金属材料的性能教学设计教案

第一章金属材料的性能

金属的概论

一.讲述金属的发展过程

1.古代

2.近代

3.现在

4.未来

二.学习《金属材料与热处理》的方法

1.认真做好课堂笔记

2.理论联系实际

3.按时完成作业，有不懂的问题及时问老师。

三.《金属材料与热处理》的内容及重点和难点

1.学习材料的两种性能（力学和工艺）

2.金属的结构与结晶（微观角度看材料的性能）

3.铁碳合金相图的纵向和横向分析

4.碳素钢和铸铁的分类和用途

5.几种有色金属的性能和用途

6.几种非金属的介绍

四.小结五.作业

第一章金属的性能

由于中学的时候我们已经学习了金属的物理和化学性能，所以现在我们主要是介绍金

属的另外两种性能----力学性能和工艺性能。

基本概念:

1.载荷：金属材料在加工使用过程中所受的外力。

2.静载荷：是指大小不变或变动很慢的载荷。

3.冲击载荷：是指载荷突然增加的增荷。

4.疲劳载荷：是指所经受的周期性或周期性的动载荷。

§1〜1金属的力学性能

基本概念:

何谓力学性能？

金属在外力的作用下所表现出来的性能就是金属的力学性能。（它包括：强度、

塑性、硬度、韧性及疲劳强度五个方面）

1.H：材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

（一般来说用屈服点和抗拉强度菜衡量它的美小即。S和。b来表示）

。S是材料抵抗变形的应力值；。b是材料抵抗断裂的应力值。例如

要想看一个材料的强度的高低只要看这两个值的大小，它们和材料

的强度是成正比的。

2.材料断裂前产生永久变形的能力。

（一般来说用伸后率前面收缩率来衡量它的大小即5和力来表示）

6=伸长量'原长X百分百

力=截面收缩量'原截面X百分百

例如要看材料的塑性的好坏只要看两个值的大小，它们与之也是

成正比的。

3.睡材料抵抗硬物压入和产生划痕的能力。

（一筋来说用布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度三参数来衡量其大小即

HBS、HRC、HV）

HBS：是应用最广泛的

HRC：是最快的

HV：是最精确的

4.谑：材料抵抗冲击载荷的作用而丕被破坏的能力。

（一般来说用冲击韧性值来褊量它而大小即ak来表示）。也是与韧

性成正比的。

5.疲劳强度:材料抵抗周期载荷的作用而在低于一般的载荷的作用下易于破坏的

一种能力。

（一般来说用疲劳强度衡量它的大小即。-1来表示）也就是说其值是

衡量材料疲劳的指标。

§1-2金属的工艺性能

基本概念:

何谓金属的工艺性能呢？

一概念

"即是指材料在不同的加工方法的作用下所表现出来的性能。（它的内容包括

有铸造.能、一造桂能、而前隹能、雇性能等四种性能）

1.铸造性能

对材料的要求：

①.流动性好

要求材料的流动性要好，否则在加工的时候容易出成型不好等缺陷。

②.收缩性小

要求材料的收缩性要小，否则在加工的过程中易出现开裂和应力分布不

均等缺陷。

③.偏析少

要求材料偏析性小是因为如果严重的话易使加工的难度增加，使加工成

本提高。

2.锻造性能

结合力学性能做介绍

3.切削加工性能

针对数控和模具专业的特点来介绍

4.焊接性能

理论联系实际:

例举说明铸铁和低碳钢的焊接性来说明

第二章金属结构与结晶

世界上的物质大部分是由晶体和非晶体组成的，而中学时学习这两个概念的区别是有无固

定熔点来定义的，目前我们在金材料的角度上来定义它们。

§2~1金属的晶体结构

基本概念:

一.晶体与非晶体

晶体:表示的是原子呈有序和有规则排列的物质。（各向异性）

非晶体:表示是原子呈无序的杂乱无章的排列形式的物质。（各向同性）

二.晶漏J结构的概念（基本概念：）

1.n：表示原子在晶体中排列的有规律的空间格架。…

C2.鲍能够完整地反映晶格特征的最小几何单元。

3.鲍金属晶体中通过原子中心的平面。一

4.也通过原子中心的直线，可代表晶格空间的一定方向。

.三.金属晶格的美型

}1.体心立方晶格（9个原子）

V2.面心立方晶格（14个原子）

3.密排六方晶格（17个原子）

9金属的晶体结构的缺陷

L1.空位和间隙原子（使晶格产生变形）

12.位错（晶格发生畸变）塑性变形

3.晶界和亚晶界（原子排列不规则，处于不稳定状态）

§2~2纯金属结晶

了解材料的结晶过程及规律对于控制材料的内前组织就性能十分重要。

一.纯金属的冷却曲线及过冷度

基本概念:

1.过冷度:理论结晶温度和实际结晶的温度之差。

二.纯金属的结晶过程

晶核_1体力粒号晶体

、多晶体

三.晶粒的大小对力学性能的影口

细晶粒金属具有较高的强度和韧性，因此为了提高金属的力学性能则必须控制晶粒

的大小，可以采用以下几种常用的细化晶粒的办法。

1.增加过冷度（适用于中小型铸件）

2.变质处理（钢中加入钛、硼、铝等铸件中加入硅铁等）

3.振动处理（采用机械振动、超声波振动和电磁振动等）

§2〜3金属的同素异构转变

一.基本概念:

1.金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变成另一种晶格的现象叫同素异构

转变。

如：纯铁的冷却过程

1538度（结晶8-Fe）13?4度（y-Fe）

（体心立方晶格）（面心立方晶格）

912度（p-Fe）

（密邨六方晶格）

二.同素异硫娈翦特点

固态相变是需要较大的过冷度的，则体积变化时造成较大的内应力，以致于淬火

时引起应力导致工件变形和开裂，因此要控制冷却速度，可以改变同素异构后的

晶粒的大小，从而改变金属的性能。

作业布置:

1、6、9

小结:

本章节主要是从金属的微观的角度加以理解，也就是要让学生通过对本章

节的学习明白金属的晶体结构的特点。

情况反馈:

作业情况反应学生对于金属的微观结构已有一定的认识

第三章金属的塑性变形与再结晶

（本章属于阅读的内容）

§3~1金属的塑性变形

基本概念:

1、塑性变形:

就是金属材料在外力去除以后变形无法恢复的现象。

理论联系实际:塑性变形产生的原因：

就是金属通过位错和滑移来实现的，在同一个晶面或晶向

上发生位错和滑移。

3、位错:

就是同一晶面或晶向上的原子在外力的作用下离开了原本的位置

而出现的二种务形变形的现象。.

4、H：度作同二晶向上或晶面上生行移动的现象。

§3~2冷塑性变形对金属的组织和性能的影响

（略）

§3〜3回复与再结晶

（略）

§3〜4金属的热变形

1、热加工:就是加工工艺方法在金属的再结晶的温度以上的工艺。

2、冷加工:就是加工工艺方法在金属的再结晶的温度以下的工艺。

作业布置:

看书预习下一章的内容

小结:

本章节是一篇阅读的内容，因此在本章节的讲述过程中，主要是以一种介

绍的方式来给学生讲解。

情况反馈:

通过作业的批改情况，学生对本节内容已经完成大纲的要求。

第四章铁碳合金

通过对本章的学习让我们进一步明白了金属的力学性能的特点。

又由于学生在今后的工作中所要接触的金属材料大多数是铁碳合

金，因此本章将利用铁碳合金相图详细地解析铁碳合金的性能和

组织。

基本概念:

合金:就是金属与金属或是非金属通过一定的方式化合而得到一种具有金属性

能的材料。（合金的最小单元是相）

§4-1合金的组织

金属由于相互的结合方式不同可以把组织分为以下三种（固溶体、化合物、混合物）

1、固溶体:

就是溶质原子通过一定的方式溶入溶剂原子中（分为间隙固溶体和置换

固溶体）

2、金属化合物：

就是通过化合的方法而形成的组织。

3、混合物：

就是通过一定的方式混合而成的组织。

§4~2铅铺合金

分别取铅睇合金五种金属来作以下实验：

占

化学成份科八、、

1、100%铅、0%铀325℃纯4■&

2、95%铅、5%锦252〜325c

3、87%铅、13%睇252℃共।持反应

4、50%铅、50%锦325〜630C

5、0%铅、100%睇530C字纯4弟

基本概念:

共晶反应:就是由液态共同结晶出两种固态1佝过程。

（图略）

§4~3铁碳合金相图

一、铁碳合金有五大基体组织：

铁素体素）、奥氏体（A）、渗碳体（NO、珠光体素）、莱氏体（Ld）

1、铁素体（F）：

概念：就是碳溶解在a-Fe中形成的间隙固溶体。

性能：塑性、韧性很好，强度硬度低。

产生温度：727℃

2、奥氏体（A）：

概念：就是碳溶解在Y-Fe中形成的间隙固溶体。

性能：塑性、韧性好，强度硬度一般。

产生温度：727℃〜912℃

3、渗碳体（Fe3C）：

概念：就是含碳量为6.69%的碳与铁形成的金属化合物。

性能：塑性、韧性差，强度硬度很高。

产生温度：1227C

4、珠光体（P）：

概念：就是铁素体与渗碳体所形成的混合物。

性能：而性较好，晶蔗确度较高。

产生温度：1148℃

5、莱氏体（Ld）：

概念：就是铁素体与渗碳体所形成的具有一定特点的混合物。

性能：朝桎差，强度南鹿很高。

产生温度：1148

二、要掌握的点：

A：纯铁的熔点（1538℃）D：渗碳体的熔点（1227℃）

G：纯铁的同素异构转变点（912℃）

S：共析点（727℃）

E：奥氏体的最大溶解度（1148C）C：共晶点（1148C）

三、要掌握的线：

PSK：共析线、A1线ACD：液相线

ECF：共晶线AECF：固相线

GS：A3线

ES：Accm线

四、要掌握的区：

GPQ：铁素体区DFK：渗碳体区

SN：珠光体区ACD以上：液相区

CM：莱氏体区AECF以下：固相区

AGSE；奥氏体区

五、共析反应:

就是固相由一种组织共同结晶出两种组织的过程。

共析转变式：

A727℃F+Fe3c

共晶转变式：----------------►

L1148℃A+Fe3c

理论联系实际:------------------------►

1、问：含碳量为0.45%的钢从1200C冷却到室温的组织和性能的变化？

2、问：随着含碳量的增加钢的组织和性能的变化？

七、钢和铸铁的区分：

C：0.0218~2.11%（钢）

0.0218~0.77%——亚共析钢

0.77%——共析钢

0.77-2.11%——过共析钢

C:2.11~6.69%（铸铁）

2.11~4.3%——亚共晶白口铸铁

4.3%------共晶白口铸铁

4.3-6.69%——过共晶白口铸铁

作业布置:

课后题全做

小结:

本章是本学期的重点，因此将用大篇幅进行讲解，其中铁碳合

金相图中的点、线、区要结合'理论联系实际’的题进行学习，

达到活学活用的效果。

情况反馈:

根据上课的提问以及作业的情况反应出学生对本章的内容基本掌握。

碳素钢

§5-1概述

碳素钢是指碳含量低于2%,并有少量硅、镐以及磷、硫等杂质的铁碳合金。工业上应用的

碳素钢碳含量一般不超过1.4%。这是因为含碳量超过此量后，钢表现出很大的硬脆性，并

且加工困难，失去生产和使用价值。碳素钢按其质量不同可分为普通碳素结构钢和优质碳素

结构钢二类。优质碳素结构钢规定硫、磷的允许含量比普通碳素钢低，所以综合机械性能比

普通碳素钢好。

(1)生产制造方法。碳素钢的冶炼通常在转炉、平炉中进行。转炉一般冶炼普通碳素钢，而平

炉可以冶炼各种优质钢。近年来氧气顶吹转炉炼钢技术发展很快，有趋势可代替平炉炼钢。

将炼好的钢液注入钢锭模，就得到各种钢锭。钢锭经过锻压或轧制后便加工成各种形状的钢

材和锻件。钢锭经过压力加工后，能够改善钢的内部组织和夹杂物分布，所以同样成分的钢

材要比钢锭的性能优越一些。

(2)用途。碳素钢主要用来制造强度要求不高的机器零件和各种金属构件。广泛应用于机械制

造的各个方面。如农业机械、机床、船舶等。它是一种应用最广、用途最大的钢材。

2.主要生产及输往国家、地区

我国的鞍山钢厂、宝山钢厂、上海钢厂、太原钢厂、重庆钢厂、天津钢厂等是出口碳素钢的

主要产地。一般碳素钢多加工成型材，如角钢、扁钢、工字钢等输往日本、香港、东南亚、

中东等国家和地区。

3.主要进口生产国家

我国主要从日本、俄罗斯、德国、东欧等国家进口。与其他钢类相比，碳素钢进口数量最多。

进口到货后缺重问题较为突出。收用货部门要加强到货后重量的验收。

4.种类

碳素钢按含碳量可划分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。高碳钢属于工具钢，详见“工具钢”部

分。低碳钢如20号钢一般多用来制作渗碳零件。热处理工艺是先进行渗碳处理,随后进行

淬火和低温回火。经这样处理后零件表面具有较高的硬度而心部具有良好的塑性。而中碳钢

如45号钢根据使用条件不同，热处理方式也不同。一般做热加工使用的要进行调质处理，

即淬火后高温回火。其他条件使用的可进行正火处理。

5.规格及外观质量

碳素钢的品种主要有圆钢、扁钢、方钢等。经冷、热加工后钢材的表面不得有裂缝、结疤、

夹杂、折叠和发纹等缺陷。尺寸和允许公差必须符合相应品种国家标准的要求。

6.化学成分

现把国标、日本标准中某些主要钢号的化学成分列举，如下表

碳素钢化学成分指标

化学成分％

标准号刊号

CSiMnPsNiCrCu

5B/T6930.27-0..17-0..50-0.C0.0400040<0.25<0.25

9-88353780

5B/T6945.42-0..17-0..50-0.：0.040：0.040<0.25<0.25

9-88503780

[SG40530C.27-0..15-0..60-0.<10.035《0.2010.20：0.30

-79(943335900.030

)

[SG40545C.42-0..15-0..60-0.<：0.035<0.20<0.20：0.30

-79(944835900.030

)

S30C、S45c钢号中Ni-Cr应小于0.35%,其他国家的标准号有EN10083T—91.「OC

T1050等。

7.物理性能

现把国标、日本标准中某些主要钢号的机械性能如下表

碳素钢物理性能指标

热处理机械性能

正火淬火水冷抗拉伸

热长收缩冲击

标准号钢号N回火急冷屈服点强度硬度

处率率值

温度℃H温度℃N/mm2N/mm2HB

理％4J%J/cm2

GB/T699-8830850-900N>294>490>>50>78

空冷21

GB/T699-8845820-870N>353>589>>40>49

空冷16

JISG4051-79(94)S30C850-900H>333>539>>57>152-212

550-65023108

JISG4051-79(94)S45C820-870H>490>686>>45>78201-269

550-65017

硅

硅（台湾、香港称矽）是一种化学元素，它的化学符号是Si,它的原子序数是14,属于元素

周期表上IVA族的类金属元素。

性能：结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，

除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。当其增加时，金属材料的强度、硬度增加。

镒

最重要的用途是制造合金一一锦钢。

铸钢的脾气十分古怪而有趣：如果在钢中加入2.5—3.5%的锦，那么所制得的低铳钢简直脆

得象玻璃一样，一敲就碎。然而，如果加入13%以上的镐，制成高镒钢，那么就变得既坚硬

又富有韧性。

§5-2碳素钢的分类及牌号

1、按品质分类

（1）普通钢（PW0.045%,SW0.050%）

（2）优质钢（P、S均W0.035%）（3）高级优质钢（PW0.035%,SW0.030%）

2.、按化学成份分类

（1）碳素钢：a.低碳钢（CW0.25%）；b.中碳钢（CW0.25~0.60%）；c.高碳钢（CW0.60%）。（2）

合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量W5%）b.中合金钢（合金元素总含量＞570%）c.高合

金钢（合金元素总含量＞10%）。

2、按成形方法分类：（1）锻钢；（2）铸钢；（3）热轧钢；（4）冷拉钢。

4、按金相组织分类

（1）退火状态的a.亚共析钢（铁素体+珠光体）b.共析钢（珠光体）c.过共析钢（珠光体+

渗碳体）d.莱氏体钢（珠光体+渗体）。

（2）正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。

（3）无相变或部分发生相变的

5、按用途分类

（1）建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。

（2）结构钢a.机械制造用钢：（a）调质结构钢；（b）表面硬化结构钢：包括渗碳钢、氨钢、表

面淬火用钢；（c）易切结构钢；（d）冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷徽用钢。b.弹簧钢

c.轴承钢

（3）工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。

（4）特殊性能钢：a.不锈耐酸钢b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢c.电热合金钢；

d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢

（5）专业用钢一一如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。

6、综合分类

（1）普通钢a.碳素结构钢:（a）Q195；（b）Q215（A、B）；（c）Q235（A、B、C）；（d）Q255（A、

B）；（e）Q275ob.低合金结构钢c.特定用途的普通结构钢

（2）优质钢（包括高级优质钢）

a.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；

⑴特定用途优质结构钢。

b.工具钢：（a）碳素工具钢；（b）合金工具钢；（c）高速工具钢。c.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）高镒耐磨钢。

7、按冶炼方法分类

（1）按炉种分a.平炉钢:（a）酸性平炉钢；（b）碱性平炉钢。

b.转炉钢:（a）酸性转炉钢;（b）碱性转炉钢。或（a）底吹转炉钢;（b）侧吹转炉钢；（c）顶吹转炉钢。

c.电炉钢:（a）电弧炉钢；（b）电渣炉钢；（c）感应炉钢；（d）真空自耗炉钢；（e）电子束炉钢。

（2）按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；镇静钢；d.特殊镇静钢。

牌号

钢和专用钢两大类。

a、通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母“Q”。屈服点数值（单位为MPa）和质量等级、脱氧

方法等符号，按顺序组成牌号。例如：碳素结构钢牌号表示为：Q235AF,Q235BZ；低合金

高强度结构钢牌号表示为：Q345C,Q345Do碳素结构钢的牌号组成中，镇静钢符号“Z”和特

殊镇静钢符号“TZ”可以省略，例如：质量等级分别为C级和D级的Q235钢其牌号表示应为

Q235cz和Q235DTZ,但可以省略为Q235c和Q235D。低合金高强度结构钢有镇静钢和特

殊镇静钢，但牌号尾部不加写表示脱氧方法的符号。

b、专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号“Q”、屈服点数值和代表产品用途的符号等表示,

例如I：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；耐候钢其牌号表示为：Q340NH。

c、根据需要，通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（以万分之几计平

均含碳量）和标准的元素符号组成；专用低合金高强度结构钢的牌号，除一般组成外，尚应加

写表1中规定代表产品用途的符号。

一一优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢牌号表示方法

优质碳素结构钢采用两位阿拉伯数字（以万分之几计表示平均含碳量）或阿拉伯数字和元素符

号、规定的符号组合成牌号。

a、沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。例如：平均含碳量为0.08%的沸腾

钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为0.10%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”。

b、镇静钢（S、P分别戌.035%）一般不标符号。例如：平均含碳量为0.45%的镇静钢，其牌号

表示为“45”。

c、较高含锦量的优质碳素结构钢，在表示平均含碳量的阿拉伯婺字后加锦元素符号。例如：

平均含碳量为0.50%,含镒量为0.70%〜1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”。

d、高级优质碳素结构钢（S、P分别4）.030%）,在牌号后加符号“A”。例如:平均含碳量为0.45%

的高级优质碳素结构钢，其牌号示为“45A”。

一一特级优质碳素结构钢（SS0.020%、P<0.025%）,牌号后加符号“E”。

例如:平均含碳量为0.45%的特级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45E”。优质碳素弹簧钢牌号

的表示方法与优质碳素结构钢牌号表示方法相同（65、70、85、65Mn钢在GB/T1222和GB/T699

两个标准中同时分别存在）。

§5-3碳素结构钢

又称普通碳素钢。与优质碳素钢相比，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量

的限制较宽。我国和某些国家根据交货的保证条件，把普通碳素钢分为三类：甲类钢（A类

钢），只保证力学性能，不保证化学成分,乙类钢（B类钢），只保证化学成分，不保证力学

性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。特类钢常用于制造较重要的结

构件。

优质碳素结构钢是含碳小于0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比碳素结

构钢少，机械性能较为优良。优质碳素结构钢按含碳量不同可分为三类：低碳钢（CW0.25%）、

中碳钢（C为0.25-0.6%）和高碳钢（C>0.6%。优质碳素结构钢按含铳量不同分为正常含铳

量（含镒0.25%-0.8%）和较高含镒量（含锦0.70%-1.20%）两组，后者具有较好的力学性能

和加工性能。

碳素结构钢牌号及化学成分

化学成分，%

脱氧方

牌号等级SiSP

Civin法

不大于

Q195—0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F、b、Z

A0.050

Q2150.09-0.150.25-0.550.300.045F、b、Z

B0.045

A0.14-0.220.30-0.650.050

0.045F、b、Z

B0.12-0.200.30-0.700.045

Q235C<0.180.300.0400.040Z

0.35-0.80

D<0.170.0350.035T、Z

A0.050

Q2550.18-0.280.40-0.700.300.045F、b、Z

B0.045

§5-4碳素工具钢

（一）定义

碳素工具钢（非合工具钢）是高碳过共析、共析或亚共析钢，含碳量范围为0.7%~1.3%（质

量分数）。其性能除了与冶炼、热塑性变形工艺有关外，主要取决于碳含量。碳是碳素工具钢

的主要强化元素。这类钢经热处理后具有较高的硬度和耐磨性，但红硬性差、淬透性低。为

了提高钢的淬透性，有的牌号在钢中加入0.40%~0.60（质量分数）的镒。碳素工具钢钢材通

常以退人状态交货，一般应检验硬度，高倍、低倍和断口组织，及表面脱碳层深度等。这类

钢主要用于制造一般切削速度，且加工硬度和强度不太高的材料的工具，以及形状简单发、

精度要求较低的量具、模具等。

（二）分类

碳素工具钢通常按用途可分为；刃具钢、模具钢、量具钢、耐磨钢；按钢质可分为：优质钢（硫

质量分数不大于0.030%,磷质量分数不磊于0.035%）、高级优质钢（硫质量分数不大于

0.020%,磷质量分数不大于0.025%）。

弹簧钢

主要是应有好的弹性，又由于它是在动载荷环境条件下工作的，所以对制造弹簧的材质最主

要的应有高的屈服强度；在承受重载荷时不引起塑性变形；应有高的疲劳强度，在载荷反复

作用下具有长的使用寿命；并有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下突然脆断。在碳素

钢中碳含量在0.60〜0.90%之间的优质钢是制造弹簧的钢种，但碳素弹簧钢的渗透性差，只宜

制作小截面的弹簧，大截面的弹簧需要用合金钢制作。在合金钢中由于合金元素的强化作用，

可制造弹簧的材质其含碳量可降低到0.5〜0.7%。硅、铳、铭、电凡是弹簧钢中最常用的合金元

素。一般淬火后进行中温回火可获得高的弹性。

（1）生产制造方法：通常采用电炉冶炼，加入脱氧剂硅、铝，注入钢锭模后，通过锻压或轧制，

便得到各种形状的钢材和锻件。

（2）用途：主要用在机车、车辆、汽车、拖拉机、飞机的各种螺旋弹簧和板簧等。

第六章钢的热处理

教学内容:

1.概述

2.钢在加热时的组织转变

3.钢在冷却时的组织转变

4.钢的普通热处理工艺

5.钢的表面热处理工艺

6.机械制造过程中的热处理

第一节概述

1、热处理的定义：

/-----------m

加热To临界温度

冷却

T

热处理就是将金属材料加热到一定的温度,保温一定时间,然后以一定的方式冷却的工

艺。

2、热处理的主要目的:改变钢的性能。

3、热处理的应用范围:整个机械制造和加工业。

4、热处理的分类

「普通，退火;正火；

热处理工淬火;回火

热处理乂「感应加热淬火

Y

J表面「表面淬火〔火焰加热淬火

热处理J

I化学热处理3渗碳；渗氮；碳氮共渗；

第二节钢在加热时的组织转标

转变温度

奥氏体的形成

奥氏体晶粒度及对力学性能的影响

一、转变温度

三、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响

一）奥氏体晶粒度：

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃以下，随温度升高，晶粒长大的程度。

钢的本质晶粒度示意图：

二）奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响

1、奥氏体晶粒均匀细小，热处理后钢的力学性能提高。

2、粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。

第三节钢在冷却时的组织转变

1、钢在热处理时的冷却方式

2、过冷奥氏体的等温冷却转变

3、过冷奥氏体的连续冷却转变

一.钢在热处理时的冷却方式

二.过冷奥氏体的等温冷却转变

一）建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转

变曲线--TTT曲线（C曲线）

二）共析碳钢TTT曲线的分析

A1〜550C;高温转变区；扩散型转变;P转变区。

550〜230℃;中温转变区；半扩散型转变；贝氏体（B）转变区;

230〜-50℃;低温转变区；非扩散型转变；马氏体(M)转变区。

三)转变产物的组织与性能

1.珠光体型(P)转变(Al~550℃):

＞A1〜650c:P;5-25HRC;片间距为0.6〜0.7口m(500X)。

＞650~600℃:细片状P—索氏体(S);片间距为0.2〜0.4pm(1000X)；

25-36HRCo

＞600〜550℃:极细片状P—屈氏体(T);片间距为＜0.2um(电镜);35~

40HRCo

2.贝氏体型(B)转变(550~230℃):

550〜350C:B上；40-45HRC;

过饱和碳a-Fe条状Fe3C细条

B±=过饱和碳a-Fe条状+Fe3c细条状

350-230℃:B下;50-60HRC;

过饱和碳a-Fe针叶状Fe3C细片

针叶状A/

B下=过饱和碳a-Fe针叶状+Fe3c细片状

3.马氏体型(M)转变(230〜-50℃):

1)定义:马氏体是一种碳在a-Fe中的过饱和固溶体。

2)转变特点：

＞在一个温度范围内连续冷却完成；

＞转变速度极快，即瞬间形核与长大；

＞无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同，造成晶格畸变。

＞转变不完全性,QM=/(T)

3)马氏体的晶体结构：由于碳的过饱和作用，使a-Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。

4）马氏体的组织形态：

＞板条状一低碳马氏体（V0.2%C）;30〜50HRC;8=9〜17%。

3.加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高，保温时间越长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，提高了过冷奥氏体的

稳定性，从而使TTT曲线向右移。

三.过冷奥氏体的连续冷却转变

一）建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线--CCT曲线

（略）

第四节钢的普通热处理工艺

一般零件生产的工艺路线：

毛坯生产一►预备热处理一》机械加工一►最终热处理机械精

___A加工

预备热处理：退火；正火最终热处理：淬火；回火

一•钢的退火

一）定义：把零件加温到临界温度以上30〜50C,保温一段时间，然后随炉冷却。

二）目的：消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。

三）工艺参数：

名称温度（°C）

完全退火Acs+30~50

球化退火Aci+30~50

去应力退火500~600

扩散退火Ac3+150-250

完全退火

球化也火

科结M洱火出评力洱火

二.钢的正火

一）定义：把零件加温到临界温度以上30〜50C,保温一段时间，然后在空气中冷却。

二）目的：消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。

三）工艺参数：

名称温度（°C）

亚共析钢AC3+30-50

共析钢Ad+30-50

过共析钢Accm+30~50

11O0

I0OO

90O

680O6

7O0)

千

6OT经

片

50O足

四)热处理后的组织:S(Wc=0.6〜1.4%)S+F(Wc<0.6%)

五）应用范围：

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CH。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。

三.钢的淬火

一）定义：把零件加温到临界温度以上30〜50C,保温一段时间，然后快速冷却（水冷）»

二）目的：为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。

三）工艺参数：

名称温度（°C）

亚共析钢Ac3+30〜50

共析钢Acl+30〜50

过共析钢Acl+30~50

最大冷却速度时平均冷却速度/（℃・s-l）

名称

所在温度冷却速度650〜550300~200

/℃/(℃*s-l)℃

20℃静止水340775135450

40℃静止水285545110410

60℃静止水22027580185

10%NaCl溶液580200019001000

10%NaOH溶液56028302750775

20C10号机油4302306065

80C10号机油4302307055

20℃3号锭子油50012010050

钢的淬硬性

1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。

2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。

钢的淬透性

1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层（马氏体组织占50%处）的深度。

2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK的大小，VK越大，钢的淬透性越小。

工件淬硬层与冷却速度的关系

6

)

雪

工

网

交

甘勺氏体N

时间

3.淬硬性与淬透性之间的关系:

钢种淬硬性淬透性

20#低小

T10A高小

18Cr2Ni4WA低大

Crl2MoV大

4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响

四.钢的回火

一）定义：把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间，然后冷却到窒温。

二）目的：消除淬火应力，降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。

三）工艺参数

名称温度（℃）组织用途

低温回火150~250M回=a0.3%C+耐磨件

£

中温回火350~500T0=F针+Fe3c弹簧等

粒

高温回火500~650S回=F多+Fe3c调质件

球

高温软化650-A1P回=F多+Fe3c高合金钢

粒

淬火+高温回火=调质处理

第五节钢的表面热处理工艺

工艺的核心:使零件具有“表硬里韧’’的力学性能。

■表面淬火

■化学热处理

一.表面淬火

-）定义:是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理工艺。

二）工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍

保持不变。

三）表面淬火用钢：

选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。

四）表面淬火加工的方法：感应加热（高、中、工频）、火焰加热、电接触加热法等。

1.感应加热表面淬火

1）感应加热的基本原理：

*感应电流一涡流

*集肤效应

*淬火层深度（8）与电流频率（7）的关系：

3=500/Vf（mm）

约火水立

、■水

集肤效应示意图

2）工艺要求：

*表面淬火前，必须对零件进行正火或调质处理，以保证零件有良好的

基体。

*表面淬火后，必须对零件进行低温回火处理，以降低淬火应力和脆性。

3）生产特点：

淬火件的质量好；工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投

资大，不适于复杂形状零件和小批量生产。

2.火焰加热表面淬火

1）火焰加热表面淬火的基本方法

加热层

2）火焰加热表面淬火的特点：

*设备简单，操作方便，成本低。

*淬火质量不稳定。

*适于单件、小批量及大型零件的生产。

二.化学热处理

一）定义:将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗

入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。

二）化学热处理的基本过程：

1.分解：化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2C0______>C02+（C）

2.吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解。

3.扩散：活性原子由零件表面向内部扩散，形成一定的扩散层。

三）化学热处理进行的条件：

1.渗入元素的原子必须是活性原子，而且具有较大的扩散能力。

2.零件本身具有吸收渗入原子的能力，即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合，形成

化合物。

四）化学热处理的种类：渗碳；渗氮；碳氮、共渗；渗硼；渗铝；渗硫；渗硅；渗铭等。

1.钢的渗碳

1）定义：向钢的表面渗入碳原子的过程。

2）目的：获得具有表硬里韧性能的零件。

3）用钢：低碳钢和低碳合金钢。

4）方法：固体、气体、液体渗碳。

固体渗碳法示意图

气体渗碳法示意图

5）工艺：加热温度为900〜950C;渗碳时间一般为3〜9小时;

6）渗碳后的组织：

表面中心

零件

P+Fe3ClIP

0>口簸浮灿«）次淬火法«）4次序火法

8）热处理后的组织

钢种表层组织心部组织

低碳钢M回+Fe3C+A残F+P

低碳合金钢M回+Cm+A残低碳M回+F

9）常用的钢种：15、20、20Cr、20Mn2,

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。

2.钢的渗氮

1）定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。

2）目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。

3）用钢:中碳合金钢。

4）方法:气体渗氮。

5）工艺:加热温度500〜600C;保温时间0.3〜0.5mm/20〜50h。

6）热处理特点：渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。

7）渗氮处理后的组织表层：Fe4N、Fe2N、AIN、CrN、MoN、TiN、VN。

心部：S回。

8）常用的钢种：35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA（氮化王牌钢）等。

渗碳与渗氮的工艺特点

名称处理温度处理时间（h）处理后是否需要热处理

（℃）

渗碳900~9503~9需要

渗氮500~60020〜50不需要

3.钢的碳氮共渗一氧化处理

1）定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。

2）目的:获得具有表硬里韧性能的零件。

3）方法：固体碳氮共渗、气体碳氮共渗（高温、中温、低温）、液体碳氮共渗

4）工艺：

名称低温碳氮共渗中温碳氮共渗

温度500~600800-860

时间1~61~8

作用以渗氮为主以渗碳为主

渗层0.1-0.4mm0.5~0.8mm

热处理不需要淬火+低温回火

性能HRC54-63