材料性能认知学习

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。衡量材料力学性能的主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。1.1.1.1力学性能1.1.1使用性能1.1.1.1力学性能

材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力称为强度。根据外力性质不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。当承受拉力时，强度性能指标主要表现为屈服强度和抗拉强度。塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率（延伸率）和断面收缩率。强度和塑性11.1.1.1力学性能材料的强度指标和塑性指标是通过拉伸试验测定的。图1-1标准拉伸试样1.1.1.1力学性能低碳钢的拉伸试验图1-2低碳钢的应力-应变曲线弹性阶段：OA屈服阶段：ZB强化阶段：BC颈缩阶段：CD1.1.1.1力学性能表1-1常见金属的弹性模量1.1.1.1力学性能材料的两个强度指标：材料的两个塑性指标：

（1）、断后伸长率：（2）、断面收缩率：硬度21.1.1.1力学性能材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。（1）划痕硬度，主要用于比较不同物质的软硬程度。（2）压入硬度，主要用于金属材料的比较。（3）回跳硬度，也主要用于金属材料的比较。1.1.1.1力学性能布氏硬度图1-3布氏硬度试验原理图1-4洛氏硬度试验原理图1-5维氏硬度试验原理洛氏硬度维氏硬度压入硬度的种类：冲击韧性31.1.1.1力学性能

图1-6摆锤式冲击试验原理疲劳41.1.1.1力学性能

在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度，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。图1-7疲劳曲线物理性能11.1.1.2物理性能和化学性能①②③④⑤热膨胀性导热性导电性熔点密度化学性能21.1.1.2物理性能和化学性能（1）耐蚀性（2）抗氧化性1.1.2工艺性能1.铸造性2.可锻性3.焊接性4.切削加工性碳钢的分类1任务1.2常用金属材料认知学习1）按照冶炼时脱氧方法的不同（1）沸腾钢（2）半镇静钢（3）镇静钢（4）特殊镇静钢1.2.1碳钢碳钢的分类11.2.1碳钢2）按碳的质量分数分类（1）低碳钢（2）中碳钢（3）高碳钢碳钢的分类11.2.1碳钢3）按钢的用途分类（1）碳素结构钢（2）碳素工具钢（3）特殊性能钢碳钢的分类11.2.1碳钢4）按钢中有害杂质的含量分类（1）普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢碳钢的牌号、性能及主要用途21.2.1碳钢1）普通碳素结构钢图1-8Q235H型钢普通碳素结构钢又称普通碳素钢。含碳量为0.06%-0.22%，以小于0.25%最为常用，属于低碳钢。其牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度值、质量等级符号及脱氧方法符号4个部分按顺序组成。碳钢的牌号、性能及主要用途21.2.1碳钢2）优质碳素结构钢图1-9传动齿轮优质碳素结构钢是含碳量小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比普通碳素结构钢少，机械性能较为优良。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，即是钢中平均含碳量的万分位数。碳钢的牌号、性能及主要用途21.2.1碳钢2）优质碳素结构钢牌号用途10用于制造锅炉管、油桶顶盖、钢带、钢丝、钢板和型材及机械零件10F20用于制造承受较小应力而要求韧性好的各种机械零件，如拉杆、轴套、螺钉、起重钩；也用于制造在60MPa、450°C以下非腐蚀介质中使用的管子等；还可以用于制造心部强度不大的渗碳与碳氮共渗零件，如轴套或链条的滚子、轴以及不重要的齿轮、链轮等。15F35用于制造热锻的机械零件、冷拉和冷锻的钢材、钢管以及机械零件，如转轴、曲轴、轴销、拉杆、连杆、横梁、星轮、套筒、轮圈、钩环、垫圈、螺钉、螺母等；还可用来制造汽轮机机身、轧钢机机身、飞轮等。40用于制造机器的运动零件，如辊子、轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆、圆盘等。45用于制造蒸汽涡轮机、压缩机、泵的运动零件；还可以用来代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等零件，但零件须经高频感应加热或火焰加热表面淬火，并可用做铸件。55用于制造齿轮、连杆、轮圈、轮缘、扁弹簧及轧辊等，也可用做铸件。65用于制造气门弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等。70用于制造弹簧表1-2优质碳素结构钢的牌号及用途碳钢的牌号、性能及主要用途21.2.1碳钢3）碳素工具钢图1-10钻头碳素工具钢中S、P的含量均较少，属于优质钢。碳素工具钢的牌号以“T”加数字表示，“T”表示碳素工具钢，数字表示钢中平均含碳量的千分数。碳钢的牌号、性能及主要用途21.2.1碳钢4）铸钢图1-11联轴器许多形状复杂的零件不便通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能又难以满足需求，此时常常选用铸钢，因此，铸钢在机械制造尤其是重型机械制造业中应用非常广泛。以强度表示的铸钢牌号是由铸钢两字的汉语拼音首字母“ZG”与表示力学性能的两组数字组成。合金钢的分类11）按合金元素含量分类（1）低合金钢（2）中合金钢（3）高合金钢1.2.2合金钢合金钢的分类11.2.2合金钢2）按合金元素分类有铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢、铬镍钼钢、硅锰钼钒钢等。合金钢的分类13）按主要用途分类（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊性能钢1.2.2合金钢合金结构钢21.2.2合金钢1）合金结构钢的牌号合金结构钢的牌号通常是以“数字+元素符号+数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。合金结构钢21.2.2合金钢2）普通低合金结构钢Q345（16Mn）钢是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢。图1-12南京长江大桥合金结构钢21.2.2合金钢3）合金渗碳钢合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，具有外硬内韧的性能，用于承受冲击的耐磨件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。图1-13活塞销合金结构钢21.2.2合金钢4）合金调质钢合金调质钢是指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击等）下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床等上的齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。图1-14双头螺栓合金结构钢21.2.2合金钢5）合金弹簧钢合金弹簧钢是用于制造弹簧或者其他弹性零件的钢种。图1-15减振板簧合金结构钢21.2.2合金钢6）滚动轴承钢滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢，通常在淬火状态下使用。图1-16深沟球轴承合金结构钢21.2.2合金钢7）易切削钢易切削钢是指在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的合金钢。易切削钢能降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高工件、刀具的寿命，改善排屑性能，提高切削速度。合金工具钢31.2.2合金钢1）合金工具钢的牌号合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字（或无数字）+元素符号+数字”，其平均含碳量是用质量分数的千倍表示，当碳的质量分数≥1.0%时，钢号中不标出。

合金工具钢31.2.2合金钢2）合金刃具钢合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字（或无数字）+元素符号+数字”，其平均含碳量是用质量分数的千倍表示，当碳的质量分数≥1.0%时，钢号中不标出。

图1-17圆板牙合金工具钢31.2.2合金钢3）合金模具钢图1-18冷冲模图1-19热锻模合金工具钢31.2.2合金钢4）合金量具钢图1-20各种测量工具用于制造各种测量工具如游标卡尺、千分尺、块规、塞规等的合金钢称为合金量具钢。特殊性能钢41.2.2合金钢1）不锈钢图1-21304不锈钢不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。特殊性能钢41.2.2合金钢2）耐热钢耐热钢是指在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。耐热钢按其性能可分为抗氧化钢（或称高温不起皮钢）和热强钢两类。特殊性能钢41.2.2合金钢3）耐磨钢图1-22挖掘机铲斗耐磨钢是耐磨损性能强的钢铁材料的总称，是当今耐磨材料中用量最大的一种。耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。灰口铸铁11.2.3铸铁灰口铸铁含碳量较高（2.7%～4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。其牌号由“HT+数字”组成，其中，“HT”是“灰铁”二字汉语拼音的首字母，用以表示灰铸铁，其后的数字表示铸铁的最低抗拉强度。球墨铸铁21.2.3铸铁球墨铸铁是将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。其牌号以由“QT”和两组数字组成。其中，“QT”是“球铁”二字的汉语拼音首字母，代表球墨铸铁。两组数字分别表示其最低抗拉强度和最低伸长率。图1-23曲轴蠕墨铸铁31.2.3铸铁蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。其牌号是以“蠕”字的汉语拼音“Ru”和“铁”字的汉语拼音首字母“T”作为代号，后面的一组数字表示其最低抗拉强度值。图1-24用蠕墨铸铁制造的汽缸盖可锻铸铁41.2.3铸铁可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的高强度铸铁，又称为马铁。可锻铸铁牌号以“KT+字母+两组数字”表示。图1-25可锻铸铁浮球式疏水阀合金铸铁51.2.3铸铁耐磨铸铁按其工作条件和磨损形式的不同可分为减磨铸铁和抗磨铸铁两大类。减摩铸铁在有润滑、受黏着磨损条件下工作，如机床导轨、发动机缸套、活塞环、轴承等。1）耐磨铸铁合金铸铁51.2.3铸铁抗磨铸铁是在干摩擦条件下经受各种磨粒的作用，例如轧辊、杂质泵叶轮、破碎机锤头、球磨机的衬板、磨球等，要求有高而均匀的硬度。图1-26合金铸铁轧辊1）耐磨铸铁合金铸铁51.2.3铸铁2）耐热铸铁耐热铸铁指在高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的铸铁。耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅铝系及铬系等。其中铝系耐热铸铁脆性较大，而铬系耐热铸铁的价格较贵，所以，我国多采用硅系和硅铝系耐热铸铁。合金铸铁51.2.3铸铁3）耐蚀铸铁在石油化工、造船等工业中，阀门、管道、泵体、容器等各种铸铁件经常在大气、海水及酸、碱、盐等介质中工作，要求具有较高的耐蚀性能。耐蚀铸铁分为高硅、高铝、高铬耐蚀铸铁等，其中以高硅耐蚀铸铁应用最广。纯铝11.2.4铝及铝合金2）工业高纯铝1）工业纯铝3）高纯铝图1-27铝芯电缆图1-28铝箔铝合金21.2.4铝及铝合金1）铝合金的分类图1-29铝合金分类相图铝合金21.2.4铝及铝合金2）铝合金的代号、牌号表示方法组别牌号系列纯铝（铝含量不小于99.00%）1×××以铜为主要合金元素的铝合金2×××以锰为主要合金元素的铝合金3×××以硅为主要合金元素的铝合金4×××以镁为主要合金元素的铝合金5×××以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金6×××以锌为主要合金元素的铝合金7×××以其他合金元素为主要合金元素的铝合金8×××备用合金组9×××表1-3变形铝合金的组别铝合金21.2.4铝及铝合金2）铝合金的代号、牌号表示方法按主加元素的不同，铸造铝合金可分为Al-Si系铸造铝合金、Al-Cu系铸造铝合金、Al-Mg系铸造铝合金和Al-Zn系铸造铝合金。铸造铝合金的代号由“ZL+三位数字”组成。其中，“ZL”是“铸铝”二字的汉语拼音首字母，其后第一位数字表示合金类别，第二、三位数字表示顺序号，顺序号不同，化学成分也不同。铸造铝合金的牌号是由“Z+基体金属的元素符号+合金元素符号+数字”组成的。铝合金21.2.4铝及铝合金3）常用的变形铝合金（1）不可热处理强化的铝合金①Al-Mn系合金②Al-Mg系合金③Al-Zn-Mg-Cu系合金铝合金21.2.4铝及铝合金3）常用的变形铝合金（2）可热处理强化的铝合金①硬铝合金（Al-Cu-Mg系）②超硬铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系）③锻铝合金（Al-Cu-Mg-Si系）铝合金21.2.4铝及铝合金4）常用的铸造铝合金（1）铝硅合金（Al-Si系）（2）铝铜合金（Al-Cu系）（3）铝镁合金（Al-Mg系）（4）铝锌合金（Al-Zn系）铝合金21.2.4铝及铝合金5）铝合金的强化（1）固溶强化（2）时效强化纯铜11.2.5铜及铜合金图1-33防磁纯铜游标卡尺铜合金的分类21.2.5铜及铜合金图1-34黄铜y型过滤器1）黄铜以锌为唯一或主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的塑性、耐蚀性、变形加工性和铸造性，在工业中有很好的应用价值，按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。铜合金的分类21.2.5铜及铜合金图1-35商晚期青铜——共父乙鼎2）青铜青铜是人类历史上应用最早的合金，它是Cu-Sn合金，因合金中有δ相，呈青白色而得名。青铜按生产方式分为压力加工青铜和铸造青铜两类。其牌号是用“Q+主加元素符号+主加元素平均含量（或+其他元素平均含量）”表示。铜合金的分类21.2.5铜及铜合金图1-36白铜龙龟壶3）白铜以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故称为白铜。白铜根据加入的合金元素种类不同可分为普通白铜和复杂白铜。普通白铜的代号以“B+数字表示”，复杂白铜的代号以“B+元素符号+数字-数字”表示。1.2.6滑动轴承合金图1-37巴氏合金轴瓦滑动轴承合金用于制造滑动轴承中的轴瓦及轴承衬。滑动轴承合金是以锡或铅为基体的合金，一般称为巴氏合金。其牌号为“Z+基体元素符号+主加元素符号+主加元素的质量分数+辅助元素+辅助元素的质量分数”。1.2.6滑动轴承合金1.锡基轴承合金2.铅基轴承合金3.铝基轴承合金4.铜基轴承合金任务1.3实践技能训练1.任务内容利用洛氏硬度计（如图1-39所示）检测钢的硬度，洛氏硬度块（如图1-40所示）规格：HRC20-30、40-50、55-65；HRA75-85；HRB85-95，尺寸（mm）：∅60×10。

图1-39洛氏硬度计

图1-40洛氏硬度块3.实训目的2.任务准备（1）实训设备：洛氏硬度计；（2）教学设备：多媒体机房；（3）实训用具：标准硬度块3块、纱布、酒精。（1）了解洛氏硬度计的原理和基本构造；（2）掌握钢的洛氏硬度及洛氏硬度测试方法；（3）能够运用洛氏硬度计检测钢的硬度。4.实训步骤（1）用棉纱布沾取少许酒精擦拭标准硬度块表面，至表面干净整洁。（2）调整工作台，将标准硬度块平放在洛氏硬度计的工作台上。（3）按标准要求选择合适的洛氏硬度标尺符号，系统会自动调整压头和试验力。（4）启动洛氏硬度计开始硬度测试，每次至少测试三个点，取平均值作为洛氏硬度值。（5）测试完毕后，降下工作台，取下试样。（6）按标准要求对测试结果进行修约，记录洛氏硬度值。（7）撰写实训报告。

机械制造基础项目2铁碳合金相图1.学会分析铁碳合金成分、组织、性能之间的关系以及典型铁碳合金的平衡结晶过程，掌握含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系。2.培养学生的观察能力、思维能力和运用知识分析、解决问题的能力。知识目标1技能目标21.了解纯金属与合金的晶体结构，熟悉二元合金相图。2.了解铁碳合金基本相，熟悉铁碳合金基本相的晶体结构、溶碳能力、力学性能等。3.掌握铁碳合金相图的画法，熟悉特性点、特性线的含义，能够正确填写相区组织。任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习任务2.2合金的相结构与结晶认知学习任务2.3铁碳合金相图认知学习任务2.4实践技能训练任务导航3任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习2.1.1金属的晶体结构固态物质按原子（或分子）的聚集不同分为两类：晶体——

原子具有规则排列的物质非晶体——

原子不具有规则排列的物质晶体的三个特征：（1）晶体中的原子（或分子）在三维空间作有规则的周期性的重复排列，因此晶体具有规则的外形；（2）晶体具有固定的熔点（如铁为1538℃、铝为660℃）；（3）在不同的方向上具有不同的性能，即具有各向异性。一、晶体的特性任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习二、晶体结构与空间点阵为研究方便，假设将刚性球体视为处于球心的点，称为结点，用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格。图2-1晶体中原子排列示意图任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习二、晶体结构与空间点阵

为了便于研究，常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞。图2-1晶体中原子排列示意图任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习三、典型的金属晶体结构

在已知的80余种金属元素中，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。最常见的金属晶格有三种类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习三、典型的金属晶体结构

1、体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有铬、钨、钼、钒及α铁等。(a)钢球模型(b)质点模型(c)晶胞原子数图2-3体心立方晶胞任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习三、典型的金属晶体结构2、面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶角各有一个原子，同时在立方体的六个面的中心又各有一个原子。具有这种晶格的金属有铜、铝、银、金、镍、γ铁等。图2-4面心立方晶胞(a)钢球模型(b)质点模型(c)晶胞原子数任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习三、典型的金属晶体结构2、密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的12个顶角上各有一个原子，上下底面的中心也各有一个原子；晶胞内部还有三个呈品字形排列的原子。具有这种晶格的金属有铍、镁、锌和钛等。图2-5密排六方晶胞(a)钢球模型(b)质点模型(c)晶胞原子数任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习2.1.2实际金属的晶体结构

如果晶体内部的晶格方位（即原子排列的方向）完全一致，则这种晶体称为单晶体。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。多晶体示意图晶粒晶界任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习2）

线缺陷3）面缺陷1）

点缺陷晶体缺陷——晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习一、点缺陷

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，在晶格中便出现了空的结点，这种空着的晶格结点称为晶格空位。

同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子。这种不占据正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子。图2-8空位和间隙原子示意图任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习二、线缺陷

位错——晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。刃型位错是金属晶体中最常见且最简单的位错。当晶体中有一个原子平面中断在晶体内部时，这个原子平面就像一把刀插在一个完整的晶体内，原子平面中断处的边缘(称为位错线)就像刀刃，这种位错称为刃型位错。图2-9刃型位错示意图(a)立体示意图(

b)垂直于位错线的原子平面任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习二、线缺陷任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习二、线缺陷BC线右侧上下两部分晶体沿ABCD晶面发生了错动。ab线右侧上下层原子相对移动了一个原子间距；在BC线和ab线之间形成了上下层原子不相吻合的过渡区，晶面被扭成了螺旋面，故称为螺型位错。图2-10螺型位错示意图任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习三、面缺陷图2-11晶界结构示意图

多晶体中，晶粒之间存在着晶界。晶界上原子的排列是不规则的，并受到相邻晶粒位向的影响而取折中位置。由于晶界处原子排列结构的特点，使晶界表现出与晶内不同的特征。晶界处能量高，易被腐蚀，熔点也比晶内低，晶界处杂质多，阻碍位错的运动，使金属不易发生塑性变形(常温下，细晶粒金属的强度比粗晶粒金属高)等。任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。

由于亚晶界处原子排列同样要产生晶格畸变，因而亚晶界对金属性能有着与晶界相似的影响。例如，在晶粒大小一定时，亚结构越细，金属的屈服强度就越高。图2-12亚晶界结构示意图三、面缺陷任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习2.1.3纯金属的结晶

金属与合金从液态到固态的转变过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶。

任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习图2-13热分析装置示意图1―电源2―热电偶3―干锅4―金属5―冰水（0℃）

6―恒温器7―电炉任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习纯金属的冷却曲线和过冷现象

将纯金属加热熔化成液体，然后让液态金属缓慢冷却下来，并在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后将记录下来的数据绘制在温度时间坐标中，这样便获得如下图所示的冷却曲线。

图2-14纯金属结晶时的冷却曲线示意图

冷却曲线分析：

1、冷却曲线出现平台的原因，是由于金属结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。

2、在实际生产中，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度，用ΔT表示，即ΔT=T0-T1。

实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习任务2.1纯金属的晶体结构与结晶认知学习图2-15纯金属结晶时的冷却曲线示意图任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.1合金中的相1、合金

由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。

例如，钢是由铁和碳组成的合金；普通黄铜是由铜和锌组成的合金。合金除有金属的基本特性外，还有优良的力学性能及某些特殊的物理和化学性能，如高强度、强磁性、耐热性及耐蚀性等。任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2、组元

组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。合金的组元通常是纯元素，但也可以是在所研究的范围内既不分解也不发生任何反应的稳定化合物。根据合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。3、合金系由二个或二个以上的组元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。如Cu-Zn系、Pb-Sn系、Fe-C系等。2.2.1合金中的相任务2.2合金的相结构与结晶认知学习4、相

合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。液态物质称为液相，固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。我们后面将要提到“组织”这个名词，这是一个与“相”最易混淆的概念。5、组织是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定着合金的性能。2.2.1合金中的相任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.2合金的相结构

根据组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两基本类型。

（一）固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。

固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同。能保留晶格形式的组元称为固溶体的溶剂，其它组元称为溶质。所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型。根据溶质原子在溶剂晶格结点任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.2合金的相结构

1、置换固溶体溶质原子占据了部分溶剂晶格的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。

2、间隙固溶体是指溶质原子不是占拒溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中。图2-16固溶体的两种类型(a)置换固溶体(b)间隙固溶体任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.2合金的相结构（二）金属化合物

金属化合物是各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的新相，称为金属化合物。

例如，钢中渗碳体(Fe3C)是铁原子和碳原子所组成的金属化合物。

金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢硬质合金和许多有色金属的重要组成相，常作为强化相来发挥作用。任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.3二元合金相图合金与纯金属结晶时的不同点：1、合金的结晶不一定在恒温下进行；2、合金在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的成分有时也会变化；3、同一合金系，因成分不同，其组织也不同，即便是同一成分的合金，其组织也会随温度的不同而发生变化。任务2.2合金的相结构与结晶认知学习2.2.3二元合金相图合金相图——在平衡条件下，合金的成分、温度与组织之间关系的简明图表，又称为合金平衡图或合金状态图。合金相图的用途：a、研究合金的组织形成和变化规律的有效工具b、作为制定冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。任务2.2合金的相结构与结晶认知学习用热分析法建立Cu-Ni二元合金相图的方法和步骤：(1)配制一系列成分不同的Cu-Ni合金。配制的合金越多，测得的相图越准确，我们选定六种不同成分的Cu-Ni合金，如下表所示。序号合金成分（%）临界点/℃wCuwNi开始结晶温度结晶终了温度110001083108328020117511303604012601195440601340127052080141013606010014551455表2-1Cu-Ni二元合金的成分和实验结果一、二元合金相图的建立任务2.2合金的相结构与结晶认知学习（2）用热分析实验法测出各成分Cu-Ni合金的冷却曲线，如图2-19a所示（3）

由冷却曲线上的折点与水平线段找出各合金的临界点(合金的结晶开始及终了温度)。（4）将各个合金的临界点分别标注在温度―成分坐标图中相应的合金线上。（5）连接各意义相图的临界点，就可得到如图2-19b所示的Cu-Ni相图。图2-19Cu-Ni二元合金相图的测定(a)冷却曲线(b)相图一、二元合金相图的建立任务2.2合金的相结构与结晶认知学习凡是两组元在液态和固态下均能无限互溶，即在固态下能形成无限固溶体时，此二元合金相图属于匀晶相图。二、匀晶相图Cu-Ni二元合金相图如2-20所示，该相图十分简单，只有两条曲线，上面一条是液相线，下面一条是固相线，液相线和固相线把相图分成三个区域：即液相区L、固相区α以及液、固两相并存区L+α。平衡结晶是指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。下面以wNi=30%的Cu-Ni合金为例进行分析。图2-20Cu-Ni相图及典型合金平衡结晶过程分析任务2.2合金的相结构与结晶认知学习二、匀晶相图图2-21Cu-Ni合金平衡结晶过程示意图任务2.2合金的相结构与结晶认知学习三、共晶相图共晶转变——指一定成分的液相在一定的温度下，同时结晶出两种不同固相的转变。由共晶转变获得的两相混合物称为共晶组织或共晶体。

二元共晶相图——凡是二元合金中两组元在液态无限互溶，在固态下有限溶解，并发生共晶转变的相图属于共晶相图。具有这类相图的合金系有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Zn-Sn、Cu-Ag等。下面以Pb-Sn合金相图为例进行分析。

α相—是Sn溶于Pb中形成的有限固溶体β相—是Pb溶于Sn中形成的有限固溶体，DG线是Pb在Sn中的溶解度曲线，CF线是Sn在Pb中的溶解度曲线，这两条曲线也称为固溶线CDE线—为三相平衡线，又称共晶线。

E点称为共晶点，温度为183℃，Sn的含量为61.9％，成分在E点的合金称为共晶合金，E点对应的温度称为共晶温度。成分在CE之间的合金称为亚共晶合金，成分在ED之间的合金称为过共晶合金。图2-22Pb—Sn二元共晶相图任务2.2合金的相结构与结晶认知学习任务2.3铁碳合金相图认知学习铁碳合金—铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铁的总称。碳钢和铸铁，是使用最广的金属材料。铁碳相图：描述钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系；是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。2.3.1铁碳合金的组元及基本相纯铁的同素异构转变冷却曲线金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。左图为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程。由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。任务2.3铁碳合金相图认知学习一、纯铁

金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上是一个重结晶过程。它遵循液态金属结晶的一般规律。金属的同素异构转变的特点：

1、由于同素异构转变是在固态下发生的，原子扩散比在液态中困难得多，这使同素异构转变具有较大的过冷度；

2、由于转变时晶体结构的致密度改变引起晶体体积的变化,从而产生较大的内应力。体心—面心—体心

金属的同素异构转变是钢在淬火时引起应力、导致工件变形和开裂的重要因素。

任务2.3铁碳合金相图认知学习一、纯铁任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织

组元：纯铁(Fe)、渗碳体(Fe3C)

基本相：铁素体(F或α)、奥氏体(A或γ)、渗碳体(Fe3C)、珠光体(P)、

莱氏体(Ld)

铁素体是碳溶于α-Fe

中形成的间隙固溶体，用F或α表示。铁素体的晶胞示意图碳在α—Fe中的溶解度小，727OC时最大溶解度为0.0218%，强度、硬度较低，塑性、韧性较好。

显微组织：白色等轴多边形晶粒任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织奥氏体是碳在γ-Fe

中的间隙固溶体，用A或γ表示。碳在γ—Fe中的溶解度相对较高，1148OC时最大溶解度为2.11%，随温度下降逐渐减少，727OC时为0.77%，奥氏体存在温度（727～1495OC），属高温相。硬度170～220HBW,δ=40%～50%，塑性好，变形抗力小，适于压力加工。任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织

渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，用Fe-3C表示，属于斜方晶格，其碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高（约为约800HBW），塑性、韧性几乎为零，极脆，伸长率接近于零。是铁碳合金的强化相。。渗碳体的晶体结构在一定条件下会全部或部分分解Fe3C→3Fe+C（石墨）任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，用P表示，其碳的质量分数为0.77%。塑性、韧性、硬度介于F和Fe3C之间。

珠光体的显微组织任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织珠光体莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示，其含碳量为4.3%。性能硬而脆低温莱氏体的显微组织任务2.3铁碳合金相图认知学习二、铁碳合金的基本组织任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.2Fe-Fe3C相图分析图2-25以相组成表示的铁碳相图任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.2Fe-Fe3C相图分析符号温度/℃w(C)/%说明符号温度/℃w(C)/%说明A15380纯铁的熔点J14950.17包晶点B14950.53包晶转变时液态合金的成分K7276.69渗碳体的成分C11484.30共晶点M7700纯铁的磁性转变点（A2）D12276.69渗碳体的熔点N13940γ-Feδ-Fe转变温度（A4）E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度O770约0.5wc≈0.5%合金的磁性转变点F11486.69渗碳体的成分P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度G9120α-Feγ-Fe转变温度（A3）S7270.77共析点（A1）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度Q6000.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度表2-2铁碳相图中的特性点特性线含义ACD液相线AECF固相线PSK共析线ES为碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm

线GS是冷却时由奥氏体析出铁素体的开始线，通常称为A3线GP是冷却时奥氏体转变成铁素体的终了线PQ是碳在铁素体中的固溶线任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.2Fe-Fe3C相图分析（1）三个单相区ACD以上为液相区，AESGA为奥氏体区，GPQG为铁素体区。（2）五个两相区ECA为液相加奥氏体区，CFDC为液相加渗碳体区，GSPG为奥氏体加铁素体区，ESKF为奥氏体加渗碳体区，PQKS为铁素体加渗碳体区。任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.2Fe-Fe3C相图分析（3）两个三相区即相图中的共晶线和共析线，三相的成分分别是：液相＋奥氏体＋渗碳体、奥氏体＋铁素体＋渗碳体。任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.2Fe-Fe3C相图分析任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织合金类别工业纯铁钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁碳的质量分数（%）≤0.0218%0.0218-0.770.770.77-2.112.11-4.34.34.3-6.69室温组织FF+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠ任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织图2-26典型铁碳合金冷却时组织转变过程分析图任务2.3铁碳合金相图认知学习1、工业纯铁图2-27wC=0.01%的工业纯铁结晶过程示意图2、共析钢任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-28wC=0.77%的共析钢结晶过程示意图暗色的片层珠光体与白色块状铁素体3、亚共析钢任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-30wC=0.40%的亚共析钢结晶过程示意图所有过共析钢的结晶过程均相似，含碳量越多，其显微组织中的Fe3CⅡ也增多，珠光体量相对减少。二次渗碳体呈白色细网状分布在珠光体周围。4、过共析钢任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-32wC=1.2%的过共析钢结晶过程示意图组织：珠光体呈黑色的斑点或条状，渗碳体呈白色的基体。5、共晶白口铸铁任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-34wC=4.3%的共晶白口铸铁结晶过程示意图组织：珠光体呈黑色带树枝状，二次渗碳体呈白色网状，

低温莱氏体呈黑色斑点状。6、亚共晶白口铸铁任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-36wC=3.0%的亚共晶白口铸铁结晶过程示意图过共晶白口铸铁的结晶示意图组织：渗碳体呈白色带状，

低温莱氏体呈黑色斑点状。7、过共晶白口铸铁任务2.3铁碳合金相图认知学习图2-38wC=5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意图3.1.2.含碳量对力学性能的影响含碳量对铁碳合金组织的影响含碳量对工艺性能的影响任务2.3铁碳合金相图认知学习2.3.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响随着碳含量的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为：F→F+P→P→

P+Fe3CII

→

P+Fe3CII+L’d→

L’d→

L’d+Fe3CI

当含碳量增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。

渗碳体由层状分布在铁素体基体内(如珠光体)，进而变为呈网状分布在晶界上(如Fe3CⅡ)，最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现。因此，不同成分的铁碳合金具有不同的性能。任务2.3铁碳合金相图认知学习一、对平衡组织的影响钢中ωc<0.9％时，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度上升，而塑性、韧性不断降低。这是因为组织中作为强化相的渗碳体数量增多的缘故。当钢中ωc>0．9％以后，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3％～1.4％。任务2.3铁碳合金相图认知学习二、对机械性能的影响碳的质量分数大于2.11％的白口铸铁，因组织中存在大量的渗碳体，既硬又脆，难以切削加工，故在工业中应用较少。

(一)作为选用钢铁材料的依据1、各种型钢及桥梁、车辆、船舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接性能好的材料，故应选用碳含量较低的钢材；2、机器零件需要强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料，应选用碳含量适中的钢；各类工具、刃具、量具、模具要求硬度高、耐磨性好的材料，则可选用碳含量较高的钢。3、纯铁的强度低，不宜用作工程材料，常用的是它的合金。任务2.3铁碳合金相图认知学习三、对工艺性能的影响4、白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、形状复杂的工件，如轧辊、球磨机的磨球、犁铧、拔丝模等。(二)在铸造生产上的应用

根据Fe—Fe3C相图的液相线，可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合金的熔化浇注温度(温度一般在液相线以上50～100℃)。靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且结晶温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。因此生产上总是将铸铁的成分选在共晶成分附近。任务2.3铁碳合金相图认知学习三、对工艺性能的影响(三)在锻压工艺方面的应用根据Fe—Fe3C相图可以选择钢材的锻造或热轧温度范围。通常锻、轧温度选在单相奥氏体区内，这是因为钢处于奥氏体状态时，强度较低，塑性较好，便于成形加工。任务2.3铁碳合金相图认知学习三、对工艺性能的影响始锻(或始轧)温度控制在固相线以下100～200℃范围内，温度不宜太高，以免钢材氧化严重；终锻

(或终轧)温度取决于钢材成分，一般亚共析钢控制在稍高于GS线，过共析钢控制在稍高于PSK线，温度不能太低，以免钢材塑性变差，导致产生裂纹。(四)在热处理方面的应用Fc—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。各种热处理工艺的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图选定的。Fe—Fe3C相图的局限性：1、Fe—Fe3C相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律；2、通常使用的铁碳合金中，除含有Fe、C两种元素外，尚有其它多种杂质或合金元素，这些都会对Fe—Fe3C相图产生影响，故应予以考虑。任务2.3铁碳合金相图认知学习三、对工艺性能的影响任务2.4实践技能训练1.实训内容利用金相制样设备制作不同成分铁碳合金金相试样，通过金相显微镜观察其平衡组织。任务5.4实践技能训练2.实训准备

1.了解铁碳合金金相组织特征在金相显微镜下观察到的金属内部情景称为显微组织（或金相组织），用金相显微镜研究金属组织及缺陷的方法称为显微分析。从铁碳相图上看，铁碳合金的平衡组织是由铁素体和渗碳体两个基本相组成的，由于碳的质量分数不同，铁素体和渗碳体的相对量及分布情况不同，因而呈现出不同的组织状态。用质量分数为4%的硝酸酒精溶液作侵蚀剂时，在金相显微镜下观察铁碳合金，有以下几种基本组织：任务5.4实践技能训练2.实训准备

（1）铁素体亚共析钢中的铁素体呈白亮色块状分布，当碳的质量分数接近共析成分时，铁素体往往呈白亮色断续网状分布于珠光体周围。（2）渗碳体一次渗碳体为白亮色板条状分布；二次渗碳体为白亮色网状分布。如果用苦味酸钠溶液作侵蚀剂,渗碳体则呈黑色。（3）珠光体它是铁素体和渗碳体的两相机械混合物组织。在退火状态下，铁素体和渗碳体以白亮色层片状形态相互混合交替排列，由于铁素体的相对量较多，层片较厚，已经连成一个整体。放大倍数较低时，渗碳体呈黑色条状分布于白亮色铁素体基体上。当珠光体与其他组织共存时，往往呈黑色块状分布。（4）低温莱氏体它是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成的共晶体。在金相显微镜下，许多黑色点状或条状的珠光体均匀地分布于白亮色渗碳体基体上。在亚共晶白口铸铁中，低温莱氏体被黑色块状或树枝状的珠光体所分割。在过共晶白口铸铁中，低温莱氏体被粗大的白亮色板条状渗碳体所分割。任务5.4实践技能训练2.实训准备

2.学习使用金相显微镜金相显微镜的种类和型号较多，其主要结构如图2-41所示。图2-41金相显微镜示意图1-试样2-载物台3-物镜4-物镜转换器5-粗调手轮6-细调手轮7-光源

8-孔径光栅9-视场光栅10-目镜任务5.4实践技能训练3.实训目的了解金相显微镜的使用及金相样品的制备过程；认识不同成分铁碳合金在平衡状态下的组织形态；加深理解铁碳合金化学成分、组织、性能之间的关系。任务5.4实践技能训练4.实训过程1.金相试样制备（1）取样根据被检验材料或零件的失效形式、加工工艺的特点及研究目的，在具有代表性的区域截取试样。如压力加工后的零件，应在加工的不同方向上分别取样，检查零件破坏的原因，应在接近破坏处取样等。取样方法有锤击、锯削、砂轮切割等。取样时,要注意避免使金属温度升高，否则会使金属组织发生变化。（2）镶嵌通常采用直径为15mm，高度为15~20mm的圆柱形或边长为15mm的方形试样。当试样尺寸较小时，需将试样镶嵌在低熔点金属或塑料(胶木粉、聚合树脂等)中，以便于试样磨削。任务5.4实践技能训练4.实训过程（3）磨光为了得到一个水平光滑的磨面，需要对试样进行磨光处理。首先用锉刀或砂轮机将试样磨平，磨平时应随时用水冷却，以免温度升高引起试样组织变化。然后用金相砂纸进行磨光。手工磨光时，按一定方向磨削，用力要均匀、平稳，砂纸由粗到细依次磨削，不要来回磨。当更换细一号砂纸时，须将试样转动90°后再磨，直至将上一道磨痕全部消除为止。为了加快磨削速度，还可以采用机械磨削。（4）抛光抛光实际上是磨光工序的延伸，所用磨料极细，目的是为了狭得光亮无磨痕的镜面。试样抛光可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光三种方法。试样抛光后用清水冲洗干净，准备侵蚀。任务5.4实践技能训练4.实训过程（5）侵蚀为了显现金属的显微组织，必须用一定的侵蚀剂对试样的磨面进行腐蚀。由于金属内部不同组织或不同位向晶粒的耐腐蚀性不同，因此腐蚀后出现凹凸不平的情况，在金相显微镜下呈现出明暗不同的区域或线条，从而显示出不同组织的特征。试样侵蚀完成后，应立即用清水将残余侵蚀剂冲洗干净，再用无水乙醇进行脱水，然后用吹风机吹干。（2）观察制备完成的金相试样即可放在显微镜下观察，分析组织形态并画出组织示意图。（3）撰写实训报告。

机械制造基础项目3钢的热处理1.能根据零件特点正确选择热处理工艺方法2.能根据材料性能正确设计热处理工艺。3.掌握常规热处理工艺，能进行典型零件的热处理工艺设计。知识目标1技能目标21.了解钢在加热和冷却时的组织转变。2.掌握钢的退火、正火、淬火和回火的工艺特点以及主要目的和用途。3.了解钢的表面热处理工艺。任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习任务3.3钢的退火与正火认知学习任务3.4钢的淬火与回火认知学习任务3.5钢的表面热处理认知学习任务3.6实践技能训练任务导航3钢的热处理热处理动画任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理工艺曲线动画演示1.钢的热处理任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

铸造轧制3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习根据加热、冷却的方式不同，热处理的分类：表面淬火化学热处理感应淬火渗碳退火正火淬火回火火焰淬火接触电阻加热淬火激光淬火热处理渗氮碳氮共渗渗金属普通热处理表面热处理.热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少）(e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）

20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习加热时临界点：

Ac1；Ac3

；

Accm冷却时临界点：

Ar1；Ar3

；

Arcm任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。钢坯加热奥氏体的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习一、奥氏体的形成共析钢室温组织是珠光体，当加热到Ac1以上时，珠光体将向奥氏体转变。奥氏体形核奥氏体长大残余Fe3C溶解奥氏体均匀化任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析

或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上.任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习1、奥氏体的晶粒度晶粒度是晶粒大小的量度。国家标准将晶粒度级别分为8级。二、奥氏体晶粒大小及其影响因素图3-4钢的标准晶粒度等级图任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习2、影响奥氏体晶粒长大的因素（主要有3个方面）（1）加热温度和保温时间奥氏体晶粒长大的速度与原子扩散密切相关。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。（2）加热速度加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，形核率越高，奥氏体晶粒越细。生产上常采用快速加热短时保温工艺获得超细化晶粒。二、奥氏体晶粒大小及其影响因素任务3.1钢在加热时的组织转变认知学习（3）化学成分在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度增大，使奥氏体晶粒长大的倾向增大。但当碳的质量分数超过其在奥氏体中的溶解度后，残余渗碳体就会产生机械阻碍作用，使奥氏体晶粒长大的倾向变小。

除此之外，钢中的大多数合金元素(除Mn以外)都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。其中能形成稳定的碳化物的元素(如Cr、W、Mo、Ti、Nb等)和能生成氧化物、氮化物、有阻碍晶粒长大作用的元素(如适量的A1)，其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上弥散分布，强烈地阻碍了奥氏体晶粒的长大,使晶粒保持细小。因此，为了控制奥氏体的晶粒度，可以采取加入一定的阻碍晶粒长大的合金元素。二、奥氏体晶粒大小及其影响因素同一种钢在相同的奥氏体化条件下，若采用不同的冷却方法，可获得不同的组织和性能。45钢经840℃加热后，不同条件冷却后的力学性能冷却方法σb/MPaσs/MPaδ(%)Ψ(%)HBC随炉冷却53027232.54915~18空气冷却670~72034015~1845~5018~24水中冷却11007207~812~1452~60任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习奥氏体的冷却过程是钢热处理的关键工序！钢热处理后的组织和性能是由冷却过程决定！共析碳钢过冷奥氏体等温冷却动画共析碳钢过冷奥氏体连续冷却动画奥氏体的两种冷却方式示意图任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习过冷奥氏体：一、过冷奥氏体的等温转变图在A1温度以下暂时存在的，处于不稳定状态的奥氏体过冷奥氏体在不同温度下的等温转变，将使钢的组织和性能发生明显的变化。转变开始线转变终了线任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线.又称C曲线、S曲线或TTT曲线。（一）共析钢过冷奥氏体等温转变图的建立(Time-Temperature-Transformationdiagram)任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习A1-Ms间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体（二）C曲线分析任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。1、C曲线的特点：任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习在鼻尖以上,温度较高，相变驱动力小.在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。⑵

C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习2.过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能珠光体727℃~550℃贝氏体马氏体过冷奥氏体550℃~230℃＜230℃动画1动画2动画3任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习二、珠光体转变任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习

珠光体转变也称高温转变，其过程既要进行晶格的改组又要进行铁、碳原子的扩散，是一个固态下形核和长大的过程。珠光体是由片层相间的铁素体和渗碳体所组成的机械混合物。等温转变温度愈低，层间距离愈小。按层片间距的大小，珠光体型组织可分为珠光体（P)索氏体（S)（、和屈（或托）氏体（T)。（1）珠光体珠光体索氏体托氏体根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习①珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习②索氏体形成温度为650-600℃,片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习③托氏体形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习三、贝氏体转变过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习在550~350℃形成，用符号B上表示；上贝氏体中铁素体片较宽，在光学显微镜下呈羽毛状。1、上贝氏体图3-12上贝氏体显微组织500X特点：强度低、塑性差，无实用价值。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习特点：硬度、强度、耐磨性较高，塑性、韧性良好.是生产上常用的强化组织之一。2、下贝氏体350℃~Ms点形成的称为下贝氏体，用符号B下表示。下贝氏体中铁素体片细小，在光学显微镜下呈黑色针状图3-13下贝氏体显微组织200X任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习马氏体：碳在

-Fe中的过饱和固溶体过冷奥氏体在230℃以下将发生马氏体转变，马氏体转变是在极快的连续冷却过程中完成的。较高的强度、硬度良好的塑性、韧性硬度高、脆性大板条状马氏体針片状马氏体四、马氏体转变马氏体形态与含碳量的关系0.2%C1、马氏体的形态主要取决于其含碳量。C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体；C%小于1.0%时，组织几乎全部是片状马氏体；C%在0.2%～1.0%之间为板条与片状马氏体的混合组织；任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习2、马氏体的性能高强度、高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的强度、硬度主要取决于其含碳量。当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C%任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习马氏体的强度、硬度主要取决于马氏体中碳含量，随碳含量增加，其强度、硬度也随之增高。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针片状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性.片状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习五、等温转变图的应用在实际热处理生产中，钢经奥氏体化后，其转变大多是在连续冷却条件下进行的。任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习V2：空冷，温区：650OC~630OC，过冷奥氏体转变为索氏体V1：炉冷，温区：700OC~670OC，过冷奥氏体转变为珠光体V3：油冷V4：水冷（淬火）任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习在共析钢等温转变图上估计连续冷却转变产物V3相当于油冷，与开始线相交于600℃，与终了线无交点，过冷奥氏体部分转变为托氏体，剩余的冷却到Ms以下转变为马氏体任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习在共析钢等温转变图上估计连续冷却转变产物V4相当于水冷，与图不相交，过冷奥氏体在Ms以下转变为马氏体

Vk只发生马氏体转变的最小冷却速度，称为临界冷却速度在共析钢等温转变图上估计连续冷却转变产物任务3.2钢在冷却时的组织转变认知学习预备热处理—为消除坯料或半成品的某些缺陷或为后续的切削加工及最终热处理作组织准备。最终热处理—