机械制造基础教案(全套)
《机械制造基础》
教案
第一讲绪论
课题：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法
2、讲解机械制造一般过程概述
教学要求：1、理解机械制造的一般过程
2、明确本课程的研究对象、内容、方法
教学重点：1、机械制造的一般过程
教学难点：1、机械制造的一般过程
教具：多媒体图片
教学方法：多媒体讲解、课堂提问
教学过程：
一、案例导入：
本课程题目为《机械制造基础》，因此我们研究的内容都是围绕机械制造过程展开的。那么到底机械制造过程有哪些呢？
二、教学内容：
1.本课程学习意义
熟悉各种工程材料性能，合理选择材料；
初步掌握和选用毛坯或零件的成形方法及机械零件表面加工方法；
选用公差配合
了解工艺规程制订的原则与方法
扩大知识面（特种加工技术、先进制造技术）
2.本课程知识体系
“工程材料”部分：以剖析铁碳合金的金相组织为基础，以介绍工程材料的性质和合理选材为重点；
热加工工艺基础：“铸造”、“锻压”、“焊接”，认识这些加工方法的用途和实现方法；
互换性与测量技术：理解公差配合概念与选用；
机械加工工艺基础：“毛坯选择”、“金属切削加工技术”、“机械零件表面加工技术”、“机械加工工艺规程编制”
特殊加工与先进制造技术：了解用途与应用场合
3.学习方法
总结归纳各章节学习目的，形成完整知识体系（宏观）
突出各章重点与细节，加深对知识点的深入认识（微观）
在相关生产实习过程中，遇到实际问题，结合课本知识，继续自学
4.机械制造的概念
将原材料（毛坯）和相关辅料转变成为成品（机械零件）的过程
5.机械制造主要过程
技术准备毛坯制造零件加工产品检验和装配产品检验和装配
（1）技术准备阶段
制订工艺规程
原材料选则与供应
刀具、夹具、量具的配备
热处理设备和检测仪器的准备
（2）毛坯制造阶段
方法多种，常见的有铸造、锻压、焊接和型材
铸造：金属液态成形，各种尺寸、形状复杂的毛坯或零件。（适应性广、成本低廉）锻压：用外力对金属坯料施压使其产生塑性变形（锻造与冲压，改善金属的力学性能，生产效率高、节省材料）
焊接：相互分离的金属材料借助于原子间的结合力连接起来。（连接性好、省工省材料、结构重要轻）
型材：直接从型材厂购买
（3）零件加工阶段
金属切削加工是主要加工手段。（车、铣、钻、镗、磨、刨、插、拉）等
特种加工应用日趋广泛（电火花、电解、超声波、激光、电子束、离子束、等离子弧、化学等等）
选择原则：零件批量、精度、表面粗糙度、技术实现方式，价格成本等等综合考虑（4）产品检验和装配
零件检验目的：使零件加工误差在允许范围内
零件检验对象：一般场合，工序、加工过程中的尺寸变化、加工完成后几何形状误差；在要求高的场合（重载、高压、高温、可靠性要求很高）内部性能（缺陷检验、力学性能、金相组织检验）
装配：遵守严格的装配规范。
三、小结：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法
2、讲解机械制造一般过程概述
a)技术准备
b)毛坯制造
c)零件加工
d)产品检验和装配产品检验和装配
四、作业：预习第一章工程材料
第二讲金属的力学性能
§1.1金属的力学性能
课题：1、金属的力学性能指标及测量方法
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解金属的力学性能指标及测量方法
教学要求：1、掌握金属的力学性能指标及测量方法
教学重点：1、强度指标的定义与分类
2、硬度指标的定义与分类
教学难点：1、金属的各力学指标的概念、测量方法
教具：多媒体图片、表格
教学方法：多媒体讲解
教学过程：
一、案例导入：
在绪论部分的讲解中，我们已经明确了本课程的研究对象——机械制造过程。在进行机械制造时，首先进入技术准备阶段。在技术技术准备中，要完成相关的工作。这些工作中，有一项是非常重要的，那就是选择材料。那么怎么选择材料呢？首先得研究常见的材料的性质，只有掌握了材料的特征性质才能顺利进行选材。那么材料的性质有哪些呢？
二、教学内容：
1. 金属材料的性能
金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。其中，工艺性能是指制造过程中表现出的性能，包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能。使用性能是指在使用过程中表现出来的性能。
物理性能有熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性等。物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。本章节主要研究的是力学性能对工艺性能的影响。金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。常见的指标有：
强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。
1.2.1 强度
1拉伸试验
国标GB/T228—2002标准拉伸试样
2力一伸长曲线
3弹性与塑性
1)弹性金属材料受外力作用时产生变
形，当外力去掉后能回复其原来形状的
性能，叫做弹性（OP直线）。
2)弹性变形随着外力消失而消失的变
形，叫做弹性变形。
3)塑性金属材料在外力作用下，产生永
久变形而不致引起破坏的性能叫做塑
性（PE曲线）。
4)塑性变形在外力消失后留下来的这
部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。
4强度
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。屈服强度Re、抗拉强度Rm
1)屈服点与屈服强度
金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点(S点)，用符号Re 表示。
Re =Fs/Ao 式中 Fs—试样发生屈服时的载荷（N）;
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点，按GB/T2228规定，可用条件屈服强度Rr0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即
r0.2=F0.2/Ao 式中 F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
2)抗拉强度
金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号Rm表示。
R m=Fb/Ao 式中 Fb—试样在断裂前所承受的载荷（N）；
Ao—试样原始横截面积（mm2）。
1.1.2塑性
金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。
通过拉伸试验可测定材料的塑性。
常用的塑性指标有断后伸长率 和断面收缩率ψ。
δ=(L1-L0)/L0 ψ=(F0-F1)/F0 1.1.3 硬度
硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW 、洛氏硬度（HRA 、HRB 、HRC 等）和维氏硬度HV 。 1 布氏硬度
（1） 布氏硬度试验原理
22
0.102()
HBW D D D d π=?
--
式中 F —试验力（N ）； d —压痕平均直径（mm ）； D —硬质合金球直径（mm ） （2） 选择试验规范
根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D ，施加的试验力F 和试验力保持时间，按表1—1所列的布氏硬变试验规范正确选择 。
（3） 试验的优缺点
优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。 缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。 （4） 应用
布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。
2 洛氏硬度
（1） 洛氏硬度测量原理 洛氏硬度HR=K-h/s
式中，K 为给定标尺的硬度数，S 为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。
（2） 常用洛氏硬度标尺及适用范围 （3） 试验优缺点
优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于HRA 和HRC 采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。
缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值 3 维氏硬度 （1） 试验原理
维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV 。
HV=0.102×2F×Sin1360/2/d2=0.189F/d2 式中 F—作用在压头上试验力（N）；d—
压痕两对角线长度的平均值（mm）。
（2）常用试验力及其适用范围
维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03—980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。
维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。
（3）试验优缺点
优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例
关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。
缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度
试验高。
1.1.4 冲击韧度
1冲击试验方法与原理
一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行。
试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m的摆锤抬到高H，使摆锤具有位能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHg—mhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H-h) 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2.
aK=AK/SN
2冲击试验的实际意义
（1）韧脆转变温度
材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。
（2）衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量
冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。
目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。
1.1.5 疲劳强度
1疲劳概念
虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。
据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。
2疲劳曲线与疲劳极限
试验证明，金属材料所受最大交变应力Rmax 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力Rmax 与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或S—N曲线。
工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号R-1表示。
3提高材料疲劳极限的途径
a）.设计方面尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。
b）.材料方面通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起
的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。
c）.机械加工方面要降低零件表面粗糙度值。
d）.零件表面强化方面可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。
补充：断裂韧度
金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。
三、小结
学习了金属的力学性能指标，包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度
四、布置作业
习题：1、2
第三讲金属的晶体结构与结晶
§1.2铁碳合金
课题：1、金属的晶体结构与结晶
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解金属的晶体结构与结晶
教学要求：1、掌握晶体的结构、特性，常见金属的晶体结构
2、区别单晶体与多晶体的结构、性能差异，理解晶体缺陷对金属性能的影响
3、掌握金属的结晶过程，细化晶粒的常见方法
教学重点：1、金属晶体的结构对金属性能的影响
2、细化晶粒的目的与常见方法
教学难点：1、金属晶体的结构对金属性能的影响
2、细化晶粒的目的与常见方法
教具：多媒体图片
教学方法：多媒体讲解
教学过程：
一、案例导入：
上一讲，已对金属材料的力学性能，及其常见指标，进行了讲解（提问，哪些常见力学性能指标？）。那么这些描述金属材料的指标，是由什么影响和决定的呢？在这讲中，将对材料本身的结构上，进行研究和讲解，从而揭示出影响材料性能的原因。并从这些影响因素出发，通过工艺方法，改善及强化材料的性能。
二、教学内容：
1.晶体的基本概念
（1）、晶体
按原子内部堆积规则，将固态物质，分为晶体和非晶体。晶体中的原子或分子，在空间排布
时，按照一定的几何规则作周期性的重复排列。晶体特性：具有一定熔点且呈各向异性。哪些物质是晶体呢？（自然界除了玻璃、松香、石蜡等，都是晶体）
（2）、晶格、晶胞、晶格常数（在PPT中，通过与图片讲解。）
晶格：将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架称为晶格。晶胞：由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，且由最少数原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞。
晶格常数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数。a,b,c;α,β,γ
2.常见金属的晶体结构（在PPT中，结构通过与图片讲解。）
a.体心立方晶格α-铁、铬、钼、钨、钒
b.面心立方晶格γ-铁、铜、铝、镍等
c.密排六方晶格铍、镁、锌、镉等
3.金属的实际晶体结构
(1)单晶体和多晶体概念
单晶体：晶体内的晶格位向完全一致的晶体。
多晶体：由多晶粒组成的实际晶体结构。
而实际的金属晶体是由许多不同方位的晶粒所组成。
晶粒与晶粒这间的界面称为晶界。
课堂提问：多晶体有没有各向异性的特性呢？
实际金属结构
金属的结构特点：是晶体；是多晶体；晶体内部有缺陷
(2)晶体缺陷
（a）点缺陷：点缺陷的存在使金属能够比较容易的发生扩散现象
（b）线缺陷-位错：位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
（c）面缺陷：面缺陷的存在使金属的强度提高
4金属的结晶
（1）、纯金属结晶的条件
结晶的概念
理论结晶温度与实际结晶温度：过冷度ΔT
金属结晶的必要条件：一定的过冷度
（2）、纯金属结晶的规律
金属的结晶过程→形核与长大过程
枝晶形成的原因：优先长大方向；金属不纯净；散热不均匀。
（3）晶粒大小与金属力学性能的关系
实际金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织。在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能影响很大。
1）冷却速度：冷却速度↑→过冷度↑→形核率↑→晶粒度↓
2）变质处理：人工晶核→晶粒度↓
3）附加震动：枝晶数量↑→晶粒度↓
三、总结
学习了金属的晶体结构与结晶过程，细化晶粒的原因、目的、方法
四、布置作业
习题：5；6；7
第四讲合金的晶体结构与铁碳合金相图
§1.2铁碳合金
课题：1、合金的晶体结构
2、铁碳合金相图
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解合金的晶体结构
2、讲解铁碳合金相图
教学要求：1、掌握合金的晶体结构中的基本相结构
2、掌握铁碳合金相图画法及应用
3、掌握碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
教学重点：1、铁碳合金相图画法及应用
2、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
教学难点：1、铁碳合金相图画法及应用
2、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
教具：多媒体图片
教学方法：多媒体讲解
教学过程：
四、案例导入：
上一讲，已对金属的晶体结构与结晶，进行讲解，重点讲解了金属晶体的结构对金属性能的影响，并在此基础上讲解了细化晶粒的目的与常见方法（提问细化晶粒的目的与常见方法？）。那么常见的合金的晶体结构与结晶过程又是怎么样的呢？首先对合金的晶体结构中的基本相结构进行讲解，然后以常见的铁碳合金的结晶过程进行讲解，得出铁碳合金中碳含量对铁碳合金性能的影响。
五、教学内容：
1.2.2 合金的晶体结构
合金的基本概念
合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特征的物质。组元：组成合金的基本的物质叫组元。
相：在合金中具有相同成分、相同结构、相同性质的均匀部分，并与其它相有明显界面之分。组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形态结构。
1.固溶体
固态合金中的相，按其组元原子的存在方式可分为固溶体和金属化合物两大基本类型
固溶体性能：晶格畸变，金属的强度，硬度很高。固溶强化
2、金属化合物
金属化合物性能：复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，而脆性大。弥散强化
1.2.3 铁碳合金相图
1.纯铁
同素异构转变：同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变。（以纯铁的冷却曲线，讲解该过程。）
2.铁碳全合金的基本组织（以表1.2.3讲解）
a）液相。铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称液相，用符号L表示。
b)铁素体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。用符号F表示。碳在α-Fe中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。
c)奥氏体。碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。（塑性较高、硬度较小，适合锻造）
d）渗碳体：渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，渗碳体既是组元，又是基本相。其硬度很高，塑性韧性几乎为零。
e）珠光体：用符号P表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。介于F 与Fe3C之间。
f）莱氏体：用符号Ld表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。硬度很高，塑性，韧性很差3.铁碳合金相图分析
（1）简化的Fe- Fe3C相图分析
特性点符
号温度
/℃
ωc（%）含义
主要特性线
（1）AC线液体向奥氏体转变的开始线。即：L→A。
（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。即：L→Fe3CⅠ。
ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。
（3）AE线液体向奥氏体转变的终了线。
（4）ECF水平线共晶线。
AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。
（5）ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：L→Fe3CⅡ。
（6）GS线又称A3线，
（7）GP线奥氏体向铁素体转变的终了线。
（8）PSK水平线共析线（727℃），又称A1线。
（9）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。
（2）铁碳合金的分类
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：
1）工业纯铁ωc＜0.0218%。
2）钢 0.0218%＜ωc＜2.11%，又可分为：
亚共析钢 0.0218%＜ωc＜0.77%；
共析钢ωc=0.77%；
过共析钢 0.77%＜ωc＜2.11%。
3）白口铸铁 2.11%＜ωc＜6.69%，又可分为以下三种：
亚共晶白口铸铁 2.11%＜ωc＜4.3%
共晶白口铸铁ωc=4.3%
过共晶白口铸铁 4.3%＜ωc＜6.69%
4.典型铁碳合金的结晶过程及组织
以下6种组织结晶过程转变，参考铁碳合金相图，自上而下，画垂线，则可得出相应组织。
a.亚共析钢的结晶过程；
b.共析钢的结晶过程分析；
c.过共析钢的结晶过程分析；
d.亚共晶白口铸铁的结晶过程；
e.共晶白口铸铁的结晶过程；
f.过共晶白口铸铁的结晶过程课堂提问：亚共晶白口铸铁的结晶过程及组织转变有哪些？
5.碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响
（1）铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类
含碳量逐渐增加，Fe3C大小、形态和分布变化：
F+Fe3CIII——Fe3C位于晶界，细小的薄片）
F+P——Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）
P——Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）
P＋ Fe3CII——Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状
P＋Fe3CII＋Ld’——Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C作为莱氏体的基体Ld’——Fe3C作为莱氏体的基体
Ld’ +Fe3CI——Fe3C为粗大长片状 Fe3C作为莱氏体的基体
(2)含碳量对力学性能的影响（图1.2.9 含碳量对钢的力学性能的影响）
铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆
a.含碳量增加，硬度增加
b.含碳量增加，塑性韧性降低
c.含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）
(3)含碳量对工艺性能的影响
1）切削加工性:
中碳钢好；低碳钢(F多，塑性好，易粘刀)差；高碳钢（Fe3C多，磨损严重）差
2）锻造性:
低碳钢好（ F多，塑性好），含碳量越大，越差。白口铸铁，不能锻造（ Fe3C，脆）3）铸造性：
液相线与固相线的水平距离与垂直距离。距离越大，越差。低碳钢，液相线与固相线距离随小，但液相线温度高，过热度小，流动性差。随含碳量增大，变差。但到了共晶成分附近的铸铁，流动性好，铸造性又变好了。
4）焊接性：
含碳量增大，焊接性变差。
6.Fe—Fe3C相图的应用
(1)为选材提供成分依据
Fe- Fe3C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢（ωc =0.1%~0.25%）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢（ωc =0.25%~0.65%）；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、而耐磨性，可选用高碳钢（ωc =0.77%~1.44%）。对于形状复杂的箱体、机器底座等，选用熔点低、流动性好的铸铁材料。
（2）制定加工工艺方面的应用
a）在铸造生产上的应用
由Fe- Fe3C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。
b).在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃；终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温度，以便打碎网状二次渗碳体。
c）.在焊接生产上的应用
焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，所以从焊缝到母材各区域的温度是不同的，由Fe- Fe3C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织和性能，就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。
d).在热处理方面的应用
从Fe- Fe3C相图知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。
六、总结
学习了合金的晶体结构中的基本相结构；铁碳合金相图画法及应用；碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
四、布置作业
习题：8；10；11；12
第五讲碳素钢、铸铁
§1.2.4碳素钢、铸铁
课题：碳素钢、铸铁概述
课题形式：讲授、一课时
教学目的：1、讲解碳素钢、铸铁的分类、编号、性能及应用
教学要求：1、了解常见碳素钢的分类、编号、性能及应用
2、了解常见铸铁的分类、编号、性能及应用
3、掌握查阅碳素钢、铸铁的相关资料能力
教学重点：1、常见碳素钢、铸铁的分类、编号、性能及应用
2、查阅碳素钢、铸铁的相关资料方法
教学难点：1、常见碳素钢、铸铁的分类、编号
教具：多媒体
教学方法：多媒体讲解
教学过程：
七、案例导入：
上一讲，讲解了合金的晶体结构，铁碳合金相图。重点分析了结合铁碳合金相图，铁碳合金的含碳量与显微组织关系，以及碳含量对材料力学性能、工艺性能方面的影响。
提问：1.铁碳合金的分类有哪些？
2.从抗拉强度为例，说明含碳量变化对合金的力学性能影响表现？
3.从铸造性、切削加工性角度，说明含碳量变化对合金的工艺性能影响表现？
本讲将对常见碳素钢与铸铁的分类、编号、性能及应用等方面，近一步认识铁碳合金这类材料，在工程中的应用。
八、教学内容：
1.碳素钢
(1)分类
Wc：低（<0.25%）
中（0.25%~0.6%）
高（0.6%~2.11%）
S/P含量：普通质量钢
优质钢
高级优质钢
用途：结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；
(f)特定用途优质结构钢。
工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。
特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。
(2)碳素钢的编号
碳素结构钢：Q+屈服极限+质量等级+脱氧方式：例如：Q235AF
优质碳素结构钢：两位数字（平均含碳量的万倍）+（Mn）：例如：45Mn
碳素工具钢：T+平均含碳量的千倍+（Mn）+（A）：例如：T8MnA
铸造碳钢：ZG+屈服极限+抗拉强度：例如：ZG200-400
(3)碳素结构钢：
S/P含量较大，普通用途，价格便宜，用量大，热轧空冷状态，Q195塑性好，常用于螺钉、螺母及各种薄板，可代替08或10钢，制造冲压件、焊接结构件；
Q275强度较高，可代替30或40钢，制造较重要某些零件，小轴、销、连杆、农机零件等。
(4)优质碳素结构钢：
S/P含量较低，重要零件，在热处理后使用，08、08F，含碳量低，冲压件焊接件；15、20、25属于渗碳钢，强度低，塑性韧性好，承受力不大，但要求高韧性零件，也可做冷冲压件和焊接件，如凸轮、滑块活塞销等。渗碳钢，渗碳，淬火+低回，表面硬度可达60HRC，耐磨性好，而心部具有一定的强度和塑性，可用来制作要求表面耐磨并能承受冲击载荷的零件。30-55属于调制钢，淬火+高回，具有良好的综合力学性能，用于塑性、强度、韧性均高的场合。如轴类零件。
60-70属于弹簧钢，淬火+中回，弹性极限、屈服比都高，弹簧或弹性零件及耐磨零件。
15Mn-70Mn，性能和用途与普通Mn的对应相同，淬透性高。
(5)碳素工具钢：
0.65%—1.35%，分碳素工具钢和优质工具钢，加A。
球化退火，组织为F基体+细小均匀分布的粒状渗碳体。硬度不大于217HBW。作为刃具，最终热处理为淬火+低回。组织为回马+粒状渗碳体+残余A。硬度可达60—65HRC。耐磨性和加工性都较好，价格便宜。
缺点：红硬性差，当刃部温度高于250度，其硬度和耐磨性会显著下降。尺寸小、低速的手用工具。
(6)铸造碳钢：
制造形状复杂、力学性能要求比较比铸铁高的零件。如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等。锻造方法难以生产，用铸铁无法满足性能。只能用碳钢用铸造方法得到。0.15%—0.6%。ZG200-400—机座，变速箱壳；
ZG230-450—砧座，外壳，轴承盖，底板，阀体，犁柱；
ZG270-500—轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、缸体；
ZG310-570—大齿轮、缸体、制动轮、辊子；
ZG340-640—齿轮、荆轮
学会查表，查阅以下碳钢的主要用途：
Q235;45;T7A;T12;ZG270-450
2.铸铁
特点：C以石墨形态存在，具有良好的铸造性、切削加工性、减摩性与消振性和低的缺口敏感性，而且熔炉铸铁的工艺与设备简单、成本低。
分类及表示方法
灰铸铁（石墨以片状）：HT+最小抗拉强度：例如：HT100
球墨铸铁（石墨以球状）：QT+最低抗拉强度-最低伸长率：例如：QT400-18
蠕墨铸铁（石墨以蠕虫状）：RuT+最小抗拉强度：例如：RuT260
可锻铸铁（石墨以团絮状）：KT+H/Z+最小抗拉强度-最小伸长率：例如：KTH300-06、KTZ450-06 学会查表，查阅以下碳钢的主要用途：
HT100——低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架、重锤等。
QT400-18——承受冲击、振动的零件，轮毂、驱动桥壳、减速器壳、拨叉等。
RuT260——增压器废气进气壳体、汽车底盘零件等。
KTH300-06——弯头、三通管件、中低压阀门等。
九、总结
学习了碳素钢、铸铁的分类、编号、性能及应用，查阅碳素钢、铸铁的相关资料方法
四、布置作业
习题：5；6；7
第六讲普通热处理概述
1.3.3普通热处理概述
课题：1、普通热处理（退火、正火、淬火、回火）方法概述
2、时效处理与淬透性的概念
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解普通热处理方法概述
2、讲解时效处理与淬透性的概念
教学要求：1、掌握普通热处理工艺原理与方法
2、了解时效处理与淬透性的概念
教学重点：1、普通热处理工艺原理与方法
教学难点：1、普通热处理工艺原理与方法
教具：多媒体图片、表格
教学方法：多媒体讲解
教学过程：
三、案例导入：
之前的课题研究了钢在加热和冷却时的组织转变，如何利用这些组织转变规律，来提高钢的力学性能呢？即钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，这些具体的工艺方法，是本讲的研究重点内容。
四、教学内容：
普通热处理概述
1.3.3钢的退火与正火
1.钢的退火
定义:将金属缓慢加热到一定温度，保温足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却)的一种金属热处理工艺。
目的:使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件消除内应力；降低硬度;细化晶粒；均匀成分；为最终热处理作好组织准备。
（1）完全退火：
是将亚共析碳钢加热到Ac3线以上约20-60oC，保温一定时间，随炉缓慢冷却到600oC以下，然后出炉在空气中冷却。这种退火主要用于亚共析成分的碳钢和和金钢的铸件，锻件及热扎型材，目的是细化晶粒，消除内应力与组织缺陷，降低硬度，提高塑性，为随后的切削加工和淬火做好准备。
应用：亚共析碳钢、合金钢
（2）等温退火
等温退火是为了保证A在P转变区上部发生转变，因此冷却速度很缓慢，所需时间少则十几小时，多则数天，因此生产中常用等温退火来代替完全退火。等温退火加热与完全退火相同，但钢经A化后，等温退火以较快速度冷却到A1以下，等温应定时间，使A在等温中发生P 转变，然后再以较快速度冷至室温，等温退火时间短，效率高。
应用：共析钢、过共析钢、合金钢
（3）扩散退火（均匀化退火）
应用范围：合金钢铸锭和铸件。
目的：消除和金结晶是产生的枝晶偏析，使成分均匀，故而又称均匀化退火。
工艺：把铸锭或铸件加热到Ac1以上，大约1000-1200oC，保温10-15小时，再随炉冷却。特点：高温长时间加热。
钢中合金元素含量越高，加热温度也越高，高温长时间加热又是造成组织过热又一原因，因此扩散退火后需要进行一次完全退火或正火来消除过热。
（4）去应力退火（低温退火）
目的：用于消除铸件，锻件，焊接件，冷冲压件以及机加工件中的残余应力，这些残余应力在以后机加工或使用中潜在地会产生变形或开裂。
工艺：将工件缓慢加热到600-650℃，保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却到200℃再出炉空冷。
（5）球化退火
球化退火是将钢加热至Ac1以上、Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切削性好、冷形变能力大。
适用于共析钢与过共析钢。
（5）球化退火
球化退火是将钢加热至Ac1以上、Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切削性好、冷形变能力大。
适用于共析钢与过共析钢。
2 钢的正火
定义:将钢件加热到临界点（Ac3，Acm）30-50℃以上，适当保温进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却，这种热处理称正火
正火的目的与退火相同，只是温度高于退火，且在空气中冷却。
正火工艺：正火的加热温度与钢的化学成分关系很大
低碳钢加热温度为Ac3以上100-150℃
中碳钢加热温度为Ac3以上50-100℃
高碳钢加热温度为Accm以上30-50℃
保温时间与工件厚度和加热炉的形式有关，冷却既可采用空冷也可采用吹风冷却，但注意工件冷却时不能堆放在一起，应散开放置。
正火后的组织与性能：正火实际上是退火的一种特殊情况，两者不同之处主要在于正火的冷却速度较退火快，因此有伪共析组织。
正火的应用
正火与退火相似，有以下特点：正火钢的机械性能高，操作简便，生产周期短能量耗费少，因此尽可能选用正火。正火有以下几方面的应用：
1）普通结构件的最终热处理；
正火可以消除铸造或锻造生产中的过热缺陷，细化组织，提高机械性能。
2）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；
硬度在160-230HB的金属，易切削加工，金属硬度高，不但难以加工，而且刀具易磨损，能量耗费也大，硬度过低，加工又易粘刀，使刀具发热和磨损，且加工零件表面光洁度也很差。3）作为中碳结构钢制作的较主要零件的预先热处理；
正火常用来为较重要零件进行预先热处理。例如，对中碳结构钢正火，可使一些不正常的组织变为正常组织，消除热加工所造成的组织缺陷，并且它对减小工件淬火变形与开裂提高淬火质量有积极作用。
4）消除过共析钢中的网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备，这是因为正火冷却速度比较快，二次渗碳体来不及沿A晶界呈网状析出。
5）对一些大型或形复杂的零件，淬火可能有开裂的危险，正火也往往代替淬火，回火处理，作为这些零件的最终热处理。
1.3.4钢的淬火
概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火.
目的：获得马氏体或下贝氏体，提高钢的强度和硬度。
提示：Ｍ或B下不是热处理所要求的最后组织，淬火后，钢材还要根据不同的需要，进行不同温度的回火，这样可使淬火Ｍ获取不同的组织，从而使淬火钢零件具有不同的机械性能，充分满足各种工具与零件的使用要求。
淬火工艺
（1）淬火加热温度的选择
淬火温度的高低与钢的化学成分有关
亚共析钢 t＝Ac3+(30～70)℃
共析钢，过共析钢 t＝Ac1+(30～70)℃
亚共析碳钢为什么要加热到Ac3以上完全Ａ化后淬火呢？
若加热温度选在Ac1～Ac3之间，组织中有一部分铁素体存在，在随后的淬火冷却中，由于铁素体不发生变化而保留下来，它的存在是钢的淬火组织中存在软点，降低了淬火钢的硬度，同时它的存在还会影响钢的均匀性，影响机械性能，加热Ac3以上太高也不行，钢的氧化脱碳严重，另一方面Ａ晶粒粗大，淬火后Ｍ粗大，钢的性能变坏
（2）加热时间的选择
加热时间指的是升温与保温所需时间，加热时间的长短与很多因素有关，例如，钢的成分、原始组织、工件形状、尺寸、加热介质、装炉方式、炉温等许多因素有关，确切计算加热时间很困难，只是给出一个经验公式：
t = a*D
t 加热时间；a 加热系数；D 工件有效厚度
（3）淬火冷却介质
理想淬火冷却速度
加热到A状态的钢，冷却速度必须大于临界冷却速度是才能获得要求的M组织。
常用的淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。
淬火方法
单液淬火：直冷，简单易操作。
双液淬火：先快后慢，降低组织应力。
分级淬火：快-恒-快，降低热应力与组织应力。
等温淬火：得到B下（工模具、弹簧）。
局部淬火：量具等的局部区域。
（4）淬火缺陷的防止方法
热处理生产中，由于热处理工艺处理不当，常会给工件带来缺陷，如氧化，脱碳，过热，过烧，硬度不足，变形与开裂等。
氧化：氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时，会发生氧化而在表面形成一层氧化皮，在高温下，甚至晶界也回会发生氧化。
脱碳：钢在某些介质中加热时，这些介质会使钢表面的含碳量下降，我们称这现象为“脱碳”。减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的方法有：采用脱氧良好的盐溶炉加热；在可控保护气氛炉中加热；在真空炉中加热；
预留足够的加工余量。
变形与开裂：工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就产生开裂。为减小变形或开裂，除了正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取下列措施：1）采用合理的锻造与预先热处理；
2）采用合理的热处理工艺；
回
火
类型回火
温度
组
织性能应用组织形态
低温
回火150～250℃M'高硬度和高耐磨
脆性及残余应力
低。
工模具钢，
表面淬火及
渗碳淬火件
过饱和α-Fe+
ε碳化物
中温
回火350～500℃T'弹性极限和屈服
极限高弹性元件F针状+ Fe3C细粒状
高温
回火500～650℃S'良好的综合机械
性能重要零件F多边形＋Fe3C细粒状
3）采用正确的操作方法；
4）对于淬火易开裂的部分，如键槽，孔眼等用石棉堵塞。
1.3.5钢的回火
概念：将经过淬火的钢加热到AC1以下的适当温度，保持一定时间，然后冷却到室温以获得所需组织和性能的热处理工艺。
回火的目的
获得工件所需的组织，降低内应力、提高韧性、稳定尺寸、改善加工性能，通过调整回火温度可获得不同硬度、强度和韧性的力学性能。
钢淬火后一般都必须要进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命，因此是很主要的热处理工序。
2.回火的分类及应用
淬火钢回火时组织和性能的变化
①马氏体分解（100～350℃）：回火M(低过饱和α＋ε碳化物)
②残余奥氏体的分解（200～300℃）：B下
③碳化物的转变（250～400℃）：ε碳化物转变为Fe3C
④渗碳体的聚集长大和α相再结晶（>400℃）
成为粒状Fe3C，600℃后粗化
45钢经调质和正火后的性能比较
由于调质处理后的组织为回火索氏体，其中渗碳体为颗粒状，而正火所得到的索氏体中渗碳体呈片状，调质钢不仅硬度高，且塑性与韧性也高于正火状态。
调质处理一般作为最终热处理，但也可以作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。为了保持淬火后的高硬度及尺寸稳定性，淬火后又可进行时效处理（温度低于低温回火）。
补充1：
时效处理
概念：将淬火后的金属工件置於室温或较高温度下保持适当时间，以提高金属强度的热处理工艺。
室温下进行的时效处理是自然时效；较高温度下进行的时效处理是人工时效。
在机械生产中，为了稳定铸件尺寸，常将铸件在室温下长期放置，然后才进行切削加工。这种措施也被称为时效。但这种时效不属於金属热处理工艺。作用是为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。
补充2：钢的淬透性
淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度。
钢的淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。用不同的钢制成相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，淬透性好的钢淬硬层较深，淬透性差的钢淬硬层较浅。
三、小结：钢的退火与正火
钢的淬火
钢的回火
时效处理与淬透性
四、作业：
课本习题：15；16；17
第七讲钢的表面热处理
§1.3.6 钢的热处理
课题：1、表面热处理的目的、分类
2、常用的表面热处理工艺
3、应用表面热处理的典型零件
课题形式：讲授、两课时
教学目的：1、讲解表面热处理的目的、分类及应用
2、讲解常用的表面热处理工艺
3、讲解表面热处理的典型零件
教学要求：1、掌握表面热处理的目的、分类及应用
2、了解常用的表面热处理工艺