金屬工藝學教案[共71頁]

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1、 金屬工藝學 教案 金屬工藝學教案 71 金屬工藝學 緒論 1. 金屬工藝學的性質 是高等工科院校機械類專業(yè)必修的一門專業(yè)技術基礎課。 基礎課→（橋梁）→ 專業(yè)課 金屬材料工藝學是一門技術基礎課，對專業(yè)課和基礎課起著橋梁的作用。 2.為什么要學金屬工藝學？(目的) a.獲得有關金屬熱處理、金屬材料的基本知識。 b.

2、熟悉常見金屬材料的牌號、性能特點及應用；了解它們之間成分、組織、性能、熱處理的關系。 c.具有選擇零件材料的能力，確定加工工藝路線的能力。 d.為后續(xù)課程和從事技術工作打下基礎。 3.金屬工藝學的研究對象（主要內容）：常用的工程材料、材料的各種加工處理工藝。 例如：鋼鐵、鋁合金、銅合金、塑料等材料及熱處理工藝、焊接工藝、鑄造工藝、切削加工工藝等加工處理工藝。 4.工程材料是國家工業(yè)發(fā)展的物質基礎。 a.國家工業(yè)發(fā)展的三大支柱：材料、信息、微機。 b.工業(yè)和日常生活都離不開工程材料的使用，研究材料最終是為人類的文明進步而服務。 5.金屬材料工藝學的特點： a. 綜合性

3、強：系統(tǒng)介紹了從工程材料到成形加工的機械產品生產的全過程 b. 本課程同實踐緊密相聯(lián)系，是一門實踐性很強的學科。通過生產實踐才能融會貫通地學習掌握（鉗工、金工實習）。 6.怎樣才能學好機械工程材料工藝學？ a.注意各章節(jié)的聯(lián)系、學習、復習、鞏固、應用、總結。 b.要理解、要提問題、不能累計問題。 c.抓住主要內容：金屬材料及熱處理基本知識，鑄造、鍛造、焊接、切削加工基本常識。 第一章 材料的力學性能 1.材料的性能： 使用性能：物理性能、化學性能、力學性能（機械性能）。 工藝性能：熱處理性能、鑄造性能、焊接性能、鍛造性能、切削加工性能。 2.力學性能的

4、定義：材料在外力作用下，表現出的性能。主要有強度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。 力學性能是判定材料優(yōu)劣的主要指標，主要通過實驗測定 第一節(jié) 強度與塑性 1.強度： 定義：是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。 強度大小通常用應力表示。 應力是作用力除以式樣原始橫截面積的商，用符號σ表示，單位為MPa。 衡量指標：屈服強度、抗拉強度。 （1） 屈服點： 定義：發(fā)生屈服現象時的應力。 公式：σs＝Fs/So （MPa） Fs－材料發(fā)生屈服現象時的力。 So－材料的原始橫截面面積。 條件屈服強度規(guī)定：σr0.2＝F0.2/Ao (無明顯的屈服現象的材料) 應用：汽缸

5、蓋和汽缸體之間的密封性（螺栓聯(lián)接）超過螺栓材料本身的屈服強度。 （2）抗拉強度： 定義：是指試樣拉斷過程中最大拉力所對應的最大應力值。 公式：σb＝Fb/So Fb－最大的載荷。 So－材料的原始截面面積。 應用：汽缸的密封、鋼繩吊重物、機車的牽引等。 σs/σb 屈強比：越小，可靠性越高；越大，可靠性越低。 2.塑性： 定義：斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形能力稱為塑性。 衡量指標：斷后伸長率、斷面收縮率。 （1）斷后伸長率： 定義：是指試樣拉斷后標距地伸長量與原標距長度的百分比，符號δ 公式：δ＝（L1－L0）/L0 ×100％ L1－拉斷后的長度。

6、 L0－原來的試樣長度。 注意：長、短試樣測出的δ值不相等（比較大小，要同樣的試樣）。 L0＝5d0 δ5 L0＝10d0 δ10＝δ δ5>5% －塑性材料、δ5<5％－脆性材料。 45：δ5≈18.7% δ1<δ5 （2）斷面收縮率： 定義： 公式：Ψ＝（A0－A1）/A0×100％ S0－原截面面積。 S1－斷口處斷面面積。 Ψ5 Ψ10 Ψ值越大，塑性越好。 總結：δ Ψ越大，塑性越好，越易變形但不會斷裂。 。 二、 硬度 硬度： 定義：抵抗

7、更硬物體壓入的能力。 衡量：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。 1.布氏硬度：HB 試驗：GB84。一定直徑的鋼球HBS（硬質合金HBW），規(guī)定的載荷及時間后。 HB＝F/S (N/mm2) <650 舉例：鋼球直徑：10mm，載荷：30KN（F＝30D2），時間：規(guī)定10（s）。 材料：壓痕直徑：d0＝3.92mm 查表： HBS＝239 （1）應用范圍：鑄鐵、有色金屬、非金屬材料。 （2）優(yōu)缺點： 精確、方便、材料限制、非成品檢驗和薄片。 2.洛氏硬度：HR、（HRA、HRB、HRC） 試驗：GB83。一定錐形的金剛石（淬火鋼球），在規(guī)定載荷和時間后

8、，測出的壓痕深度差即硬度的大?。ū肀P表示）。 HRA、HRB、HRC。一般通常習慣用HRC（無單位）。 （1）應用范圍：鋼及合金鋼。 （2）優(yōu)缺點：測成品、薄的工件，無材料限制，但不精確。 三、 韌性 1.定義：金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。 判據：沖擊吸收功，斷裂韌度 2沖擊吸收功：規(guī)定形狀和尺寸的式樣在沖擊試驗力一次性作用折斷時所吸收的功。 測定：通過夏比缺口沖擊實驗測定。 衡量指標：Akv=mgh1-mgh2 擺錘一次沖斷式樣所失去的位能稱為沖擊吸收功。 沖擊吸收功表示了材料抵抗沖擊力而不破壞的能力，是評定材料韌性好壞的重要指標。 3多沖抗力： 4

9、.斷裂韌度 低應力脆斷：在材料所承受的應力遠低于許用應力的情況下，突然發(fā)生無明顯塑性變形的脆性斷裂。 低應力脆斷是由材料中的宏觀裂紋的擴展引起的。 斷裂韌度：是指材料抵抗裂紋擴展的能力，用Klc表示。 是度量材料韌性好壞的一個定量指標。 四、 疲勞強度 1．疲勞：材料在循環(huán)應力和變應力作用下產生局部永久性累積損傷，經一定循環(huán)次數后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為材料的疲勞。 2.在機械零件斷裂中有80%是由于疲勞引起的 3.疲勞強度：當金屬材料在無數次重復或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應力，叫做疲勞強度。 材料疲勞的判據：疲勞極限σD 疲勞極限值在旋

10、轉彎曲疲勞試驗機上測得。 第二節(jié) 金屬材料的物理、化學及工藝性能 一、物理性能： 1.比重：單位體積內物體的重量。 密度：單位體積內物體的質量。 鐵：7.8克/厘米3、銅：8.9克/厘米3、鋁：2.7克/厘米3、鈦：4.51克/厘米3 γ<5g/cm3→輕金屬、γ>5g/cm3→重金屬。 應用：飛機制造業(yè)、子彈頭、檢驗材料、煉鐵、煉鋼、鉛球等。 2.熔點：固體→液體的溫度點。 凝固點：液體→固體的溫度點。 鐵：1538℃、銅：1083℃、鋁：660℃、鈦：1660℃。 應用：耐高溫材料（飛機、導彈、航天

11、）、防火安全閥、熔斷器（保險絲）等。 3.熱漲性：一般而言，金屬材料具有熱脹冷縮的性能。 材料不同，熱脹冷縮的大小也不同。 應用：電線的形態(tài)、橋梁的架設、鋼軌的鋪設、精密的測量工具、電冰箱、電飯鍋等。 4. 導熱性：金屬具有傳導熱能的性質。 導熱材料的順序：銀、銅、鋁等。 金屬材料的雜質越多、導熱性越差。高速鋼導熱性差，加熱要緩慢，以防開裂。 應用：陶瓷、水壺的水垢等。 5. 導電性：金屬具有傳遞電流的性質。 導電材料的順序：銀、銅、鋁等。 應用：電火花加工、電解加工、電子束加工及制造電線、電纜、玻璃拉絲模等。 6.磁性；金屬材料在磁場的情況下磁化（分為軟磁和硬磁）。

12、例如：鐵、鎳、鈷等。 應用：手表材料、磨床的磨削加工等。 二、化學性能： 1.耐蝕性（耐酸堿性）：金屬材料抵抗腐蝕的性能。例如：鋼鐵生鐵銹、銅生銅綠 （造成重大事故）。應用：食品行業(yè)、飲料行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、化工行業(yè)等。 2.抗氧化性：高溫時抵抗氧化的能力。 應用：鍛打、電焊、熱處理等。 3.化學穩(wěn)定性：在常溫下，化學穩(wěn)定的性能。 應用：耐熱設備、高溫鍋爐等。 三、工藝性能：是指是否易于進行冷、熱加工的性能。 包括：熱處理性能、鑄造性能、焊接性能、鍛造性能、切削加工性能。 第二章 鐵碳合金（鋼和鑄鐵）

13、 第一節(jié) 純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變 一、金屬的結晶 結晶：液態(tài)金屬凝結成固態(tài)金屬的現象。 冷卻速度越大，過冷度越大。 金屬的實際結晶溫度總是低于理論結晶溫度，Tn<To。 過冷度：To＝Tn＝?T（變量）。 冷卻速度越大，過冷度越大。 1.在ab段：金屬均呈現液體， 2.在bc段：液體中某些原子結成晶核（自發(fā)晶核）（晶坯）晶核不斷長大形成枝晶直到晶粒。 3.在cd段：每一個晶核形成一個晶粒，從而形成含有多晶體的金屬固體。 概念： 晶粒、 晶界。 晶核－枝晶－晶粒－多晶體。 晶核－枝晶－晶粒 晶界；晶粒。晶粒越多，晶界也越

14、多，則晶粒移動所受的阻力越大，宏觀來看，材料越不容易發(fā)生變形，即材料的硬度越高，強度越好。 總結：晶粒越小，則材料的力學性能越好。 采用的主要途徑是： 晶核數目越多－晶粒越多－晶粒越細小，從而提高材料的力學性能。 （1）提高過冷度： （>107℃/s 非晶態(tài)金屬） 實驗測出：冷卻速度越大，生核速率越大>長大速率。 （2）變質處理（孕育處理）：在液態(tài)金屬中，加入一些細小的金屬粉末（變 質劑） （孕育劑）形成非自發(fā)晶核，使晶核數目增多，晶粒變細小。 （3）機械振動：使枝晶破碎成為幾個晶核，使晶核數目增多（超生波振動等）。 二、純金屬的晶體結構 概念：原子球

15、、結點、晶格、晶胞、晶格常數（a、b、c、α、β、γ） 致密度：晶胞中原子占有的體積與晶胞體積之比。 純金屬的晶格類型： 1.體心立方晶胞 例如：純鐵（α-Fe）912℃↓、W、Mo、V、Cr（β－Ti）882℃↑ 立方體: a＝b＝c ； α＝β＝γ＝90º 原子數：8×1/8＋1＝2 致密度：0.68 原子的晶格結構不同，則性能不同，即使原子的晶格結構相同，但由于原子的質量不同，性能也不同。 2.面心立方晶格 立方體 a＝b＝c α＝β＝γ＝90º 原子數：8×1/8＋6×1/2＝4 致密度：0.74 舉例：銅

16、：a＝b＝c=3.608×108、銅原子M＝63.54×1.67×10－24g 銅原子的直徑：D＝2.5505Å，計算銅的密度？ 純鐵（γ－Fe）912～1394℃、Al、Cu、Ag、Mn等。 三、純鐵的同素異晶轉變（舉列鉆石和石墨） 純鐵：α－Fe→（912℃）γ－Fe（1394℃）→δ-Fe（1538℃）→L 二次結晶或重結晶。 提問：一定質量的純鐵加熱到912～1394℃時，體積是增加還是減少，若繼續(xù)加熱到1394～1538℃時，體積是增大還是減少？ 第二節(jié) 鐵碳合金的基本組織

17、 合金：金屬元素同另一種或幾種金屬元素或非金屬元素組成的具有金屬特性的新材料。 金屬特性：導電性、導熱性、塑性、光澤。 例如：鋼鐵合金：Fe＋C＋Mn＋Si、鋁合金：（Al＋Mg＋Mn）、（Al＋Ze＋Mn）、 銅合金：（Cu＋Zn）、（Cu＋Sn）、（Cu＋Ni）等。 產生具有優(yōu)良的使用性能和工藝性能方面的新材料（特出的物理、化學性能）。 組元： 定義：合金中的最小單元。 合金系： 合金中百分含量不同的組元構成的一系列合金。鋁合金（Al＋Mg＋Mn）。 鋁合金：Al：99％、97％、95％、…….. Mg：0.5％、2％、2％、……….

18、 Mn：0.5％、1％、3％、………. 二元合金系、三元合金系、四元合金系。 相： 具有同一化學成分，同一聚集狀態(tài)，且有明顯界面分開的獨立均勻部分。 例如：液→單相、固相→單相、液＋固→兩相。 一、固溶體：溶質原子進入溶劑中，依然保持晶格類型的金屬晶體。 置換固溶體：d質/d劑>0.85。（胖子到教室形象舉例） 晶格歪扭、畸變，晶體缺陷。 無限置換固溶體：Cu＋Ni 有限置換固溶體：Cu+Zn 溫度越高，則溶解度（固溶量）越大。 間隙固溶體：d質/d劑<0.59。（瘦子到教室形象舉例） 晶格歪扭、畸變，晶體缺陷。 只能形成有限固溶體：C→α－Fe、 727

19、℃ 0.0218％。 因形成固溶體使材料強度、硬度升高的現象－固溶強化。（合金的好處） 1.鐵素體F：C→α－Fe中形成的固溶體。 單相、層片狀、體心立方晶格。 20℃ 0.0008％C （工業(yè)純鐵）。 727℃ 0.0218％C 。 機械性能：δ＝30～50％、ψ＝70～80％、αku＝160～200J/cm2、σb＝180～280MPa、HBS50～80 （770℃↓磁性）。（應用簡略提一下） （飽和的鹽水凝固點－21℃、其沸點108℃。 飽和NaOH溶液沸點314℃。） 2.奧氏體A：C→γ－Fe中形成的固溶體。 單相、層片狀、面心立方晶格。 727℃ 0.77%

20、C、1148℃ 2.11%C。 機械性能：δ＝40～60％、σb＝400～50MPa、HBS＝170～220、抗磁性。 （應用提一下） 二、金屬化合物（中間相）（強化相） 形成：溫度降低時析出的一種新材料。 Fe3C、Fe2.4C、VC、WC、CuZn、Cu21Zn22 σ↑、HRC↓、δ↓、ψ↓、αku↓。 滲碳體C：F＋C層片相間疊加。硬度極高，而塑性、韌性極低。 三、機械混合物： 定義：α－固溶體＋β－固溶體＋…＋α－金屬化合物＋β－金屬化合物 例如：鋼鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。 1. 珠光體P：F＋Fe3C 兩相，機械混合物。 0.77％C。 機械性能：

21、δ＝20～25％、σb＝800～850MPa、 HBS＝280～260。 強度高、硬度較高。（應用提一下） 2.萊氏體Ld、Ld′： 兩相機械混合物，含碳量：4.3％C。 Ld＝A＋C 727～1148℃。（高溫萊氏體） Ld′＝P＋C 20～727℃。（低溫萊氏體） 機械性能：HB＝560～600、δ＝4～5％。性能與滲碳體相近。（應用較少） 第三節(jié) 鐵碳合金狀態(tài)圖 T A L

22、 D A E L＋A C L＋C F G A＋C A＋C Ld＋A＋C Ld Ld＋C 727F P S

23、 K 600Q P＋F P P＋C P＋C Ld′＋P＋C Ld′ Ld′＋C 0 0.77 2.11 4.30 6.69 F＋C 一、鐵碳合金狀態(tài)圖的建立

24、 （1）配制不同成分的鐵碳合金，用熱分析法測定各合金的冷卻曲線。 （2）從各冷卻曲線上找出臨界點，并將各臨界點分別畫到成分－溫度坐標中。 （3）將意義相同的臨界點連接起來。 二、Fe－Fe3C合金狀態(tài)圖的分析： 1.點（特性點）： A 1538℃ 100％Fe的熔點 ； D 1227℃ 100％Fe3C的熔點； G 912℃ 100％Fe的同素異晶轉變點（重結晶溫度點）； C 1148℃ 4.3％C 共晶點L→Ld（A＋C） 共晶反應； F 1148℃ 6.69％C 虛點 ； P 727℃ 1

25、00％Fe虛點； K 727℃ 6.69％C虛點、E 1148℃ 2.11％C 碳在γ－Fe中的最大固溶量； S 727℃ 0.77％C 碳在γ－Fe中的最小固溶量，共析點A→P 共析反應。 2.線（特性線）： （1）AC線：液相線 開始結晶出奧氏體：L→L＋A。DC線：液相線 開始結晶出滲碳體：L→L+C。 （2）AE線：固相線 奧氏體結晶終了線：L＋A→A。ECF線：固相線（共晶線）：共晶反應 L→Ld。 （3）GS線－A3線：從奧氏體中開始析出鐵素體線。 （4）ES線—Acm線：從奧氏體中開始析出滲碳體線（碳在奧氏體中的固溶線）。 （5）PSK線－A

26、1線：共析線； 共析反應 A→P（F＋C）共晶體。 （6）PQ線－碳在鐵素體中的溶解度曲線。這種由鐵素體中析出的滲碳體為三次滲碳體。 3.分類： 含含碳量分類： 工業(yè)純鐵：C≤0.0218％C 鋼：0.0218％<C≤2.11％ 白口鐵：2.11％<C<6.69％ 鋼分類： 共析鋼：0.77％ P 亞共析鋼： C<0.77％ P＋F 過共析鋼： C>0.77％ P＋C 共晶白口鐵分類： 共晶白口鐵：4.3％C Ld′ 亞共晶白口鐵：C<4.3％C Ld′＋P＋C 過共晶白口鐵：C>4.

27、3％C Ld′＋C 三、鋼在結晶過程中的組織轉變 實驗：熱分析法－（C：0－6.69％）實用價值。 1.共析鋼： 0.77％C：L→L＋A→A→P 分析：在727℃發(fā)生共析反應，A中含碳多少？P中含碳多少？ （727℃:F＝88.78％、C＝11.22％） 2.亞共析鋼： 0.5％C：L→L＋A→A→A＋F→P＋F 分析：①A→A＋F 在→點以上A中含碳多少？隨著溫度降低，A中含碳是 逐漸增加還是減少？ ②A＋F→P＋F 在冷卻到→點時，A中含碳增加到0.77％C，發(fā)生共析反應 A→P，727℃時，P、F各占百分多少？ 727℃: F＝35.34％、P＝64.66

28、％。20℃:F＝92.64％、C＝7.36％。 3.過共析鋼： 1.0％C：L→L＋A→A→A＋C→P＋C （P＝96.1％、C＝3.9％） 分析：①A→A＋C 在→點以上，A中含碳多少？C中含碳多少？在→點以下，隨著溫度降低，A中含碳逐漸增加還是減少？ ②A＋C→P＋C 當冷卻到→時，A中含碳逐漸減少到0.77％C，發(fā)生共析反應 A→P，727℃,P、C相對含量是多少？ Ⅵ.亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵請學生自行分析。 鐵碳合金的組織和性能： 工業(yè)純鐵：F 塑性好。 亞共析鋼：F＋P 取決于F、P的含量。 共析鋼：P 強度高。 過共析鋼：P＋C 取決

29、于P、C的含量（C為網狀的二次滲碳體，脆、不合格）。 亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵自行分析。 力學性能和含碳量的關系曲線圖。 力學性能 Ψδαku HB σS σb含碳量（鋼≤1.4％C） 0 0.77 1.40 2.11

30、 4.3 4.Fe－Fe3C狀態(tài)圖的應用。 正確選材： ①.C≤0.25％，低碳鋼：塑性好，韌性好。 ②0.25％<C<0.60％，中碳鋼：綜合機械性能好。 ③.0.60％≤C≤1.4％，高碳鋼：硬度高，耐磨性好。 制定工藝性能： ①鑄造方面： 共晶成分的鐵碳合金鑄造時，組織致密，不易偏析。 ②鍛造方面： 鋼加熱到固相線AE以下200℃及A3線上170℃之間，利用奧氏體塑性好。 ③焊接方面： ④熱處理方面： 第四節(jié) 工業(yè)用鋼簡介 復習舊課：碳對鐵碳合金組織和性能的影響。 一、鋼

31、的分類 碳鋼的分類、編號和用途： 分類： ①低碳鋼：<0.25％C ①亞共析鋼： 0.008～0.77％C。 ②中碳鋼：0.25％≤C<0.60% ②共析鋼： 0.77％C。 ③高碳鋼：0.60％<C≤1.4％ ③過共析鋼：0.77～2.11％C。 質量： ①普通碳素鋼：S≤0.05％、P≤0.045％。 ②優(yōu)質碳素鋼：S≤0.04％、P≤0.04％。（和國際不接軌） ③高級優(yōu)質碳素鋼：S≤0.03％、P≤0.035％。 用途： ①碳素結構鋼： ②碳素工具鋼： 冶煉： ①平爐鋼（逐漸淘汰） ②轉

32、爐鋼（使用） ③電弧爐鋼。 酸堿性： ①酸性鋼 ②堿性鋼 ③中性鋼。 鋼的分類：碳素鋼和合金鋼。 二、碳素鋼： 鋼中雜質含量對其性能的影響 1.錳Mn：0.25～0.8％Mn，有益元素，脫氧劑。提高鋼的強度和硬度，特別是降低鋼的的脆性。 2.硅Si：<0.4％Si，有益元素，脫氧劑。提高鋼的強度。 3.硫S：<0.050％，有害元素，熱脆（紅脆性）。（FeS＋Fe）為共晶體，985℃為液體。 硫的含量越高，熱脆性越嚴重。 4.磷P：<0.0045％，有害元素，冷脆。使鋼常溫下其塑性和韌性急劇下降，脆性轉變溫度升高，在低溫時，這種現象更加嚴重。

33、5.氫H：<0.0001％，有害元素，氫脆，白點。過多的氫分子會導致鋼的開裂。 總之，雜質元素對鋼材的性能與質量影響很大，必須嚴格控制在所規(guī)定的范圍內。 碳素鋼分如下三類： （1）普通碳素結構鋼： 新：Q235A（F、b、Z）、σs≥235MPa。 舊：甲類鋼：A1、A2、A3、………A7滿足機械性能要求的。 乙類鋼：B1、B2、B3、……….B7滿足化學性能要求的。 特類鋼：C2、C3、……..C5滿足機械和化學性能要求的。 通常用于制造型材、螺釘、鐵釘、鐵絲、建筑材料等。 （2）優(yōu)質碳素結構鋼： 普通含錳量鋼：0.25～0.8％Mn。 較

34、高含錳量鋼：0.70～1.20％Mn。 舉例：45： 0.45％C左右、 0.50～0.80％Mn左右。 45Mn ： 0.45％C左右、 0.70～1.00％Mn左右。 常用于齒輪、主軸、連桿→45。 彈簧、板簧、發(fā)條→65、65Mn。 （3）.碳素工具鋼： 優(yōu)質碳素工具鋼：T＋數字。 高級優(yōu)質碳素工具鋼：T＋數字＋A。 舉例：T7、T8、T9、……….T14。含義：0.7％、0.80％、0.9％…….1.4％ T7A、T8A、T9A、……….T14A。主要用于剪刀、斧頭、鋸子、銼刀等。 三、合金鋼： 鋼：非合金鋼、低合金鋼、

35、合金鋼。 合金鋼：低合金鋼、合金鋼。 碳鋼在200℃時，機械性能劇烈下降，而合金鋼在650℃時，其機械性能才略為下降。 質量：優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼（A）、特級優(yōu)質鋼（E）。 1.合金結構鋼 起首兩位數字表示平均含碳量的萬分之幾，其后的符號表示所含的主要元素；若元素含量<1.5％，不標數，元素含量≥1.5％，其后的數表示其百分含量。最后標“A”則稱為高級優(yōu)質合金結構鋼（滾動軸承鋼除外）。 例：12CrNi3：0.12％C、Cr<1.5％、3％Ni 20CrMnTi：0.20％C、Cr、Mn、Ti<1.5％ 15Cr、20Mn2B、55Si2MnA 2.合金工具鋼

36、 當含碳量≥1.0％時，不標含碳量數當含碳量<1.0％時，起首數表示含碳量的千分之幾。合金元素同上。 例：9Mn2V：0.9％C、2％Mn、V<1.5％ CrWMn：C≥1.0％、Cr、W、Mn<1.5％。 W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、9SiCr。 3.特殊性能鋼 起首數表示含碳量的千分之幾，若起首為“0”，則表示含碳量<0.10％；若起首數為“00”，則表示含碳量為≤0.03％，合金元素同上。 例：9Cr18： 0.9％C、18％Cr。 1Cr18Ni9Ti：0.1％C、18％Cr、9％Ni、Ti<1.5％。 0Cr17Mn13Mo2

37、V：C<0.1％、17％Cr、13％Mn、2％Mo、N<1.5％ 0Cr18Ni9Ti、1Cr13、1Cr28、0Cr17Ti。 第五節(jié) 零件選材的一般原則 選擇材料的一般原則如下： 1.應能滿足零件的工作要求：安全第一。 2.應能滿足工藝性能要求：質量第一。 3.必須重視材料的經濟性：效率第一。（以鐵代鋼，以鑄代鍛） 問答題： 一、根據鐵碳合金狀態(tài)圖，說明下列原因： 1.含碳1.0％的鋼比含碳0.5％的鋼硬度高。 2.含碳1.2％的鋼比含碳0.6％的鋼強度高。 3.鋼宜壓力加工成形，鑄鐵宜

38、鑄造成形。 4.鉗工鋸T8、T10鋼比鋸10、20鋼費力，鋸條宜鈍。 5.在1100℃含碳0.4％的鋼能鍛造，而含碳4.0％的生鐵不能鍛造。 6.捆扎物品的鐵絲一般都用低碳鋼，而吊車用的鋼纜卻用中碳鋼。 7.制造滾動軸承的材料均是高碳鋼。 8.制造刮刀、刻字刀具均用高碳鋼。 9.制造型材的鋼均用08、10號鋼。 二、選擇對應的材料： 45 65 A3（Q235A） T13 T8A 10 ZG280－500。 彈簧 主軸 螺釘 鋸子 銼子 箱體 油箱蓋。 布置作業(yè)： 課后總結： 授課時間：

39、 班級： 本課課題：鋼的熱處理 教學目的和要求：1.掌握退火的目的、種類、方法及應用。 2.掌握正火的目的、方法及應用。 重點與難點：正火和退火的應用。 教學方法：講授法和錄像觀摩。 課型：理論課 教學過程 第一節(jié) 概述 復習舊課：碳素鋼的分類和牌號及其應用。 第四章 鋼的熱處理 現代工業(yè)生產中，為了不斷提高金屬下材料的機械性能，采用兩種方法： ①合金化法－碳鋼中加入合金元素（調整鋼

40、的化學成分）。 ②熱處理法－碳鋼進行工藝處理（調整鋼的組織）。 熱處理：鋼在固態(tài)范圍內，通過加熱、保溫、冷卻，改變金屬材料的內部組織，改變材料的力學性能。 一個條件，三個過程：Sold hot－keep－cold。 分類： 普通熱處理：退火、正火、淬火、回火。 熱處理 表面淬火：火焰加熱和感應加熱法。 表面熱處理 化學熱處理：滲碳、滲氮、二元、多元共滲。 ???【第一節(jié)：熱處理的基本原理】（教課書省略） 一、鋼的加熱和保溫時的組織轉變： 絕大多數的熱處理均是把

41、鋼加熱到使其轉變?yōu)閵W氏體組織且盡量保持細小的晶粒。 1.鋼在加熱（冷卻）時組織轉變的溫度。 AC1－加熱時，珠光體轉變?yōu)閵W氏體的溫度。 Ar1－冷卻時，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w的溫度。 AC3－加熱時，鐵素體轉變?yōu)閵W氏體。 Ar3－冷卻時，奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始溫度。 ACCm－加熱時，二次滲碳體在奧氏體中的溶解的終了溫度。 ArCm－冷卻時，二次滲碳體從奧氏體中析出的終了溫度。 鋼號： 10 25 30 50 T10 T12 AC1： 727 735 732 727 730 730 AC3： 876 840 813 774

42、Ar3： 850 824 796 755 Ar1： 710 710 714 718 718 713 ACCm： 800 820 加熱、冷卻時的理想溫度：A1、A3、ACm 實際加熱溫度： AC1、AC3、ACCm （0~＋20℃） 實際冷卻溫度： Ar1、Ar3、ArCm （0～－20℃） 2.鋼加熱時的變化： 以共析鋼為例： ①加熱到AC1以下時，依然是P； ②加熱到AC1時，A晶核產生； ③繼續(xù)加熱，A晶核長大，F→A、C溶解； ④殘余C溶解； ⑤均勻化。 亞

43、共析鋼、過共析鋼分析： 共析鋼等溫曲線圖 ℃（溫度） A1 600 550 500 230 Ms －50 Mf 0 0.1 1 10 102 103 104 105 106

44、 S（時間） 根據組織分成三個轉變區(qū)： 1.高溫轉變區(qū)（珠光體轉變區(qū)）：A1～550℃， P。 A1～650℃, A′→P粗、HRC15～22、δ＝20％、σb＝550MPa。 650～600℃, A′→P細（索氏體S）、HRC22～27、δ＝18％、σb＝870MPa。 600～550℃, A′→P極細（托氏體T）、HRC27～43、δ＝18％、σb＝1100MPa。 2.高溫轉變區(qū)（貝氏體轉變區(qū)）：550～Ms，A→A′→B＝C粒＋F。 550～350℃, A′→B上（羽毛狀）＝C粒＋F條狀，HRC40～45。 350～Ms，A′→B下（竹葉狀）＝C粒

45、＋F針，HRC45～55。 3.低溫轉變區(qū)（馬氏體轉變區(qū)）：Ms～Mf ，A→A′→M＋A′殘。 M：C→α-Fe（過飽和地溶解），HRC65～66，硬度很高。 特點：①Ms～Mf范圍 ； ②內應力很大； ③A′不能100％轉變?yōu)镸。 三、鋼的冷卻曲線應用： 等溫冷卻：定性 連續(xù)冷卻：定量 爐冷：10℃/min、空冷：10℃/s、油冷：150℃/s、水冷：600℃/s。 P S＋P S＋T＋M M＋A′殘 臨界冷卻速度Vk＝V臨?！? 補充內容： 影響C曲線的因素： ①含碳量：C<0

46、.77％ C％↑C曲線右移。C>0.77％ C％↑C曲線左移。 ②合金元素：除Co外所有的合金元素均使C曲線右移。 ③加熱溫度：溫度越高，C曲線右移。 保溫時間：時間越長，C曲線右移。 亞共析鋼的C曲線 過共析鋼的C曲線 ℃ ℃ Ar3 Arcm 550

47、 550 320 Ms 175 Ms 50 Mf －80 Mf 0 1 10 100 S 0 1 10 100 S 第二節(jié) 退火和正火 方法： 普通熱處理：退火、正火、淬火

48、、回火。 熱處理 表面淬火：火焰加熱和感應加熱法。 表面熱處理 化學熱處理：滲碳、滲氮、二元、多元共滲。 一、退火： 把鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝法。 目的：①提高鋼的塑性和韌性（利于切削加工）； ②消除鋼的內應力（以防鋼件變形和開裂）； ③均勻組織； ④為隨后的熱處理做準備（組織上為以后的熱處理做準備）。 退火的種類： （1）完全退火：（亞共析鋼） 把鋼加熱到AC3線以上30～50℃的溫度，保溫一定時間（1.5～2.5min/mm30min/m3)（碳鋼按有效厚度或直徑每25毫米為1小時，合金

49、鋼按有效厚度或直徑每20毫米為 1小時，保溫時間與工件形狀、材料質量、裝爐量等有關）然后隨爐冷卻的一種工藝。 組織分析：P＋F→A→A′→P＋F （重結晶退火）。（實際生產中在爐中冷卻到500℃左右即可出爐冷卻） （2）球化退火：（過共析鋼） 把鋼加熱到AC1線以上20～30℃的溫度，保溫一定時間（5～6min/mm1hour/m3）然后隨爐冷卻的一種工藝。 組織分析：P＋Fe3C網→A＋Fe3C網→A′＋Fe3C球→P＋Fe3C球。 （實際生產中冷卻到500℃以下時，組織轉變完成，可取出空冷）。有些難于形成顆粒球狀滲碳體的鋼，可以多次并重復上述過程－循環(huán)退火（周期化退火）。 （

50、3）低溫退火：（亞、共、過共析鋼） 把鋼加熱到500～650℃，保溫一定時間（6～8min/mm、1.5hour/m3），然后隨爐冷卻的一種工藝。（低溫退火）若用于消除加工硬化（650～750℃），空冷，則稱為再結晶退火。 組織分析：P＋F→P＋F→P＋F→P＋F P→學生分析。 P＋Fe3C網→學生分析。 （4）擴散退火：（亞、過共析鋼） 把鋼加熱到AC3線以上150～200℃、ACCm線以上150～200℃，保溫一定時間（10～20hour）然后隨爐冷卻的一種工藝。（加熱溫度高，保溫時間長，成本高，鋼的燒損量大，晶粒粗大），這種工藝是為了消除鋼中的成分不均勻的現象。 二、正火

51、： 把鋼加熱到AC3線或ACCm線以上30～50℃的溫度，經過保溫后，隨空氣冷卻的一種工藝。 目的：①提高低碳鋼的硬度。（利于切削加工） ②消除網狀滲碳體組織。（冷卻速度較大，網狀來不及形成） ③改善鋼的組織。（細化晶粒，均勻組織） 因正火是在空氣中冷卻，得到的組織晶粒細小，且縮短了冷卻時間， 提高了生產率和設備利用率，是一種比較經濟的方法，應用較廣泛。但是難于消除再結晶退火。 組織分析：P＋F→A→A→A′→S＋F P＋Fe3C網→A→A→A′→S＋Fe3C粒 應用：①對一些大型或形狀復雜的零件，淬火有開裂的危險，用正火； ②對于含碳量0.3～

52、0.5％的鋼件，用正火代替退火； ③含碳量低于0.3％的鋼件，采用正火，能提高硬度利于切削。 ℃ ℃ A3 912 A1 727 ① ③ ② ⑤ ④ T 0 ① 擴散退火 0.77

53、 2.11 ％ ② 完全退火 ③ 球化退火 ④ 正火 ⑤ 去應力退火 第三節(jié) 淬火和回火 一、淬火： 在固態(tài)范圍內，把鋼加熱到一定的溫度（亞共析鋼Ac3＋30～50°、共析鋼及過共析鋼Ac1＋30～50°），保溫一定時間，（1.5～2.5min/mm、 30min/m3)(時間與鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸加熱介質、裝爐方法，雖經驗公式－熱處理手冊，但生產實際中是綜合上述的因素通過實驗才能合理的選定）以大于或等于臨界冷卻速度冷卻下來的一種熱處理工藝。（>Vk） 目的：獲得馬氏體組織，從而提

54、高鋼的硬度和耐磨性。 （1）嚴格控制淬火加熱溫度。 （2）合理選擇淬火冷卻介質。 目的：既能得到高硬度的馬氏體，也不會產生變形、開裂。 M 溫度 Ac1 N N Ms T

55、 （a） （b） （c） Mf 0 時間 共析鋼等溫冷卻C曲線圖 （a）實際水中的冷卻曲線。（b）實際油中的冷卻曲線。（c）理想淬火劑的冷卻曲線。 分析MNQT（c）冷卻曲線：MN－冷卻速度慢，目的是不易變形、開裂； NQ－冷卻速度快，目的是A′不會轉變?yōu)橹楣怏w；

56、 QT—冷卻較慢，目的是既能得到高硬度的馬氏體，不變形、開裂。而且冷卻介質使用過程中不易變質，不易燃，無毒性，無污染，來源充足，價格便宜，能反復多次重復使用。 滿足以上所有要求的淬火劑是理想的淬火劑，但目前尚未找到還有待于我去研究和開發(fā)。 水： 碳鋼 優(yōu)點：650～550℃、 V＝600℃/S ； A′ P、S、T、B。 缺點：300～200℃、 V＝270℃/S ； 易使工件變形、開裂。 （若水溫超過40℃，在650～550℃，冷卻速度大為A′→P、S、T、B,不易淬硬，水中淬火易形成表面蒸氣膜，若不及時去掉，影響工件內

57、部冷卻形成軟點。鹽水、堿水有水優(yōu)點以外，并能自由去除薄膜，不會造出淬不硬及軟點，但在200～300℃之間冷卻，依然很快，易變形、開裂）。 礦物油（機油）： 合金鋼 優(yōu)點：300～200℃ 、 V＝30℃/S ； 工件不會變形、開裂。 缺點：650～550℃ 、 V＝150℃/S； A′→P、S、T、B。 （機油溫度不能提的太高，過高的油溫將會引起油面的燃燒，油長時間使用易老化，為了尋求理想的淬火介質：水玻璃溶液、聚乙烯醇水溶液聚醚水溶液….而當前熱處理工藝發(fā)展的趨勢是：在淬火冷卻介質的改進和研究方向，主要是在現有的淬火油中加入各種添加劑，以提高冷卻能力，減

58、緩油的老化，延長使用時間，……..）。 （3）正確選擇淬火方法： （由于淬火冷卻介質不能完全滿足淬火質量的要求，所以在熱處理工藝方面還應考慮從淬火方法上加以解決）。 單液淬火： 把鋼加熱到淬火溫度，經保溫后，放入一種冷卻介質中。 （這種方法操作簡單，易機械化、自動化，通常工件是形狀簡單的碳鋼和合金鋼。在水中或鹽水中進行單液淬火，操作雖然簡單，單淬火變形大，如果采用油冷又難以取得淬硬的效果，這就可將油、水冷卻結合起來進行如下的雙液淬火）。 應用：卡規(guī)、軸承、鋸子等。 雙液淬火： 把加熱到淬火的溫度的工件，經保溫后，先放入水或鹽水中冷到400～300℃，再迅速移到油中或空氣中冷卻－

59、水淬油冷法。 （雙液淬火廣泛應用于各種零件或工具，能得到高硬度，又能減少淬火內應力，缺點是操作難，且未能很好地改進工件表面與心部的溫差這一缺點。技術還要熟練）。 應用：齒輪、缸體、閥體等。 分級淬火： 把工件加熱到淬火溫度，經保溫后，迅速冷卻到Ms點，附近，稍加停留（A′ B），待工件表面和中心溫度基本一致時，再取出放入油中或空氣中冷卻冷卻――熱浴淬火法。 （這種淬火法由于在奧氏體向馬氏體轉變前，工件的溫度經等溫停留后逐漸趨于一致，使隨后的組織轉變得以在表層和內部同時進行，由此可大大減小淬火內應力和變形，主要應用于形狀復雜、小尺寸的碳鋼和合金鋼。） 應用：油泵齒輪、滾珠、

60、滾針等。 等溫淬火： 把加熱到淬火溫度的工件，經保溫后，放入稍高于Ms點的鹽浴或堿浴中，并等溫到奧氏體轉變層成下貝氏體后，再取出空冷。 （等溫淬火硬度雖然沒有分級淬火高，但工件在獲得較高硬度的同時還具有良好的塑性和韌性，還可以有效地減少應力和變形，其缺點是不適應用界面尺寸大的工件，其心部易產生珠光體，生產周期長，適用于薄、細而形狀發(fā)復雜的零件。） 應用；油嘴、小圓筒等。 冷處理： 把淬冷到室溫的鋼繼續(xù)冷卻到－70～－80℃，保溫一段時間，使殘余過冷奧氏體在繼續(xù)冷卻過程中轉變?yōu)轳R氏體。 （是用干冰－78.5℃或－103℃的液化乙烯、－192℃的液態(tài)氮成本很高，易產生應力、變

61、形，很少應用。） 應用：游標卡尺、螺旋尺、鋼尺、砝碼等。 V1－單液淬火、V2－雙液淬火、V3－分級淬火、V4－等溫淬火。 ℃ A1 550 Ms V1 V2 V3 V4 Mf 0 T（s） 二、回火： 定義：將淬火后的鋼加

62、熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間（1～5小時），然后冷卻的一種工藝。 目的：①降低材料的脆性、消除內應力； ②獲得要求的力學性能； ③穩(wěn)定工件尺寸； ④降低合金鋼的硬度，使之易被切削。 （1）低溫回火（150～250℃）：組織：回火馬氏體 HRC58～64。 應用于需要高硬度，高耐磨的材料零件。例如：刃具、量具、模具、滾動軸承等。 （2）中溫回火（350～500℃）：組織：回火屈氏體 HRC35～45。 應用于需要較高彈性、韌性的材料零件等。例如：彈簧、板簧、發(fā)條、沖擊工具等。 （3）高溫回火（500～650℃）組織：回火索氏體HRC15～25 （HB2

63、00～250）。 應用于受交變載荷作用的材料零件等。例如：軸、絲杠、齒輪、連桿等。 淬火＋高溫回火：調質處理。 時效處理：（尺寸穩(wěn)定處理）某些量具等精密工具為了保持淬火后的高硬度和耐磨性及穩(wěn)定的尺寸，需在100～180℃進行長時間的低溫加熱，保溫（10～50小時），隨爐冷卻的工藝。 第四節(jié) 表面淬火和化學熱處理 普通熱處理：材料的內外力學性能均勻一致：外硬內硬、外韌內韌，但是，特殊情況下，需要內外力學性能不一致的材料：外硬內韌。 一、表面淬火（中碳鋼）： 定義： 1.火焰加熱表面淬火： 氧炔焰： M：2～6mm。 2.感應加熱表面淬火：（需經正火、調質處理） 高頻

64、（10～500KHz） M：0.5～2mm； 感應器 中頻（500～10000Hz）M： 2～8mm； 中頻 （50Hz） M：10～15mm； 二、化學熱處理： 定義： 1.滲碳：氣體滲碳、固體滲碳： 低碳鋼 ： 10.5～2mm 后：滲碳＋淬火＋低溫回火。 2.滲氮：氣體滲氮。 前：調質處理＋滲氮。 合金鋼： （0.001～0.8mm）。 3.碳氮二元共滲：氣體、固體、液體共滲。 低碳鋼 低碳合金鋼 4.輝光離子氮化（離子氮化）： 布置作業(yè)： 課后總結： 鑄造工藝基礎 第一節(jié) 液態(tài)合金的充型 液態(tài)

65、合金填充鑄型的過程，簡稱充型。 影響充型能力的主要因素如下： 一、合金的流動性 流動性：4.3％C、高溫、P、鑄型特點。 二、 澆注條件 1. 澆注溫度 在保證充型能力足夠的前提下，澆注溫度不易太高。 2. 充型壓力 液態(tài)合金所受的壓力越大，充型能力越好 三、鑄型填充條件 如下因素對充型能力均有影響： 1. 鑄型材料：導熱系數和比熱容越大，激冷越大，充型能力越差。 2. 鑄型溫度： 3. 鑄型中的氣體：開設出氣口，增加透氣性。 第二節(jié) 鑄件的凝固與收縮 一、鑄件的凝固方式 1. 逐層凝固： 2. 糊狀凝固： 3. 中

66、間凝固：大多數的凝固均是這樣。 二、鑄造合金的收縮 合金的收縮經歷三階段： （1） 液態(tài)收縮 （2） 凝固收縮 （3） 固態(tài)收縮 收縮率與化學成分、澆注溫度、鑄件結構和鑄型條件有關。鑄鐵的最好。 三、鑄件中的縮孔與縮松 1. 縮孔與縮松的形成 （1） 縮孔 它是集中在鑄件上部或最后凝固部位容積較大的孔洞。 （2） 縮松 分散在鑄件某區(qū)域內的細小縮孔。 2. 縮孔和疏松的防止 （1） 定向凝固：設置冒口。 （2） 安放冷鐵。 第三節(jié) 鑄造內應力、變形和裂紋 一、內應力的形成 1.熱應力 減少熱應力的基本途徑是盡量

67、減少各個部位間的溫度差，使其均勻地冷卻。 3. 機械應力 它是合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機械阻礙而形成的內應力。 二、鑄件的變形與防止 具有殘余內應力的鑄件是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地通過變形來減緩其內應力，以便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 防止鑄件變形的措施： 使鑄件壁厚均勻、形狀對稱，采用同時凝固和反變形。 也可采用時效處理：自然時效和人工時效。 一、鑄件的裂紋與防止 當鑄造內應力超過金屬的強度極限時，便會產生裂紋。 兩種： 1. 熱烈： 是高溫下形成的裂紋。 影響因素： （1） 合金性質。 （2） 鑄型阻力。 2. 冷裂： 是低溫下形成的裂紋。 二、合金性質和含磷量。 第四節(jié) 鑄件的質量控制 應從如下幾個方面來控制鑄件質量： （1） 合理選定鑄造合金和鑄件結構。 （2