金属材料与热处理教学项目.docx
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金属材料与热处理教学项目
《金属材料与热处理》教学项目
项目一金属材料的力学性能
一、教学目标
1、理解强度、塑性及衡量指标；
2、理解硬度及其测定方法；
3、了解韧性和疲劳强度。
二、教学任务
在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。
机械零件或工具在使用过程中，往往要受到各种载荷的作用。
金属材料在载荷作用时表现来的性能称为力学性能。
金属材料力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
1、强度：
金属材料抵抗变形和破坏的能力。
金属材料的强度以金属试样拉伸试验来测定。
强度指标：
（1）屈服点（σS）：
材料产生屈服现象时的应力。
单位：
MPa（兆帕）
（2）抗拉强度（σb）：
材料拉断前所承受的最大的应力。
单位：
MPa（兆帕）
σS、σb值越大，材料的强度越大。
练习与思考
（1）依据碳素钢这一章的相关表格，查出Ｑ23545的σS、σb。
（2）45钢制造的机械零件，当工作应力σ工作＞355MPa，甚至σ工作＞600MPa将发生什么时候危害？
2、塑性：
金属材料产生永久变形而不破坏的能力。
塑性指标：
（1）伸长率（δ）
（2）断面收缩率（ψ）
δ、ψ值越大，材料的塑性越好。
塑性好的材料可以通过压力加工，制成形状复杂的零件，且使用安全。
练习与思考
（1）依据碳素钢这一章的相关表格完成下表
金属材料
10钢
（低碳钢）
45钢
（中碳钢）
60钢
（高碳钢）
铸铁
δ
≈0
ψ
≈0
（2）在低碳钢、中碳钢、高碳钢、铸铁、纯铜和纯铝中这些金属材料中，哪些材料的塑性好？
塑性最差是哪一类材料？
练习与思考
塑性好的材料在生产中有哪些实际意义？
拓展视野
数控车、数控铣、普车切削加工塑性好的材料（如碳钢）其铁屑为带状，而切削加工塑性差的材料（如铸铁）其铁屑为片状断屑。
3、硬度：
指金属材料抵抗其它更硬物体压入表面的能力。
常用的硬度测定方法有三种：
硬度测定法
代号
硬度值范围
适用范围
布氏硬度
HBS
＜450
适用于测定硬度不高的原材料、半成品的硬度。
洛氏硬度
HRA
HRB
HRC
20~80
20~100
20~70
适用于测定硬度极高的材料和成品。
如硬质合金。
适用于测定硬度较低的材料和成品。
如黄铜轴套。
适用于测定硬度较高的材料和成品。
如淬火钢。
维氏硬度
HV
10~1000
主要测定表面淬硬层和化学热处理表面层的硬度。
硬度值越大，材料的硬度越大。
4、韧性：
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
韧性指标：
冲击功（Ak）单位：
J（焦耳）
Ak值越大，材料的韧性越大。
韧性材料：
Ak＞10J如碳素钢。
脆性材料：
Ak＜10J如铸铁。
5、疲劳强度（σ-1）：
金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。
国家标准规定：
钢铁材料在交变载荷作用下工作107次时的最大应力作为疲劳强度；
有色金属材料在交变载荷作用下工作108次时的最大应力作为疲劳强度。
项目二碳素钢
一、教学目标
1、了解碳素钢的分类；
2、掌握常用碳素钢的牌号，了解其性能及典型用途。
二、教学任务
碳素钢：
含碳量小于2.11%的铁碳合金。
由于碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，能满足一般机械的使用要求，且冶炼方便，价格便宜，是应用最广的金属材料。
1、碳素钢的分类
（1）按含碳量分
类别
含碳量
力学性能
低碳钢
C≤0.25%
塑性、韧性好，强度、硬度低。
中碳钢
C0.25%-0.60%
综合力学性能好。
高碳钢
C≥0.60%
强度、硬度高，耐磨塑性、韧性差。
（2）、按质量分
硫和磷在碳素钢中是有害元素，硫会使钢产生热脆性，磷会使钢产生冷脆性。
因此，碳素钢按硫、磷含量高低可分为：
普通钢：
S≤0.035%P≤0.035%如Ｑ235
优质钢：
S≤0.030%P≤0.030%如45T10
高级优质钢：
S≤0.020%P≤0.025%如T10A
（3）按用途分
结构钢：
C＜0.7%用于制造机械零件和工程结构件。
工具钢：
C＞0.7%用于制造刀具、模具和量具。
（4）按脱氧程度分
类别
代号
脱氧程度
实例
镇静钢
Z（也可不写）
脱氧完全。
10或10Z
半镇静钢
b
介于镇静钢和沸腾钢之间。
10b
沸腾钢
F
脱氧不完全。
10F
2．常用碳素钢
类别
牌号
牌号含义
典型用途
普通碳素结构钢
Ｑ195、Ｑ215、
Ｑ235、Ｑ255、
Ｑ275、
Q+数字—质量等级+脱氧程度
Ｑ235-A.F表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。
Ｑ195、Ｑ215：
铁钉、铁丝、白（黑）铁皮。
Ｑ235：
螺钉、螺母。
优质碳素结构钢
0810…45…7580
二位数字──平均含碳的万分之几
45表示平均含碳为0.45%的优质碳素结构钢。
45：
主轴、曲轴
65Mn:
弹簧
碳素工具钢
T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13
T数字──平均含碳的千分之几
T7表示平均含碳为0.7%的碳素工具钢。
T7、T8：
锤子、錾子
T10：
手工锯条
T12、T13：
锉刀
铸造碳钢
ZG200—400
……
ZG340—640
ZG数字—数子
铸钢σS—σb
ZG200—400表示σS为200Mpa
σb为400Mpa铸造碳钢。
ZG200—400：
变速箱壳体
拓展视野
易切削钢介绍：
易切削钢通常是指含较高硫、磷、锰或微量铅、钙的低碳或中碳结构钢。
易切削钢最大特点是易于切削加工，但它的锻造性能和焊接性能都不好，选用时应注意。
易切削钢主要要用于制作对力学性能要求不高、大批量生产的紧固件和小零件。
易切削钢牌号表示方法：
①加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。
例：
平均含碳量为0.15%的易切削钢，其牌号表示为“Y15”。
②较高含锰量的加硫或加硫、磷易切削钢在符号“Y”和阿拉伯数字后加锰元素符号。
例：
平均含碳量为0.40%，含锰量为1.20%～1.55%的易切削钢，其牌号表示为“Y40Mn”。
③含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加易切削元素符号。
例：
“Y15Pb”、“Y45Ca”。
练习与思考
1．在牌号Ｑ235—A.F中，Ｑ表示__________；235表示___________________________；
A表示____________；F表示____________。
2．45钢含碳量为______%，按含碳量分属于________钢，按质量分属于________钢，按用途分属于________钢。
项目三、钢的热处理
一、教学目标
1、了解热处理加热、保温目的和典型的连续冷却；
2、理解退火、正火、淬火、回火和表面热处理工艺和目的。
二、教学任务
热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。
它不仅能改善工件的加工性能，提高加工质量和劳动生产率，更重要的是热处理能显著提高钢的力学性能，从而充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和使用寿命。
热处理：
将固态钢进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织、结构和性能的工艺。
普通热处理──退火、正火、淬火、回火。
表面热处理──表面淬火、化学热处理。
加热目的：
获得高温组织。
大多数热处理加热是获得奥氏体化或部分奥氏体化。
保温目的：
使工件热透，组织转变均匀。
典型的连续冷却：
连续冷却名称
随炉冷却
空气冷却
油中冷却
水中冷却
平均冷却速度
10℃/分
10℃/秒
150℃/秒
600℃/秒
1、普通热处理——退火、正火、淬火、回火
名称
退火
正火
淬火
回火
工艺
将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢随炉冷却的工艺。
将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后空气冷却的工艺。
将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后快速冷却（油冷或水冷）的工艺。
将淬火钢加热到低于727℃，保温一定时间，然后空气冷却的工艺。
目的
①降低硬度，以利于切削加工；
②提高塑性，以利于冷变形加工；
③消除残余内应力；
④消除组织缺陷。
与退火目的基本相同。
提高钢的强度、硬度和耐磨性。
①消除淬火钢的内应力；
②稳定组织；
③调整结力学性能。
（1）回火分类、性能和应用
分类
低温回火
中温回火
高温回火
温度
150℃~250℃
250℃~500℃
500℃~650℃
性能
具有高的硬度、耐磨性，有一定的韧性，内应力大部分消除。
具有很高的弹性强度和适当的韧性，内应力基本消除。
综合力学性能好。
内应力全部消除。
应用
主要用于高硬度、耐磨件的回火。
如刀具、冷模具、量具、耐磨件、渗碳件等。
主要用于弹性零件和热模具的回火。
广泛用于受力构件的回火。
如主轴、曲轴、连杆等。
（2）调质处理：
淬火与高温回火相配合的热处理。
例用T13制造锉刀，其工艺路线为：
备料→锻造→退火→切削加工→淬火、低温回火→精加工
请说明工艺中各种热处理主要作用。
解答：
退火的主要作用是降低毛坯硬度，以利于切削加工。
淬火的主要作用是提高硬度和耐磨性。
低温回火主要作用是减少淬火内应力，稳定组织，适当提高韧性。
练习与思考
将45钢加热到8100C—8300C，经保温后，然后以下表不同方式连续冷却，请填写热处理名称。
冷却方式
随炉冷却
空气冷却
水中冷却
热处理名称
2、表面热处理
表面热处理是使零件表层具有高的硬度和耐耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性的热处理。
表面热处理可分为表面淬火和化学热处理。
（1）表面淬火
①火焰表面淬火
②感应加热表面淬火
③激光表面淬火
（2）化学热处理
①渗碳
②渗氮
项目四、合金钢
一、教学目标
1、了合金钢的优点；
2、掌握典型合金钢的牌号，了解其性能主要用途。
二、教学任务
在碳钢的基础上加入其它合金元素的的钢称为合金钢。
合金钢的优越性能有力学性能好，红硬性高，易淬透，并具有一些特殊的物理、化学性能。
1、合金钢牌号的表示
①合金结构钢、合金工具钢牌号的表示
合金结构钢合金工具钢
表示方法二位数字+元素符号+数字一位数字+元素符号+数字
平均含碳的合金元素合金元素平平均含碳的合金元素合金元素平
万分之几均百分含量千分之几均百分含量
注意：
当C≥1.0%时，牌号中不予标出。
实例40Mn23Cr2W8V
表示含C：
0.40%，Mn：
2.0%表示含C：
0.30%，Cr：
2.0%，V：
1.0%
20Cr2Ni4Cr12MoV
表示含C：
0.20%，Cr：
2.0%，Ni：
4.0%表示含C≥1.0%，Cr：
12.0%，V：
1.0%
②特专用钢
滚动轴承钢GCr15表示含Cr为1.5%的滚动轴承钢。
2、合金结构钢
类别
常用牌号
典型用途
普通低合金结构钢
16Mn15MnV
桥梁、汽车大梁、大型厂房
合金渗碳钢
20CrMnTi
汽车、拖拉机的变速齿轮
合金调质钢
40Cr38CrMoAIA
重要或精密机床主轴
合金弹簧钢
50CrVA65Mn
重要的弹簧
滚动轴承钢
GCr15
滚动轴承
3、合金刀具钢
类别
常用牌号
性能
典型用途
低合金刃具钢
9CrSi
CrWMn
强度、硬度较高，耐磨，红硬性比碳素工具钢高。
制造铰刀、拉刀、冷模具、量具等。
高速钢
W18Cr4VW6Mo5Cr4V2
具有高的强度、硬度、耐磨性，红硬性达600℃。
主要用于制造车刀、铣刀、钻头等。
4、不锈钢
（1）铬不锈钢1Cr132Cr133Cr13C4r13
（2）铬镍不锈钢0Cr18Ni91Cr18Ni9
拓展视野
与一般钢材相比，不锈钢的强度、硬度并不大，甚至还低些。
但由于含有大量Cr、Ni、等合金元素，导热系数低，线膨胀系数大，加工硬化倾向大，切屑不易卷曲、折断，切削与刀具粘结现象严重，因此，不锈钢较难加工。
练习与思考
1．60Si2Mn钢中，平均含C______%、Si______%、Mn______%。
Cr12钢中平均含C______%、Cr______%。
2．GCr15是_______________钢，主要用于制作________________，其主有要性能与低合金
刃具钢相近，故也可以用来制造刀具、冷模具和_____具等。
3.W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2属于________钢。
该类钢经高温淬火及多次高温回后具有高的强度、_______和________，红硬性温度达到_______0C，故该类主要用于制造切削速度较高的刀具（如_______、_______等）和形状复杂、负荷较重的成形刀具（如_______、_______等）。
项目五、铸铁
一、教学目标
1、了解铸铁及其优良性能；
2、了解常用铸铁的牌号、组织、性能、用途。
二、教学任务
铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金。
工业上常用铸铁的含碳量在3.0%~4.5%范围内。
铸铁中的碳以碳化物（Fe3C）形式存在时生产中很少应用，而工业生产中常用的铸铁碳则以石墨形式存在。
常用铸铁具有铸造好、切削加工性好、减摩擦、减震动、缺口敏感性低等优越性能。
常用铸铁
类别
灰铸铁
可锻铸铁
球墨铸铁
牌号
HT200…HT3500
表示σb为200MPa的灰铸铁。
KTH300-06…KTZ00-02
表示σb为300MPa、δ为6%的可锻铸铁。
QT400-18…QT900-2
表示σb为400MPa、δ为18%的球墨铸铁。
组织
金属基体+片状石墨
金属基体+球状石墨
金属基体+团絮状石墨
性能
抗拉强度、塑性、韧性较差，但铸造好，切削加工性好，减摩擦，减震动，缺口敏感性低。
有一定的塑性和韧性，造好，切削加工性好，减摩擦，减震动，缺口敏感性低。
力学性能与钢相媲美，铸造好，切削加工性好，减摩擦，减震动，缺口敏感性低。
用途
用于制造形状复杂、受力不大、受压减震的零件。
如机床身、水泵壳体、气缸体等。
用于制造形状复杂受冲击载荷的薄壁中小型零件。
如管道配件、车轮壳。
制造强度、硬度、韧性要求高，状复杂的零件。
如动机曲轴，车床、铣床主轴等。
拓展视野
1、灰铸铁为什么易于切削加工？
这是由于灰铸铁组织中的片状石墨割裂金属基体的连续性，使灰铸铁的切屑易脆断，且
石墨对刀具有一定的润滑作用，使刀具磨损减小。
2、在车削灰铸铁件时，为什么会发出清脆的尖叫声？
在加工车削灰铸铁件时，常常会发出清脆的尖叫声，这是因为灰铸铁件组织中存在硬度很高的白口铸铁（Fe3C）的缘故。
项目六、铝及铝合金
一、教学目标
1、了解纯铝的优良性能；
2、了解常用铝合金的牌号、组织、性能和用途。
二、教学任务
1、纯铝
铝是大自然赐予人类的宝物，它的具有密度小、导电、导热性好、塑性好等优良性能。
但人们对铝的认识经历了较为漫长的过程，在自然界，铝以稳定的化合态存在，如氧化铝（AI2O3），因而早期制备铝比较困难。
19世纪中期，铝十分昂贵，甚至超过了当时黄金的价格。
1886年，电解法制铝工艺的发明，使铝在生产、生活中得以迅速普及。
现今，铝已广泛地用来制造电线、电缆、生活用品和配制铝合金。
2、铝合金
铝合金具有密度小、比强度高、塑性好、制造成本简单、成本低、抗腐蚀能力强等优点。
常用的铝合金的种类、牌号、性能和用途
类别
牌号
性能
用途
防锈铝
LF5LF21
具有很好的耐腐蚀性，塑性优良，抛光性好。
制造耐腐蚀、保光泽的零件。
如装饰材料，日用器具、飞机车辆的防锈蒙皮。
硬铝
LY11LY12
强度、硬度较高，比强度与高强度钢相当，耐腐蚀性差。
主要用一般的的受力构件。
如铆钉、螺栓。
超硬铝
LC4LC6
有很高的强度，比强度与超高强度钢相当，耐腐蚀性差。
主要用于受力大的构件。
如飞机大梁、螺旋桨。
锻侣
LD7LD10
可锻造，力学性能与硬铝相近。
用于制造质量轻，且强度要求较高的锻件、冲压件。
铸造铝合金
ZL101ZL201
具有很好的铸造性。
铸造质轻，耐腐蚀、腐蚀复杂，但强度要求不高的零件。
如仪表外壳、内燃机活塞。
项目七、铜及合铜金
一、教学目标
1、了解纯铜的优良性能；
2、了解常用黄铜、青铜的牌号、组织、性能和用途。
二、教学任务
1、纯铜
铜是人类使用最早的金属，人类的历史就曾经经历了以它命名的青铜器时代。
人类最早利用的单质铜直接来自于自然界少量的单质铜。
铜在自然界中主要以化合态存在，常见的的铜矿有黄铜矿（主要成分为CuFeS2）、孔雀石〔主要成分为CuCO3.Cu（OH）2〕等。
现代工业主要采用调温冶炼黄铜矿的方法获得铜。
用这种方法冶炼得到铜，含铜量为99.5%～99.7%,还含有Ag、Au、Fe、Zn等杂质。
要达到电气工业生产用铜还必须经过电解精炼，电解精炼得到的铜，含铜量高达99.95%～99.98%。
铜的新鲜断面是玫瑰红色，但表面形成CuO膜外观呈紫红色（俗称紫铜）。
铜具有优良的导电性、导热性，耐腐蚀性，塑性优良。
铜广泛用于国防工业和电气工业。
约有一半的铜用于制造电线、电缆等导电体。
2、铜合金──黄铜、青铜、白铜
（1）黄铜
黄铜是铜与锌组成的合金。
因色黄而得名。
根据化学成分的不同黄铜以分为普通黄铜和特殊黄铜。
①普通黄铜
普通黄铜是仅由铜和锌组成的合金。
它的力学性能需求比纯铜高，价格便宜，在一般情况下不易腐蚀，塑性好，能进行热压力加工和冷压力加工。
普通黄铜是一种应用广泛的铜合金。
下表是介绍的是普通黄铜几种典型用途。
普通黄铜牌号
H90H80
H7O
H62
黄铜产品
艺术品体育奖杯
子弹弹壳
螺钉螺母垫圈
②特殊黄铜
特殊黄铜是普通黄铜中加入其它合金元素组成的铜合金。
如铅黄铜（HPb59-1）、铝黄铜（HMn58-2）
（2）青铜
青铜是指除黄铜和白铜以外的铜合金。
根据化学成分的不同可分为锡青铜和无锡（特殊）青铜。
人类在青铜器时代使用的大多是锡青铜。
类别
锡青铜
特殊青铜
典型牌号
QSn4-3QSn4-4_4
QAI7QBe2
主要性能
具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和铸造性。
大多数特殊青铜都比锡青铜具有更好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性。
（3）白铜
白铜是铜镍合金。
因色白而得名。
它表面膜光亮，不易锈蚀，主要用于制造精密仪器、仪表中耐蚀零件及电阻器、热电偶等。
项目八、硬质合金
一、教学目标
1、了解硬质合金的性能；
2、了解常用硬质合金的分类、牌号、用途。
二、教学任务
硬质合金是以一种或几种高硬度的难熔碳化物的粉末为主要成分,加入金属钴作粘结剂,用粉末冶金方法制得的金属材料。
它的性能特点是：
①硬度高（HRA86～93），红硬性高（900℃～1000℃），耐磨性好，抗压强度高；
②抗弯强度低（只有高速钢的1/2～1/3），韧性差（只有淬火钢的30%～50%），导热性差；
③耐腐蚀性好，抗氧化性良好；
④线膨胀系数小。
硬质合金切削切削速度比高速钢高4倍～7倍，刀具寿命高5倍～80倍。
可切削50HRC左右的硬质材料。
常用的硬质合金种类、牌号、成分、用途
类别
牌号
成分
硬基体粘结剂
用途
钨钴类硬质合金
YG3YG3XYG6
YG6XYA6YG8
碳化钨钴
适用于加工脆性材料。
如铸铁
钨钛钴类硬质合金
YT30YT15YT5
碳化钨钴
碳化钛
适用于加工塑性材料。
如一般碳钢45钢
通用硬质合金
YW1YW2
碳化钨碳化钛钴
碳化钽或碳化铌
适用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢
牌号说明：
Y──硬质合金；G──钴，其后数字表示含钴量；
X──细颗粒合金；A──含碳化钽或碳化铌的钨钴类硬质合金；
T──碳化钛，其后数字表示碳化钛含；W──通用合金。
拓展视野
硬质合金刀具使用时应注意的事项：
硬质合金切削刀具材料具有硬而脆的特性，故在精加工时务必使用金刚石砂轮磨削。
硬质合金切削刀具材料具有硬而脆的特性，故在受到冲击或夹紧力太大时会产生崩刃或碎裂。
硬质合金的热膨胀系数较小，故用作热套或冷套件的产品，若使用温度与设计值有显著差异（或高或低时）会产生裂纹。
在贮存硬质合金切削刀具时注意要放在干燥处，因切削液或其他液体会使其腐蚀，而降低刀具强度。
硬质合金刀具刃磨后，必须仔细检查有否产生裂纹。
如用电加工硬质合金切削刀具后，须检查刀具表面是否有残留裂纹，否则将会影响刀具强度，必要时通过精磨来消除刀具表面裂纹
硬质合金刀具磨削是应注意的事项：
硬质合金切削刀具在磨削加工时会产生较高的切削温度和粉尘、气雾。
当粉尘、汽雾接触到眼睛或皮肤，以及被人体吸入都会产生危害。
故对硬质合金切削刀具进行磨削或刃磨时，推荐您使用局部吸尘装置、带口罩、眼睛和手套等保护措施。
若手上沾上粉尘，应用肥皂和水彻底清洗干净。
切勿在工作地就餐，餐前应将手洗干净。
应用吸尘器或洗涤方法去除衣服上的粉尘，切勿用手拍粉尘。
长期或反复接触粉尘会影响皮肤、呼吸道和心脏等。
项目九、金属切削加工性能
一、教学目标
1、了解金属的切削加工；
2、了解金属材料的切削加工性。
二、教学任务
1、切削加工
金属材料的切削加工是车、刨、铣、钻、磨及钳工加工。
2、切削加工性
切削加工性是指切削加工工件材料的难易程度。
（1）最佳切削硬度
影响金属材料切削加工性的因素很多，主要的有硬度、塑性、耐热性、导热系数及对刀具的磨擦能力等，其中硬度对金属的切削加工性影响最大。
金属材料的最佳切削硬度是170~230HBS。
硬度过高不但难以加工，而且刀具容易磨损，能量耗费多；但硬度过低时切削加工中易“粘刀”，使刀具发热和磨损，且表面光洁度也很差。
（2）金属材料的切削加工性分类
①很容易切削材料：
铜合金、铝合金、锌合金。
②易切削材料：
易切削钢（Y12钢）、退火15Cr钢、正火30钢。
③普通材料：
一般钢材（Ｑ235钢45钢）、灰铸铁。
④难切削材料：
调质合金钢（45Cr钢）、不锈钢、钛及钛合金、高锰钢。
（3）机械制造中采用热处理改善材料切削加工性方法
高碳钢可采用退火降低硬度，改善切削加工性；
低碳钢可采用正火或调质处理降低硬度，改善切削加工性。
拓展视野
切削速度选择原则：
主要考虑切
升级会员 