机械制造基础教案12.docx
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机械制造基础教案12
第一次课碳钢；合金结构钢；碳钢的金相组织观察
项目一非合金钢（碳钢）
钢在自然界中储量较多，冶炼方便，加工容易，价格低廉，力学性能较优良，因此，应用最广，用量最大。
尽管其应用领域已部分被有色金属、陶瓷、塑料及复合材料所取代，但它仍将占主导地位，占钢产量80～90%，所以选材应首先考虑碳钢。
一、碳素钢的分类
1、按碳的质量分数分类
（1）低碳钢：
Wc<0.25％。
（2）中碳钢：
0.25％≤Wc≤0.6％。
（3）高碳钢：
Wc>0.6％。
2、按钢的用途分类
（1）碳素结构钢
用于机械零件（桥梁、锅炉等）和工程构件（轴、螺钉、螺母、曲轴和连杆等），多为低、中碳钢。
（2）碳素工具钢
制作刀具、量具和模具，为高碳钢。
3、按质量等级分类
（1）普通碳素钢
它在生产过程中不需要特别控制质量的钢种，主要包括碳素结构钢、碳素钢筋钢等。
（2）优质碳素钢
它在生产过程中需要特别控制质量的钢种，如磷、硫含量，晶粒度等，主要有压力容器用钢。
（3）特殊质量碳素钢
需特别严格控制质量和性能，常用的有铁道特殊碳钢、碳素弹簧钢、碳素工具钢等。
二、碳素钢的牌号、性能和用途
（一）碳素结构钢
1.牌号
牌号表示方法：
Q+σS数值+质量等级符号+脱氧方法符号。
例如，Q235–A·F，表示σs≥235Mpa,质量等级为A、（A、B、C、D）级（A级质量最差），脱氧方法为沸腾钢（F、b、Z）的碳素结构钢。
2.成分特点
Wc=0.06%～0.38%。
3.性能特点
强度低，塑性好，焊接性、冷成形性优良。
3.用途
通过热轧成各种型材（如圆钢、方钢、钢板等），不经热处理而直接使用。
Q195、Q215常轧制成薄板、钢筋供应市场；如Q235C、D级可用作焊接用材，又如铆钉。
（二）、优质碳素结构钢
优质碳素结构钢所含硫、磷及非金属夹杂物都比碳素结构钢少，碳的质量分数波动范围也小，力学性能比较均匀，塑韧性比较好。
1.牌号
牌号表示方法：
两位数字。
数字为Wc的万分数，或数字+元素符号。
常见牌号有15、20、35、45、55、65、65Mn。
（1）根据化学成分不同，部分优质碳素结构钢又分为正常锰含量和较高锰含量优质碳素结构钢两类。
如20钢，20Mn钢（WMn=0.7%～1.0%），60Mn钢（WMn=0.9%～1.2%）。
（2）高级优质：
Ws、WP分别≤0.030%，牌号后加“A”，如45A。
（3）特级优质Ws≤0.020%，（WP≤0.025%，牌号后加“E”，如45E。
2.成分特点
Wc=0.08%～0.65%。
3.性能特点与用途
（1）08、10钢
属极软低碳钢，强硬度很低，塑韧性很好，具有优良的冲压、拉伸和焊接性能，淬透性、淬硬性差，难切削加工。
用于制造冷冲压零件和各种容器、仪表板、机器罩等，如扎制薄板、薄带冷变形材料、各种容器、车身、垫圈等。
（2）15、20钢
也有良好的冷冲压性能和可焊接性能。
常用来制造受力不大、韧性要求较高的中小结构件或零件。
如焊接容器、螺钉、螺母、轴套等。
如经过渗碳处理，可制造凸轮、齿轮等。
（3）35、40、45、50钢
强度较高，综合力学性能良好，淬透性低，水淬易产生裂纹，小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火。
主要用来制造齿轮、连杆、轴类等。
（4）60、70钢
强硬度高，但塑韧性较差。
经适当的热处理后，常用来制造弹簧、弹簧垫圈、钢丝、低速车轮圈和扎辊等。
（三）、碳素工具钢
1.牌号
牌号表示方法：
T+数字。
数字为Wc的千分数。
如T8、T10、T12。
如果含锰量较高，则加Mn，如T8Mn。
高级优质碳素工具钢则附加“A”，如T12A，T8MnA。
2.成分特点
Wc=0.65%～1.35%。
3.性能特点
成本低，加工性能优良，强硬度较高，耐磨性好，但韧性较差，热硬性差，淬透性低，淬火时易变形开裂。
4.用途
适用于制造各种低速刀具、量具。
此类钢一般以退火状态供应市场，使用时再进行适当的热处理。
如大锤、钻头、冲子、斧子、锯条、锉刀、丝锥、车刀、铣刀刻刀等。
项目二合金结构钢
由于碳钢在某些方面不能满足性能要求，因而人们研制并开发了合金钢。
在碳钢的基础上有目的加入一种或几种元素而获得的钢就称为合金钢。
一、钢的分类
GB/T13304－1991《钢分类》：
非合金钢、低合金钢、合金钢。
1、低合金钢
低合金钢——合金元素的种类和含量低于国标规定范围的钢。
↗普通质量低合金钢
按质量等级低合金钢可分为→优质低合金钢
↘特殊质量低合金钢
2、合金钢
↗低合金钢（WMe<5％）
按合金元素总量→中合金钢（WMe＝5％～10％）
↘高合金钢（WMe>10％）
按合金元素种类：
铬钢、锰钢、硅锰钢、铬镍钢等
按用途：
合金结构钢、合金工具钢、不锈钢及耐热钢（特殊性能钢）、合金专用钢等。
按退火组织分类：
亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。
按正火组织分类：
珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
二、合金钢的牌号表示方法
牌号：
数字＋元素符号＋数字＋拼音字母。
以60Si2Mn为例：
Wc＝60/10000＝0.6％，
Wsi＝2％，
WMn<1.5％。
1Cr13：
Wc＝1/1000，
WCr＝13％
特例：
GCr15（Wcr＝1.5％），
0Cr18Ni9（Wc<0.08％），
00Cr12（（Wc<0.03％）。
合金结构钢——用于制造机械零件和工程结构的合金钢。
三、低合金高强度结构钢
1、低合金高强度结构钢的化学成分
（1）低碳Wc＜0.20%,WMe＜3％。
（2）主加合金元素Mn、Si、Ti、Nb、V等。
2、低合金高强度结构钢的牌号、性能、及用途
（1）牌号
Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。
（2）性能
高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性、耐蚀性和冷成形性。
（3）用途
桥梁、车辆、船舶、压力容器。
四、合金渗碳钢
1、合金渗碳钢的化学成分
（1）低碳Wc＝0.10％－0.25％。
（2）主加合金元素Cr、Ni、Mn、Si、B（提高淬透性）W、Mo、V、Ti（碳化物强化相）。
2、常用合金渗碳钢
牌号：
20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4
性能：
外硬内韧。
用途：
用于承受冲击的耐磨零件，如汽车变速齿轮轴、活塞销等。
3、合金渗碳钢的
正火（预处理）→渗碳→淬火→低温回火。
五、合金调质钢
1、合金调质钢的化学成分
（1）中碳Wc＝0.25％－0.5％。
（2）主加合金元素Cr、Ni、Mn、Si、B（提高淬透性）W、Mo、V、Ti（碳化物强化相）。
2、常用合金调质钢
牌号：
40Cr、35CrMo、38CrMoAI、40CrNiMoA等
性能：
良好的综合力学性能。
用途：
用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击）下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件。
3、调质钢的热处理
（1）正火或退火→淬火→高温回火。
（2）正火→调质处理→表面淬火→低温回火。
项目三铁碳合金平衡组织观察
【实验目的】
1．观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2．分析不同成分的铁碳合金显微组织特征，加深理解其成分、室温平衡组织与力学性能之间的关系。
3．了解金相显微镜的使用方法。
【实验设备与试样】
1．台式金相显微镜（附图）。
附图4XA金相显微镜外形结构图
2．铁碳合金金相试样一套。
3．铁碳合金金相照片挂图一套。
附表金相试样材料、状态、组织及侵蚀剂
序号
试样材料名称
状态
室温显微组织
侵蚀剂
1
工业纯铁
退火
F
4%硝酸酒精
2
20钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
3
45钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
4
T8
退火
P
4%硝酸酒精
5
T12
退火
P+Fe3CⅡ
4%硝酸酒精
【实验方法与步骤】
1．观察已制备好的显微组织样品，样品有：
20、45、60、T8及T12钢，研究每个样品的组织特征，并结合铁碳合金相图分析其组织形成过程。
2．分析一个未知试样。
指出它是何种钢，是什么组织。
小结：
1、碳钢与合金钢的分类；
2、碳钢的典型牌号、组织、性能及应用；
3、渗碳钢、调质钢的典型牌号、性能及应用。
作业：
课程报告
碳钢与合金结构钢的典型牌号、性能与应用。
第二次课铸造；锻造；热处理；淬火实验
项目一铸造
在毛坯成形方法中，铸造占有很大的比例。
今天我们来学习铸造的有关知识。
一、概述
铸造——是将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。
1．铸造的特点
优点：
适应性广，成本低；质量好，生产率高。
缺点：
有铸造缺陷，力学性能一般。
2，铸造方法分类
（1）砂型铸造
（2）特种铸造金属铸造，压力铸造，熔模铸造，离心铸造，实型铸造。
二、金属的铸造能力
铸造性能——是指铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力。
1．流动性
流动性——金属液的流动能力。
（1）流动性对铸件质量的影响流动性好，易充型，可获得高质量铸件；流动性差，易出现冷隔、浇不到、气孔、夹渣等缺陷。
（2）常用铸造合金的流动性金属的流动性可用螺旋试样来测定。
螺旋线越长，流动性越好。
（3）影响流动性的因素
合金的种类与化学成分；
浇注的工艺条件。
2．收缩率
收缩率——是铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积尺寸的缩减。
收缩分为：
液态收缩、凝固收缩、固态收缩。
（1）收缩对铸件的影响
缩孔与缩松；
变形与开裂；
（2）影响收缩率的因素
合金的种类和成分；
工艺条件。
三、砂型铸造
砂型铸造工序：
模样与芯盒准备→型砂与芯砂配制→造型、造芯→熔炼、浇注→落砂、清理→检验入库。
（一）模样和芯盒
模样和芯盒是用来造型和造芯的基本工艺装备。
（二）造型材料
型沙：
原砂、粘结剂、附加物、水、旧砂按一定比例混合而成。
型沙与型沙的性能要求：
（1）足够的强度；
（2）较高的耐火性；（3）良好的透气性；（4）较好的退让性。
（三）造型与造芯
1．造型
（1）手工造型用手工或手动工具完成的造型工序。
（2）机器造型用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。
2．造芯
制芯也分为手工造芯和机器造型。
将铸型的各组元（上型、下型、芯、浇口杯）组合成一个完整的铸型便可用于浇注。
（四）熔炼与浇注
1．熔炼
熔炼设备：
冲天炉、感应电炉等。
炉料：
金属料、燃料、熔剂。
2．浇注
浇注——金属液应在一定的温度范围内按规定的速度注入铸型，
浇注温度在液相线以上200℃，一般为1250℃－1470℃，过高过低都不行。
浇注的流量和线速度要适宜，过快过慢都不行。
（五）落砂、清理、检验
落砂——用手工或机器使铸件与型沙、砂箱、分开的操作。
清理——采用滚筒、喷丸、抛丸等方法清除芯砂及铸件表面粘砂，并切除铸件上多余金属（浇冒口、飞翅和氧化皮）的过程。
检验：
铸件质量分为合格品、一等品、优等品三个等级。
四、特种铸造
（一）金属型铸造
1．金属型的材料与结构
2．金属型铸造工艺要点
3．金属型铸造的特点及应用范围
（二）压力铸造
1．压力铸造工艺过程
2．压力铸造的特点及应用范围
（三）熔模铸造
1．熔模铸造的工艺过程
2．熔模铸造的特点及应用
（四）离心铸造
1．离心铸造的方法
2．离心铸造的特点及应用
项目二锻造
工程中许多零件的毛坯都是经锻压加工的。
下面我们来学习锻压的有关知识。
一、概述
锻造——是对坯料施加压力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。
锻造加工能改善金属的内部组织，提高金属的力学性能。
二、可锻性
可锻性：
材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。
指标：
塑性；塑性变形抗力。
三、锻造的加热与冷却
1．锻造温度范围
锻造加热的目的：
提高坯料塑性，降低变形抗力易成形。
始锻温度：
固相线以下200℃左右。
终锻温度：
亚共析钢A1＋50℃－100℃；过共析钢Acm－A1。
2．加热速度
3．锻件冷却方法
方法：
空冷、坑冷（或箱冷）、炉冷。
四、自由锻
1．自由锻的基本工序拔长
（1）拔长
在平砧上拔长。
在芯棒上拔长。
（2）镦粗
主要形式：
完全镦粗、中间镦粗、端部镦粗。
高径比：
h/d≤2.5
（3）冲孔
单面冲孔法；
双面冲孔法。
（4）其他（弯曲、错移、锻结、扭转、切割）。
2．自由锻的生产特点和应用
特点：
设备简单，通用性好，成本低。
应用：
单件、小批量生产，特别是大型锻件。
五、模锻
1．单膛模锻
2．多膛模锻
（1）拔长模膛，
（2）滚压模膛，（3）弯曲模膛，（4）预锻模膛，（5）终锻模膛。
3．锤上模锻的特点和应用
优点：
生产率高，表面质量高，加工余量少，尺寸准确，操作简单，
缺点：
锻模制造周期长，成本高，锻件质量较低。
应用：
小型锻件的大批量生产。
项目三钢的普通热处理
整体热处理工艺主要有退火、正火、淬火和回火。
退火和正火为预备热处理，目的是消除组织缺陷，或为机加作准备；而淬火和回火作为最终热处理，目的是提高工件的使用性能。
一、退火
1.退火工艺及其目的
工艺：
加热、保温、缓冷。
目的：
降低硬度，改善成形和切削加工性能，均匀成分和组织，细化晶粒，消除内应力。
2．常用退火工艺方法
（1）完全退火与等温退火
加热Ac3以上20－30℃，保温时间随工件大小和厚度而定，炉冷至600°左右出炉空冷。
生产中常用等温退火代替完全退火。
目的：
细化晶粒，消除过热组织，降低硬度和改善切削加工性能。
适用中、高碳钢的亚共析钢。
（2）球化退火
加热Ac1以上20－30℃，保温后的冷却方式有两种
普通球化退火：
随炉缓冷至500－600℃后，出炉空冷。
等温球化退火：
先在Ar1以下20℃保温足够时间后，随炉缓冷至500－600℃，再出炉空冷。
组织：
在F基体上分布着粒状碳化物（球化体）。
对于过共析钢铸、锻、焊件，进行球化退火可使渗碳体球状化，改善切削加工性能，为淬火作组织准备，减小变形和开裂倾向。
（3）去应力退火
加热Ac1以下，（一般为500－650℃），冷却尽量缓慢，目的去除残余应力。
二、正火
1．正火工艺及其目的
工艺：
加热（奥氏体化）、保温、空冷。
加热通常在Ac3或Acm以上30－50℃。
组织：
细珠光体。
目的：
细化晶粒，消除内应力，为机加提供合适的硬度，也可作为最终热处理（如受力小、性能低的碳钢提供合适的力学性能）。
2．正火与退火的选用
（1）从改善切削加工性能考虑低碳钢——正火。
中碳钢——正火代替退火（成本低）。
Wc＝0.5－0.75％的钢——完全退火。
Wc>0.75％的高碳钢或工具钢——球化退火。
（2）从使用性能方面考虑受力小、性能要求低的工件——正火。
（3）从经济方面考虑尽量用正火。
三、淬火
1．淬火工艺及其目的
工艺：
加热到Ac3、Ac1以上某一温度保温，快速冷却。
目的：
获得马氏体或下贝氏体组织，以便在不同的回火温度获得不同的性能。
2．淬火加热温度
亚共析钢——Ac3以上30－50℃；共、过共析钢——Ac1以上30－50℃。
3．淬火冷却介质
淬火冷却时，为得到M，冷速必须大于M临界冷速。
淬火冷
却介质冷却能力越强，工件越易于淬硬，淬硬层越深，但产生的内应力越大，变形或开裂倾向越大。
因此，理想的淬火介质如左图所示。
它可减少淬火应力，避免变形和开裂。
常见的冷却介质有油、水、盐水、碱水，其冷却能力依次增强。
碳钢一般用水淬，合金钢一般用油淬。
盐水和碱水适用尺寸较大，外形简单，硬度要求较高，而淬火变形要求不高的碳钢零件。
此外还有碱浴、硝盐浴，其冷却能力介于水和油之间。
常用于形状复杂、尺寸较小和变形要求小的零件。
目前广泛采用的新型淬火剂如水玻璃–碱水溶液、过饱和的硝盐水溶液等会在工件表面形成薄膜，使工件冷却均匀，避免了软点，减少了变形与开裂倾向。
又具有无毒、无烟、无腐蚀、不燃烧等特点。
4．常用淬火方法
（1）单介质淬火如水、油。
（2）双介质淬火如先水冷后油冷或先水冷后空冷。
（3）马氏体分级淬火先盐浴后空冷。
（4）贝氏体等温淬火先盐浴后空冷。
四、回火
1．回火工艺及其目的
工艺：
将淬火钢重新加热Ac1以下某一温度，保温、冷却。
目的：
减少或消除淬火内应力，稳定组织和尺寸，降低脆性，获得所需力学性能。
2．淬火钢回火时组织和性能的变化
一般规律：
回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。
3．回火种类和应用
（1）低温回火（<250℃）。
组织：
回火马氏体。
性能：
高的硬度、强度和良好的耐磨性。
目的：
降低淬火应力和脆性。
应用：
刀具、量具、滚动轴承、渗碳件等。
（2）中温回火（250－500℃）。
组织：
回火托氏体。
性能：
弹性极限高，强度、硬度较高，塑性和韧性良好。
应用：
弹性元件及热作模具。
（3）高温回火（>500℃）。
组织：
回火索氏体。
性能：
综合力学性能优良。
应用：
曲轴、连杆、螺栓、齿轮等。
项目四淬火实验
热处理是将金属在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织及性能的一种工艺方法。
对于同一种金属材料而言，采用不同的热处理工艺可获得不同的力学性能，从而满足不同零件的使用要求和工艺性能要求，有效地拓宽了材料的使用范围，有利于最大限度的发挥材料的潜能。
一、实验目的
1．了解碳钢整体热处理的工艺特点，初步掌握操作方法。
2．分析加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢组织和力学性能的影响。
二、实验设备和试样
1．实验设备
箱式电阻炉，温控仪表，夹钳，水槽，油槽。
2．试样
45钢，T12。
三、实验内容
将钢加热到Ac1（共析钢和过共析钢）或Ac3以上某一温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度的速度冷却下来，使A转变成M。
1．淬火温度的选择
淬火温度的选择主要取决于Wc，对于亚共析钢，其加热温度为Ac3+30°～50°，淬火后得到细小的M与粒状Fe3C，后者可提高硬度和耐磨性，若加热温度过高，不仅无助于强度和硬度的提高，反而因过多的残余A而导致硬度和耐磨性下降。
各种不同成分的碳钢的临界温度可在热处理手册中查找。
45的临界温度为730°，加热可选为780°；T10的临界温度为730°，加热可选为780°。
2．保温时间的确定
保温时间的确定与钢的成分、工件的形状尺寸、加热介质、加热方法等因素有关，可根据具体情况在有关文献上查得。
加热温度在800°左右，工件形状为圆柱形的可按1.0分钟/每毫米直径计算。
3．冷却介质与冷却方法的选择
冷却是淬火的关键工序，如果冷却时冷却曲线与C曲线相交，将使A转变为其它组织，使性能不能满足要求；但若冷却过快，会形成较大的内应力，致使工件变形或开裂。
冷却时要在获得M组织的前提下尽量慢冷，理想的冷却曲线就是按这一要求描绘出来的。
目前为止，还没有找到一种十分理想的淬火冷却介质，应用较多的还是单液冷却，碳钢用水，合金钢用油。
四、实验方法与步骤
全班同学可分二组，各组领取试样后，按规定的工艺进行热处理。
然后测定硬度，并填入书后的表中，最后完成实验报告。
五、热处理安全操作技术
1．淬火时，穿好防护用品，以防淬火剂飞溅伤人。
2．操作前应熟悉零件的工艺要求及热处理设备的使用方法，严格按工艺规程操作。
3．加热设备和冷却设备之间，不得放置任何妨碍操作的物品。
4．用电热炉加热时，工件进炉、出炉应先切断电源，以防触电。
5．经热处理后的工件，不要轻易用手去摸，以防烫伤。
总结：
1．铸造、锻造的性能和方法；
2．正火、淬火和回火的目的；
3.回火的温度、组织、性能和应用；
4.淬火实验报告。
作业：
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