職業(yè)教育規(guī)劃教材

（機械加工技術(shù)專業(yè)）

《金屬工藝學(xué)》教案

主編王英杰

機械工業(yè)出版社

《金屬工藝學(xué)》教案內(nèi)容簡介

本教案是由王英杰根據(jù)機械工業(yè)出版社已經(jīng)出版發(fā)行的教材《金屬工藝學(xué)》編寫的。

本教案涉及內(nèi)容是：金屬材料基礎(chǔ)知識、鋼鐵材料熱處理、鋼鐵材料、非鐵金屬及其合金、鑄造

成形、鍛壓成形、焊接成形、金屬切削加工基礎(chǔ)（包括特種加工與數(shù)控加工）、切削加工工藝過程制定、

機械裝配基礎(chǔ)知識、鉗工等內(nèi)容。

本教材建議總課時62學(xué)時，具體學(xué)時分配如一E表：

章建議學(xué)時章建議學(xué)時章建議學(xué)時

緒論、第一章10第五章6第九章2

第二章6第六章6第十章2

第三章8第七章6第十一章（實習(xí)中進行）

第四章4第八章12

小計28304

總計62

如果用書學(xué)校給定的課程教學(xué)課時與本教案編排的62課時有出入，任課教師可以很方便地以本教

案為基礎(chǔ)草稿進行靈活調(diào)整，編排出適合本校的教案。另外，本教案還配備了2套考試試卷（A卷和

B卷），供任課教師參考。

教案一

一、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

一、本課程的教學(xué)要求

學(xué)習(xí)本課程的教學(xué)目標

(1)了解金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、組織及性能之間的密切關(guān)系；

(2)了解金屬材料的分類、牌號、性能、用途之間的相互關(guān)系，熟悉常用金屬材料的選用原則，

做到靈活應(yīng)用。

(3)了解常用金屬材料熱處理工藝的原理、特點及其應(yīng)用。

(4)了解金屬零件的各種成形加工方法的基本原理和工藝特點，并初步具有選擇毛坯和編制零件

成形加工工藝規(guī)程的基本能力。

(5)了解各種主要成形加工方法所用設(shè)備(工具)的工作原理和使用范圍，掌握一些主要設(shè)備(工

具)的基本操作方法。

二、金屬材料的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

二、本課程的性質(zhì)和教學(xué)內(nèi)容

1.性質(zhì)：是融匯多種專業(yè)基礎(chǔ)知識為-一體的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)從事機械制造行業(yè)應(yīng)用型、

管理型、操作型與復(fù)合型人才的必修課程。

2.教學(xué)內(nèi)容：金屬材料基礎(chǔ)知識、鋼鐵材料熱處理、鋼鐵材料、非鐵金屬及其合金、鑄造成形、

鍛壓成形、焊接成形、金屬切削加工基礎(chǔ)(包括特種加工與數(shù)控加工)、切削加工工藝過程制定、機械

裝配、鉗工

第一單元金屬材料基礎(chǔ)知識

模塊一金屬材料的分類

金屬材料的基本概念

金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的，并具有金屬特性的工程材料。它包括純

合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料r如普通黃銅是由銅和

鋅兩種金屬元素組成的合金，碳素鋼是由鐵和碳組成的合金。

金屬材料的分類

‘非合金鋼

低合金鋼

鋼鐵材料

合金鋼

鑄鐵

金屬材料*'銅及銅合金

鋁及鋁合金

非鐵金屬軸承合金

鈦及鈦合金

其他非鐵合金

（1）鋼鐵材料。以鐵或以它為主而形成的物質(zhì)，稱為鋼鐵材料（或稱黑色金屬），如鋼和生鐵。

（2）非鐵金屬。除黑色金屬以外的其它金屬，都稱為非鐵金屬（或稱有色金屬），如銅、鋁、鎂、

鈦、鋅、錫、鉛等。

模塊二鋼鐵材料生產(chǎn)過程簡介

鋼鐵是鐵和碳的合金。

鋼鐵材料按碳的質(zhì)量分數(shù)畋（含碳量）進行分類，包括工業(yè)純鐵（wc<0.0218%）；鋼（wc=0.0218%-

2.11%）和生鐵（wc>2.11%

鋼材生產(chǎn)是以生鐵為主要原料，將生鐵裝入高溫的煉鋼爐里，通過氧化作用降低生鐵中碳和雜質(zhì)

的質(zhì)量分數(shù)煉成鋼水，然后將鋼水鑄成鋼錠，再經(jīng)過熱軋或冷軋后，制成各種類型的鋼材。

一、煉鐵

煉鐵用的原料多數(shù)是鐵的氧化物，如赤鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等稱為鐵礦石。

鐵礦石中除了含有鐵的氧化物以外，還含有硅、缽、硫、磷等元素的氧化物雜質(zhì)，這些雜物稱為

脈石。

煉鐵的實質(zhì)就是從鐵礦石中提取鐵及其有用元素形成生鐵的過程。

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)煉鐵的主要方法是高爐煉鐵。

高爐煉鐵的爐料主要是鐵礦石（FesO,）、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）。

經(jīng)高爐冶煉出的鐵不是純鐵，其中溶有碳、硅、鎬、硫、磷等雜質(zhì)元素，這種鐵稱為生鐵。

生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品。根據(jù)用戶的不同需要，生鐵可分為兩類：鑄造生鐵和煉鋼生鐵。

高爐煉鐵產(chǎn)生的副產(chǎn)品是煤氣和爐渣。

二、煉鋼

煉鋼是以生鐵(鐵水和生鐵錠)和廢鋼為主要原料，再加熔劑(石灰石、螢石)、氧化劑(。2、鐵

礦石)和脫氧劑(鋁、硅鐵、鋅鐵)等。

1

現(xiàn)代煉鋼方法主要有氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電弧爐煉鋼法。

2

按鋼的脫氧程度不同，鋼可分為特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)、鎮(zhèn)靜鋼(Z),半鎮(zhèn)靜鋼(b)和沸騰鋼(F)

鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼。這類鋼錠化學(xué)成分均勻，內(nèi)部組織致密，質(zhì)量較高。但由于鋼錠頭部形

成相當深的縮孔，軋制時被切除，鋼材浪費較大。

沸騰鋼是指脫氧不完全的鋼。這類鋼錠不產(chǎn)生縮孔，切頭浪費小。但是，鋼的化學(xué)成分不均勻，

特殊鎮(zhèn)靜鋼脫氧質(zhì)量優(yōu)于鎮(zhèn)靜鋼，其內(nèi)部材質(zhì)均勻，非金屬夾雜物含量少，滿足特殊需要。

3.鋼的澆注

鋼液經(jīng)脫氧后，除少數(shù)用來澆鑄成鑄鋼件外，其余都澆鑄成鋼錠或連鑄坯。鋼錠用于軋鋼或鍛造

大型鍛件。

4?

模塊三機械產(chǎn)品制造過程簡介

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：金屬材料分類、鋼鐵生產(chǎn)方法簡介

2.難點：鋼鐵生產(chǎn)方法簡介

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進行短時演示o

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案二

、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊四金屬材料的性能

金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。

使用性能是指金屬材料為保證機械零件或工具正常工作應(yīng)具備的性能，即在使用過程中所表現(xiàn)出

的特性，它包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。

工藝性能是指金屬材料在制造機械零件或工具的過程中，適應(yīng)各種冷、熱加工的性能，也就是金

屬材料采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理

性能及切削加工性能等。

一、金屬材料力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)

系的性能，如彈性、強度、硬度、塑性、韌性等。

彈性是指物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當外力卸除后物體又回復(fù)到其原始形狀和尺寸的

特性。

物體受外力作用后導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用的力稱為內(nèi)力，而單位面積上的內(nèi)力則為應(yīng)力。

(MPa或N/mm?)。

應(yīng)變e是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化現(xiàn))

金屬力學(xué)性能指標有：強度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

1.強度

強度是金屬材料抵抗永久變形和斷裂的能力。

塑性是金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。

永久變形是物體在力的作用下產(chǎn)生的形狀和尺寸的改變。

拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸，測量拉伸力和相應(yīng)的伸長，并測其力學(xué)性能的試

試驗過程中通常采用圓柱形拉伸試樣。拉伸試樣分為短試樣和長試樣兩種。長試樣L°=10d。；短試

樣Lo=5do。

試樣受到拉伸。同時，記錄裝置啟動，并記錄下拉伸過程中的力一

進行拉伸試驗時，拉伸力F和試樣伸長量之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長曲線。通常把拉伸力F

作為縱坐標，伸長量作為橫坐標。

當拉伸力繼續(xù)增加到R時，力一伸長曲線在s點后出現(xiàn)一個平臺，即在拉伸力不再增加的情況下，

試樣也會明顯伸長，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。拉伸力K

當拉伸力超過屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會增加，此現(xiàn)象為冷變形強化，即抗力增加

現(xiàn)象。

當拉伸力達到A時，試樣的局部截面開始收縮，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。由于頸縮使試樣局部截面迅速縮

小，最終導(dǎo)致試樣被拉斷。

F.是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力，稱為極限拉伸力。

試樣從開始拉伸到斷裂要

金屬材料抵抗拉伸力的強度指標有屈服點、規(guī)定殘余伸長強度、抗拉強度等。

(1)

屈服點是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時的應(yīng)力。

os=Fs/So

規(guī)定殘余伸長應(yīng)力是指試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長與原始標距的百分比達到規(guī)定

數(shù)值時的應(yīng)力，用符號。，表示。例如，。皿表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%

(2)

抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應(yīng)力。

0b=Fb/S。

以是表征金屬材料由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是表征材料在靜拉伸條

件下最大承載能力。

2.塑性

金屬材料的塑性可以用拉伸試樣斷裂時的最大相對變形量來表示，如拉伸后的斷后伸長率和斷面

(1)

試樣拉斷后的標距伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，用符號6表示。6可用下式計算：

<5=(Li-Lo)/LoX100%

(2)

斷面收縮率是指試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。斷面收縮率

用符號夕表示。(P

9=(SO-SI)/SOX1OO%

金屬材料室溫拉伸試驗方法GB/T228-2002新標準

3.硬度

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、

壓痕或劃痕的能力。

硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。

壓入法是在規(guī)定的靜態(tài)試驗力作用下，將一定的壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積

大小或深度測定其硬度值，這種評定方法稱為壓痕硬度。

在壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度

(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。

(1)布氏硬度

布氏硬度的試驗原理是用一定直徑的硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持

時間后，去除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d,然后根據(jù)壓痕直徑d計算其硬度值的方法。

布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的。

2F

1IBW=O.102x----------==

7￡>(D-y]D2-d2)

由于金屬材料有硬有軟，工件有厚有薄，在進行布氏硬度試驗時，壓頭直徑D(有10mm、5mm、2.5mm

和1mm四種)、試驗力和保持時間應(yīng)根據(jù)被測金屬材料種類和厚度正確地進行選擇。

例如：150HBW10/1000/30表示用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球，在lOOOkgf(9.807kN)試驗力作用下，

保持30s測得的布氏硬度值為150

500HBW5/750表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球，在750kgf(7.355kN)試驗力作用下保持10?15s測得

的布氏硬度值。一般試驗力保持時間為10?15s

布氏硬度試驗的特點是試驗時金屬材料表面壓痕大，能在較大范圍內(nèi)反映被測金屬材料的平均硬

度，測得的硬度值比較準確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強。但由于其壓痕大，對金屬材料表面的損傷較大，不宜測

定太小或太薄的試樣。

布氏硬度試驗主要用來測試原材料的硬度，如鑄鐵、非鐵材料、經(jīng)退火處理或正火處理的金屬材

料及其半成品。

(2)洛氏硬度

洛氏硬度試驗原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球，壓入試樣表面,

如圖2-5所示，試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留

根據(jù)壓頭和試驗力的不同，洛氏硬度常用A、B、C

HR=k-e=k-壓痕深度/0.002

洛氏硬度數(shù)值寫在符號HR的前面，HR后面寫使用的標尺，如50HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬

度值為50

洛氏硬度試驗特點是：硬度試驗壓痕小，對試樣表面損傷小，常用來直接檢驗成品或半成品零件

的硬度，尤其是經(jīng)過淬火處理的零件，常采用洛氏硬度計進行測試；試驗操作簡便，可以直接從試驗

機上顯示出硬度值，省去了繁瑣的測量、計算和查表等工作。但是，由于壓痕小，硬度值的準確性不

如布氏硬度，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此，在測試金屬材料洛氏硬度時，要選取不同位置的三點測出硬度值,

再計算三點硬度的平均值作為被測金屬材料的硬度值。

(3)

維氏硬度測定原理與布氏硬度基本相似。維氏硬度是用正四棱錐形壓痕單位表面積上承受的平均

壓力表示的硬度值。用符號HV表示，計算式如下：

HV=O.1891F/d2

試驗時用測微計測出壓痕的對角線長度，算出兩對角線長度的平均值后，查GB4340T984附表或計

例如：640HV30表示用30kgf(294.2N)試驗力，保持10?15s測定的維氏硬度值為640。

640HV30/20表示用30kgf(294.2N)試驗力，保持20s測定的維氏硬度值為640。

維氏硬度適用范圍寬，從很軟的材料到很硬的材料都可以測量，尤其適用于零件表面層硬度的測

量，如化學(xué)熱處理的滲層硬度測量，其測量結(jié)果精確可靠。但測取維氏硬度值時，需要測量對角線長

度，然后查表或計算，而且進行維氏硬度測試時，對試樣表面的質(zhì)量要求高，測量效率較低，因此，

維氏硬度沒有洛氏硬度使用方便。

4.韌性

韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

沖擊吸收功的單位是焦爾。金屬材料韌性大小通常采用沖擊吸收功指標來衡量，而測定金屬材料

(1)夏比沖擊試驗

V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣，使用V型缺口試樣進行沖擊試驗時，相應(yīng)的

沖擊吸收功用符號AKV表示。

帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣?使用U型缺口試樣進行沖擊試驗時，相應(yīng)的沖擊吸收功

用符號AKI;表示

試驗原理：夏比沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行的。擺錘沖斷試樣所失去的勢能是：

AKV=AKV1-AKV2(J)

心就是規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功，稱為沖擊吸收功。

沖擊吸收功An愈大，表示材料抵抗沖擊試驗力而不破壞的能力愈強。如果用沖擊試樣的斷口處的

橫截面積S去除AKI或AK,即可得到?jīng)_擊韌度，其用a“或axv表示，單位是J/cm)

沖擊吸收功(或沖擊韌度)對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質(zhì)量、宏觀缺口

和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。

沖擊吸收功(或沖擊韌度)對溫度非常敏感，通過一系列溫度下的沖擊試驗可測出金屬材料的脆

化趨勢和韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

在進行不同溫度的一系列沖擊試驗時，隨試驗溫度的降低，沖擊吸收功總的變化趨勢是隨溫度降

低而降低。當溫度降至某一數(shù)值時，沖擊吸收功急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種

現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。

金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域，

稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標。金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度愈低，

說明金屬材料的低溫抗沖擊性愈好。

（2）多次沖擊試驗的概念

金屬材料在多次沖擊下的破壞過程是由裂紋產(chǎn)生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段組成。其破壞是

每次沖擊損傷積累發(fā)展的結(jié)果，不同于一次性沖擊的破壞過程。

5.疲勞強度

（1）疲勞現(xiàn)象

循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力或應(yīng)變的大小、方向，都隨時間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力和應(yīng)變。常

見的循環(huán)應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力，其最大值。max和最小值。min的絕對值相等，即。max/。min=-1?

零件在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一定時間的工作后會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬材料的疲勞。

疲勞斷裂時不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此，具有很大的危險性，常常造成嚴

重的事故。據(jù)統(tǒng)計，損壞的機械零件中80%以上是因疲勞造成的。

疲勞斷裂首先是在零件的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生，先形成微小的裂紋核心，即裂紋源。隨后在循環(huán)應(yīng)

力作用下，裂紋繼續(xù)擴展長大。由于疲勞裂紋不斷擴展，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件

所受應(yīng)力不斷增加，當應(yīng)力超過金屬材料的斷裂強度時，則發(fā)生疲勞斷裂，形成最后斷裂區(qū)。

（2）

金屬材料在循環(huán)應(yīng)力作用下能經(jīng)受無限多次循環(huán)，而不斷裂的最大應(yīng)力值稱為金屬材料的疲勞強

度。即循環(huán)次數(shù)值N無窮大時所對應(yīng)的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強度。

在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應(yīng)于指定的循環(huán)基數(shù)下的中值疲勞強度。對于鋼鐵材料

其循環(huán)基數(shù)為107，對于非鐵材料其循環(huán)基數(shù)為10、對于對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞強度用。?表示。

許多試驗結(jié)果表明：金屬材料疲勞強度隨著抗拉強度的提高而增加，對于結(jié)構(gòu)鋼當。bWMOON/mn?

時，其疲勞強度。-約為抗拉強度的二分之一。

二、金屬材料的物理性能

金屬材料的物理性能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現(xiàn)出的

性能或固有的屬性。它包括密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。

1

金屬材料的密度是指在一定溫度下單位體積金屬的質(zhì)量。

密度小于5X10：'kg/nf的金屬稱為輕金屬，密度大于5X10'kg/m：'的金屬稱為重金屬。

2

金屬材料和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定的熔點。

熔點高的金屬材料稱為難熔金屬（如鴿、鑰、鈿等）。

熔點低的金屬稱為易熔金屬（如錫、鉛、鈿等）。

3

金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。金屬材料導(dǎo)熱能力的大小常用熱導(dǎo)率（亦稱導(dǎo)熱系數(shù)）X表

示0金屬材料的熱導(dǎo)率越大，說明其導(dǎo)熱性越好。一般說來，金屬材料越純，其導(dǎo)熱能力越大。合金

的導(dǎo)熱能力比純金屬差。金屬材料的導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。

4

金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的性能，稱為導(dǎo)電性。金屬材料導(dǎo)電性的好壞，常用電阻率P表示。電阻

5

金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹性的大小用線脹系數(shù)a?和體脹

系數(shù)a.來表示。體脹系數(shù)近似為線脹系數(shù)的3倍。

6

金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能稱為磁性。通常應(yīng)磁導(dǎo)率H(Il/m)表示。根據(jù)金

鐵磁性材料一在外加磁場中，能強烈地被磁化到很大程度，如鐵、銀、鉆等。

順磁性材料一在外加磁場中呈現(xiàn)十分微弱的磁性，如鋁、鉗、錫、

抗磁性材料一能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的金屬，如銅、金、銀、鉛、鋅等。

三、金屬材料的化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用所表現(xiàn)出來的性能，它

包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。

1.

金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。

耐候鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金，在室溫條件下能耐大氣腐蝕，一般都具有良好的耐腐蝕性。

2

金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例

如，鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴重。

3

化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)

定性。在高溫條件下工作的設(shè)備(如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等)上的部件需要選擇熱穩(wěn)

定性好的材料來制造。

四、金屬材料的工藝性能

1.鑄造性能

金屬材料在鑄造成形過程中獲得外形準確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流

動性、吸氣性、收縮性和偏析等。

2.壓力加工性能

金屬材料利用壓力加工方法塑造成形的難易程度稱為壓力加工性能。壓力加工性能的好壞主要同

金屬材料的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，金屬材料的壓力加工性能越好。

3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求

的能力。

焊接性能好的金屬材料能獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。

4.切削加工性能

切削加工性能是指金屬材料在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬材料對使用的刀具

磨損量小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。切削加工性能與金屬材料的硬度、熱導(dǎo)

性、冷變形強化等因素有關(guān)。若材料硬度在170?230HBW時，最易切削加工。

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：韌性、疲勞強度

2.難點：疲勞強度

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進行短時演示。

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案三

一、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊五金屬材料晶體結(jié)構(gòu)

一、晶體與非晶體

固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類。

物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點（原子、離子或分子）呈規(guī)律性和周期性排列的物質(zhì)，稱為晶體。晶體具有固定熔

點、幾何外形和各向異性特征，諸如金剛石、石墨、單晶硅及一般固態(tài)金屬材料等均是晶體。

物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點呈無規(guī)則排列的稱為非晶體，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。

1.金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

（1）晶格

為了便于清楚地描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，可把晶體內(nèi)部原子近似地視為

剛性質(zhì)點，用一些假想的直線將各質(zhì)點中心連接起來，便形成了一個空間格子，這種抽象地用于描述

原子在晶體中排列形式的空間幾何格子，稱為晶格。

（2）晶胞

組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞。

2.常見金屬材料的晶格類型

（1）

體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的八個頂角和中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是2

個。具有這種晶格的金屬有鴇（W）、鋁（Mo）、銘（Cr）、帆（V）、a鐵（a-Fe）

（2）

面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞實

有原子數(shù)是4個。具有這種晶格的金屬有金（Au）、銀（Ag）、鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ni）、Y鐵（Y-F

e）等。

（3）

密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的十二個頂角和上下底面中心各有一個原子，另外

在上下面之間還有三個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是6個。具有此種晶格的金屬有鎂（Mg）、鋅（Zn）、

鍍（Be）、a鈦（a-Ti）

二、金屬材料的實際晶體結(jié)構(gòu)

如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，稱這塊晶體為單晶體。

由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

多晶體材料內(nèi)部以晶界分開的、晶體學(xué)位向相同的晶體稱為晶粒。

由于一般的金屬材料是多晶體結(jié)構(gòu)，故通常測出的性能是各個位向不同的晶粒的平均性能，其結(jié)

在晶界上原子的排列不象晶粒內(nèi)部那樣有規(guī)則性，這種原子排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。

根據(jù)晶體缺陷存在的幾何形式，可將晶體缺陷分為以下三種：點缺陷、線缺陷和面缺陷。

1.點缺陷

點缺陷是晶體中呈點狀的缺陷，即在三維空間上的尺寸都很小的晶體缺陷。最常見的缺陷是晶格

2.

線缺陷是指在三維空間的兩個方向上尺寸很小的晶體缺陷。這種缺陷主要是指各種類型的位錯。

所謂位錯是指晶格中一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。

3.

面缺陷是指在二維方向上尺寸很大，在第三個方向上的尺寸很小，呈面狀分布的缺陷，通常面缺

陷是指晶界。

模塊六純金屬的結(jié)晶過程

由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。

通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶。

一、冷卻曲線與過冷度

液態(tài)金屬隨著時間的推移，溫度不斷下降，當冷卻到某一溫度時，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，

這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度（T。）。

金屬在實際結(jié)晶過程中，從液態(tài)必須冷卻到理論結(jié)晶溫度（To）以下才開始結(jié)晶，該現(xiàn)象稱為過冷。

理論結(jié)晶溫度T。和實際結(jié)晶溫度T“之差

研究指出：金屬材料結(jié)晶時的過冷度并不是一個恒定值，而是與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，

在實際生產(chǎn)中，金屬材料結(jié)晶必須在一定的過冷度下進行，過冷是金屬材料結(jié)晶的必要條件，但

不是充分條件。金屬材料要進行結(jié)晶，還要滿足動力學(xué)條件，如必須有原子的移動和擴散等。

二、金屬材料結(jié)晶過程

液態(tài)金屬材料在達到結(jié)晶溫度時，首先形成一些極細小的微晶體，稱為晶核。隨著時間的推移，

已形成的晶核不斷長大。與此同時，又有新的晶核形成、長大，直至液態(tài)金屬材料全部凝固。凝固結(jié)

束后，各個晶核長成的晶粒彼此相互接觸。晶核的形成和長大是金屬材料結(jié)晶的基本過程。

三、金屬材料結(jié)晶后晶粒的控制

1

2

(1)加快液態(tài)金屬材料的冷卻速度。

(2)變質(zhì)處理。所謂變質(zhì)處理就是在澆注前，以少量固體材料加入熔融金屬中，增加形核數(shù)量，從

而達到細化晶粒，改善其組織和性能的方法。加入的少量固體材料可起晶核作用。

(3)采用機械振動、超聲波振動和電磁振動等，可使生長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)增多，從而達到

模塊七

金屬材料在固態(tài)下由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

液態(tài)純鐵在結(jié)晶后具有體心立方晶格，稱為6—Fe,當其冷卻到13940c時，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，

由體心立方晶格的8—Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦难疽籉e,再冷卻到912℃時，原子排列方式又由面心立

方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為a-Fe

5-Fe1M4ry-Fe912ra-Fe

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料的一個重要特性，它是鋼鐵材料能夠進行熱處理的理論依據(jù)，同素異構(gòu)

轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的(猶如隊列變換隊形一樣)

(1)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程來完成，新晶核優(yōu)先在原晶界處生

(2)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有過冷(或過熱)

(3)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下

(4)

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程、同素異晶轉(zhuǎn)變

2.難點：同素異晶轉(zhuǎn)變、合金結(jié)晶冷卻曲線

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進行短時演示。

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案四

模塊八合金晶體結(jié)構(gòu)與合金結(jié)晶過程

一、基本概念

1.組元

組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。

2.合金系

由若干給定組元按不同比例配制而成的一系列化學(xué)成分不同的合金，稱為合金系。

3.

相是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的

4.

組織是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排

列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。

二、合金的晶體結(jié)構(gòu)

根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物及機械混合物三種

1.

合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一組元原子而形成的晶體相，稱為固溶體。

在固溶體中晶格保持不變的組元稱為溶劑。固溶體的晶格類型與溶劑相同，固溶體中的其他組元

稱為溶質(zhì)。

(1)

溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子占據(jù)溶劑晶格部分結(jié)點位置時，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。

按溶質(zhì)溶解度的不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。

溶解度大小主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)。

大多數(shù)合金只能有限固溶，且溶解度隨著溫度的升高而增加。只有兩組元晶格類型相同，原子半

徑相差很小時，才可能無限互溶，形成無限固溶體。

(2)

溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)溶劑結(jié)點位置，而嵌入各結(jié)點之間的間隙內(nèi)時，所形成的晶體相，

由于溶劑晶格的間隙有限，所以，間隙固溶體只能是有限溶解溶質(zhì)原子，同時只有在溶質(zhì)原子與

溶劑原子半徑的比值小于0.59時，才能形成間隙固溶體。

無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發(fā)生畸變，增加位錯運

動的阻力，使固溶體的強度、硬度提高。

通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是強化金

2.金屬化合物

金屬化合物是指合金中各組元間原子按一定整數(shù)比形成的具有金屬特性的新相，如鐵碳合金中的

滲碳體（Fe￡）就是鐵和碳組成的化合物。

金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，具有熔點高、硬度高、脆性大特性。合

金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能顯著地提高合金的強度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性則會明顯地降

3.機械混合物

由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。

在機械混合物中各組成相仍保持它原有的晶格類型和性能，而整個機械混合物的性能介于各組成

相性能之間，并與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。

三、合金結(jié)晶過程

1.合金結(jié)晶特點

合金結(jié)晶過程與純金屬一樣，為晶核形成和晶核長大兩個過程。合金與純金屬結(jié)晶不同之處在于:

（D純金屬結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個臨界點。而合金則絕大多數(shù)是在一個溫度范圍內(nèi)進行結(jié)

（2）合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分（即濃度）有變化，當結(jié)晶終止后，整個晶體

（3）合金結(jié)晶后不是單相，一般有三種情況：單相固溶體；單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械

混合物（如共晶體）;結(jié)晶開始形成單相固溶體，剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物（如共晶體）。

2.合金結(jié)晶冷卻曲線

（1）形成單相固溶體的結(jié)晶冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下仍完全互溶，結(jié)晶后形成單相固溶體。結(jié)晶過程中有兩個臨界點。

（2）形成單相化合物或共晶體的結(jié)晶冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下完全不互溶或部分互溶，結(jié)晶后形成單相化合物或共晶體。

從一定成分的液體合金中同時結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)的過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變（共晶反應(yīng)），其結(jié)晶產(chǎn)

（3）形成機械混合物的冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下部分互溶，結(jié)晶開始形成單相固溶體后，剩余液體則同時結(jié)晶

在固態(tài)下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質(zhì)的過程，稱為共析轉(zhuǎn)變（共析反應(yīng)）。共析轉(zhuǎn)變

模塊九金屬材料鑄錠組織特征

金屬鑄錠呈現(xiàn)三個不同外形的晶粒區(qū)，即表面細晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和等軸晶粒區(qū)。

1.表面細晶粒區(qū)

液態(tài)金屬材料剛注入錠模時，表面層的金屬液受到劇烈冷卻，因而在較大的過冷度下結(jié)晶。

表面細晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒細長，區(qū)域厚度較小，組織致密，成分均勻，力學(xué)性能較好。

2.柱狀晶粒區(qū)

柱狀晶粒區(qū)的出現(xiàn)主要是因為金屬鑄錠受垂直于模壁散熱方向的影響。凡晶軸垂直于模壁的晶

粒，由于其沿著晶軸向模壁傳熱較快，從而形成柱狀晶粒區(qū)。

3.等軸晶粒區(qū)

晶核由于在不同方向上的長大速度相同，加之這時過冷度較小，因而便形成粗大的等軸晶粒區(qū)。

等軸晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒粗大，組織疏松，力學(xué)性能較差。

在金屬鑄錠中，除存在組織不均勻外，還常有縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。

根據(jù)澆注方法不同，金屬鑄錠分為鋼錠模鑄錠（簡稱鑄錠）和連續(xù)鑄錠。

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：基本概念、合金晶體結(jié)構(gòu)、合金結(jié)晶過程

2.難點：合金結(jié)晶冷卻曲線

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進行短時演示。

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案五

一、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊十鐵碳合金組織與鐵碳合金相圖

鐵和碳的合金稱為鐵碳合金，如鋼和鑄鐵都是鐵碳合金。

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金組織、化學(xué)成分和溫度之間相互關(guān)系的重要圖形。

一、鐵碳合金基本組織

鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

1.鐵素體⑹

鐵素體是指a-Fe或其內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素所形成的晶體點陣為體心立方的固溶體，用符

號F(或a)表示。鐵素體仍保持a-Fe的體心立方晶格。

a-Fe的溶碳量很小，在727c時溶碳量最大(W,=0.0218%),隨著溫度的下降其溶碳量逐漸減少，

鐵素體的性能幾乎和純鐵相同，即強度和硬度(。產(chǎn)180?280N/nM,50?80HBW)較低，而塑性和韌性

較高(6=30%?50%,AKU=128?160J)。

鐵素體在770℃(居里點)有磁性轉(zhuǎn)變，在770℃以下具有鐵磁性，在770C以上則失去鐵磁性。

2.奧氏體(A)

奧氏體是指Y-Fe內(nèi)固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點陣為面心立方的固溶體，常用符號

A(或丫)表示。奧氏體仍保持丫-Fe的面心立方晶格。

奧氏體溶碳能力較大,在1148℃時溶碳量最大(Wc=2.1K),隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃

時的溶碳量為Wc=0.77%?

奧氏體具有一定的強度和硬度，塑性好(Ob-400N/mm2,160?220HBW,8?40%~50%),在機械

制造中，鋼材大多數(shù)要加熱至高溫奧氏體狀態(tài)進行塑性變形加工。

穩(wěn)定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當鐵碳合金緩冷到727c時，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

3.滲碳體(Fe.￡)

滲碳體是鐵和碳的金屬化合物，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，用化學(xué)式Fe3c表示。滲碳體的晶格形式，

與碳和鐵都不一樣，是復(fù)雜的晶格類型。

滲碳體的碳的質(zhì)量分數(shù)是6.69%,熔點為1227℃。滲碳體的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，硬度高，脆性大，塑性與

韌性極低。滲碳體在鋼和鑄鐵中與其他相共存時呈片狀、球狀、網(wǎng)狀。

滲碳體不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有磁性轉(zhuǎn)變，在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230C以上則失去磁

性。滲碳體是碳在鐵碳合金中的主要存在形式，是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分

4.珠光體(P)

珠光體是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機械混合物。常用符號“P”表示。其顯微組織特征為鐵

素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相組織。

在珠光體中，鐵素體和滲碳體仍保持各自原有晶格類型。珠光體碳的質(zhì)量分數(shù)平均為0.77%。珠光

體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強度(Ob^MON/nW),硬度(180HBW左右)適中，塑

性與韌性(5%20%?35%,AKU=24?32J)較好，是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。

5.萊氏體(Ld)

萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體所組成的共晶

體，萊氏體碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3%。

萊氏體用符號Ld表示。由于奧氏體在727℃時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以，在室溫時萊氏體是由珠光體和

滲碳體所組成。為了區(qū)別起見，將727℃以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld),在727℃以下存在的

萊氏體稱為低溫萊氏體(L'd

萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度高，塑性很差。萊氏體的顯微組織可以看成是在滲碳體的基體

上分布著顆粒狀的奧氏體(或珠光體)。

二、鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是鐵碳合金在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同化學(xué)成分的鐵碳合金，在不同溫度

下所具有的組織狀態(tài)的圖形。我們實際上研究研究Fe—Fe3c

1.

表2—3鐵碳合金相圖中的特性點

溫度

特性點Wc(%)特性點的含義

(℃)

A15380純鐵的熔點或結(jié)晶溫度

C11484.3共晶點,發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L.3=A&u+Fe3c

D12276.69滲碳體的熔點

E11482.11碳在Y-Fe中的最大溶碳量，也是鋼與生鐵的成分分界點

F11486.69共晶滲碳體的成分點

G9120a-Fe=丫-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點

S7270.77共析點,發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A?.R=F。.翊a+Fe￡

P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶碳量

2.鐵碳合金相圖中的主要特性線

(1)液相線ACD

碳的質(zhì)量分數(shù)MW4.3%的鐵碳合金在AC線開始結(jié)晶出奧氏體(A)；碳的質(zhì)量分數(shù)WQ4.3%的鐵碳合

金在CD線開始結(jié)晶出滲碳體，稱一次滲碳體，用Fe3cl

(2)固相線AECF

在固相線AECF以下區(qū)域，鐵碳合金呈固態(tài)(S)

(3)共晶線ECF

ECF線是一條水平(恒溫)線，稱為共晶線。在此線以上液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。

ll48，c

L，.3A2,n+Fe3c6.69

共晶轉(zhuǎn)變形成了奧氏體與滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體(Ld)。碳的質(zhì)量分數(shù)%=2.1設(shè)~6.69%

(4)共析線PSK

PSK線也是一條水平(恒溫)線，稱為共析線，通常稱為由線。

Ao.77'Fo.0218+Fe￡&69

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機械混合物，稱為珠光體(P)。碳的質(zhì)量分數(shù)Wc〉O.0218%的

(5)GS

GS線表示鐵碳合金冷卻時由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開始線，通常稱為A3線。

(6)ES

ES線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線，通常稱為Acm線。它表示鐵碳合金隨著溫度的降低，奧氏

體中碳的質(zhì)量分數(shù)沿著此線逐漸減少，而多余的碳以滲碳體形式析出，稱為二次滲碳體，采用FesC”

表示，以區(qū)別于從液態(tài)鐵碳合金中直接結(jié)晶出來的FesC。

(7)GP線

GP線為鐵碳合金冷卻時奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線或者加熱時鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開始

(8)PQ

PQ線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線，它表示鐵碳合金隨著溫度的降低，鐵素體中的碳的質(zhì)量

分數(shù)沿著此線逐漸減少，多余的碳以滲碳體形式析出，稱為三次滲碳體，用FHGn

3.

鐵碳合金相圖中的各種合金，按其碳的質(zhì)量分數(shù)和室溫平衡組織的不同，一般分為工業(yè)純鐵、鋼、

白口鑄鐵(生鐵)

表2—4鐵碳合金分類

鋼白口鑄鐵

合金類別工業(yè)純鐵過共析亞共晶白口鑄共晶白過共晶白

亞共析鋼共析鋼

鋼鐵口鑄鐵口鑄鐵

0.0218<Wc^2.112.ll<Wc<6.69

Wc(%)MW0.0218

<0.770.77>0.77<4.34.3>4.3

L'd+P+L*dL'd+

室溫組織FF+PPP+FeCiFesCuFe3C,

4.

碳是決定鋼鐵材料組織和性能最主要的元素。

當碳的質(zhì)量分數(shù)9%時，隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低;

當碳的質(zhì)量分數(shù)W>0.9%時，由于Fe3c”的數(shù)量隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，而急劇增多，并明顯地呈網(wǎng)

狀分布于奧氏體晶界上，這樣不僅降低了鋼的塑性和韌性，而且也降低了鋼的強度。

5.

從鐵碳合金相圖中可以看出，組織與化學(xué)成分之間存在著密切的聯(lián)系，我們可以由組織定性地判

斷出鋼鐵材料的力學(xué)性能，并為我們選材提供理論依據(jù)以及制定熱加工依據(jù)。

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：鐵碳合金基本組織、鐵碳合金相圖

2.難點：鐵碳合金相圖及應(yīng)用

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進行短時演示。

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案六

一、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

第二單元鋼鐵材料熱處理

熱處理是采用適當?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能

的工藝。

鋼的熱處理原理主要是利用鋼在加熱和冷卻時內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律。

熱處理工藝分類。

模塊一鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變

一、相變點

金屬或合金在加熱或冷卻過程中，發(fā)生相變的溫度稱為相變點或臨界點。

在鐵碳合金狀態(tài)圖中，A］、A3、A-是平衡條件下的臨界點。

實際加熱時的臨界點標注為Acl、AC3>Accao

實際冷卻時的臨界點標注為Ari、A13、Area

二、奧氏體的形成

共析鋼的室溫組織是珠光體，即鐵素體和滲碳體兩相組成的機械混合物。

奧氏體的形成是通過形核和核長大過程來實現(xiàn)的。珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變可以分為四個階段：

亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程基本上與共析鋼相同，不同之處是在加熱時有過剩相出現(xiàn)。

三、奧氏體晶粒長大及其控制措施

奧氏體晶粒細小，則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也較細小，其性能也較好；反之，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒則粗大,

其性能則較差。將鋼加熱到臨界點以上時，剛形成的奧氏體晶粒都很細小。如果繼續(xù)升溫或延長保溫

1

2

碳與一種或數(shù)種金屬元素所構(gòu)成的化合物，稱為碳化物。大多數(shù)合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、

Nb、Zr等，在鋼材中均可以形成難溶于奧氏體的碳化物，分布在晶粒邊界上，阻礙奧氏體晶粒長大。

模塊二鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

在一定冷卻速度下進行冷卻時，奧氏體要過冷到&溫度以下才能完成轉(zhuǎn)變。在共析溫度以下存在

的奧氏體稱為過冷奧氏體，也稱亞穩(wěn)奧氏體，它有較強的相變趨勢。

鋼在冷卻時?，可以采取兩種冷卻轉(zhuǎn)變方式：等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。

等溫轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后，冷卻到臨界點以下的某一溫度區(qū)間內(nèi)等溫保持時，過冷奧氏體發(fā)

生的相變。而連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后以不同冷速連續(xù)冷卻時過冷奧氏體發(fā)生的相變。

采用等溫轉(zhuǎn)變可以獲得單一的珠光體、索氏體、托氏體、上貝氏體、下貝氏體和馬氏體組織。而

采用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時，由于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進行，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物往往不是單一的，根

據(jù)冷卻速度的變化，有可能是P+S、S+T或T+M等。

模塊三退火與正火

退火與正火是鋼材常用的兩種基本熱處理工藝方法，主要用來熱處理鋼制毛坯件，為以后切削加

工和最終熱處理做組織準備，因此，退火與正火通常又稱為預(yù)備熱處理。對一般鑄件、焊件以及性能

要求

一、退火

退火是將工件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

目的是消除鋼材內(nèi)應(yīng)力；降低鋼材硬度，提高鋼材塑性；細化鋼材組織，均勻鋼材成分，為最終

熱處理做好組織準備。

根據(jù)鋼材化學(xué)成分和退火目的不同，退火通常分為：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火、擴散退

火和再結(jié)晶退火等。

1.

完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火。完全退火后所得到的室

溫組織為鐵素體和珠光體。

完全退火主要用于亞共析鋼制作的鑄件、鍛件、焊件等。

2.

球化退火是使工件中碳化物球狀化而進行的退火，所得到的室溫組織為鐵素體基體上均勻分布著

球狀（粒狀）滲碳體，即球狀珠光體組織。

球化退火的目的是降低鋼材硬度，改善鋼材切削加工性，并為淬火作組織準備。

球化退火主要用于過共析鋼和共析鋼制造的刃具、量具、模具等零件。

3.

去應(yīng)力退火是為去除工件塑性形變加工、切削加工或焊接加工過程中造成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在

的殘余應(yīng)力而進行的退火。鋼材在去應(yīng)力退火的加熱及冷卻過程中無相變發(fā)生。

去應(yīng)力退火主要用于消除鋼制工件在切削加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等過程中產(chǎn)生的殘余

二、正火

正火是指工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的是細化晶粒，提高鋼材硬

度，消除鋼材中的網(wǎng)狀滲碳體，并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準備。

(1)改善切削性能。低碳鋼和低合金鋼退火后鐵素體所占比例較大，硬度偏低，切削加工時有“粘

刀”現(xiàn)象，而且表面粗糙度值較大。通過正火能適當提高硬度，改善切削加工性。因此，低碳鋼、低

合金鋼選擇正火作為預(yù)備熱處理；而Wc>0.5%

(2)消除網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作組織準備。對于過共析鋼，正火加熱到以上可使網(wǎng)狀碳

化物充分溶解到奧氏體中，空氣冷卻時碳化物來不及析出，則消除了網(wǎng)狀碳化物組織，同時細化了珠

(3)用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理，如鐵道車輛的

(4

三、教學(xué)重點與難點

1.重點：鋼材在加熱與冷卻時的組織轉(zhuǎn)變、退火與正火

2.難點：鋼材在加熱與冷卻時的組織轉(zhuǎn)變

四、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.列舉生活與生產(chǎn)中的實例進行講解。

2.利用多媒體資料進行短時演示。

五、小結(jié)與布置作業(yè)

教案七

一、教學(xué)組織

1.提問10分鐘

2.講解70分鐘

3.小結(jié)5分鐘

4.布置作業(yè)5分鐘

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊四

淬火是指工件加熱奧氏體化后以適當方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。

淬火時的臨界冷卻速度是指鋼材獲得馬氏

馬氏體是碳或合金元素在a-Fe中的過飽和固溶體，是單相亞穩(wěn)組織，硬度較高用符號M表示。馬

氏體的硬度主要取決于馬氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)。馬氏體中由于溶入過多的碳原子，使a-Fe晶格發(fā)生畸

一、淬火的目的

淬火的目的主要是使鋼件得到馬氏體(或貝氏體)組織，提高鋼件的硬度和強度，與回火工藝合理

配合，更好地發(fā)揮鋼材的性能潛力。

二、淬火加熱溫度與淬火介質(zhì)

1.淬火加熱溫度

亞共析鋼淬火加熱溫度為Acs以上30℃?50

共析鋼和過共析鋼淬火加熱溫度為As以上30℃?50

2

三、淬火方法

(D單液淬火。它是將已奧氏體化的鋼件在一種淬火介質(zhì)中冷卻的方法。例如，低碳鋼和中碳鋼在

(2)雙液淬火。它是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強的介質(zhì)中，在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)

變時立即轉(zhuǎn)入冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法，稱為雙液淬火。例如，先在水中冷卻后在油中冷卻的

(3)馬氏體分級淬火。工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中，保持適

當時間，在工件整體達到冷卻介質(zhì)溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為馬氏體分級淬

火。馬氏體分級淬火能夠減小工件中的熱應(yīng)力，并緩和相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力，減少淬火變形。馬氏

⑷貝氏體等溫淬火。工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

貝氏體的淬火。貝氏體等溫淬火可用來處理各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的小型復(fù)雜工件。

模塊五回火

回火是指工件淬硬后，加熱到As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。

回火的目的是消除和減小內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，調(diào)整性能以獲得較好的強度和韌性配合。

一、鋼材在回火時組織和性能的變化

隨著回火溫度的升高，淬火組織將發(fā)生一系列變化，根據(jù)組織轉(zhuǎn)變情況，回火時的組織轉(zhuǎn)變過程

一般分為四個階段：馬氏體分解、殘余奧氏體分解、碳化物轉(zhuǎn)變、碳化物的聚集長大與鐵素體的再結(jié)

二、回火方