金屬材料的性能與熱處理

鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：金屬的結構與結晶章節(jié)一1授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標了解金屬的結構情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握金屬的結構教學重點金屬的晶體結構教學難點晶體缺陷教 具教學內容及教學過程附記第一章 金屬的結構與結晶11 金屬的晶體結構一、晶體與非晶體項目晶體非晶體定義原子呈有序、有規(guī)則排列的物質 原子呈無序、無規(guī)則堆積物質 性能特點具有規(guī)則的幾何形狀 有一定的熔點，性能呈各向異性 沒有規(guī)則的幾何形狀 有固定的熔點，性能呈各向同性 典型物質石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、糖、味精 玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠 晶體和非晶體的對比二、金屬的晶格類型晶格類型：金屬中原子排列的規(guī)律。晶格：為了清楚地表示晶體中原子排列的規(guī)律，將原子簡化為一個質點，再用假想的線將它們連接起來，形成一個能反映原子排列規(guī)律的空間格架。 第 1 頁教學內容及教學過程附記晶胞：晶格中能夠完整地反映晶體晶格特征的最小幾何單元。三、單晶體與多晶體晶粒：組成金屬的小晶體。 晶界：由晶粒間不規(guī)則排列的原子構成。 四、晶體的缺陷晶體缺陷：由于各種原因，實際晶體中原子的規(guī)律排列受到干擾和破壞，使晶體中的某些原子偏離正常位置，造成原子排列的不完全性。 第 2 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：純金屬的結晶章節(jié)一2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握純金屬的結晶情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握純金屬的結晶教學重點純金屬的結晶、同素異構轉變教學難點純金屬的結晶教 具教學內容及教學過程附記12 純金屬的結晶結晶：金屬從高溫液體狀態(tài)冷卻凝固為固體（晶體）狀態(tài)的過程。結晶潛熱：結晶的過程中放出的熱量。 一、純金屬的結晶過程過冷度：理論結晶溫度和實際結晶溫度（T1）之間存在的溫度差（T= T0 T1）。金屬結晶時，冷卻越快，其實際結晶的溫度就越低，過冷度T也就越大。金屬由原子不規(guī)則排列的液體轉變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程稱為結晶。一、純金屬的冷卻曲線及過冷度。用熱分析法進行研究： 第 3 頁教學內容及教學過程附記實際結晶溫度（下）低于理論結晶溫度（To）這一現(xiàn)象稱為“過冷現(xiàn)象”。理論結晶溫度和實際結晶溫度之差稱這“過冷度”（T=To-T1）。金屬結晶時過冷度的大小與冷卻速度有關。冷卻速度越快，金屬的實際結晶溫度越低，過冷度也就越大。二、純金屬的結晶過程。結晶過程是晶核的形成與長大的過程。外形不規(guī)則而內部原子排列規(guī)則的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的分界面稱為晶界。三、晶粒大小對金屬力學性能的方面。一般地說，在室溫下，細晶粒金屬具有較強的強度和韌性。細化晶粒的方法。增加過冷度變質處理振動處理四、 金屬的同素異構轉變同素異構轉變的概論：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變有一種晶格轉變?yōu)榱硪痪Ц竦默F(xiàn)象稱為同素異構轉變。具有同素異構轉變的金屬有：鐵、鈷、鈦、錫、錳等。同一金屬的同素異構晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母，等表示。鐵的同素異構轉變式9121394Fe Fe Fe面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格 第 4 頁教學內容及教學過程附記金屬的同素異構轉變與液態(tài)金屬的結晶過程有許多相似之處：1、有一定的轉變溫度，轉變時有過冷現(xiàn)象；放出和吸收潛熱；轉變過程也是一個形核和晶核長大的過程。2、同素異構轉變屬于固態(tài)相變，有本身的特點：新晶格的晶核優(yōu)先在原來晶粒的晶界處形成；轉變需要較大的過冷度；晶核的變化伴隨金屬體積的變化，轉變時產(chǎn)生較大的內應力。例如：Fe轉變?yōu)镕e時，鐵的體積會膨脹約1，這是鋼熱處理時引起應力，導致工件變形和開裂的重要原因。 第 5 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱 處理授課內容教材對應位置審批：金屬材料的損壞與塑性變形 章節(jié)二1授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標了解金屬材料的損壞與塑性變形情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標了解金屬材料的損壞與塑性變形教學重點金屬材料的損壞與塑性變形教學難點金屬材料的損壞與塑性變形教 具教學內容及教學過程附記第二章 金屬材料的性能21 金屬材料的損壞與塑性變形一、與變形相關的幾個概念1載荷載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。根據(jù)載荷作用性質的不同分：（1）靜載荷：大小不變或變化過程緩慢的載荷。 （2）沖擊載荷：在短時間內以較高速度作用于零件上的載荷。 （3）交變載荷：大小、方向或大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。2內力內力：工件或材料在受到外部載荷作用時，為保持其不變形，在材料內部產(chǎn)生的一種與外力相對抗的力，稱為。3應力應力：假設作用在零件橫截面上的內力大小均勻分布，單位橫截面積上的內力。 第 6 頁教學內容及教學過程附記二、金屬的變形金屬塑性變形的影響因素：1晶粒位向的影響2晶界的作用3晶粒大小的影響 三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化形變強化（加工硬化）：冷塑性變形除了使晶粒的外形發(fā)生變化外，還會使晶粒內部的位錯密度增加，晶格畸變加劇，從而使金屬隨著變形量的增加，使其強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。 第 7 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：強度章節(jié)二2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握強度情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握強度教學重點強度教學難點力伸長曲線教 具教學內容及教學過程附記22 金屬的力學性能任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用，這就要求金屬材料必須具有一種承受機械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學性能。一、強度強度：金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。其大小用應力表示。 抗拉強度：拉伸實驗測定 抗壓強度 抗剪強度 抗扭強度 抗彎強度 1拉伸試樣 2力伸長曲線 bZF0eSL低碳鋼的力伸長曲線 第 8 頁教學內容及教學過程附記彈性變形 階段屈服階段 強化階段 縮頸階段3強度指標 （1）屈服強度：當金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在實驗期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應力點。屈服強度分為上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。ReL=FeL/So 規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余伸長時的應力為條件屈服強度Rp0.2，替代ReL，稱為條件（名義）屈服強度。R0.2=F0.2/So2抗拉強度Rm 抗拉強度：材料在斷裂前所能承受的最大的應力。 二、塑性塑性：材料受力后在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。 1斷后伸長率A 試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距之比的百分率。計算公式：A=(l1-l0)/l0 100%2斷面收縮率Z 試樣拉斷后，縮頸處面積變化量與原始橫截面面積比值的百分率。計算公式：Z=(SO-S1)/SO 100%【例】有一直徑 d =10mm，Lo=100mm 的低碳鋼試樣，拉身實驗時測得FeL=21kN，F(xiàn)m=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此試樣的ReL、Rm、A、Z。 解：（1）計算SO，S1 S0=d02/4 =3.14102/4=78.5mm2S1=d12/4 =3.145.652/4=25mm2（2）計算ReL、RmReL=FS/SO=21103/78.5 =267.5MpaRm = Fb/SO=29103/78.5 =369.4Mpa（3）計算A、ZA =(l1-l0)/l0100%=(138-100)/100100%=38%Z =(S0-S1)/S0100%=(78.5-25)/78.5100%=68% 第 10 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：硬度章節(jié)二2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握金屬的硬度情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握金屬的硬度教學重點金屬的硬度教學難點硬度教 具教學內容及教學過程附記三、硬度硬度：材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度是通過在專用的硬度試驗機上實驗測得的。 1布氏硬度 布氏硬度值：用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示，單位為MPa，但一般均不標出，用符號HBW表示HBS（HBW）=0.102表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實驗力及實驗力保持時間表示。當保持時間為1015s時可不標。 例：170HBW10/1000/30： 第 11 頁教學內容及教學過程附記直徑10mm的壓頭，在9807N（1000kg）的試驗力作用下，保持30 s時測得的布氏硬度值為170。600HBW1/30/20： 直徑為1mm壓頭，在294.2N（30kg）的實驗力作用下，保持20 s時測得的布氏硬度值為600。 應用范圍：主要用于測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調質處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。 2洛氏硬度 洛氏硬度試驗原理 表示方法： 符號HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標尺。 例：45HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度值為45。 常用的三種洛氏硬度標尺的試驗條件和適用范圍 四、沖擊韌性沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。材料的沖擊韌性用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。 試樣從一定高度被擊斷后，缺口處單位橫截面面積上吸收的功，即表示沖擊韌度值。 第 12 頁教學內容及教學過程附記五、疲勞強度由于所承受的載荷為交變載荷，零件承受的應力雖低于材料的屈服強度，但經(jīng)過長時間的工作后，仍會產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂。金屬這樣的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。金屬材料抵抗交變載荷作用而不產(chǎn)生破壞的能力稱為疲勞強度。疲勞極限用符號R1表示。 第 13 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：金屬的工藝性能章節(jié)二3授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標了解金屬的工藝性能情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標了解金屬的工藝性能教學重點教學難點教 具教學內容及教學過程附記23 金屬的工藝性能金屬材料的工藝性能：金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力。它包括鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能和焊接性能、熱處理性能等。 一、鑄造性能鑄造成形過程中獲得外形準確、內部健全鑄件的能力，主要取決于金屬的流動性、收縮性和偏析傾向等。 1流動性：熔融金屬的流動能力。2收縮性：鑄造合金由液態(tài)凝固和冷卻至室溫的過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。3偏析傾向：金屬凝固后，內部化學成分和組織不均勻現(xiàn)象。二、鍛壓性能用鍛壓成形方法得優(yōu)良鍛件的難易程度。常用塑性和變形抗力兩個指標來綜合衡量。 第 14 頁教學內容及教學過程附記表面加工硬化：切削塑性金屬材料時，工件在加工表面層的硬度明顯提高而塑性下降的現(xiàn)象。 2熱處理性能 淬透性 淬硬性 過熱敏感性 變形開裂傾向 回火脆性傾向 氧化脫碳傾向三、焊接性能金屬材料對焊接加工的適應性，也就是在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。對碳鋼和低合金鋼而言，焊接性能主要與其化學成分有關（其中碳的影響最大）。 四、切削加工性能及熱處理性能1切削加工性能 切削加工性能：切削金屬材料的難易程度。一般用工件切削時的切削速度、切削抗力的大小、斷屑能力、刀具的耐用度以及加工后的表面粗糙度來衡量。 第 15 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：合金及其組織鐵碳合金的基本組織與性能章節(jié)三1、2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標了解合金及其組織 掌握鐵碳合金的基本組織與性能情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握鐵碳合金的基本組織與性能教學重點鐵碳合金的基本組織與性能教學難點鐵碳合金的基本組織與性能教 具教學內容及教學過程附記第三章 鐵碳合金黑色金屬：以鐵及以鐵碳為主的合金（鋼鐵）。有色金屬：其他金屬及其合金。 31 合金及其組織一、合金的基本概念合金：以一種金屬為基礎，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料。即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。組元：組成合金最簡單的、最基本的、能夠獨立存在的元物質，簡稱元。 第 16 頁教學內容及教學過程附記相：合金中成分、結構及性能相同的組成部分。 組織：合金中不同相之間相互組合配置的狀態(tài)。換言之，數(shù)量、大小和分布方式不同的相構成了合金不同的組織。 二、合金的組織1固溶體一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。 間隙固溶體：溶質原子分布于溶劑晶格中而形成的固溶體。置換固溶體：溶質原子置換了溶劑晶格結點上某些原子而形成的固溶體。2金屬化合物在合金中，當溶質含量超過固溶體的溶解度時，除可形成固溶體外，還將出現(xiàn)新的相，其晶體結構不同于任一組元，而是組元之間相互作用形成一種具有金屬特性的物質。 3混合物兩種或兩種以上的相按一定的質量百分數(shù)組成的物質。 固溶強化：無論是間隙固溶體還是置換固溶體，在其形成過程中，都會使溶劑晶格發(fā)生畸變，從而使合金對變形的抗力增加。也即通過溶入溶質元素形成固溶體而使金屬材料強度、硬度提高的現(xiàn)象。 間隙固溶體 置換固溶體32 鐵碳合金的基本組織與性能一、鐵素體（F）碳溶解在Fe中形成的間隙固溶體，用符號 F 表示。 第 17 頁教學內容及教學過程附記鐵素體的晶胞示意圖 鐵素體的顯微組織 二、奧氏體（A）碳溶于Fe中形成的間隙固溶體，用符號A表示。 奧氏體的晶胞示意圖 奧氏體的顯微組織 三、滲碳體（Fe3C或Cm）滲碳體是含碳量為6.69的鐵與碳的金屬化合物，其化學式為Fe3C。 滲碳體的晶胞示意圖 四、珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。 光學顯微鏡觀察組織 電子顯微鏡觀察組織 第 18 頁教學內容及教學過程附記五、萊氏體（Ld）萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示。 低溫萊氏體：室溫下的萊氏體，由珠光體和滲碳體組成，用符號Ld表示。 低溫萊氏體的顯微組織 第 19 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：鐵碳合金相圖章節(jié)三3授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握鐵碳合金相圖情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握鐵碳合金相圖教學重點鐵碳合金相圖教學難點鐵碳合金相圖教 具教學內容及教學過程附記33 鐵碳合金相圖一、鐵碳合金相圖的組成鐵碳合金相圖：表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。 在鐵碳合金中，鐵和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C 、Fe2C 、FeC 等。Fe C相圖的組成 簡化后的FeFe3C相圖 第 20 頁教學內容及教學過程附記二、FeFe3C相圖中特性點、線的含義及各區(qū)域內的組織1主要特性點A點：純鐵的熔點，15380CD點：滲碳體的熔點，12270CC點：共晶點，11480C LC(A+Fe3Ci)E點：C在-Fe中最大溶解度，C=2.11G點：純鐵的同素異構轉變點，9120C，F(xiàn)eFeS點：共析點， AsP（F+Fe3C）2主要特性線ACD線：液相線，在此線的上方所有的鐵碳合金都為液體。AECF線：固相線，在此線的下方所有的鐵碳合金都為固體。在ACD線與AECF線之間是結晶區(qū)，即過渡區(qū)。GS線：從A中析出F的開始線，又稱A3線ES線：C在A中溶解度曲線，亦稱為Acm線。ECF：共晶線，溫度為C。PSK線：共析線，7270C ，A1線 第 21 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：鐵碳合金相圖章節(jié)三3授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握鐵碳合金相圖情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握鐵碳合金相圖教學重點鐵碳合金的結晶過程教學難點鐵碳合金的結晶過程教 具教學內容及教學過程附記三、鐵碳合金的分類純鐵：含碳量小于0.0218%的鐵碳合金。鋼：含碳量大于0.0218%而小于2.11%的鐵碳合金。鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金。 典型鐵碳合金的結晶過程。共析鋼：（C=0.77%）合金I：室溫亞共析鋼：（0.0218%C0.77%合金II：室溫 第 22 頁教學內容及教學過程附記過共析鋼：合金III：0.77%C2.11%室溫共晶白口鑄鐵：合金IV：（C=4.3%）室溫亞共晶白口鑄鐵：合金V：（2.11%C4.3%）室溫過共晶白口鑄鐵：合金VI：（4.3%C6.69%）室溫四、鐵碳合金的成分，組織與性能的關系。含碳量越高，鋼的強度和硬度越高，而塑性和韌性越低。五、FeFe3C相圖的應用。1、作為選用鋼材料的依據(jù)：如制造要求塑性、韌性好，而強度不太高的構件，則應選用含碳量較低的鋼；要求強度、塑性和韌性等綜合性較好的構件，則選用含碳量適中的鋼，各種工具要求硬度高及耐性好，則應選用含碳量較高的鋼。2、制定鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據(jù)。 第 23 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：碳素鋼章節(jié)三四授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標掌握碳素鋼牌號情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握碳素鋼牌號教學重點碳素鋼牌號教學難點碳素鋼牌號教 具教學內容及教學過程附記34 碳素鋼碳素鋼：簡稱碳鋼，是最基本的鐵碳合金。它是指在冶煉時沒有特意加入合金元素，且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的鐵碳合金。 一、鋼中常存元素及其對性能的影響錳：有益元素，有很好的脫氧能力，還可與硫形成MnS，從而消除了硫的有害作用。硅：有益元素，脫氧能力比錳強，還能提高鋼的強度及質量，硅作為雜質一般應不超過0.4%。硫：有害元素，常以FeS形式存在，易使鋼材變脆（熱脆性）。磷：有害元素，它使鋼在低溫時變脆（冷脆性）。氫：有害元素，能造成氫脆、白點等缺陷。二、碳素鋼的分類1按鋼的含碳量分 低碳鋼：C0.25 第 24 頁教學內容及教學過程附記中碳鋼：C 0.250.60高碳鋼：C 0.602按鋼的質量分普通鋼：S 0.050，P 0.045優(yōu)質鋼：S 0.035，P 0.035高級優(yōu)質鋼：S 0.025，P 0.0253按鋼的用途分 結構鋼：含碳量一般均小于0.70% 工具鋼：含碳量一般均大于0.70%4按冶煉時脫氧程度的不同分沸騰鋼：脫氧程度不完全的鋼 鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度完全的鋼半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼三、碳素鋼牌號及用途化學元素符號漢語拼音字母阿拉伯數(shù)字1（普通）碳素結構鋼（1）屈服強度字母Q（2）屈服強度數(shù)值（3）質量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高。（4）脫氧方法符號：F沸騰鋼 b半鎮(zhèn)靜鋼 Z鎮(zhèn)靜鋼 TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼（Z與TZ符號在鋼號組成表示方法中予以省略）2優(yōu)質碳素結構鋼牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示該鋼的平均含碳量的萬分數(shù)。 第 25 頁教學內容及教學過程附記45表示平均含碳量為0.45的優(yōu)質碳素結構鋼08表示平均含碳量為0.08的優(yōu)質碳素結構鋼3碳素工具鋼牌號以漢字“碳”的漢語拼音字母字頭“T”及后面的阿拉伯數(shù)字表示，其數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分數(shù)。例如：T8表示平均含碳量為0.80的優(yōu)質碳素工具鋼。若為高級優(yōu)質碳素工具鋼，則在牌號后面標以字母A。 4鑄造碳鋼牌號由“鑄鋼”兩漢字的漢語拼音字母字頭“ZG”后面加兩組數(shù)字組成：第一組數(shù)字代表屈服強度，第二組數(shù)字代表抗拉強度值。例如：ZG270500表示屈服強度不小于270MPa，抗拉強度不小于500MPa的鑄造碳鋼。 第 26 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：鋼在加熱及冷卻時的組織轉變章節(jié)四1、2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標鋼在加熱及冷卻時的組織轉變情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握鋼在加熱及冷卻時的組織轉變教學重點鋼在加熱及冷卻時的組織轉變教學難點鋼在冷卻時的組織轉變教 具教學內容及教學過程附記第四章 鋼的熱處理41 熱處理的原理及分類熱處理的分類： 常規(guī)熱處理 退火 正火 淬火 回火表面熱處理 表面淬火 化學熱處理42 鋼在加熱及冷卻時的組織轉變一、鋼在加熱時的組織轉變1鋼在加熱和冷卻時的相變溫度 在加熱時鋼的轉變溫度要高于平衡狀態(tài)下的臨界點；在冷卻時要低于平衡狀態(tài)下的臨界點。加熱時的各臨界點：Ac1、Ac3和Accm冷卻時的各臨界點：Ar1、Ar3和Arcm 第 27 頁教學內容及教學過程附記2奧氏體的形成 鋼在加熱時的組織轉變，主要包括奧氏體的形成和晶粒長大兩個過程。 形核 長大 殘余滲碳體溶解 均勻化 3奧氏體晶粒的長大 晶粒的長大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行。二、鋼在冷卻時的組織轉變 兩種冷卻方式：等溫處理 連續(xù)冷卻1奧氏體的等溫轉變 奧氏體在A1線以上是穩(wěn)定相，當冷卻到A1線以下而又尚未轉變的奧氏體稱為過冷奧氏體。這是一種不穩(wěn)定的過冷組織，只要經(jīng)過一段時間的等溫保持，它就可以等溫轉變?yōu)榉€(wěn)定的新相。這種轉變就稱為奧氏體的等溫轉變。 共析鋼等溫轉變曲線圖 第 28 頁教學內容及教學過程附記1）高溫等溫轉變： 珠光體型轉變區(qū)2）中溫等溫轉變：貝氏體型轉變區(qū) 3）低溫連續(xù)轉變：馬氏體型轉變區(qū) （1）珠光體型轉變區(qū)：高溫等溫轉變 共析鋼的過冷奧氏體在A1550溫度范圍內，過冷奧氏體將發(fā)生奧氏體向珠光體型的轉變 ，即轉變?yōu)殍F素體和滲碳體。 （2）貝氏體型轉變區(qū)：中溫等溫轉變 在550Ms 溫度范圍內，因轉變溫度較低，原子的活動能力較弱，轉變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和程度的鐵素體和分散的滲碳體（或碳化物）所組成的混合物，稱為貝氏體，用符號B表示。貝氏體有上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）之分。 （3）馬氏體型轉變區(qū)：低溫連續(xù)轉變 當鋼從奧氏體區(qū)急冷到MS 以下時，奧氏體便開始轉變?yōu)轳R氏體。由于轉變溫度低，原子擴散能力小，在馬氏體轉變過程中，只有Fe向Fe的晶格改變，而不發(fā)生碳原子的擴散。因此，溶解在奧氏體中的碳，轉變后原封不動地保留在鐵的晶格中，形成碳在Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號M表示。2奧氏體的連續(xù)冷卻轉變 v1：隨爐冷卻（退火）v2：空冷（正火）v3：油冷（油冷淬火）v4：水冷（水冷淬火） 第 29 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：正火與退火章節(jié)四3授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標理解熱處理的基本方法情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標理解熱處理的基本方法教學重點正火、退火的基本方法教學難點正火、退火的基本方法教 具教學內容及教學過程附記43 熱處理的基本方法一、退火與正火機械零件一般的加工工藝順序： 作用：消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內應力，可以改善材料的切削性能，為隨后的切削加工及熱處理（淬火回火）做好組織準備。 1退火 退火：將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。常用退火方法： 完全退火 球化退火 去應力退火 退火目的：降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷變形加工細化晶粒，均勻組織，為后續(xù)熱處理作好組織上的準備消除殘余內應力，防止工件的變形與開裂 第 30 頁教學內容及教學過程附記2正火 正火：將鋼加熱到c3或ccm以上3050，保溫適當?shù)臅r間后，在空氣中冷卻的工藝方法。 亞共析鋼：正火目的是細化晶粒，均勻組織，提高機械性能。力學性能要求不高的普通結構零件：正火可作為最終熱處理。低、中碳結構鋼：調整硬度，改善切削加工性能。高碳過共析鋼：正火的目的是消除網(wǎng)狀滲碳體，有利于球化退火，為淬火做好組織準備。 加熱溫度范圍 熱處理工藝曲線 1完全退火 2球化退火 3去應力退火 4正火 第 31 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：淬火與回火章節(jié)四3授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標理解熱處理的基本方法情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標理解熱處理的基本方法教學重點淬火與回火教學難點淬火教 具教學內容及教學過程附記二、淬火與回火 1鋼的淬火淬火：將鋼件加熱到Ac3或Ac1 以上的適當溫度，經(jīng)保溫后快速冷卻（冷卻速度大于v臨），以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。目的：獲得馬氏體組織，提高鋼的強度、硬度和耐磨性。 （1）淬火加熱溫度的選擇 亞共析鋼：Ac3以上3050過共析鋼 ：Ac1以上3050 碳鋼淬火溫度范圍 第 32 頁教學內容及教學過程附記（2）淬火冷卻介質的選擇 淬火的冷卻速度必須大于該鋼種的臨界冷卻速度。冷卻中要避免引起鋼件的變形和開裂。冷卻介質對鋼的理想淬火冷卻速度應是“慢快慢” 。（3）常用的淬火方法 單液淬火法：碳鋼一般用水作冷卻介質；合金鋼用油作冷卻介質。雙介質淬火：如，先水后油；先水后空氣。馬氏體分液淬火；貝氏體等溫淬火。（4）鋼的淬透性與淬硬性 淬透性：規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織深度的能力。 取決于鋼的臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越低，則鋼的淬透性越好。鋼的臨界冷卻速度又主要取決于其化學成份。 淬硬性：鋼在理想的淬火條件下，獲得馬氏體后所能達到的最高硬度。 取決于含碳量的高低。低碳鋼淬火的最高硬度低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度高，則淬硬性好。 （5）鋼的淬火缺陷 氧化與脫碳過熱和過燒變形與開裂硬度不足軟點 第 33 頁教學內容及教學過程附記2鋼的回火 回火：將淬火后的鋼重新加熱到Ac1點以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 目的：降低淬火鋼的脆性和內應力，防止變形或開裂。 調整和穩(wěn)定淬火鋼的結晶組織以保證工件不再發(fā)生形狀和尺寸的改變。 獲得不同需要的機械性能。 回火時的組織轉變 馬氏體分解；殘余奧氏體分解 滲碳體的形成滲碳體的聚集長大?；鼗饡r鋼的性能轉變 隨著加熱溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性提高?；鼗痄摰男阅苤慌c加熱溫度有關，而與冷卻速度無關。 40鋼的力學性能與回火溫度的關系 回火的分類及應用：低溫回火： T1=1500C2500C組織：回火馬氏體；性能：具有高硬度，高耐磨性和一定的韌性；應用：刀具、量具、冷沖壓模具等中溫回火：T1=3500C5000C組 織：回火托氏體；應用：刀具、量具、冷沖壓模具等 性能：具有高的彈性極限、屈服點；應用：彈性零件。高溫回火：T1=500C6500C組織：回火索氏體；性能：綜合力學性能；應用：受力結構體。調質：生產(chǎn)中常把淬火及高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質。 第 34 頁教學內容及教學過程附記45 零件的熱處理分析概述：在機械設備中，有許多零件（如齒輪、活塞銷、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的。這類零件表面必須具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性。這類零件要進行表面熱處理。常用的表面熱處理方法有：表面淬火及化學熱處理。一、 表面淬火 對工件表面進行淬火的工藝稱為表面淬火。1、 火焰加熱表面淬火2、 感應加熱表面淬火二、化學熱處理1、 分解2、 吸收3、 擴散鋼的滲碳：滲碳件必須用低碳鋼或低碳合金鋼制造。滲碳件進行熱處理，常用淬火后低溫回火。 第 35 頁鞍 山 技 師 學 院理 論 課 教 案任課教師： 班級： 日期：課程名稱金屬材料與熱處理授課內容教材對應位置審批：合金元素在鋼中的主要作用合金鋼的分類和牌號章節(jié)五1、2授課時數(shù)2授課時間第 周授課方式講授教學目標認 知 目 標了解合金元素在鋼中的主要作用及合金鋼的分類和牌號情 感 目 標熱愛本專業(yè)專業(yè)能力目標掌握合金元素在鋼中的主要作用及合金鋼的分類和牌號教學重點合金鋼的分類和牌號教學難點合金鋼的分類和牌號教 具教學內容及教學過程附記第五章 合金鋼導言合金鋼：在碳素鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數(shù)種合金元素的鋼。性能：較高的力學性能、較高的淬透性和回火穩(wěn)定性等，有的還具有耐熱、耐酸、抗蝕性等特殊性能。 51 合金元素在鋼中的主要作用一、強化鐵素體大多數(shù)合金元素（除鉛外）都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。 由于合金元素與鐵的晶格類型和原子半徑的差異，引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化作用，使合金鋼中鐵素體的強度、硬度提高，塑性和韌性有所下降。二、形成合金碳化物 第 36 頁教學內容及教學過程附記1合金滲碳體錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強碳化物形成元素一般傾向于形成合金滲碳體，合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也略高，可明顯提高低合金鋼的強度。 2特殊碳化物 釩、鈮、鈦等強碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物，特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解。 三、細化晶粒幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達到細化晶粒的目的。強碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物、鋁（Al）在鋼中形成的AlN和Al2O3細小質點，均能強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳鋼更細的晶粒。 四、提高