金属材料与热处理教案文档格式.docx

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2、本课程的基本内容

本教材的内容大致分为四个部分：

金属的性能，金属学的基础知识，钢的热处理和常用的金属材料。

另外教材还简单的介绍了钢的火花鉴别以及非金属材料等内容。

其中，每一个部分都有其独立性，有它自己解决的问题，但各部分之间又有内在的联系，这是一门系统性很强的学科，每一部分的内容相辅相成，同样重要。

金属材料与热处理时从生产实践中发展起来的一门学科，他也是一门与生产实践联系紧密的课程，因此在学习过程重要理论联系实际，培养同学们分析问题和解决问题的能力。

3、金属材料与热处理的发展史

金属材料的使用在我国具有较悠久的历史，如：

公元16世纪，到公元前1066年的殷商时代，我国已经大量的使用青铜器，比较有名的由重达875公斤的司母戊大方鼎的造型，体积已经说明当时实用金属材料的高超技术。

战国后期，铸铁也得到了迅速发展，与国外相比，我国铸铁生产比西方早100年。

在热处理方面，西汉时期就有了利用水淬火的记载，出土的许多文物如：

刀、剑经过金相检验，也可以证明有比较成熟的热处理方法。

举例：

普通的玻璃、松香、树脂

固态金属、合金

4、金属材料在工业上的应用

目前的机械工业部门所用的材料90%以上是金属材料，金属材料已经广泛的用于我国的工、农业生产当中。

随着科学技术的不断发展，新产品、新工艺、新材料也不断的出现，如：

纳米材料、航空航天的特殊材料。

但与发达国家比较我们国家还存在差距，因此，我们要不断的探索，不断的创新。

1.1金属的晶体结构

本节课我们首先分析晶体与非晶体的不同点，然后在此基础上介绍晶体结构的基础知识。

一、晶体育非晶体

非晶体：

在物质内部，凡是原子呈无序堆积的状况称为非晶体

晶体：

在物质内部，凡是原子有序、有规则的排列的物体称为晶体。

晶体与非晶体的本质区别：

过去我们把天然的、外形规则的物体都认为是晶体，规则的外形只是内部结构规则的特殊反映形式之一，并不能完全代表其实质，自然界中有许多晶体往往具有规则的外形，但是晶体的外形不一定都是规则的，所以晶体与非晶体的本质区别：

在于其内部组织的排列是否有序。

有固定的熔点，在不同的方向具有不同的性能（各向异性）非晶体：

没有固定的熔点，各个方向具有相同的性能（各向同性）

二、晶体结构的基本知识

晶体的结构是指：

物体内部原子排列的状态，为了对晶体的结构有充分的认识，必须了解与晶体有关的基础知识，如：

晶格、晶胞、晶面、晶向

1、晶格和晶胞

晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把原子看作一个小球，则晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体。

如图：

2-1所示。

为了形象的表示晶体内部原子排列规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点联接起来，构成有明显规律性的空间格架。

晶格：

这种表示原子在晶体中排列规律的空间架格叫做晶格。

晶胞：

能够完整的反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。

2、晶面和晶向

晶面：

在晶体中由一系列原子组成的平面。

晶想：

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。

由于同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不一样，因此原子的结合力就不一样。

从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。

三、金属晶格的类型

金属得晶各类型很多，但绝大多数（85%）术语以下三种类型。

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，如图2-5所示，如：

铬、钒、钨、钼，α-Fe等金属。

挂图2-1

挂图：

晶格晶胞示意图

立方晶各种的一些晶面

2、面心立方晶格

它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个面的中心，如图：

2-6所示，如：

铝、铜、铅、镍等。

3、密排立方晶格

它的晶胞是一个六棱柱，原子排列在柱体每个顶角上和下底的中心，另外三个原子排列在柱体内，如图：

2-7所示，如：

镁、铍、锌。

金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的过冷度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度越大。

小结：

本节课我们着重讲述了晶体育非晶体、晶体的结构的基础知识、特别是金属晶格结构的三种类型、过冷现象、过冷度。

作业布置：

见首页

§

1-2纯金属的结晶

2008.9.12

纯金属结晶过程示意图，单晶体和多晶体结构示意图

1、掌握掌握纯金属的结晶过程。

2、理解晶粒大小对金属力学性能的影响。

3、掌握金属晶体结构的缺陷

纯金属结晶的基本过程。

金属晶体结构的缺陷

一：

4、5、6、7、8、9、10二：

6、7、8、9、10、11

三：

1、2、3、4四：

2、3五1、2、3、4、5、6

一、组织教学（2分）

检查学生的出勤情况，对学生的课前准备和学生的思想情况做出简单评论。

二、新课导入

回顾上一次课的内容，以提问的形式检查上节课学生的掌握情况，举实例过渡性的、有技巧得到如本次课要学习的内容。

三、新课讲授

二、§

一、纯金属的结晶过程：

液态金属的结晶过程是在一定过冷度的条件下才能进行的。

结晶过程是晶粒的形成与长大的过程。

晶粒：

外形不规则而内部原子排列规则的小晶体成称为晶粒。

晶界：

晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。

单晶体：

结晶后只有一个晶粒的晶体称为晶界。

多晶体：

如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成，则称为多晶体。

二、晶粒大小对金属力学性能的影响

金属晶粒大小对金属的力学性能有着重要的影响，一般情况下，细晶粒金属有较高的强度和韧性，为了提高金属的力学性能，必须控制结晶后晶粒大小，形核率越高，晶粒的长大速度越小，则结晶后的晶粒越小，因此细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度，常用的细化晶粒的方法有三种：

1、增加过冷度纯金属的结晶过程：

提问：

晶体、非晶体、晶格、晶胞、晶格类型

晶核：

2-12

2-13

形核率：

单位时间单位体积内所形成的晶核数目

液态金属的结晶过程是在一定过冷度的条件下才能进行的。

三、晶粒大小对金属力学性能的影响

金属晶粒大小对金属的力学性能有着重要的影响，一般情况下，细晶粒金属有较高的强度和韧性，为了提高金属的力学性能，必须控制结晶后晶粒大小，形核率越高，晶粒的长大速度越小，则结晶后的晶粒越小，因此细化晶粒的根本途径是控制形核率及长大速度，

常用的细化晶粒的方法有三种：

1、增加过冷度

2、变质处理（液态金属加入变质剂）

3、振动处理

四、晶体结构的缺陷

晶体缺陷：

晶体中出现各种不规则的原子堆积现象叫做晶体缺陷。

2-15

2-16

常见的晶体缺陷：

1、空位、间隙原子和置代原子

2、位错：

晶体中某处有一列或者若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。

韧形位错，螺形位错

特点：

容易在晶体内移动，金属材料的塑性变形是通过位错运动来实现的。

3、晶界和亚晶界

课堂小结：

图2-19

纯铁的冷却曲线

2-1金属材料的损坏与塑性变形

2008.9.17

1、了解金属塑性变形的基本原理；

2、冷塑性变形对金属性能与组织的影响。

单晶体塑性变形在实现方式和多晶体变形的特点

理解产生加工变形的原因。

习题册一、1，2、3二、1-3三、1四、1、2

上一个章节我们共同学习了塑性变形，为什么要研究塑性变形呢？

因为在生产实际中存在许多塑性变形有关的问题。

为了使金属材料形成我们所需要的零件，如锄头（形状和尺寸）我们采用锻造、轧制、冲压、冷拉等加工方法。

这些加工方法都是借助一定的工具和强大的外力使金属进行塑性变形，获得形状和尺寸。

还可以使金属的硬度和强度提高。

因此我们要研究更好的运用好塑性变形的生产服务。

金属的塑性变形

塑性变形：

不能随载荷的去除而消失的变形

金属在外力的作用下首先发生：

弹性变形、弹性和塑性变形、变形增大、断裂。

所以变形分为三个连续的阶段：

弹性变形

弹塑变形（三个连续的阶段）

断裂

弹性变形的本质：

外力克服原子之间的作用力，是原子的距离发生改变，（组是和性能不发生变化）

锄头

铁铲、角铁

回忆

一、单晶体的塑性变形

实际使用的金属材料，一般情况下是多晶体，为了便于理解，首先从单晶体开始，然后再分析复杂的多晶体。

单晶体的塑性变形主要以滑移的方式进行的。

即：

晶体的一部分沿一定得晶面和晶向相对于另一部分发生滑移。

力必须：

相互平行、方向相反的切应力（

）而且切应力必须达到一定的才能滑移。

垂直该晶面的正应力只能引起伸长或收缩。

当原子滑移到新的平衡位置时，晶体变产生了微量的塑性变形，许多晶面的滑移总和变产生了宏观的塑性变形。

研究表明：

滑移优先晶体中一定的晶面和晶向

晶体中能够发生滑移的晶面和晶向，我们称为滑移面和滑移向。

一般来讲，滑移面和滑移向越多，塑性越好

实践证明：

滑移是借助位错的移动来实现的。

（展开）

二、多晶体的塑性变形

多晶体育单晶体比较，并无本质上的区别，每个晶粒的塑性变形仍然移滑移位主要方式进行，由于晶界和晶向不同，故变形较为复杂。

多晶体的塑性变形的特点：

1、晶粒位向的影响

由于多晶体晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的处于不利于滑移的位置，而受到的阻

挂图3-2

见挂图：

3-4

3-5

力或者约束，时多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀形式，其结构是产生内应力。

2、晶界的作用

由于晶界的存在，在变形处出现竹节现象，阻碍滑移，晶界变大，晶体的塑性变形抗力增大。

3、晶粒大小的影响

一定体积的晶体内，晶粒数目越多，晶界越多，晶粒就越细而且不同位向的晶粒也越多，因而抗拒变形的能力也越大，因此有较强的塑性和韧性。

同样变形条件下，晶粒越细，变形量可分散到更多的晶粒内进行，不会集中在少数晶粒上而严重变形。

晶粒越细，晶界越多，越曲折，从而在断裂前出现较大的塑性变形，表现出较好的塑性和韧性。

冷塑性变形对金属性能和组织的影响

一、冷塑性变形对金属性能和组织的影响

1、金属材料经冷塑性变形后，除了形状和尺寸发生变化外，影响性能的结果随着变形程度的增加，变形阻力加大，强度硬度升高，塑性、韧性下降，产生了加工硬化。

2、在实际中，加工硬化是工业中提高强度、硬度、耐磨性的手段，这是有利的一方面，另外，塑性变形时由于各部分变形不均匀，产生残余应力，因该退火处理予以清除。

见图3-6

绪论：

晶粒越细的金属，不但有较高强度而且还有较强的塑性和韧性。

3-7

3-8

二、冷塑性变形对金属组织就够的影响

主要表现在两各方面：

1、产生纤维组织，力学性能由方向性

如：

纵向强度和塑性大于横向

2、由于变形增大，时金属变形抗力增大，产生加工硬化。

总结本节课的内容

2-2金属的力学性能

08机械维修1、2班

2008.9.19

图31-1自备图

1、是学生理解本课程的基本内容；

2、明确本课程的目的；

3、掌握金属的力学性能。

金属材料和热处理的概念；

载荷的分类方式和作用形式。

练习

习题册一、1、3、4、

四、1、五、5

第一章金属的性能

物理性能

化学性能

力学性能

金属性能的分类

使用性能

金属的性能

铸造性能

锻造性能

焊接性能

切削性能

工艺性能

在机械设备及工具的设计，制造中选用金属材料时，大多以其力学性能为主要依据，因此掌握金属材料的力学性能时非常重要的。

力学性能：

制在外利作用下所表现出来的性能

强度

塑性

硬度

冲击韧性

疲劳强度

载荷：

金属材料在加工及使用过程中所收的外力。

静载荷

冲击载荷

交变载荷

按作用性质不同

载荷

静载荷：

大小不变或者变化过程缓慢的载荷。

冲击载荷：

在短时间内以较高的速度作用于零件上的载荷。

拉伸载荷

压缩载荷

弯曲载荷

剪切载荷

扭转载荷

交变载荷：

大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。

按作用形式不同

图示说明：

见教材

变形：

金属材料受载荷的作用而产生的几何形状和尺寸的变化叫做变形。

弹性变形：

随载荷的去除而消失的变形。

不随载荷的去除而消失的变形。

内力：

金属受外力作用时，为保持不变在材料内部作用着与外力相对抗的力。

应力：

单位面积上受到的内力。

强度：

1、定义：

金属在静载荷的作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，符号σ

2、分类：

根据载荷作用方式不同：

抗拉强度：

一般情况下多以抗拉强度作为判断金属强度高低的指标

抗压强度

抗弯强度

抗剪强度

抗扭强度

抗拉强度一般由拉伸试验测得，需要拉伸实样

一、力－伸长曲线：

拉伸试验时，通过拉伸试验机将载荷和试样伸长量的变化自动记录下来绘制成拉伸曲线。

如图所示是低碳钢的力－拉伸曲线，也叫拉伸曲线图。

纵坐标表示力F单位为N，横坐标表示伸长量△L单位㎜，从图中可以看出：

（1）oe－弹性变形阶段:

此阶段的变形是弹性变形，如果此时卸载，试验将恢复原来的形状，这种随载荷的存在而存在，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。

（2）es－屈服阶段：

当载荷超过fe再卸载时，试样的伸长只能部分恢复，而保留一部分残余变形，这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。

当载荷继续增加fs时，图上出现平台或锯齿状。

这种在载荷不增加或略减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫作屈服。

屈服后试样开始有明显的变形。

（3）sb－强化阶段

在屈服阶段以后，如果继续加载，试样将继续伸长。

随着变形的不断加大，试样变形的抗力不断加大，这种变形称为形变强化（也叫硬化）此阶段的变形量均匀。

Fb是试样的最大载荷。

（4）bz－颈缩阶段（局部变形阶段）

当载荷达到Fb后试样的直径局部发生收缩，称为颈缩。

由于缩颈处横截面积不断减小，拉伸试样所需的载荷也减小此时的变形伸长主要集中在缩颈部位，直到断裂。

工程上使用的脆性材料，不仅没有屈服现象而且也不会产生缩颈。

如铸铁。

自备挂图

挂图

二、强度的衡量指标;

常用的衡量指标有屈服点和抗拉强度。

1、屈服点：

在拉伸试验过程中，载荷保持恒定。

试样仍能继续伸长的应力称为屈服点。

用σs表示。

2、屈服强度：

屈服强度是针对没有屈服现象的金属材料而言的。

国标规定，以试样标准的塑性伸长量为2％倍的L0时的应力作为规定残余应力（或称为屈服强度）用

表示。

3、抗拉强度：

材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗来强度，用

表示，它是机械零件设计和选材的重要依据。

三、塑性：

金属材料在载荷的作用下都会产生变形，在载荷的作用下金属材料就会折断，检查断面的结果，我们会发现被测材料发生了变形，有的材料变形较大，有的材料变形较小，变形大的我门说塑性好，变形下的塑性差

塑性：

断裂前金属材料产生永久变形的能力。

塑性的衡量指标也是由拉伸试验测得，常用伸长率和断面收缩率来表示。

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，用符号δ表示。

由公式可知：

2、断面收缩率（ψ）：

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。

断面收缩率的数值越大，表示断裂前产生的塑性变形量越大，塑性越好。

例：

有一直径

㎜，

㎜的低碳钢试样，拉伸试验测得

求

，

，δ，ψ。

解：

略

作业：

2-2金属的力学性能

（二）

2008.9.24

图2-7用金刚石圆锥体试验图2-7HRC-50硬度计

1、使学生理解硬度是衡量金属材料软硬程度的标志；

2、要求学生掌握测定硬度的方法；

3、掌握常用硬度的分类。

布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的区别；

测定硬度的方法。

习题册一、9、10二、4、5、6、7、8、9

三、3、4、5五、4

一、硬度

硬度是金属材料抵抗局部塑性变形的能力，它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。

硬度：

材料低抗局部变形特别是塑性变形、压痕、或划痕的能力。

硬度的测试方法很多，最常用的有布氏硬度试验法，洛氏硬度试验法、和维氏硬度试验发三种。

1、布氏硬度

（1）、测试原理：

强度的衡量指标及表示方法

塑性的衡量指标及表示方法

铝、钢被同样的物件压入表面后，变形不同，引入硬度

布氏硬度的测试原理是：

是一定直径的球体，以规定的试验压力压入试样表面，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，布氏硬度值使用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，用符号HBS（HBW）来表示。

HBS（HBW）用钢球试验时的布氏硬度值

F表示试验力NS球面压痕表面积D球面直径

d表示压痕平均直径

有公式可以看出，当F、D一定时，HBS仅与d的大小有关。

d减小，HBS越大，也及时说硬度越大。

通常布氏硬度不用计算，而是用放大镜观测直径，经过查表二获得。

查表：

见附录2

（2）布氏硬度的表示方法：

170HBS10/1000/30

布氏硬度值钢球球体直径试验力试验力保持时间

530HBW5/750/

布氏硬度值硬质合金球球体直径试验力未注时间10-15s

（3）应用范围：

适用于测定会铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的金属材料。

（4）优点：

能较准确的反映金属材料的平均性能

缺点：

操作时间较长，费时，测量高硬度材料不准确

不易测量成品荷薄壁件。

强调：

HBS钢球

HBW硬质合金

课堂练习：

查布氏硬度值

P141

布氏硬度适用于较软的材料

二、洛氏硬度

（1）洛氏硬度试验原理：

采用金刚石锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除