金属材料与热处理教案Word格式.docx
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④工艺性能。
第一节金属的力学性能
一、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。
二、载荷的概念及分类:
1、金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。
2、分类
按载荷作用性质分:
1静载荷:
是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。
2冲击载荷:
在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。
③交变载荷:
是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化析载荷。
按载荷作用形式分:
拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。
三、变形的概念及分类
金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。
变形分为:
弹性变形和塑性变形两种
四、应力、内力
1、内力:
金属材料受外力作用时,为保持其不变形,在材料内部作用作与外力相对抗的力,称为内力。
2、应力:
单位面积上的内力称为应力。
F、小结:
重点掌握几个重要的概念:
使用性能、力学性能、力学性能包括五个指标、应力、内力
三、金属的力学性能
金属的力学性能
新课
教学目的与要求:
1、掌握拉伸试验的测定方法;
2、掌握力——伸长曲线的几个阶段;
3、掌握屈服点的概念;
1、理解力——伸长曲线是教学重点;
2、强度、塑性是教学难点。
教学过程:
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。
2、力——伸长曲线
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σs表示,计算公式:
σs=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。
(2)抗拉强度
材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度,用符号σb表示。
计算公式为:
σb=Fb/So
零件在工作中所承受的应力,不于允许超过抗拉强度,否则会产生断裂。
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:
δ=(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
ψ=(SO-S1)/SO×
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。
三、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。
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
(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)。
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。
3、维氏硬度。
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。
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。
四、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。
常用一次摆锤冲击弯曲,试验来测定金属材料的冲击韧性。
五、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。
3、疲劳曲线和疲劳极限
疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。
四、金属工艺性能
A、课题:
金属的工艺性能
B、课型:
C、教学目的与要求:
1、掌握工艺性能的概念,包括的四方面的内容。
2、掌握铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能的要领及主要指标。
D、教学重点与难点
1、金属的工艺性能概念及包括的四方面内容是教学重点。
2、掌握铸造性能的流动性、收缩性、折是教学的难点。
E、教学过程
概念:
工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力。
一、铸造性能:
金属(材料)及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。
1、流动性:
熔融金属的流动能力称为流动性。
主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。
2、收缩性:
铸件在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减小的现象称为引缩性。
3、偏析倾向:
金属凝固后,内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。
二、锻造性能:
用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。
铸铁不能锻压。
三、焊接性能:
大量接性能是金属材料对焊接加工的适应性。
四、切削加性能:
切削加工(性能)金属材料的难易程度称为切削加工性能。
布置作业:
P1717
五、金属晶体结构
金属的晶体结构
1、掌握晶体的檎及性能。
2、掌握晶体结构的概念。
3、熟练掌握金属晶体的类型。
1、金属常见的晶格类型是教学重点。
2、晶体的性能、结构是教学难点。
E、教学教程:
一、晶体与非晶体
非晶体:
在物质内部,凡原子呈无序堆积状况的,称为非晶体。
普通玻璃、松香、树脂等。
晶体:
凡原子呈有序、有规则排列的物质,金属的固态、金刚石、明矾晶体等。
性能:
晶体有固定的熔、沸点,呈各向异性,非晶体没有固定熔点,而且表现为各向同性。
二、晶体结构的概念:
1、晶格和晶胞:
表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。
能完整地反映晶格特征的最小几何单元,称为晶胞。
2、晶面和晶向:
在晶体中由一系列原子组成的平面,秋为晶面。
通过两个或两个以上原子中心的直线,可代表晶格空间排列的一定方向,称为晶向。
三、金属晶格的类型:
1、体心立方晶格:
它的晶胞是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。
铬(Cr)、钒(V)、钨(W)、钼(Mo)及α-Fe
2、面心立方晶格:
它的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。
如:
铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)及γ-Fe
3、密排六方晶格:
它的晶胞是一个正六棱柱体,原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心,另外三个原子排列在柱体内。
属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)、及锌(Zn)等。
六、纯金属结晶
纯金属的结晶
教学的目的与要求:
1、掌握金属结晶的概念,纯金属冷却曲线、及过冷度。
2、掌握纯金属的结晶过程。
3、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。
4、同素异构转变的概论,掌握铁的同素异构转变式。
1、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。
2、纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。
E、教学过程。
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、纯金属的冷却曲线及过冷度。
实际结晶温度(下)低于理论结晶温度(To)这一现象称为“过冷现象”。
理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”(△T=To-T1)。
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。
二、纯金属的结晶过程。
结晶过程是晶核的形成与长大的过程。
外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。
三、晶粒大小对金属力学性能的方面。
一般地说,在室温下,细晶粒金属具有较强的强度和韧性。
细化晶粒的方法。
1、增加过冷度
2、变质处理
3、振动处理
同素异构转变的概论:
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。
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。
七、铁碳合金
铁碳合金
C、教学目的与要求
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
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。
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德合金,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。
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。
合金的组织
一、固熔体
固熔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、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。
:
溶质原子:
溶质原子
溶剂原子:
溶剂原子
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。
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。
三、混合物
两种或两种以上的相按一定质量分类组成的物质称为混合物。
铁碳合金相图
一、铁碳合金的相及组织
1、铁素体:
①概念:
碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。
②符号:
F,体心立方晶格
1溶解能力:
溶解度很小,在7270C时,碳在α-Fe中的最大溶碳量为0.0218%,随温度的降低逐渐减小。
2性能:
由于铁素体的含碳量低,所以铁素体的性能与纯铁相似。
即有良好的塑性和韧性,强度和硬较低。
2、奥氏体:
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
2符号:
A,面心立方晶格
3溶碳能力:
较强。
在11480C时可溶C为2.11%,在7270C时,可溶C为0.77%。
4性能:
强度、硬度不高,具有良好的塑性,是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。
3、渗碳体:
含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。
Fe3C复杂的斜方晶体
③溶碳能力:
C=6.69%
④性能:
熔点12270C硬度很高,塑性很差,伸长率和冲击韧度几乎为零,是一个硬而脆的组织。
4、珠光体:
是铁素体与碳光体的混合物
P,是铁素体和渗碳体片层相间,交替排列。
在7270C时,C=0.77%
④性能特点:
取决于铁素体和渗碳体的性能,强度较高,硬度适中,具有一定的塑性。
5、莱氏体:
是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。
Ld(高温莱氏体,温度>7270C)由于奥氏体在7270C时转变为珠光体,所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。
L’d表示
C=4.3%
硬度很高,塑性很差。
F、A、Fe3C是单相组织,称铁碳合金的基本相。
P、Ld是由基本相混合组成的多相组织。
八、碳素钢
碳素钢
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。
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。
常存元素对钢的性能的影响
一、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。
二、锰
炼钢脱氧剂。
提高钢的强度与硬度。
三、硫
生铁带入;
对钢造成热脆性;
3、是钢中的有害元素。
四、磷
2、对钢的性能影响,对钢造成冷脆性;
碳素钢的牌号及用途
一、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十分之几。
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
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。
制作受力较大的机械零件。
连杆、曲轴、齿轮等
3)、60钢以上属于高碳钢。
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、弹簧垫圈等
三、碳素工具钢:
1)牌号:
T+数字(平均含碳量的千分数)
T12A:
表示平均含碳量为1.2%的高效优质碳素工具钢。
2)T7~T8:
钻头、模具等
T9~T10:
丝锥、板牙等
T11~T13:
锉刀、削刀等
四、铸造碳钢:
ZG+数字—数字
第一组数字:
屈服点
第二组数字:
抗拉强度值
ZG270—500,
2)应用:
制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。
九、钢的热处理
钢的热处理
1、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。
2、了解钢在加热时的转变。
3、了解A晶粒的长大。
同C
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、延长零件的使用寿面;
④、改善工件的工艺性能,提高加工质量,减小刀具的磨损。
3、钢的热处理方法:
退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。
4、热处理使钢性能发生变化的原因:
由于铁有同素异转变,从而使钢在加热和冷却过程中,发生了组织与结构变化。
钢在加热时的转变
在热处理工艺中,钢加热的目的是为了获得奥氏体。
一、钢的奥氏体化
1、奥氏体晶核的形成及长大;
2、残余渗碳件的溶解;
3、奥氏体的均匀化;
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。
二、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
钢在冷却时的转变
一、过冷奥氏体的等温转变
1、等温转变图的建立
2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
1)珠光体转变:
2)贝氏体型转变:
3、马氏体转变
1)转变速度极快;
2)转变体积发生膨胀;
3)转变不彻底。
钢的退火与正火
一、退火
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:
4)降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工;
5)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;
6)消除钢中的残余内应力,以防止变形帮开裂。
3、退火的方法:
1)完全退火:
完全退火是将钢加热到完全奥氏体(Ac3以上30~500C),随之缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的工艺方法。
应用:
中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等。
1)球化退火:
球化退火是将钢加热到AC1以上20-300C,保温一定得时间,以不大于500C/H得冷却速度随炉冷却,使钢终碳化物呈球状得工艺方法。
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。
2)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
将钢加热到Ac3或Accm以上30-500C,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,
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。
钢的淬火
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:
主要获得马氏体,提高钢的强度和硬度。
一、淬火加热温度:
亚共析钢的淬火加热:
Ac3以上30~500C
过共析钢的淬火加热:
Ac1以上30~500C
二、淬火冷却介质:
油、水、盐水、碱水等。
三、淬火方法:
1、单液淬火法:
碳钢一般用水作冷却介质;
合金钢用油作冷却介质。
2、双介质淬火:
如,先水后油;
先水后空气。
3、马氏体分液淬火;
4、贝氏体等温淬火。
钢的回火
1、回火的概念:
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:
消除内应力;
获得所需要的力学性能;
稳定组织和尺寸。
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。
回火的分类
低温回火;
中温回火;
高温回火;
调质:
生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。
十、钢的表面热处理
钢的表面热处理
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;
3、掌握零件的热处理分析;
零件的热处理分析
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
2、感应加热表面淬火
二、化学热处理
1、分解2、吸收3、扩散
钢的渗碳:
渗碳件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。
渗碳件进行热处理,常用淬火后低温回火。
一、热处理的技术条件
一般零件均以硬度作为热处理技术条件。
二、热处理的工序位置
1、预备热处理
预备热处理包括退火、正火、调质等。
2、最终热处理
最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。
三、典型零件的热处理分析
1、车床主
2、齿轮
十一、合金钢的分类和牌号
一、合金钢的分类:
合金钢的分类常用下面的两种分类。
1、提用途分类:
合金结构钢;
合金工具钢;
特殊性能钢。
2、按合金元素总含量分类:
低合金钢:
<5%
中合金钢:
5%
10%高合金钢:
>10%
①合金结构钢的牌号:
合金结构钢的牌号采用两位数字十元素,符号(或汉字)十数字表示。
40Cr钢:
表示平均含碳量为0.4%,含铬约为1%的合金结构钢。
60Si2Mn:
表示平均含碳量为0.6%,含硅约为2%,含锰约为1%的合金结构钢
②合金工具钢的牌号:
A、含碳量小于1%时,用一位数字表示含碳量的千分数。
9SiCr:
表示平均含碳量为0.9%,含硅约为1%,含铬约为1%的合金工具钢。
B、含碳量大于1%时,在钢牌号前不用数字表示含碳量。
Cr12MoV:
表示平均含碳量大于1%,含铬约为12%,含钼约为1%,含钒约为1%的合金工具钢。
③特殊性能钢:
A、不锈钢:
B、专用钢:
钢前用汉语拼音字母:
一、低合金结构钢:
1、低合金高强度结构钢:
塑性、韧性、耐蚀性和焊接性均比同含碳素的碳钢高。
桥梁、船舶、车辆、锅炉、压
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