金属材料与热处理
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金属材料与热处理. 专 业: 09 机电 /09 高数 主讲教师:. 第一章:金属的结构与结晶 §1-1 金属的晶体结构 ★学习目的:了解金属的晶体结构。 ★重点:有关金属结构的基本概念: 晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体,金属晶格的三种常见的类型。 ★难点:金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。. §2-1 金属的晶体结构. 一、晶体与非晶体 1 、 晶体: 所谓晶体是指其原子(离子或分子)在空间呈规则排列的物体。

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金属材料与热处理

专 业:09机电/09高数

主讲教师:


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第一章:金属的结构与结晶§1-1金属的晶体结构★学习目的:了解金属的晶体结构。★重点:有关金属结构的基本概念: 晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体,金属晶格的三种常见的类型。★难点:金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。


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§2-1金属的晶体结构

一、晶体与非晶体

1、晶体:所谓晶体是指其原子(离子或分子)在空间呈规则排列的物体。

(晶体内的原子之所以在空间是规则排列,主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。)原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。

2、 非晶体:在物质内部,凡原子呈无序堆积状态的(如普通玻璃、松香、树脂等)。

非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

二、金属晶格的类型

★晶体结构的概念

1、晶格和晶胞

晶格:把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。

晶胞:构成晶格的最基本单元。


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2、晶面和晶向

晶面:点阵中的结点所构成的平面。

晶向:点阵中的结点所组成的直线。

由于晶体中原子排列的规律性,可以用晶胞来描述其排列特征。

(阵点(结点):把原子(离子或分子)抽象为规则排列于空间的几何点,称为阵点或结点。点阵:阵点(或结点)在空间的排列方式称晶体。

晶体 晶格


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晶胞 晶面 晶向晶体规则排列示意图


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★金属晶格的类型

1、是指金属中原子排列的规律。

2、体心立方晶格:体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体,并且在立方体的体中心还有一个原子。

属于这种晶格的金属有:铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe


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3、面心立方晶格:面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体,但在立方体的每个面上还各有一个原子。

属于这种晶格的金属有:Al、Cu、Ni、Pb(γ-Fe)等


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4、密排六方晶格:由12个原子构成的简单六方晶体,且在上下两个六方面心还各有一个原子,而且简单六方体中心还有3个原子。

属于这种晶格的金属有铍(Be)、Mg、Zn、 镉(Cd)等。


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三、单晶体与多晶体

1、晶粒:金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的,小晶体称为晶粒。

2、晶界:晶粒间交界的地方称为晶界。

3、单晶体:只由一个晶粒组成的晶体。(晶格排列方位完全一致。必须人工制作,如单晶硅。)

4、多晶体:整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。(普通金属材料都是多晶体)

四、晶体的缺陷

1、晶体缺陷:晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。

1)空位、间隙原子和置代原子

晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。


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2)位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错

局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

( 线缺陷)


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3)晶界和亚晶界


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【小结】学生总结本次课的内容

【作业】P11/1、2、3


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§1-1纯金属的结晶

学习目的:★掌握金属结晶的概念,纯金属冷却曲线、及过冷度。

★掌握纯金属的结晶过程。

★熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。

★同素异构转变的概论,掌握铁的同素异构转变式。

教学重点与难点:

★细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。

★纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。


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教学过程。

复习旧课:

1、晶体结构的概念。

2、常见的三种金属晶格类型。

3、晶体的缺陷。

导入新课:

金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。

一、纯金属的结晶过程

1、纯金属的冷却曲线及过冷度。

1)金属的结晶必须在低于其理论结晶温度(熔点To )下才能进行。

2)理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”(△T=To-T1)。


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3)金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。

(冷却速度越快,金属的实际结晶温度越低,过冷度也就越大。)

2、纯金属的结晶过程

1)在一定过冷度的条件下,金属液通过晶核形成 、晶核长大来完成其结晶过程。

二、晶粒大小对金属材料的影响

(一般室温下,细晶粒金属具有较高的强度和韧性。)

1、金属晶粒大小取决于结晶时的形核率 、长大速度。细化晶粒,则要形核率越高、长大速度越慢。

2、常用的细化晶粒的方法:

A、增加过冷度 B、变质处理 C、振动处理。

三、同素异构转变

1、金属在固态下,随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。


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2、具有同素异构转变的金属有:铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度,由低温到高温依次用希腊字母α,β,γ,δ等表示。

3、纯铁的同素异构转变:

1394℃ 912℃

δ-Fe → γ- Fe → α – Fe

体心 面心 体心


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4、金属的同素异构转变,也称为“重结晶”。

其与液态金属结晶有许多相似处:有一定转变温度,有过冷现象; 有潜热放出和吸收 ; 也由形核、核长大来完成。 不同处:∵属固态相变 ,∴ 转变需较大的过冷度;新晶核优先在原晶界处形核;转变中有体积的变化,会产生较大内应力。

【小结】

【作业】P11 4、5、6


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§2-2金属的力学性能

学习目的:★ 理解金属材料性能(工艺性能、使用性能)的概念、分类。

★掌握强度的概念及其种类、应力的概念及符号。

★掌握拉伸试验的测定方法;力——伸长曲线的几个阶段;屈服点的概念。

教学重点与难点

1、理解力——伸长曲线是教学重点;

2、强度、塑性是教学难点。


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教学过程:

复习

载荷可分为:静载荷、冲击载荷、交变载荷。

内力、应力的概念。

新课:

★力学性能的概念:力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。

力学性能包括:强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。

一、强度:

① 概念:金属在静载荷作用下,抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。

② 根据载荷作用方式不同,强度可分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。

一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

1、拉伸试样:拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。

Do:直径 Lo:标距长度 长试样:Lo=10do

短试样:Lo=5do


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力-伸长曲线: 如下图,以低碳钢为例

纵坐标表示力F,单位N;横坐标表示伸长量△L,单位为mm。

(1)oe:弹性变形阶段:

试样变形完全是弹性的,这种随载荷的存在而产生,随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。

(2)es:屈服阶段:

不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下,试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后,材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷


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(3)sb:强化阶段:

随塑性变形增大,试样变形抗力也逐渐增加,这种现象称为形变强化(或称加工硬化)。Fb:试样拉伸的最大载荷。

(4)bz:缩颈阶段(局部塑性变形阶段)

当载荷达到最大值Fb后,试样的直径发生局部收缩,称为“缩颈”。

工程上使用的金属材料,多数没有明显的屈服现象,有些脆性材料,不但没有屈服现象,而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。

3、强度指标:

(1)屈服点:

在拉伸试验过程中,载荷不增加(保持恒定),试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。

用符号Fel表示 ,计算公式:Fel=Fs/So

对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示,

计算公式:σ0.2=F0.2/So

屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。

材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据,也是评定金属材料性能的重要指标。


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(2)、抗拉强度:бb材料在断前所能承受的最大应力.

бb = Fb / So

注:零件在工作中所受的应力,不允许超过бb,否则会断裂.

∴它也是零件设计\选材的重要依据.

二、塑性:

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性由拉伸试验测得的。常用伸长率和断面收率表示。

1、 伸长率:

试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用δ表示:

计算公式:A=(l1-l0)/l0 ×100%

2、 断面收缩率:

试样拉断后,缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用ψ表示

Z=(SO-S1)/SO ×100%

金属材料的伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)数值越大,表示材料的塑性越好。

例、有一直径dO=10mm,lo=100mm的低碳钢试样,拉伸验时测得FS=21KN,Fb=29KN,d1=5.65mm,l1=138mm,求:Rel、Rm、A、Z。


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解:(1)计算SO,S1

S0=πd02/4 =3.14×102/4=78.5mm2

S1¬=πd12/4 =3.14×5.652/4=25mm2

(2)计算σs、σb

Fel=FS/SO=21×103/78.5 =267.5Mpa

Fm= Fb/SO=29×103/78.5 =369.4Mpa

(3)计算A、Z

A=(l1-l0)/l0×100%=(138-100)/100×100%=38%

Z=(S0-S1)/S0×100%=(78.5-25)/78.5×100%=68%

小结:抗拉强度是零件设计\选材的重要依据.

A、Z的值越大,表示材料的塑性就越好。

作业:P32 3、4、5


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§2-2金属的力学性能

学习目的:★了解疲劳强度的概念。

★ 掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。

★掌握冲击韧性的测定方法。

教学重点与难点

★布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的概念、硬度测试及表示的方法。


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§2-2金属的力学性能

教学过程:

复习:强度、塑性的概念及测定的方法。

新课:

一、硬度

●材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。(是衡量材料软硬程度的指标)

●根据硬度的试验方法可以把硬度分为:布氏硬度试验方法、洛氏硬度试验方法、维氏硬度试验方法。

1、布氏硬度

(1)布氏硬度的测试原理:用一定直径的球体(钢球或硬质合金),以规定的试验力压入试样表面,经规定保持时间后卸除试验力,然后用测量表面压痕直径来计算硬度。

用HBS(HBW)表示,S表示钢球、W表示硬质合金球

当F、D一定时,布氏硬度与d有关,d越小,布氏硬度值越大,硬度越高。

(2)布氏硬度的表示方法:符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件:1)球体直径;2)试验力;3)试验力保持的时间(10~15不标注)。

应用范围:主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。

缺点:耗时,测高硬度材料有限,压痕大,不宜成品及薄件


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布氏硬度试验原理图 洛氏硬度试验原理图


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练习、170HBS10/100/30 530HBW5/750

(1)表示用直径10mm的钢球,在9807N的试验力作用下,保持30S时测得的布氏硬度值为170。

(2)表示用直径5mm的硬质合金球,在7355N的试验力作用下,保持10~5s时测得的布氏硬度值为530。

2、洛氏硬度

(1)测试原理:

采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头,压入金属表面后,经规定保持时间后即除主试验力,以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

表示符号:HR

(2)标尺及其适用范围:

每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种,其中C标尺应用最为广泛。

见表:P21 2-2

不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较,可换算。

表示方法:符号HR前面的数字表示硬度值,HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。

(3)优缺点:

优点:①操作简单迅速,能直接从刻度盘上读出硬度值;②压痕小,可测成品及较薄工件;③测硬度范围大。

缺点:数值波动大


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3、维氏硬度。

(1)原理:

与布氏硬度试验相同。测量压痕对角线长度,从表中查出。

表示:与布氏硬度相同。

如:640HV30

表示用294.2N试验力,保持10S~15S测定的维氏硬度值为640。

(2)可测较薄的材料,也可测量表面渗碳、渗透层的硬度,可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度、准确。

二、冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

1、常用一次摆锤冲击弯曲,试验来测定金属材料的冲击韧性。

(1)冲击试验是利用能量守恒原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的冲击势能差。

(2)试样被冲断时所吸收的能量既是摆锤冲击试样所作的功,称为冲击吸收功。 符号用 AK 表示。

AK=GH1-GH2=G(H1-H2)


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(3)冲击吸收功(AK)除以试样缺口处的截面积(S0),即可得到材料的冲击韧度,用符号aK表示。aK = AK / S0 ; 单位 J / Cm2

(4)冲击韧度:是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。aK 值越大,表示材料的冲击韧性越好。

(5)实践中,绝大多数受冲击载荷的工件是在小能量多次冲击作用下而破坏的。(多次冲击损伤的积累→ 裂纹产生、扩展而引至的结果)

注:金材受大能量的冲击载荷作用时,其冲击抗力主取决于ak大小。而小能量多次的冲击载荷作用,其冲击抗力主取决于材料的强度和塑性。


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三、 疲劳强度

1、疲劳概念:

在交变应力作用下,零件所承受的应力低于材料的屈服点,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。

2、疲劳破坏的特征

①、疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形,断裂前没有预兆,而是突然破坏;

②、引起疲劳断裂的应力很低,常常低于材料的屈服点;

③、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。

小结:硬度的试验原理及表示方法。

作业:P32 6、7、8


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第三章 铁碳合金§3-1 合金及其组织

教学目的:

1、掌握合金的概念及无相的概念

2、掌握合金的组织概念、性能特点。

3、掌握固溶解,金属化合物质、混合物

教学重点与难点:

掌握合金的概念是教学重点。

掌握三种合金组织的名称及性能是教学难点。


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教学过程:

新课

1、合金的概念:

合金是一种金属元素与其它金属元素可非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

例如:普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金,碳素钢是由铁和碳组成的合金。

2、 组元或元的概念:

组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜 、锰组成的三元合金。(∵合金中元数目的多少,合金可分为:二元、三元、多元合金。)

3、相的概念

在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。

  • 注:合金的性能一般都是由组成合金的各相性能、数量、各相组合情况所决定。

    4、组织:所谓合金的组织,是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。


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∵合金中各组元之间结合方式不同,∴合金组织可分为:

一、固溶体

固溶体是一种组元的在子深入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。

溶入的元素称为溶质,而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。

1、分类:∵溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同,

∴可分为:

1)、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。

2)、置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固容体称为置换固溶体。

2、性能影响:

材料塑性变形抗力↑ → 强、硬度↑的现象称“固溶强化”(强化金材的重要途径)。

二、金属化合物

合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。

其性能物特点是熔点高,硬度高,脆性大。金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性,但塑性和韧性会降低。


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三、混合物:

两种或两种以上的相按一定质量分数组成的机械混合物质。

------各相仍保持自己原来的晶格;其性能取决于各相的性能、形态、数量、大小。

小结 :

  • 本次课讲解了工业上强化金属材料的重要手段分别有---

    1 形变强化; 2 细化晶粒; 3 固溶强化; 4 弥散强化


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§3-2铁碳合金相图

教学目的:

1、掌握铁碳合金相图,简化图各区域组织符号及名称。

2、掌握铁碳合金相图重要点线的含义,特别是共晶点,共析点及转变式。

3、熟悉掌握铁碳合金的分类。

教学重点与难点:

1、教学重点与难点是简化相图各区域的组织符号及转变。


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教学过程:

复习:

铁碳合金的五种基本组织:铁素体(F、α – Fe)、奥素体(A、γ- Fe)、渗碳体(Fe3C)、珠光体(P)、莱氏体(Ld)

导入新课:

  • 铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金,在不同温度条件下,具有不同的组织和性能;因此其应用和工艺处理应有不同的选择。为了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系,必须认识铁碳合金相图。

    一、铁碳合金相图的组成。

    1、铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下,不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。

    2、Fe——Fe3C相图中点、线的含义。

    (1)点的含义:

    A点:纯铁的熔点,15380C

    D点:渗碳体的熔点,12270C

    C点:共晶点,11480C LC (A+Fe3Ci)


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E点:C在γ-Fe中最大溶解度,C=2.11%

G点:纯铁的同素异构转变点,9120C,

α-Fe γ-Fe

S点:共析点, As P=(F+Fe3CⅠ)

(2)线的含义:

ACD线:液相线,在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。

AECF线:固相线,在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。

在ACD线与AECF线之间是结晶区,即过渡区。

GS线:从A中析出F的开始线,又称A3线

ES线:C在A中溶解度曲线,亦称为Acm线。

ECF:共晶线,温度为11487270C。

PSK线:共析线,7270C ,A1线

3、铁碳合金的分类

(1) 钢:0.0218%<C<2.11%的铁碳合金

亚共析钢:0.0218%<C<0.77%

共析钢:C=0.77%

过共析钢:0.77%<C<2.11%

(2) 白口铸铁:2.11%≤C<6.69%

亚共晶白口铸铁:2.11%≤C<4.3%

共晶白口铸铁:C=4.3%

过晶白口铸铁:4.3%<C<6.69%


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F:小结

G:布置作业:1、简画出铁碳合金相图。

2、解释共晶转变和共析转变。


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§3-3 碳素钢

教学目的:

1、掌握碳素钢的概念;

2、掌握Si、Mn、S、P对钢的性能影响;

3、掌握碳素钢的分类方法;

4、掌握碳素钢结构钢的牌号及用途。

教学重点与难点:

1、碳素钢的分类是教学重点;

2、碳素钢的常存元素对钢的性能影响是教学难点。


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教学过程:

  • 碳素钢的概念:

    含碳量大于0.0218%小于2.11%,且不含有特意加入合金元素的铁碳合金,称为碳素钢或碳钢。

    一、常存元素对钢的性能的影响

    1、硅

    1)来源:炼钢后期作脱氧剂带入;

    2)对钢的性能影响:提高钢的强度、硬度;

    3)是钢中的有益元素。

    2、锰

    1)来源:炼钢脱氧剂。

    2)对钢的性能影响:提高钢的强度与硬度。

    3)是钢中的有益元素。

    3、硫

    1)来源:生铁带入;

    2)对钢的性能影响:对钢造成热脆性;

    3)是钢中的有害元素。

    4、磷

    1)来源:生铁带入;

    2)对钢的性能影响,对钢造成冷脆性;

    3)是钢中的有害元素。


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二、碳素钢的分类

1、按钢的含碳量分类:

1)低碳钢:C≤0.25%

2) 中碳钢:0.25%<C<0.6%

3)高碳钢:C≥0.6%

2、按钢的质量分类:

1)普通钢:S≤0.05%,P≤0.045%

2)优质钢:S≤0.035%,P≤0.035%]

3)高级优质钢:S≤0.025%,P≤0.025%

3、按钢的用途分类:

1)结构钢:主要用于制造各种机械零件和工程构件。C<0.7%

2)工具钢:主要用于制造各种刀具、模具和量具。其含碳量大于0.70%

4、按冶炼时脱氧程度的不同分类

1)沸腾钢 2、镇静钢 3、半镇静钢

三、碳素钢的牌号及用途

1、 碳素钢结构钢:

1)牌号:Q屈服点数值,质量等级符号和脱氧方法符号;

2)性能:一般;

3)应用:厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。

4)例如:Q235-A?F:表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。


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四、碳素钢的牌号及用途

1、优质碳素结构钢:

1)牌号:用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。

2)、分类:

(1)、08~25钢,属于低碳钢

性能:强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好;

用途:冲压件、焊接结构件及渗碳件 如:深冲器件、压力容器等。

(2)、30~55钢 属于中碳钢

性能:较高的强度和硬度,是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。

用途:制作受力较大的机械零件。 如:连杆、曲轴、齿轮等

(3)、60钢以上 属于高碳钢。

性能:有较高的强度、硬度和弹性;

用途:制造较高强度、耐磨性和弹性的零件 如:气门弹簧、弹簧垫等.

2、碳素工具钢:

1) 牌号:T+数字(平均含碳量的千分数)

如:T12A:表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。


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2) T7~T8:钻头、模具等

T9~T10:丝锥、板牙等

T11~T13:锉刀、削刀等

3、铸造碳钢:

1)牌号:ZG+数字—数字

第一组数字:屈服点

第二组数字:抗拉强度值

如:ZG270—500,

2)应用:制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。

小结:

解释下列的牌号。

1)45钢 2) T8 3) T8Mn 4)T8A

作业:

P51 9、11、13


4 1 4 2

§4—1热处理的原理及分类§4—2钢在加热及冷却时的组织转变

教学目的:

1、了解钢在加热时的转变及A晶粒的长大。

2、掌握热处理概念、分类、热处理工艺曲线;钢加热及保温得目的。

3、掌握过冷奥氏体的等温转变图建立;

4、掌握过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能。

教学重点和难点:

1、A晶粒的长大是教学的重点。

2、过冷奥氏体的等温转变图建立;过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能是教学的难点。


4349635

§4—1热处理的原理及分类

教学过程:

新课:

1、 热处理:

热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

2、 热处理的目的:

①、提高零件的使用性能;②、充分发挥钢材的潜力;③、延长零件的使用寿命;④、改善工件的工艺性能,提高加工质量,减小刀具的磨损。

3、热处理方法有:退火、正火、淬火、回火及表面热处理。

但任何一种均由加热、保温、冷却三阶段所组成。

4、热处理使钢性能发生变化的原因:

由于铁有同素异构转变,从而使钢在加热和冷却过程中,发生了组织与结构变化。


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§4—2钢在加热及冷却时的组织转变

一、钢在加热时的转变

  • 热处理中,钢加热为获得A;且A晶粒大小、成分、均匀程度,对钢冷却后的组织、性能有重要的影响。

    1、钢的奥氏体化

    1)、奥氏体晶核的形成及长大;

    2)、残余渗碳体的溶解;

    3)、奥氏体的均匀化;

    2、在热处理工艺中,钢保温的目的是:

    ①、为了使工件热透;②、使组织转变完全;③、使奥氏体成分均匀。

    3、 奥氏体晶粒的长大:

  • 加热温度越高,保温时间越长,奥氏体晶粒越大

  • 由Fe-Fe3C相图可知,A1 、A3 、Acm是钢在极缓慢加热(或冷却)时的临界点。但实际冷速、热速较快,钢转变总有滞后现象。

  • 实际加热,钢转变总高于相图临界点,分别用:Ac1、Ac3 、Accm;

  • 实际冷却,钢转变总低于相图临界点,分别用:Ar1、Ar3、Arcm。


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二、钢在冷却时的转变

1)、钢经过加热获得A组织后,如在不同的冷却条件下冷却,可使钢获得不同的力学性能,组织也有明显的不同。

  • 为何存在差异? A在冷却过程中的组织变化规律?

    2)、热处理工艺中,常用的冷却方式:

    (1)、等温冷却转变; (2)、连续冷却转变。

    1、过冷A的等温转变:

  • A 在临界点A1以下是不稳定的,必会发生转变,但不是冷到A1以下立即发生,而是经一个孕育时期后才开始。

  • 这种在共析温度(A1)以下存在的A,----称为“过冷A”。

  • 过冷A在不同℃进行转变,将获得不同组织。

  • 能表示过冷A的转变℃、转变时间、转变产物之间关系的曲线,称为“等温转变图”。---简称为:C曲线

    三、相图分析:

    1、过冷A在A1以下等温转变的℃不同,则转变产物不同,在Ms以上,可发生两种类型的转变:


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1、P转变: A1 ~ 550℃范围等温。--分解转变为F、Fe3C 片混合物。 此P 转变区内,当等温℃↓,则 P 片层越薄→产物塑变抗力↑、бb和硬度↑。

∵等温温度和片层间距由大到小,∴分别有产物:

P(A1~650℃)、 S(650℃ ~ 600℃)、T(600℃ ~ 550℃)。

2、B 转变: 550℃ ~ Ms范围等温。---形成含过饱和碳的F+ Fe3C组成的非片层混合物,称为“贝氏体”

B 随A成分、转变温度不同有多种形态,常有:

  • B上----550℃ ~ 350℃间等温,呈羽状。

  • 硬度为40 ~ 45 HRC,塑性很差。

  • B下---350℃ ~ Ms间等温,呈黑针状。

  • 硬度为45 ~ 55 HRC,бb、塑性、韧性良好。

    3、 M(马氏体)转变:---是非扩散过程的转变

    1)、当钢从A 区急冷到Ms 以下时,A转变为M(碳在α- Fe中的过饱和固溶体)。

    ∵ 转变℃低,原子扩散能力小,在M转变过程中,只有晶格改变 γ-Fe→ α-Fe,而无碳原子的扩散。

  • 1)、M晶格特点: 体心正方晶格。

  • 2)、马氏体转变的特点:1转变是在一定的℃范围内(Ms ~ Mf)连续冷却中进行; 2转变速度极快; 3转变时体积发生膨胀,产生很大的内应力,工件易裂、变形; 4转变不完全性,在Mf以下仍有A残(使硬度、耐磨性↓)。


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3)、M组织形态:

针状M一般为C >1.0 %的钢淬火后所获得→高碳M.,硬度高、脆性大。

板条M --- 一般为C <0.2 %的钢淬火后所获得→低碳M.

良好бb,较好韧性.

当C =0.2 % ~ 1.0 %的钢淬火后可获得---针状M+板条M.

小结:

作业:P81 2


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§4—3热处理的基础方法

教学目的:

1、掌握退火、正火的概念、目的;

2、掌握退火的分类及应用。

教学重点与难点:

同上


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§4—3热处理的基础方法

教学过程:

复习旧课:

1、热处理方法有:退火、正火、淬火、回火及表面热处理。

2、钢在加热时的转变及钢在冷却时的转变。

导入新课:

一、退火与正火

1、概念:

将钢加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。

2、退火的主要目的是:

1)降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工;

2)细化晶粒,均匀钢的组织及成分,改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备;

3)消除钢中的残余内应力,以防止变形和开裂。

3、退火的方法:

1)完全退火:


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完全退火是将钢加热到完全奥氏体(Ac3以上30~50C),随之缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的工艺方法。(随炉冷)

应用:中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。

2)球化退火:球化退火是将钢加热到AC1以上20-30C,保温一定得时间,以不大于50C/H得冷却速度随炉冷却,使钢中的碳化物呈球状的工艺方法。

应用:适用于共析钢及过共析钢。

如碳素工具钢,合金工具钢、轴承钢等。

3)去应力退火:去应力退火是将钢加热到略低于A1得温度,保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法。

应用:消除塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余内应力。

二、正火

1、概念:

将钢加热到Ac3或Accm以上30-50C,保温适当的时间,在空气中冷却的工艺方法。

正火退火的目的基本相同,

2、正火主要用于如下场合:

1)、善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性;

2)、正火可细化晶粒;

3)、消除过共析钢中的网状渗碳体,改善钢的力学性能,并为球化退火作组织准备;

4)、代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火。


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小结:退火与正火的概念及目的。

作业:P81 1、4、5、6、7


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§4—3热处理的基础方法

教学目的:

1、了解钢的淬透性和淬硬性、淬火缺陷。

2、掌握钢的淬火的定义,加热温度,淬火冷却方法,淬火方法。

教学重点与难点:

1、钢的淬火的定义,加热温度,淬火冷却方法,淬火方法是重点。

2、钢的淬透性和淬硬性、淬火缺陷是难点。


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§4—3热处理的基础方法

教学过程:

复习旧课:

1、退火与正火的目的。

2、退火的分类。

导入新课:

一、淬火

1、概念:

将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度,保温一定时间,然后快速冷却,以获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火;

目的:主要获得马氏体,提高钢的强度和硬度。

2、淬火加热温度:

亚共析钢的淬火加热:Ac3以上30~50℃

共析钢和过共析钢的淬火加热:Ac1以上30~50℃


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3、淬火冷却介质:

1)淬火主要目的:获得M,∴V冷 > V临 ,但V冷过快 → 工件体积收缩,组织转变剧烈→ 内应力↑→ 工件易变形、开裂。 ∴淬火介质的选择很重要。

2)、由C曲线可知,要获得M-----无需在整个冷却过程中都快关键在C曲线鼻尖附近快冷。∴在高温段650℃——550℃冷却速度要足够快,而低温段300℃以下要足够慢。

3)常用淬火冷却介质: 油、水、 盐水、碱水等。

其中碳钢适用冷却介质--- 一般为“水”;合金钢 ---“油”。

4、淬火方法:

1)、单液淬火法

2)、双介质淬火:如,先水后油;先水后空气。

3)、马氏体分级淬火;

4)、贝氏体等温淬火。

5、钢的淬透性、淬硬性

1)、淬透性

、指在规定条件下,钢淬火冷却时所获M组织深度的能力。

、用不同的钢制成相同形状、尺寸工件,在同样的淬火条件下,淬透性好的钢获M深度较深;淬透性差的钢获M深度较浅。


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、淬透性与钢的V临有关;当钢的V临越低→钢的淬透性越好。

  • →钢的淬透性越好,淬火回火后截面组织均匀、综合力学性能好。

  • 钢的淬透性越好—在冷却时可用较缓和冷却介质,↓变形开裂。

  • 淬透性好的钢,其淬硬性不一定好。

    2)淬硬性: 指钢淬火后所能达到的最高硬度的能力。

    、淬硬性主要取决于:钢中的含碳量。C% ↑ ,钢淬硬性↑ 。

    、淬硬性与淬透性是两个完全不同的概念。

    6、淬火缺陷:

    1)、氧化与脱碳

    2)、过热和过烧

    3)、变形与开裂

    4)、硬度不足

    5)、软点

    小结:


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§4—3热处理的基础方法

教学目的:

1、掌握回火的概念、目的;

2、掌握淬火钢回火时组织与性能的变化;

3、重点掌握回火的分类及应用,调质;

教学重点与难点:

钢的回火分类及应用是教学重点与难点。


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§4—3热处理的基础方法

教学过程:

复习旧课:

1、淬火的概念及淬火方法、应用。

2、钢的淬火缺陷。

导入新课:

一、回火

1、概念:

将钢淬火后,再加热到Ac1点以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

2、回火目的:

1)消除内应力;

2)获得所需要的力学性能;

3)稳定组织和尺寸。

3、淬火钢在回火时组织与性能的变化


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1)马氏体分解;

2)残余奥氏体分解

3)渗碳体的形成

4)渗碳体的聚集长大。

其基本的趋势是:随着回火温度的升高,钢的强度、硬度下降,而塑性、韧性提高。

4、回火的分类及应用。

1)淬火钢回火的组织转变过程是由非平衡组织→平衡组织转变,依靠原子扩散而进行的,原子扩散速度取决于温度,温度越高,扩散速度愈高。决定钢回火后的组织、性能的主因素是:回火温度。

2)回火温度根据工件要求的力学性能来选择。

3)回火种类有:

、低温回火:(150 - 250℃)--获回火M

工件性能:保持高硬度(58-64 HRC)和耐磨性,一定的韧性(↓钢的淬火应力、脆性)。

中温回火:(350 - 500℃)--获回火T

工件性能:高弹性极限、δS和适当韧性,硬度可达:35-50HRC。

主用于:弹性零件、热锻模具等。


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高温回火:(500 - 650℃)--获回火S

工件性能:良好的综合力学性能(足够强度、高韧性,硬度15-36 HRC)。

广泛用于:受力构件。如:螺栓、连杆、齿轮、曲轴等 。

注:1、 淬火 +高温回火 → 称为“调质”处理。

小结

作业:


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§4—4钢的表面热处理

教学目的:

1、掌握钢的表面热处理概念、两种方法;

2、掌握钢的渗碳的原理及热处理方法;

教学重点与难点:

1、掌握钢的表面热处理概念、两种方法是重点;

2、掌握钢的渗碳的原理及热处理方法是难点;


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§4—4钢的表面热处理

教学过程:

复习旧课:

1、回火的概念及回火的方法、应用。

导入新课:

概述:

在机械设备中,有许多零件(如齿轮、活塞销、曲轴等)是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性,而心部要有足够的塑性和韧性。这类零件要进行表面热处理

常用的表面热处理方法有:表面淬火及化学热处理。

一、表面淬火

对工件表面进行淬火的工艺称为表面淬火。

1、火焰加热表面淬火

、工艺:应用氧—乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行快速加热并随后冷却。

、特点:淬硬层深度一般为2mm—6mm。加热温度及淬硬层不易控制,易产生过热和加热不均匀现象,淬火质量不稳定。


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2、感应加热表面淬火

、工艺:利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件的表面受到局部加热,并进行快速冷却。

、加热速度快;淬火质量好;淬硬层深度易于控制。

二、化学热处理

1、化学热处理的过程:

分解——吸收——扩散

2、钢的渗碳

、工艺:将钢件置于渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入工件表层。

、目的:提高钢件表层的含碳量。

、渗碳后的工件需经淬火及低温回火。

3钢的渗氮

4、碳氮共渗


5 1 5 2

§5—1合金元素在钢中的主要作用§5—2合金钢的分类和牌号

教学目的:

1、掌握合金钢的概念、合金元素在钢中的主要作用;

2、掌握合金钢的分类和牌号。

教学重点难点:

1、合金钢的牌号是教学的重点难点。


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§5—1合金元素在钢中的主要作用

教学过程:

新课:

▲ 碳素钢的不足:

1、淬透性差。

2、回火稳定性差。

3、综合机械性能差。

4、不能满足某些特殊场合的要求。

▲ 合金钢定义:

合金钢就是在碳钢的基础上,改善钢的性能,在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。

一、合金元素在钢中的主要作用

1、强化铁素体

2、形成合金碳化物

、合金渗碳体 、特殊碳化物

3、细化晶粒


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4、提高钢的淬透性

5、提高钢的回火稳定性

§5—2合金钢的分类和牌号

一、合金钢分类:

1、按用途分类:

合金结构钢--主用于工程结构、机零件的制造。

合金工具钢,-- 主用于刀、模、量具件等的制造。

特殊性能钢.—有特殊物理、化学性能的钢。

2、按合金元素总量分类:

低合金钢 ωMe < 5%

中合金钢 ωMe = 5% ~10%

高合金钢 ωMe > 10%

二、合金钢的牌号:

1、合金结构钢:主用于工程用钢、机械零件制造用钢。

牌号表示----两位数+ 元素符号+ 数字

平均碳--万倍; 主加元素,元素平均百分含量(<1.5%不标)

如: 20CrMnTi 、 60Si2Mn


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2、合金工具钢:

牌号表示----一位数+ 元素符号+ 数字

平均碳—千倍(> 1.0%不标); 主加元素,元素平均百分含量(<1.5%不标) 如: 9SiCr 、 CrWMn;

注:而高速钢则不论含碳量多少均不标出, 如:W18Cr4V 。

3、特殊性能钢:----如常用的:不锈钢

牌号表示与合金工具钢表示同。但元素种类、含量有差异。

如:2Cr13—海轮机叶片;0Cr19Ni9;1Cr18Ni9-储槽、容器等。

注:∵不锈钢中C% ↑ ,钢强、硬度↑ ,而耐腐蚀性↓ 。

∴在含C = 0.03% ~ 0.1%时,牌号冠首加“0”;

在含C ≤ 0.03% 时, 牌号冠首加“00”。---耐腐蚀性好

4、特殊专用钢:---如常用的:滚动轴承钢

牌号表示---- G + Cr +“数字”+其它 元素号+ 数字

平均Cr—千倍; 主加元素, 元素平均百分含量。

小结:


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§5-3 合金结构钢

教学目的:

1、了解合金结构钢的分类及应用。

2、掌握合金结构钢的热处理工艺。

教学重点与难点:

合金结构钢的热处理工艺。


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§5-3 合金结构钢

教学过程:

复习:


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§6-1铸铁的组织与分类

教学过程:

1、了解铸铁的组织和性能及铸铁的石墨化过程及影响因素。

2、掌握铸铁的分类。

教学重点和难点:

1、铸铁的分类是教学重点。

2、铸铁的组织及铸铁的石墨化过程及影响因素

是教学的难点


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§6-1铸铁的组织与分类

教学过程:

新课:

1.特点

1)成分

  • C﹥2.11%的铁碳合金称为铸铁,特点是含有较高的C和Si,同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。常用铸铁的成分为:

  • 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si,0.5~1.4%Mn,0.01~0.50%P,0.02~0.20%S。

  • 为提高铸铁性能,常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金铸铁。

  • 2)组织

  • 铸铁中C、Si含量较高,C大部分、甚至全部以游离状态石墨(G)形式存在。

    2)性能

  • 铸铁的缺点是由于石墨的存在,使它的强度、塑性及韧性较差,不能锻造,优点是其接近共晶成分,具有良好的铸造性;由于游离态石墨存在,使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前,许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。


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一、铸铁的石墨化

1.铸铁的石墨化

①、G为六方晶格。基面上原子以共价键结合,基面之间原子以范氏键结合,因此铸铁的强度、塑性及韧性极低。

②、从热力学讲,G为稳定态,而Fe3C为亚稳态。在冷却速度非常缓慢或加入石墨化元素,可促使碳按石墨转变。但是,当冷却速度较快时,由于成分起伏及结构起伏(L、A和Fe3C的成分更接近)的原因,也可析出渗碳体。

2、石墨化的途径

①、从液态中直接结晶出或从奥氏体中直接析出。

②、也可以先结晶出渗碳体,再由渗碳体在一定条件下分解而得到(Fe3C→3Fe+C)

高温时,石墨化过程进行比较完全;低温时,若冷却速度较快,石墨化过程将部分或全部被抑制。

3、影响石墨化的因素

影响石墨化的因素主要是铸铁的成分和冷却速度。

1)成分:

  • 合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素,顺序为:

  • Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中,Nb为中性元素,向左促进程度加强,向右阻碍程度加强。


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  • C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素,为综合考虑它们的影响,引入碳当量CE = C% + 1/3Si%,一般CE≈4%,接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素,降低铸铁的铸造和力学性能,控制其含量。

    2)冷却速度

  • 冷速越快,不利于铸铁的石墨化,这主要取决于浇注温度、铸型材料的导热能力及铸件壁厚等因素。冷速过快,第二阶段石墨化难以充分进行。

    二、铸铁的组织与性能的关系

    1、铸铁的力学性能主要取决于基体的组织和石墨的形态、数量、大小以及分布状态。

    1)数量:G破坏基体连续性,减小承载面积,是应力集中和裂纹源,故G越多,抗拉强度、塑性及韧性越低;

    2)大小:越粗,局部承载面积越小,越细,应力集中越大,均使性能下降,故有适合尺寸(长度0.03~0.25mm);

    3)分布:越均匀,性能越好;(4)由片状至球状,强度、塑性及韧性均提高。

    2.基体

  • F基体塑性和韧性好,P基体强度、硬度及耐磨性高。


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三、铸铁的分类

1、分类:灰铸铁、白口铸铁、麻口铸铁。

2、石墨形态分类:普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。

小结:

作业:


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§6—2常用铸铁简介

教学目的:

1、了解铸铁的成分、组织及性能。

2、理解灰铸铁的孕育处理。

3、掌握铸铁的牌号及常用的热处理方法。

教学重点与难点:

1、铸铁的牌号及热处理的方法是教学的重点难点。


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§6—2常用铸铁简介

教学过程:

复习旧课:

1、根据铸铁中石墨形态的不同,还可以将铸铁分为:

灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。

导入新课:

一、灰铸铁

1、灰铸铁的成分与组织

1)、成分:含C量:2.7%~3.6%、含Si量:1.0%~2.2%、S<0.15%、P<0.3%。

2)、组织:由金属基体和在基体中分布的片状石墨组成。(铁素体灰铸铁、铁素体——珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁)

2、灰铸铁的性能和孕育处理

1)、性能:良好的切削加工性能、铸造性能、耐磨性、减震性、以及低的缺口敏感性。

2)、孕育处理:在浇注前往铁水中投入少量的硅铁、硅钙合金等作为孕育剂,使铁水内产生大量均匀分布的晶核,使石墨及基体组织得到细化。


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3、灰铸铁的牌号及用途

1)、HT(灰铁)+三位数字(表示最小抗拉强度数值)。

二、可锻铸铁

▲俗称马钢、玛钢。是白口铸铁通过石墨化退火,使渗碳体分解成团絮状的石墨而获得的。

1、可锻铸铁的组织与性能

1)、生产过程:首先铸造成白口铸铁件,然后进行长时间的石墨化退火。

2)、根据退火的工艺不同,可形成:铁素体基体的可锻铸铁、铁素体——珠光体基体的可锻铸铁、珠光体可锻铸铁。

3)、成分:C:2%~2.8%、Si:1.2%~1.8%、Mn:0.4%~0.6%、P<0.1%、S<0.25%.

2、可锻铸铁的牌号及用途

1)、由三个字母及两组数字组成。KT(可铁)第三个字母表示可锻铸铁的类别:H表示黑心可锻铸铁,Z表示珠光体可锻铸铁。后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和断后伸长率。

三、球墨铸铁

▲铁水在浇注前经球化处理,使析出的石墨大部分或全部呈球状的铸铁。

(加入球化剂:如纯镁、镁合金、稀土镁合金)


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1、球墨铸铁的组织与性能

1)、成分:C:3.6%~3.9%、Si:2.0%~2.8%、Mn:0.6%~0.8%、S<0.07%、P<0.1%

2)组织:石墨呈球状

3)、按其基体组织不同,可分为铁素体球墨铸铁、铁素体——珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。

2、球墨铸铁的牌号及用途

1)、QT(球铁)及两组数字组成,两组数字分别代表最低抗拉强度和断后伸长率。

四、蠕墨铸铁

1、在高碳、低硫、低磷的铁水中加入蠕化剂(目前采用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金),经过蠕化处理后,使石墨变成蠕虫状的高强度铸铁。


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2、性能:介于片状石墨和球状石墨之间。

3、牌号:RUT+三位数字(数字表示最低抗拉强度)

小结:

作业:P116 4、8


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§7—1铜及铜合金

教学目的:

掌握铜及铜合金的分类、牌号、性能及用途。

教学重点与难点:


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§7—1铜及铜合金

教学过程:

新课:

▲金属材料分为黑色金属和有色金属。

▲铁及其合金是黑色金属,其他的金属属于有色金属。

▲有色金属中密度小于3.5g/cm3 称为轻金属,密度大于3.5g/cm3 称为重金属。

一、纯铜(Cu)

1、物理性能:密度为8.9×103 kg/m3 ,熔点为1083℃,良好的导电导热。

2、化学性能:在大气及淡水中有良好的耐蚀性能。

3、力学性能:良好的塑性易于冷、热压力加工。

4、成分:杂质0.05%~0.3%;铜99.7%以上。


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工业纯铜 :T1、T2、T3

5、按化学成分分类:

无氧铜:TU1、TU2

二、铜合金

▲分类:黄铜、青铜、白铜。

1、黄铜

1)、黄铜是以锌为主加合金元素的铜合金。

2)、按所含合金元素的种类可分为:普通黄铜和特殊黄铜

(1)、普通黄铜

、是Cu—Zn的二元合金。

、成分和性能:含锌量在32%以下时,随含锌量的增加,黄铜的强度和塑性不断提高,当含量在32%时,塑性达到最高峰值。

含 锌量在45%时,强度达到最高峰值。


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(2)特殊黄铜

、是在普通黄铜的基础上加入Sn、Si、Mn、Pb、Al等元素所形成的铜合金。

、比普通黄铜具有更高的强度、硬度和耐蚀性。

(3)、牌号:

普通压力加工黄铜:H+平均含铜量表示

特殊压力加工黄铜:H+主加元素符号(除锌外)+平均含铜量+主加元素含量表示。

铸造黄铜:ZCu+主加元素符号+主加元素含量+其他加入元素符号及含量组成。

2、白铜

1)、以镍为主加合金元素的铜合金。

2)、性能:具有高的耐蚀性和优良的冷热加工成形性。

3)、牌号:用“B”加镍含量表示,三元以上用“B”加第二个主添元素符号及除基元素铜外的成分数字组表示。


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小结:

作业:


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