金屬材料及加工工藝新編21世紀高等職業(yè)教育精品教材·裝備制造類課程認識

工程材料？

材料成型？工程材料金屬材料鋼碳鋼合金鋼鑄鐵有色金屬及其合金高分子材料工程塑料合成纖維合成橡膠膠粘劑陶瓷材料復合材料普通陶瓷特種陶瓷非金屬基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料樹脂基復合材料一、材料認識：何為材料?二、工程材料認識：無機非金屬工程材料高分子材料復合材料有色金屬黑色金屬二、材料成型認識：金屬材料成型技術的發(fā)展（商朝鑄造、春秋鍛造和熱處理、明朝鑄造鍛造焊接熱處理、現(xiàn)代我國金屬成型加工技術）三、課程特點：

1.專業(yè)基礎課

2.知識點零散

四、成績計算考試：70%平時：30%

（出勤+作業(yè)）案例：零件的生產(chǎn)工藝過程選材選毛坯預先熱處理機械加工最終熱處理檢驗

應根據(jù)零件的性能要求、受載情況、服役條件、工作環(huán)境等：其中選材：金屬材料種類繁多，性能不一，而且材料的發(fā)展日新月異，而零件的性能要求、服役條件各不相同，再加上材料的資源、價格等多方面考慮。思政融入

：合理選材的重要性——“泰坦尼克號”的啟示

泰坦尼克號是英國皇家郵輪，也是當時最大的客運輪船，被譽為“永不沉沒的巨輪”

泰坦尼克號的首次航行是從英國南安普敦出發(fā)，途經(jīng)法國以及愛爾蘭，計劃中的目的地為美國紐約，但是就在這次航行中，它在北大西洋撞上冰山，2000余名乘客和船員中，約有1500人葬身海底。

據(jù)分析，造成泰坦尼克號沉沒的原因不僅僅是撞上冰山，船舶設計和船體選材存在缺陷也是主要原因。據(jù)科學考察隊對船體殘骸金屬樣本的分析，在泰坦尼克號沉沒地點的水溫下，鋼材因韌性不夠而很快斷裂。由于工程師只考慮到要增加鋼的強度，而沒考慮增加其韌性，因此當船撞上冰山時，船身被海平面下的冰山撕開一條口子，船的前部斷裂，貨艙迅速進水，在撞上冰山3個小時后就沉沒了。

可見，機械設計過程中的材料選擇至關重要，必須充分考慮零件的實際工作環(huán)境，確保安全性。思政融入

：合理選材的重要性——“泰坦尼克號”的啟示

泰坦尼克號是英國皇家郵輪，也是當時最大的客運輪船，被譽為“永不沉沒的巨輪”

泰坦尼克號的首次航行是從英國南安普敦出發(fā)，途經(jīng)法國以及愛爾蘭，計劃中的目的地為美國紐約，但是就在這次航行中，它在北大西洋撞上冰山，2000余名乘客和船員中，約有1500人葬身海底。

據(jù)分析，造成泰坦尼克號沉沒的原因不僅僅是撞上冰山，船舶設計和船體選材存在缺陷也是主要原因。據(jù)科學考察隊對船體殘骸金屬樣本的分析，在泰坦尼克號沉沒地點的水溫下，鋼材因韌性不夠而很快斷裂。由于工程師只考慮到要增加鋼的強度，而沒考慮增加其韌性，因此當船撞上冰山時，船身被海平面下的冰山撕開一條口子，船的前部斷裂，貨艙迅速進水，在撞上冰山3個小時后就沉沒了。

可見，機械設計過程中的材料選擇至關重要，必須充分考慮零件的實際工作環(huán)境，確保安全性。案例：項目一的引出減速器輸入軸在使用過程中發(fā)生斷裂，材料性能未能滿足要求。在零件的材料選擇過程中，需考慮哪些性能指標使其滿足要求？任務1：金屬材料的使用性能和工藝性能知識目標：熟悉金屬材料的常用5個力學性能。了解金屬材料的物理、化學性能。掌握金屬材料的常用工藝性能。能力目標：能根據(jù)金屬材料和熱處理狀態(tài)選擇硬度測試方法。能根據(jù)強度值分析金屬材料的承載能力。重點：金屬材料的力學性能難點：金屬材料的疲勞強度和韌度學習情境一金屬材料的性能一、金屬材料的性能1.種類：（1）使用性能：金屬材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。包括：機械性能、物理、化學性能（2）工藝性能：金屬材料對不同加工工藝方法的適應能力，鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削性能等。金屬材料在選材時，大多以機械性能為主要依據(jù)。機械性能（力學性能）：是指金屬材料在受外力作用時所反映出來的性能。載荷（外力）分類:靜載荷、沖擊載荷、疲勞載荷。力學性能指標是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。金屬材料的力學性能主要有：強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。2.強度

強度：材料在外力作用，抵抗塑性變形或斷裂的能力。載荷不同，多種強度，工程上常以抗拉強度和屈服強度作為強度指標。強度指標通常是通過金屬拉伸試驗測定的。拉伸試驗將金屬材料制成標準試樣（形狀、尺寸、技術要求有規(guī)定）。（短試樣l0=5d0）（長試樣l0=10d0）

拉伸曲線1）彈性階段0E：σe——彈性極限

2）屈服階段ES

：

σs——塑性極限，s——屈服點過s點水平段——說明載荷不增加，試樣仍繼續(xù)伸長。發(fā)生永久變形3）均勻塑性變形階段SB

：σb——強度極限，材料能承受的最大載荷時的應力。4）縮頸階段BK

過b點，試樣某一局部范圍內(nèi)橫向尺寸突然急劇縮小。

“縮頸”

（試樣橫截面變小，拉力↓）拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象

常用的金屬材料的強度指標：有屈服強度(σs)和抗拉強度(σb)等；

屈服強度σs:(Pa

N/m2)

σs=FS/A0Fs-產(chǎn)生屈服時最大外力。

抗拉強度σb：

(PaN/m2)σb=Fb/A0Fb-斷裂前最大應力。

σs\σb 是機械零件設計和選材的主要依據(jù)之一。因金屬材料不能在超過σs的條件下工作,否則會塑變.超過σb工作,機件會斷裂。σs--σb之間塑性變形,壓力加工。

注意：大部分材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%塑性變形的應力作為屈服極限,稱為條件屈服極限.對于塑性差的材料，用σ0.2來代替σs；3.塑性塑性材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的性能。表示材料的塑性指標是：伸長率δ和斷面收縮率Ψ；(1)伸長率δ（是指試樣拉斷后的標距長度與原始標距長度的增量的百分比。）

δ=（L1-L0）/L0×100%

式中：L0—試樣原標距的長度（mm）

L1—試樣拉斷后的標距長度（mm）注意：同一種材料，長短試樣測得的δ不同，（δ5﹥δ10，δ10=

δ）對于兩種材料，采用的試樣長短不同，則無法比較其塑性。

(2)斷面收縮率φ（是指試樣拉斷后，橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。）

Ψ

=（A0-A1）/A0×100%注意：

1）δ、ψ越大，材料塑性越好

2）ε與δ區(qū)別：拉伸圖中ε=ε彈+ε塑，δ=εmas塑

3）一般δ〉5%為塑性材料，δ〈5%為脆性材料。4.硬度硬度：衡量金屬軟硬程度的性能指標。是金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、刻痕或劃痕的能力。硬度的實際意義：硬度對機械零件的耐磨性和使用壽命有著直接影響，一般情況下金屬材料的硬度值愈高，其耐磨性愈高。

材料的硬度指標測定方法：壓入法、刻劃法、彈性回跳法。壓入法硬度值：金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。壓入法硬度值的測定：布氏、洛氏、維氏硬度試驗（1）布氏硬度試驗試驗原理：用一定直徑（1，2，2.5，10mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應的試驗力（30000，7500，1870N）壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，用測量表面壓痕直徑來計算其硬度值，以壓痕單位面積上所受試驗力的大小來確定硬度值。如圖所示。計算公式：分析：當外載荷（F）、壓頭球體直徑（D）一定時，材料的布氏硬度值僅與壓痕直徑（d）的大小有關。壓痕直徑（d）越小，布氏硬度值越大，材料的硬度就越高；反之，壓痕直徑（d）越大，布氏硬度值越小，材料的硬度也就越低。試驗時只需測量壓痕的直徑（d），就可以通過計算或從布氏硬度表中查出相應的布氏硬度值。布氏硬度計

布氏硬度表示方法規(guī)定：為了區(qū)別不同壓頭測出的硬度值，規(guī)定選擇淬火鋼球壓頭時，用符號HBS表示；選擇硬質(zhì)合金球壓頭時，用符號HBW表示。硬度值在符號HBS或HBW之前，符號后面按順序表示試驗條件:鋼球直徑、試驗力和試驗力保持的時間（10～15s不標注）。例如：220HBS10/1000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球，在1000Kgf的試驗力作用下，保持30s時測得的布氏硬度值為220。500HBW35/750表示用直徑35mm的硬質(zhì)合金球，在750Kgf的試驗力作用下，保持10～15s時測得的布氏硬度值為500。布氏硬度的特點：(1)測量的精度較高因布氏硬度壓痕面積較大，能真實反映材料的平均性能，不易受個別組成不均勻的影響。（2）測量范圍窄

不能測太硬的材料（由于鋼球本身的變形問題，不能試驗太硬的材料，一般規(guī)定用淬火鋼球壓頭測量的硬度值范圍必須小于450；用硬質(zhì)合金球壓頭測量的硬度值范圍在450～650之間。）不能測量成品、薄壁零件、以及表面精度要求高的工件，（

由于壓痕較大，會損傷成品零件表面，會使得薄壁零件的測量結(jié)果不準確，會影響零件的表面精度。）布氏硬度試驗應用：適宜測量有色金屬、低碳鋼、灰鑄鐵和退火的中碳鋼和正火、調(diào)質(zhì)處理零件的硬度。(2)洛氏硬度試驗試驗原理：以錐角為1200的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭壓入試樣表面。試驗時，先在試樣表面施加一個初始載荷，壓入試樣表面h0，此時壓頭位置1-1，如圖所示，再施加主載荷，在主載荷作用下壓痕深度至h1時，此時壓頭位置2-2，去除主載荷后，由于彈性變形的恢復，此時位置提高到3-3，根據(jù)試樣壓痕深度來衡量金屬的硬度大小，則壓痕深度為h。注意：試驗時并不利用公式計算，硬度值可以在刻度盤上直接讀出。很方便。其原理是壓頭端點每移動0.002mm,表盤轉(zhuǎn)動一小格，則壓頭移動h距離，指針轉(zhuǎn)動h/0.002格。計算公式：注意：用金剛石圓錐壓頭進行的試驗，其標尺常數(shù)k為100，用淬火鋼球壓頭進行的試驗，其標尺常數(shù)k為130。

洛氏硬度表示方法規(guī)定：洛氏硬度常采用A、B、C三種標尺。HRA、HRB、HRC為三種不同標尺的洛氏硬度值，HRA和HRC是用1200的金剛石圓錐壓頭進行試驗的（二者主載荷不同，A主載荷600N,C主載荷1500N）；HRB是用直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭進行試驗的。硬度數(shù)值寫在符號的前面，HR后面寫所使用的標尺，例如35HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬度值為35。注意：不同標尺的洛氏硬度值是不能直接進行比較的。洛氏硬度試驗的特點：（1）操作簡便迅速（可以直接從試驗機上顯示出硬度值。）（2）測量范圍寬（可測高硬度材料：因金剛石硬度很高，故洛氏硬度HR可以用于測量硬度很高的材料?？蓽y薄件和成品：因壓痕?。?）測量準確度差（由于壓痕小，當材料的內(nèi)部組織不均勻時，硬度數(shù)據(jù)波動大，使測量硬度值的準確性差。為提高準確性，在測試洛氏硬度時，需選取三個不同位置測出硬度值，用其平均值作為被測金屬材料的硬度值。

)洛氏硬度試驗的應用：HRA測定硬質(zhì)合金、表面淬火鋼的硬度。HRB測定軟鋼、銅合金和退火鋼等的硬度。HRC測定淬火鋼件的硬度。(3)維氏硬度試驗試驗原理：是將夾角為1360的正四棱椎體金剛石作為壓頭，以選定的試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后去除試驗力，試樣表面上壓出一個正四棱錐形的壓痕。用測量壓痕兩對角線的平均長度，來計算硬度值，如圖所示。即用正四棱錐形壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示維氏硬度值，用符號HV表示。計算公式：注意：維氏硬度試驗時，可用測微計測出壓痕的對角線長度，計算出兩對角線長度的平均值后，帶入公式計算或查表得出維氏硬度值。維氏硬度表示方法規(guī)定：硬度數(shù)值寫在符號的前面，試驗條件寫在符號的后面。當試驗力保持時間為10～15s時，可以不標出。例如：300HV30表示用30kgf試驗力保持10～15s測定的維氏硬度值為300。600HV30/20表示用30kgf試驗力保持20s測定的維氏硬度值為600。維氏硬度試驗的特點：（1）測量范圍寬（可測低和高硬度材料：因金剛石硬度很高，故維氏硬度HV可以用于測量硬度很高的材料。可測薄件和成品：因壓痕較小?？蓽y零件表面淬硬層、滲碳層和滲氮層的硬度

）（2）測量準確度高（3）測試手續(xù)比較繁瑣（由于測取維氏硬度值時需要測量兩對角線長度，求平均值后帶入公式計算或查表，測量效率較低。

）應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批量產(chǎn)品測試和測量組織不均勻材料。注意：三種硬度試驗有一定的比例關系:1HRC=10HBS

在HBS﹤450時，HBS≈HV提示：強度、塑性、硬度等力學性能指標都是在靜態(tài)力的作用下測定的。實際工作中，許多機械零件如活塞銷、鍛錘桿、沖模和鍛模等，要受到短時突然加載的沖擊載荷即動態(tài)力的作用。制造這類零件所用的材料，其性能指標除應保證足夠的靜載荷作用下的力學性能外，還必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。5.沖擊韌度韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力。韌性常用的指標是沖擊韌度(αk)。沖擊韌度(αk)常用一次擺錘沖擊試驗來測定。一次擺錘沖擊試驗原理

：利用能量守恒原理，試樣被沖斷過程中所吸收的能量等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。首先制出標準試樣，試樣有u或v形缺口（試樣外形和缺口尺寸一定），如圖所示，將待測的金屬試樣，放置在試驗機的支座上，實驗時，金屬試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向，將重量為G的擺錘，舉至一定的高度為h1，使其獲得一定的勢能為Gh1。然后讓擺錘自由落下將金屬試樣沖斷，擺錘反向擺置高度為h2，此時擺錘剩余勢能為Gh2。擺錘沖斷試樣過程中所消耗的能量，即是試樣在沖擊試驗力的一次作用下斷裂時所吸收的功，稱為沖擊吸收功，用Ak表示。Ak值可以直接從試驗機刻度盤上讀出，單位為焦耳（J）。沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣沖擊試驗機計算公式：沖擊試樣缺口處的單位截面積上沖擊吸收功，是材料的沖擊韌度，用符號αK表示。計算公式：A0——試樣缺口處截面積，mm2。分析：當材料的αK值越大，則AK越大，沖斷所需吸收的能量越高，表示材料的韌性越好，抵抗沖擊的能力越強。3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度（材料的αK與溫度有關，當?shù)陀谀骋粶囟葧r，αK急劇下降。韌斷變?yōu)榇鄶?，αK小稍受沖擊極易斷裂，對應溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度）-40-20020204060akT(oc)T↓，ak急劇↓韌性→脆性提示：強度、塑性、硬度等力學性能指標都是在靜態(tài)力的作用下測定的。實際工作中，許多機械零件在周期性變化的應力作用下工作。雖然，零件所承受的交變應力數(shù)值小于材料的屈服強度，但經(jīng)過長時間的工作,也會突然發(fā)生斷裂。這種在遠小于金屬材料的抗拉強度，甚至小于屈服強度的情況下所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象，稱為材料的疲勞斷裂。如機床主軸、活塞桿、彈簧等機械零件，是在交變載荷作用下工作的。在失效的機械零件中大約有80%以上是屬于疲勞破壞的。顯然不能用靜態(tài)力的性能指標來衡量承受的交變應力零件的工作能力。（1）疲勞現(xiàn)象

零件在循環(huán)應力的作用，即使工作時承受的應力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應力，在經(jīng)受一定的應力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。6.疲勞強度疲勞強度：表征的是金屬材料抵抗交變載荷的作用而不破壞的能力。是指金屬材料在交變應力的作用下，能經(jīng)受無限次循環(huán)而不斷裂的最大應力數(shù)值，也稱為材料的疲勞極限。疲勞極限常用疲勞試驗測定。疲勞試驗：對試樣施加交變載荷，記錄應力最大值和斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)。疲勞曲線——交變應力最大值與斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)之間的關系。從曲線可以看出：當應力低于一定數(shù)值時，即曲線成為水平線時，試樣經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)作用也不破壞。此應力值即為疲勞強度。注意：（1）次數(shù)規(guī)格：工程上實際的疲勞強度，是指在一定的交變循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的最大應力。一般規(guī)定黑色金屬進行交變應力循環(huán)次數(shù)為1×106～1×107次，有色金屬進行交變循環(huán)次數(shù)為1×107～1×108次。（2）疲勞強度σ-1與抗拉強度σb間有一定的比例關系：如碳素鋼σ-1≈（0.4～0.55）σb，灰口鑄鐵σ-1≈0.4σb，有色金屬σ-1≈（0.3～0.4）σb。（3）

疲勞破壞原因

材料有雜質(zhì),表面劃痕,能引起應力集中,導致微裂紋,裂紋擴展致使零件不能承受所加載荷突然破壞.

（4）提高疲勞強度的措施改善結(jié)構(gòu)形狀,降低零件表面粗糙度，避免應力集中,表面強化-噴丸處理,表面淬火等.7.物理性能（一）密度（以ρ4.5g/cm3劃分輕重金屬）（二）熔點（純金屬有固定熔點，合金的熔點是一個溫度區(qū)間，低熔點金屬Pb-保險絲，高熔點金屬W-耐高溫零件））（三）導熱性（傳導熱量的能力。純金屬比合金導熱性好，Ag和Cu最好，Al次之。）（四）導電性（傳導電流的能力。純金屬比合金導電性好，Ag最好，Cu和Al次之。電線?）（五）熱膨脹性（材料隨溫度變化體積發(fā)生膨脹和收縮的特性，一般材料熱脹冷縮。常用線膨脹系數(shù)表示，即溫度每升高1°，單位長度的膨脹量?；疖噷к墸┪锢硇阅?，不僅對工程材料的選用來說，有著重要的意義；而且也會對材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。

材料在生產(chǎn)、加工和使用時，均會與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學反應，從而使其性能惡化或功能喪失。8.化學性能它是金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的化學侵蝕能力，如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。耐腐蝕性(常溫抵抗化學侵蝕)（每年因腐蝕耗掉大量金屬）抗氧化性(高溫抵抗化學侵蝕)（鋼鐵高溫生成疏松多孔氧化物，提高措施：通過合金化在表面生成保護膜，在工件周圍形成保護氣氛）化學穩(wěn)定性（二者統(tǒng)稱）9.工藝性能

金屬的工藝性能是指金屬材料對各種加工工藝和處理方法的適應能力。(容易加工成型，獲得優(yōu)質(zhì)制件)（1）鑄造性能(灰鑄鐵、青銅)（2）鍛造性能（黃銅、變形鋁合金）（3）焊接性能（低碳鋼）

（4）切削加工性能：（鑄鐵、銅合金、鋁合金和一般碳素鋼，尤其中碳鋼）（5）熱處理性能在選材和選擇加工方法時，要充分考慮工藝性能，因工藝性能直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)成本。任務實施：

一、受力情況：

彎曲力，扭矩產(chǎn)生的剪切力。

二、性能要求：

1．使用性能：

抗變形、抗斷裂、耐疲勞。

(1)強度和韌性材料應具有足夠的強度和韌性，以防止模具在沖擊負荷下發(fā)生脆性斷裂。

(2)抗疲勞性能防止零件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞破壞。

2．工藝性能

(1)可切削加工性。

(2)可鍛性。金屬材料及加工工藝新編21世紀高等職業(yè)教育精品教材·裝備制造類

不同成分的金屬材料具有不同的力學性能，即使同一種材料，在不同的條件下其力學性能也是不同的。材料力學性能的這些差異，從本質(zhì)上來說，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。金屬材料的內(nèi)部是怎樣的結(jié)構(gòu)？其是怎樣形成的？怎樣通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善外部性能？自然界中絕大多數(shù)（少數(shù)特殊冷卻條件下的金屬材料是非晶體）的金屬材料固態(tài)下的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有鮮明特點-原子規(guī)則排列，即為晶體（晶體、非晶體？）。研究金屬材料首先就應從晶體結(jié)構(gòu)開始，了解金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)對金屬性能的影響，做到合理選擇和加工金屬材料。

固體物質(zhì)按原子排列的特征分為:

晶體:原子排列有序,規(guī)則,固定熔點,各向異性。

非晶體:原子排列無序,不規(guī)則,無固定熔點,各向同性。

如:金屬,金剛石—晶體

玻璃,松香瀝青—非晶體。思政融入

：金屬材料外部性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的啟示——外在取決于內(nèi)在

金屬材料的機械性能不同緣于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，常溫下的鐵為體心立方晶格結(jié)構(gòu)、銅

為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，鎂為密排六方晶格結(jié)構(gòu)。

外在取決于內(nèi)在，這是自然界的普遍規(guī)律。一個人外在的表現(xiàn)和結(jié)果是由其內(nèi)在的思想、情感和態(tài)度所決定的。

思想決定行為：一個人的思想、信念和價值觀會直接影響其行為和決策。例如，一個

積極樂觀的人更容易促成積極的結(jié)果，而消極悲觀的人則更容易遇到負面情況。

情感影響人際關系：一個人的情感狀態(tài)會影響其與他人的互動。開放的心態(tài)更容易建

立和諧的人際關系，而封閉的心態(tài)則可能導致孤立和沖突。

態(tài)度決定生活質(zhì)量：對待生活的態(tài)度直接影響生活質(zhì)量。積極的態(tài)度會使人更容易感

到幸福和滿足，而消極的態(tài)度則可能導致不滿和困擾。

知識目標：掌握金屬材料的實際的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。熟悉純金屬結(jié)晶過程中的變化。熟悉金屬材料的細化晶粒的措施。能力目標：能夠分析晶粒大小對金屬力學性能的影響。能夠分析純金屬的結(jié)晶過程。重點：三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶后晶粒大小對力學性能的影響難點：實際的金屬晶體結(jié)構(gòu)學習情境二：金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶任務1：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶任務1：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

要學習金屬的晶體結(jié)構(gòu)，首先需要明確晶體結(jié)構(gòu)中的一些基本術語：一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識1.晶格:為了便于分析晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，將原子假想為一個點，這個點代表原子的中心。用假想的直線把這些點在三維方向連接起來，便形成一個空間格子，叫做晶格。2.結(jié)點:晶格中每個點叫結(jié)點。注意：實際晶體結(jié)構(gòu)并非如此，為便于分析而假想的。

由于晶體中的原子排列具有周期性的規(guī)律，在研究各種金屬的晶體結(jié)構(gòu)時，一般選取能夠反映晶格特征的最小組成（一個周期）來研究就可以了。3.晶胞:晶格的最小幾何單元叫做晶胞，它能代表整個晶格的原子排列規(guī)律。

金屬晶體結(jié)構(gòu)的不同，在于晶胞的大小和形狀不同。形狀（晶格類型-3種），晶胞大小的由晶格常數(shù)表示。4.晶格常數(shù):即晶胞的三條棱邊長度a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ六個參數(shù)來表示。長度以埃(1埃=10-10m)(單位認識：1納米10-9m;1絲，1道，1條，0.01mm)度量。注意：金屬晶體結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于晶格類型和晶格常數(shù).晶胞-晶胞的大小和形狀。三種常見的金屬的晶格類型：

當晶格常數(shù)a=b=c，晶軸間夾角α=β=γ=900時，稱這種晶胞為簡單立方晶胞。具有簡單立方晶胞的晶格叫簡單立方晶格。知識拓展：計算：體對角線上的兩個原子間距最近，原子半徑？致密度？個數(shù)：2原子體積2*4/3*πR3晶胞體積：a30.685.原子半徑:金屬晶體中最鄰近的原子間距的一半。6.致密度：金屬晶胞中原子本身所占有的體積百分數(shù)（原子體積/晶胞體積）。反映原子在晶格中排列的緊密程度。二、常見晶格類型

絕大多數(shù)的金屬屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。1.體心立方晶格（1）其晶胞形狀為立方體，a=b=c，α=β=γ=90°(2）原子分布在立方晶體的各個結(jié)點及體心。

(3）屬于這類的金屬有：α-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo鉬、K、Na等。原子半徑？原子數(shù)？致密度？20.682.面心立方晶胞

（1）其晶胞為立方體，a=b=c，α=β=γ=90°。（2）原子分布在立方體的各個結(jié)點及各面的中心處。（3）屬于這類的金屬有：Cu

Ag

Au

Ni

AlPb

γ-Fe

原子半徑？原子數(shù)？致密度？40.743.密排六方晶格（1）其晶胞形狀為六方柱體。（2）原子分布在各個結(jié)點及上下兩個正六方面的中心，另外在六方柱體中心還有三個原子。（3）屬于這類金屬的有：MgZnBe鈹

β-Crα-TiCd(鎘）等。原子半徑？原子數(shù)？致密度？a/260.74三、金屬實際的晶體結(jié)構(gòu)1.多晶體結(jié)構(gòu)理想化的晶體結(jié)構(gòu)-周期性的規(guī)則排列，稱單晶體。實際應用中，只有通過專門的加工，才能獲得。工程上實際使用的金屬材料一般是多晶體結(jié)構(gòu)。

單晶體-晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。多晶體—許多內(nèi)部晶格位向一致的小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)。（小晶體-晶粒，晶界，晶粒內(nèi)部基本一致，之間不同。）（晶塊，亞晶界）晶?！庑尾灰?guī)則而內(nèi)部晶格位向基本一致的小晶體。晶界—晶粒之間的界面。三種典型晶格類型是晶體結(jié)構(gòu)的理想類型，實際的晶體結(jié)構(gòu)與之有所差異。2.實際的晶體缺陷1）點缺陷3）面缺陷實際的晶體結(jié)構(gòu)是多晶體結(jié)構(gòu)。而且在多晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在很多缺陷。晶體缺陷-由于受到各種因素的影響，使得實際金屬原有規(guī)律的原子排列方式受到干擾，這種原子排列不規(guī)則的部位和區(qū)域稱為金屬的晶體缺陷。2）線缺陷實際的晶體缺陷1）點缺陷：空位、間隙和置換原子注意：晶格畸變（點缺陷使周圍原子發(fā)生相互擠攏-空位或撐開-間隙）實際的晶體缺陷2）線缺陷：即位錯，在晶體中，有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，最簡單的位錯是刃型位錯（如同刀刃插入晶體）。注意：位錯線一定范圍內(nèi)，晶格畸變。位錯在晶體內(nèi)很容易移動，金屬的塑性變形就是通過位錯運動實現(xiàn)的。3）面缺陷：晶體中呈面狀分布的缺陷，主要指晶界和亞晶界，在晶界處，原子排列不規(guī)則，從一種位向逐步過渡到另一種位向，晶格明顯畸變。后果：缺陷導致晶格畸變，導致的后果是材料的強度和硬度增加，而塑性和韌性降低，形成一種強化效應。四、金屬的結(jié)晶

金屬實際的這種晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶過程有著密切的關系。1.結(jié)晶何謂結(jié)晶？結(jié)晶和凝固有何關系？凝固：由液態(tài)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶：得到的固態(tài)是晶體，就稱為結(jié)晶。（絕大多數(shù)的金屬材料）2.純金屬結(jié)晶過程：純金屬的結(jié)晶過程通常采用熱分析法進行研究。先將純金屬加熱并熔化成液體，然后極其緩慢地冷卻。在冷卻過程中，每隔一定的時間測量一次溫度，將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度—時間坐標圖中，便可獲得純金屬的冷卻曲線。三個階段三個階段：1.液態(tài)金屬隨著時間的的推移，由于熱量不斷向外散失，溫度隨之不斷下降。2.當冷卻至a點時，液態(tài)金屬開始結(jié)晶。在結(jié)晶過程中由于不斷釋放出結(jié)晶的潛熱，以此補償散失在空氣中的熱量，使結(jié)晶過程中的溫度不會隨著時間的延長而下降，直至b點結(jié)晶結(jié)束后，溫度才繼續(xù)下降。3.液態(tài)金屬隨著時間的的推移，由于熱量不斷向外散失，溫度繼續(xù)下降，直到室溫。注意：過冷現(xiàn)象與過冷度（實際結(jié)晶溫度-T1低于理論結(jié)晶溫度-T0，因極其緩慢冷卻）過冷度并不是一個恒定值，過冷度的大小與冷卻速度、金屬的性質(zhì)及純度有關。冷卻速度越快，過冷度就越大，金屬的實際結(jié)晶溫度就越低，結(jié)晶過程越滯后。純金屬在恒溫下結(jié)晶。

五、純金屬結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程：

原子團

形核

晶核長大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則，內(nèi)部規(guī)則排列的小晶體）

在純金屬的結(jié)晶過程，多晶體結(jié)構(gòu)是怎樣形成的？內(nèi)部變化？注意：形核：自發(fā)（某些原子自發(fā)聚集）和非自發(fā)（依附雜質(zhì)和型壁，主導作用）晶核的形成和晶核的長大是同時進行的。（長大的同時，新核在形成。）呈樹枝狀長大-枝晶。（樹干，分枝，填滿各枝的空間。散熱快的部位長的快。）4.晶粒的大小和力學性能有著直接關系。金屬的晶粒越細小，強度、塑性、韌度越高。因此，有效地控制金屬結(jié)晶時晶粒的長大，就可以提高金屬的力學性能。細化晶粒的方法增加冷卻速度，增大過冷度；（因為形核率和核長大速度都隨過冷度增大而增大，但在很大的范圍內(nèi)形核率比晶核長大速度增長更快

）增加外來晶核;（變質(zhì)處理-液態(tài)金屬在結(jié)晶前，往金屬液中加入一定量的細小的形核劑（變質(zhì)劑或孕育劑）作為人工晶核，使形核率明顯增加。）采用機械、超聲波振動、電磁攪拌等；（在金屬結(jié)晶過程中，采取此措施，可以破碎正在長大的枝晶，得到更多的結(jié)晶核心。）

任務實施：

實際使用的工業(yè)金屬材料，內(nèi)部為由許多晶粒組成多晶體結(jié)構(gòu)，主要是由結(jié)晶過程形成的，外部力學性能與內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部晶粒的大小有著密切的關系。內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)形式不同，材料的外部性能就不同，在室溫下，金屬的晶粒越細小，強度和韌度越高。有效地控制金屬結(jié)晶時晶粒的長大，可以提高金屬的力學性能。工業(yè)上為了獲得較好的力學性能，通常采用的增加過冷度、振動處理、變質(zhì)處理等方法細化晶粒。

在工程上實際中，純金屬(舉例)應用很少，大部分金屬材料是合金(舉例)

？為什么？純金屬的力學性能較低而成本較高。合金相對，而且合金可以按不同需要配制成不同的力學性能和物理、化學性能的材料，因而得到廣泛的應用。何謂合金？其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？其性能特點是怎樣的？鋼鐵被稱為工業(yè)生產(chǎn)的“脊梁”？鋼鐵為什么應用這么廣泛？任務引入任務二：合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶知識目標：熟悉合金的結(jié)晶過程中的成分和組織變化。掌握二元勻晶相圖。能力目標：能夠分析合金相結(jié)構(gòu)與性能之間的關系。能運用強化機理提高合金性能。重點：合金的組織種類難點：合金結(jié)晶過程中的變化一、合金的基本術語1.合金：由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素），通過熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如普通黃銅（？元素）、碳鋼和鑄鐵（？元素）。2.組元：組成合金的最基本的、能獨立存在的物質(zhì)，簡稱“元”。在大多數(shù)情況下，組元是合金的組成元素或是某些穩(wěn)定的化合物（很少）。幾個組元組成的合金幾元合金，如普通黃銅-二元合金，硬鋁-（鋁、銅、鎂）三元合金。3.合金系：由兩個或兩個以上給定的組元，按不同比例配制出一系列成分不同、性能不同的系列合金，如銅鎳合金系。4.相：相是指在合金中，凡成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。例如：純金屬：液態(tài)：單一的液相;固態(tài):單一的固相；結(jié)晶：液固兩相共存；合金：單一的液相;固態(tài):復雜，單相或多相。（若合金是由化學成分、晶體結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成，則屬于單相組成的合金；若合金是由化學成分、晶體結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒構(gòu)成，則它們將屬于不同的幾種相組成的合金。）相是組織的最基本組成部分。組織？

要學習合金的晶體結(jié)構(gòu)，首先需要明確合金中的一些基本術語：任務三：合金的晶體結(jié)構(gòu)5.組織：借助金相顯微鏡、電子顯微鏡觀測到的金屬及其合金的內(nèi)部具有微觀形貌特征的部分。組織是決定材料最終性能的關鍵，（如某碳鋼淬火，組成不變，改變組織，最終改變相大小、方向、形態(tài)、分布和相對數(shù)量）（合金往往由多相組成，相的大小、分布、形態(tài)不同時會構(gòu)成不同的組織，表現(xiàn)出不同的性能。）組織能反映組成材料的相的大小、方向、形態(tài)、分布和相對數(shù)量等組成關系，通過組織可以了解材料的性能及其變化規(guī)律。二、固態(tài)合金的組織1.固溶體：合金在結(jié)晶時，一組元溶解在另一組元中，形成均勻的保持其中某一組元的晶體結(jié)構(gòu)的新相。（單相組織，溶劑-保持原有晶格的組元，溶質(zhì)-晶格結(jié)構(gòu)消失的組元。如鐵素體-鐵。）種類：置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。（當A、B兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體-銅鎳，即溶質(zhì)可以任何比例置換溶劑晶格中的原子，其溶解度可達100%；反之則為有限固溶體-銅鋅，Zn%超過39%，出現(xiàn)新相。）

間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。例如：鐵素體、奧氏體。注意：固溶強化固溶強化：由于溶質(zhì)原子的溶入固溶體發(fā)生晶格畸變，結(jié)果使合金的強度、硬度有所增高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。強化效果：固溶體中溶入的溶質(zhì)原子量越多，晶格畸變越嚴重，固溶強化的作用就越明顯。適當控制：實踐證明，當固溶體中的溶質(zhì)原子含量適當時，能顯著提高金屬材料的強度和硬度，同時塑性和韌性幾乎不變。

固態(tài)合金的組織2.金屬化合物合金組元之間相互發(fā)生化合作用而生成的一種具有金屬特性的新相稱為金屬化合物。單相組織。舉例：Fe3C

特點：

1）其晶格類型和性能不同于任一組元，晶格結(jié)構(gòu)復雜；

2）熔點高，硬(刻劃玻璃)而脆（脆性太大，一般不單獨使用，當多相合金中含有適量的金屬化合物時，可強化材料。）固態(tài)合金的組織3.機械混合物由兩種或兩種以上的相以一定質(zhì)量百分數(shù)組成的多相混合物稱為機械混合物。多相組織特點：

1）各個相仍保持各自的晶格結(jié)構(gòu)和性能。

2）整體性能取決于組成它的各個相的性能以及各相的相對數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等。（機械混合物的強度、硬度比單一固溶體組織高，塑性、韌性不如單一固溶體。）注意：工程上使用的大多數(shù)合金的組織都是機械混合物。三、合金的結(jié)晶

1.二元合金相圖的建立合金的結(jié)晶比純金屬復雜的多，組成相的成分會發(fā)生變化，僅僅憑熱力學研究不清楚，必須借助于相圖。平衡狀態(tài)：合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認為是平衡狀態(tài)。相圖用途：①研究合金的相變、組織形成及變化的規(guī)律；②制定熱加工工藝的重要工具。相圖二元合金相圖的分析：

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖。（共晶，包晶？）屬于該類相圖的合金有Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等。以Cu-Ni合金為例。1、相圖分析A點、B點-熔點，AaB線-液相線；AbB-固相線。液相線以上-“L”；固相線以下-“α”；液固兩相共存區(qū)-“L+α”。2、合金的結(jié)晶過程：當合金以極緩慢速度冷至t1時，開始從液相中析出α，隨著溫度不斷降低，α相不斷增多，而剩余的液相L不斷減少，并且液相和固相的成分通過原子擴散分別沿著液相線和固相線變化。當結(jié)晶終了時，獲得與原合金成分相同的α相固溶體。四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨著溫度或者壓力的變化晶格形式發(fā)生的轉(zhuǎn)變。鐵、鈷、鈦、錫、錳等。發(fā)生怎樣的變化？以鐵為例。α-Fe？γ-Fe？

純鐵的冷卻曲線分析：在1538℃進行結(jié)晶時:當冷卻到1394℃時:再冷卻到912℃時:為何是平臺？1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程有相似之處，相當于經(jīng)過了一次重結(jié)晶：轉(zhuǎn)變的過程也是一個形核和晶核長大的過程。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有過冷的現(xiàn)象，還有潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段。

注意：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變，晶格變化時金屬體積也變化，同時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力等。絕大多數(shù)金屬在固態(tài)下晶格類型不會變化。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵進行熱處理的重要理論依據(jù)。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方

金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義

可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性能的目的。分析：任務實施：純金屬的力學性能較低而成本較高。所以才發(fā)展了合金，合金可以按不同需要配制成不同的力學性能和物理、化學性能的材料，因而得到廣泛的應用。由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素），通過熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如普通黃銅是由銅和鋅（均為金屬元素）兩種元素組成的合金；碳鋼和鑄鐵則是由鐵和碳（金屬元素與非金屬元素）兩種元素組成的合金。合金的晶體結(jié)構(gòu)有三種類型：固溶體、金屬化合物、機械混合物。大多數(shù)的合金屬于機械混合物。通過調(diào)整合金成分，可以獲得所需的不同的力學性能。由于鐵儲量豐富且存在著同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，通過結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變獲得不同的組織和性能，使得鐵碳合金應用很廣泛。

任務引入：

純鐵（性能、價格所限），加入碳獲得不同成分的鐵碳合金（鋼和鑄鐵）獲得各種不同性能，不同性能滿足各種不同使用要求，例如：車蓋、齒輪、刀具等，不同性能使鐵碳合金應用廣泛，組織是決定材料性能的關鍵，不同成分的鐵碳合金室溫下分別具有怎樣性能？其化學成分、組織和性能之間有什么關系？借助鐵碳合金相圖來研究。知識目標：熟悉鐵碳合金相圖的各個點、線、區(qū)的含義。掌握鐵碳合金成分、組織、性能之間的關系及變化規(guī)律。能力目標：能夠分析合金相組成與性能之間的關系。會根據(jù)相圖分析合金成分、組織和性能之間的關系。學習情境二之任務3鐵碳合金相圖及應用重點：鐵碳合金狀態(tài)圖在鑄造、壓力加工、焊接中的應用難點：鐵碳合金相圖的理解一、基體：純鐵

工業(yè)純鐵：一般來講鐵從來不會是純的，其中總會有雜質(zhì)。工業(yè)純鐵中常含有0.10%～0.20%的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)由碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等十幾種元素所構(gòu)成，其中碳約占0.006%～0.02%左右。性能：室溫下強度、硬度較低，具有良好的塑性、韌性。應用：很少做機械零件。（加入碳形成鐵碳合金后獲得不同組織，可做機械零件。）鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韌性好，強度、硬度低。奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韌性幾乎為零。珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）。萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。二、基本組織：

組織是決定材料性能的關鍵，各種鐵碳合金具有不同的性能，是因為各種合金在室溫下獲得不同的組織，（即獲得不同的組成相、及相的大小、形態(tài)、分布、數(shù)量。）1.鐵素體（F）

鐵素體：碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體，它仍保持α-Fe的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于α-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218（727℃），所以是幾乎不含碳的純鐵。性能：由于溶量小，力學性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強度、硬度較低。顯微鏡下觀察，鐵素體呈灰色并有明顯大小不一的顆粒形狀。2.奧氏體（A）

奧氏體：碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體。它保持γ-Fe的面心立方晶格結(jié)構(gòu)。因其晶格間隙較大，所以溶碳能力比鐵素體強，在727℃時溶碳量為0.77%，1148℃時溶碳量達到2.11%。性能：強度、硬度較低，但具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼高溫進行壓力加工的理想組織。注意：高溫組織由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之間，所以奧氏體也只出現(xiàn)在高溫區(qū)域內(nèi)。顯微鏡觀察，奧氏體呈現(xiàn)外形不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，并有明顯的界限。3.滲碳體（Fe3C）

滲碳體是鐵與碳形成的具有復雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韌性幾乎為零。主要作為鐵碳合金中的強化相存在。（質(zhì)量比例少到多，片或球網(wǎng)基體）

Fe3C是一種亞穩(wěn)定化合物，在一定溫度下可分解為Fe和石墨，即：Fe3CFe+C（石墨）顯微鏡下觀察，滲碳體呈銀白色光澤，并在一定條件下可以分解出石墨。4.珠光體（P）

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的共析體（機械混合物）。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727℃以下溫度范圍內(nèi)存在。力學性能：介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因此得名。5.萊氏體（Ld）

萊氏體：由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。鐵碳合金中含碳量為4.3%的液體冷卻到1148℃時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成高溫萊氏體（Ld）。合金繼續(xù)冷卻到727℃時，其中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，故室溫時由珠光體和滲碳體組成，叫低溫萊氏體（L’d）。統(tǒng)稱萊氏體。性能：萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。三、鐵碳合金相圖

滲碳體的熔點共晶點共析線共析點純鐵的熔點共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線碳在奧氏體中的最大溶解度A3線Acm1.鐵碳合金相圖的建立（成分、溫度、組織、相的變化規(guī)律）

2.鐵碳合金相圖的簡化簡化后的相圖鐵碳合金相圖的建立與簡化分析：各個點、線、區(qū)。鋼的選材可以根據(jù)對零件的要求選擇材料，塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼。強度和韌性都比較好，可選用中碳鋼。高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼。車蓋：10齒輪：45刀具：T10任務實施：典型成分鐵碳合金在室溫下的組織分析共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵的室溫組織和性能。任務引入：

分析共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程的成分和組織變化。隨著含碳量的增加，鐵碳合金的強度、硬度、塑性、韌性怎樣變化？并了解鐵碳合金相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵鋼生鐵

含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間；過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；含碳量小于0.02%的鐵碳合金。含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；按含碳量及組織不同，可分為以下3類：

一、鐵碳合金分類：1.共析鋼的結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變2.亞共析鋼的結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變3.過共析鋼結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變4.共晶生鐵結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變5.亞共晶鐵結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變6.過共晶鐵結(jié)晶過程分析

LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C轉(zhuǎn)變二、碳對組織和性能的影響1.含碳量對鐵碳合金組織的影響隨著含碳量的增加，F(xiàn)的含量逐漸減少，而Fe3C含量逐漸增加，而且相互組合的形態(tài)也發(fā)生變化。具體地說，隨著WC的增加，合金的組織按下列順序發(fā)生變化：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Fe3CⅠ+Ld′2.含碳量對鐵碳合金力學性能的影響室溫下鐵碳合金由F和Fe3C，F(xiàn)是軟、韌相，而Fe3C是硬、脆相，當兩者以層片狀組成P時，P兼有兩者的優(yōu)點，即具有較高的硬度、強度和良好的塑性、韌性。鐵碳合金中Fe3C是強化相，對于以F為基體的鋼來說，F(xiàn)e3C的數(shù)量越多，分布越均勻，其強度越高。但若Fe3C以網(wǎng)狀分布于晶界上或呈粗大片狀，尤其是作為基體時會使鐵碳合金鐵塑性、韌性大大下降，這應是過共析鋼和白口鑄鐵脆性很高的原因。碳含量對力學性能影響

碳對鐵碳合金性能的影響，也是通過對組織的影響來實現(xiàn)的，即隨著碳的含量變化，鋼的力學性能也發(fā)生變化。隨著含碳量增加，強度、硬度增加，塑性、韌性降低。鋼的力學性能與碳含量WC的關系三、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)中的應用Fe-Fe3C相圖反映了鐵碳合金組織和性能隨成分的變化規(guī)律。

1.選材的重要依據(jù)：可以根據(jù)對零件的要求選擇材料，塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼（wc=0.1%～0.25%）；強度和韌性都比較好，可選用中碳鋼（wc=0.25%~0.6%）；高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼（WC

＝0.77%-1.44%）2.在鑄造生產(chǎn)上的應用確定澆鑄溫度

選材:共晶點附近鑄造性能好，（共晶成分鐵碳合金熔點低，體積收縮小，流動性好，具有良好的鑄造性能。因此在鑄造生產(chǎn)中，選用接近共晶成分的鑄鐵。）3.在鍛造生產(chǎn)上的應用由Fe-Fe3C相圖可知，鋼在室溫下是F和Fe3C組成的兩相混合物，塑性較差，變形困難。而A的強度較低，塑性較好，便于塑性變形。在進行鍛壓和熱軋加工時，最好把坯料加熱到A狀態(tài)。便應合理選取始鍛溫度和終鍛溫度。4.在焊接生產(chǎn)上的應用

焊接時，由于局部區(qū)域被快速加熱，所以從焊縫到母材和區(qū)域的溫度不同，由Fe-Fe3C相圖可知，溫度不同，冷卻后的組織就不同，性能自然不同，為了獲得均勻一致的組織和性能，需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。

由Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過程中均有相的變化，所以可通過有相變的方法改變其組織和性能，這些方法就是退火、正火、淬火和回火等熱處理。Fe-Fe3C相圖是研究鋼的熱處理過程中組織和相得變化規(guī)律的基礎。此外，A有溶解C和其他合金元素的性能，而且溶解度隨溫度的升高而增加，因此可以對鋼進行滲碳和滲氮等化學熱處理。5.在熱處理方面的應用任務實施：性能：10鋼-塑形韌性較好，強度硬度較低。T12-塑形韌性較低，強度硬度較高。組織：10鋼-F+P。T12-P+Fe3C。車門、銼刀零件的使用要求不同，根據(jù)使用要求來選擇材料。結(jié)晶過程分析：10-據(jù)亞共析鋼結(jié)晶過程分析。T12-據(jù)過共析鋼結(jié)晶過程分析。金屬材料及加工工藝新編21世紀高等職業(yè)教育精品教材·裝備制造類

任務引入：不同成分的鐵碳合金在室溫下獲得不同的組織，從而具有不同的性能，來滿足不同的使用要求，從而使得鐵碳合金應用廣泛，而成分確定以后，在不同條件下，又有不同的要求。如機床齒輪-45，加工時，使用時。發(fā)展了熱處理。對鋼材進行正確地熱處理，通過改變組織來改善鋼材的性能，使它能夠滿足各種不同的條件的要求。事實上，絕大多數(shù)機械零部件都是經(jīng)過了熱處理這一工藝過程的。熱處理在機械制造行業(yè)中被廣泛地應用，例如汽車、拖拉機行業(yè)中需要進行熱處理的零件占70%～80%；機床行業(yè)中占60%～70%；軸承及各種模具則達到100%。

在熱處理過程中，鋼的組織和性能會發(fā)生怎樣的變化？機床齒輪-45，熱處理工藝選擇，不同的熱處理工藝獲得的怎樣組織和性能。思政融入

：龍泉寶劍淬火的啟示——要強大必須付出努力

龍泉寶劍是中華古兵器的代表之一，相傳因須以浙江龍泉劍池湖水淬劍而得名，龍泉/寶劍鍛制技藝距今已有2500多年的歷史。龍泉劍的傳統(tǒng)工藝是取當?shù)貏Τ睾慊?，這是其特別堅利的奧秘之一。淬火是將

已鍛好的劍坯燒到較高溫度后浸入水中急速冷卻，從而提高劍身的硬度、強度和耐磨性的

工藝。

經(jīng)過千錘百煉，龍泉劍砥礪“烈火”，淬煉成金。要強大必須付出努力。努力是夢想與現(xiàn)實之間的橋梁，努力是一種態(tài)度和勇氣，是對

自我價值的不斷追求。

新時代的大學生肩負著重要的歷史責任和時代使命，因此必須要有足夠過硬的本領。

對大學生來說，要當起而行之的行動者、攻堅克難的奮斗者，堅定想干事、會干事、干實

事、謀實績的思想，不斷加強實踐鍛煉，把火熱的實踐作為最好的課堂，在改革發(fā)展的主

戰(zhàn)場、維護穩(wěn)定的第一線，大膽去經(jīng)風雨、見世面、壯筋骨、長才干，真正經(jīng)受磨礪、收

獲成長，把會干的事干好、能干的事干優(yōu)，該干的事干實，努力練就堪當大任的寬厚肩

膀。

學習情境三：熱處理加工工藝

任務1鋼在加熱與冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

知識目標:

熟悉鋼常用的熱處理工藝路線。

掌握鋼熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能。

能力目標:

能分析常用熱處理工藝的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能。

能正確選用常規(guī)熱處理方法。何謂熱處理？

熱處理工藝路線：加熱－保溫－冷卻

目的：固態(tài)下，改變材料整體或表面的組織，從而獲得所需的性能。（不改變形狀和大小，只改變組織和性能）熱處理的分類：熱處理普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理火焰淬火感應淬火其它其碳氮共滲氮化滲碳2.平衡狀態(tài)：1.相變點或臨界點。金屬或合金在加熱和冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為相變點或臨界點。

合金的極緩慢加熱和冷卻，可近似認為是平衡狀態(tài)。注意：Fe-Fe3C相圖相變點A1、A3、Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻情況下測定的。在實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻并不是極其緩慢的，因此，鋼的實際相變點都會偏離平衡相變點。加熱轉(zhuǎn)變相變點在平衡相變點以上，而冷卻轉(zhuǎn)變相變點在平衡相變點以下。一、實際組織轉(zhuǎn)變的基本知識：3.實際相變點滯后現(xiàn)象：加熱（冷卻）時鐵碳相圖上各臨界點的位置

臨界點平衡時：A1、A3、Acm加熱時：Ac1、Ac3、Accm冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm

根據(jù)Fe-Fe3C相圖，鋼加熱到Ac1點以上時會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，加熱到Ac3和Accm以上時，便全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，加熱的目的就是為了得到奧氏體，這種加熱轉(zhuǎn)變過程稱為鋼的奧氏體化。共析鋼：分為四個階段：奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的長大殘余滲碳體的溶解奧氏體成分的均勻化二、鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變共析鋼的A化

亞（過）共析鋼的A化——P

→

A

后，先共析F或Fe3CⅡ

溶解。

注意：加熱時得到的奧氏體晶粒的大小直接影響到冷卻后的組織和性能。在珠光體剛轉(zhuǎn)變奧氏體時，由于大量的晶核造就了細小的奧氏體晶粒。但隨著加熱溫度的升高或者保溫時間的延長，將會促使奧氏體晶粒粗化。奧氏體晶粒粗化后，熱處理后鋼的晶粒就粗大，會降低鋼的力學性能。在加熱溫度相同時，加熱速度越快，保溫時間越短，奧氏體晶粒越小。因而利用快速加熱、短時保溫來獲得細小的奧氏體晶粒。二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變等溫冷卻：將奧氏體化的鋼件迅速冷卻至Ar1以下某一溫度并保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻至室溫；連續(xù)冷卻：將奧氏體化的鋼件連續(xù)冷卻至室溫，并在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，可采用水冷、油冷、爐冷和空冷（一）兩種冷卻方式（二）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1.過冷奧氏體奧氏體冷至臨界溫度Ar1以下并不立即發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，有一定的孕育期，在孕育期暫時存在的奧氏體稱為過冷奧氏體2.共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）不同的等溫溫度，實驗方法測定。過冷奧氏體孕育期轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變結(jié)束（轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體（＞550℃）；貝氏體（＜550℃）；馬氏體（Ms與Mf之間）轉(zhuǎn)變過渡區(qū)（過冷奧氏體和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）（三）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能讀圖：1.珠光體轉(zhuǎn)變——高溫轉(zhuǎn)變Ar1～550℃高溫區(qū)等溫（F與Fe3C層片狀）Ar1～650℃，片間距較大，形成的珠光體比較粗，稱為珠光體（P）；在650～600℃范圍內(nèi)，片間距較小，稱為索氏體（S）；在600～550℃范圍內(nèi)，片間距很小，稱為托氏體（T）。片間距越小，綜合力學性能越好。Ar1～550℃2.貝氏體轉(zhuǎn)變——中溫轉(zhuǎn)變550℃～Ms（240℃）的中溫區(qū)停留時，將發(fā)生過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，形成貝氏體（B）。550～350℃溫度范圍內(nèi)形成的是上貝氏體。羽毛狀，由于脆性較高，基本無實用價值。350℃～Ms點溫度范圍內(nèi)形成的是下貝氏體。它由含碳過飽和的細小針片狀鐵素體和鐵素體片內(nèi)彌散分布的碳化物組成，黑色針狀，綜合性能好，具有較高的強度和硬度、塑性和韌性。在實際生產(chǎn)中常采用等溫淬火來獲得下貝氏體。Ar1～550℃3.馬氏體轉(zhuǎn)變——低溫轉(zhuǎn)變（240~-50℃）當過冷奧氏體被快速冷卻到Ms點以下時，便發(fā)生馬氏體M轉(zhuǎn)變。馬氏體實質(zhì)上就是碳溶于α-Fe中過飽和間隙固溶體。Ar1～550℃（1）馬氏體的組織形態(tài)：產(chǎn)生的M的形態(tài)取決于奧氏體中的含碳量。﹤0.2%，板條狀

﹥0.6%，針片狀馬氏體

0.2%～0.6%混合（2）馬氏體的性能不同形態(tài)的馬氏體具有不同機械性能，隨著馬氏體含碳量的增加，形態(tài)從板條狀過渡到針葉狀，硬度和強度也隨之升高，而塑性和韌性也隨之降低。原因：過飽和碳原子→晶格畸變→固溶強化。板條狀馬氏體，具有較高的硬度和強度、較好的塑性和韌性。片狀馬氏體具有很高的硬度，但塑性和韌性很差，脆性大。注意：殘余奧氏體：馬氏體轉(zhuǎn)變不是等溫轉(zhuǎn)變，而是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf）快速連續(xù)冷卻完成的轉(zhuǎn)變。實際冷卻只進行到室溫，少量的奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而殘余下來，稱為殘余奧氏體A′。放置過程中產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，導致產(chǎn)生內(nèi)應力，引起變形。冷處理：對要求高精度的工件，冷卻到室溫后，再放到零下接近Mf溫度的冷卻介質(zhì)中冷卻，消除殘余奧氏體，達到穩(wěn)定尺寸的目的。Ar1～550℃（四）亞共析碳鋼與過共析碳鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變注意：分別多出一條先共析鐵素體析出線或先共析滲碳體析出線。二、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變獲得：不同的冷卻速度，實驗方法測定。（CCT）讀圖（共析鋼為例：兩種轉(zhuǎn)變

A→P：Ps開始線，Pf終了線，K終止線。

A→M:vk臨界冷卻速度，稱為上臨界冷卻速度，獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度。vk’為下臨界冷卻速度，是保證奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度。注意：共析鋼連續(xù)冷卻時，得不到貝氏體組織。因為共析鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期很長，連續(xù)冷卻通過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變就已過冷到Ms點而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。V1相當于爐冷（退火），轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體；V2相當于空冷（正火），轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體；V3相當于油冷（淬火），轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為托氏體和馬氏體；V4相當于水冷（淬火），轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體和殘余奧氏體。實際生產(chǎn)應用，共析鋼不同冷卻速度獲得組織：

在連續(xù)冷卻過程中，不同的冷卻速度發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變，獲得各種不同的性能。退火、正火、淬火和回火各自是怎樣的加工工藝？這四種熱處理工藝在加工過程中處于什么位置？對材料性能具體起到什么作用？任務引入：學習目標：明確退正淬回火的冷卻方式、組織產(chǎn)物熟悉退正淬回火的目的任務2：鋼的普通熱處理本節(jié)重點：退正淬回火的目的本節(jié)難點：退正淬回火的組織產(chǎn)物何謂普通熱處理？普通（整體）熱處理：預先熱處理（退火或正火）和最終熱處理預先熱處理的目的？（1）調(diào)整鋼件硬度，利于隨后的切削加工（2）消除殘余應力（3）均勻細化晶粒，改善組織（4）為最終熱處理作好組織上的準備一、退火：加熱—保溫—緩冷分類:完全退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火和去應力退火（一）完全退火：亞共析鋼Ac3＋30～50oC，保溫，爐冷，又稱重結(jié)晶退火。目的：1.使熱加工造成的粗大、不均勻的組織細化2.消除內(nèi)應力和組織缺陷3.降低硬度，改善切削加工性能（二）等溫退火：亞共析鋼Ac3＋30～50oC，保溫，急冷至珠光體區(qū)，等溫轉(zhuǎn)變，再急冷，縮短時間。目的：1.與完全退火相同2.轉(zhuǎn)變較易控制，獲得均勻的預期組織3.大大縮短退火時間（三）球化退火：過共析鋼Ac1＋30～50oC，保溫，緩冷目的：1.使網(wǎng)狀的二次滲碳體球狀化，為以后的熱處理作組織準備2.降低硬度，改善切削加工性能（四）均勻化退火（擴散退火）：Ac3＋150～200oC，保溫10～15h，緩冷目的:減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學成分和組織不均勻性（五）去應力退火（低溫退火）：Ac1－100～200oC，保溫，爐冷目的：加熱溫度低于A1，所以在退火過程中沒有組織變化，消除鑄件、鍛件、焊接件等的殘余內(nèi)應力，穩(wěn)定工件尺寸。二、正火：加熱－保溫－空冷（一）正火工藝：加熱溫度：Ac3或Accm＋30～50oC（二）正火后組織與性能組織：亞共析鋼：F＋S；共析鋼：S；過共析鋼：S＋Fe3C性能：冷卻速度快，晶粒細小，強度、硬度、韌性好（三）應用1.對性能要求不高的零件，可作為最終熱處理。-性能2.改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性–粘刀3.作為中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較重要零件的預先熱處理細化晶粒，為淬火做好組織準備。4.消除過共析鋼中二次滲碳體網(wǎng)-鏈狀5.特定情況下代替淬火、回火-開裂傾向注：對所有零件的預先熱處理，能正火不退火加熱－保溫－介質(zhì)中冷卻（發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變）目的：1.獲得硬、脆的馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性（但塑性、韌性降低）

2