1、教學內容第一節 純金屬的結構與結晶本節重點：金屬的同素異構轉變。本節難點：對晶格、晶胞、過冷度概念的理解。本節了解：結晶的概念及過冷度的含義。一 金屬的晶體結構金屬在固態之下都是晶體。金屬的性能、塑性變形和熱處理相變都與晶體結構有關。因此，在學習金屬學時，首先要從晶體結構開始。（一） 基本概念1 晶體 固態物質可分為晶體和非晶體兩大類。晶體是指其原子（離子）在空間做有規則排列的物質。非晶體則相反，其原子是雜亂無章地堆砌在一起的。自然界當中除少數物質（如普通玻璃、松香、賽璐珞等）外，包括所有金屬在內的絕大多數物質，在固態之下都是晶體。晶體具有固定的熔點和各向異性，如，銅的熔點為1084.5，單晶

2、體銅在不同方向上的抗拉強度可以在1435公斤力/毫米2，范圍內變化。再以石墨為例，簡述晶體的各向異性。2 晶格 是晶體中的原子在空間做有規則排列的簡單模型。為了便于描述原子的排列方式，人為地將每個原子看成是一個幾何點，并用假想的線把各點連接起來，使之成為一個空間格架。這種表示原子在晶體中排列方式的空間格架，叫做晶格。在黑板上畫簡圖示意說明。3 晶胞 由于晶體中原子排列具有周期重復性，因此，可從晶格中選取一個具有代表性的最小幾何單元來說明晶體中原子的排列規律和特點，這個最小的幾何單元成為晶胞。（二）三種常見的金屬晶體結構 1 體心立方晶格。晶胞是一個立方體，在立方體的八個角和中心各有一個原子的晶

3、格，成為立方體晶格。如：-Fe -Fe W Mo V等。畫簡圖示意講解。 2 面心立方晶格。晶胞是一個立方體，在立方體的八個角和六個面的中心各有一個原子的晶格，成為面心立方晶格。如：-Fe Ni Cu Al等。3 密排六方晶格。 （不做詳細講述）二 金屬的結晶（一）結晶 金屬從液體狀態轉變為固體狀態的過程叫做金屬的結晶。（二）過冷度 實驗表明，金屬的實際結晶溫度T1總是低于理論結晶溫度（平衡結晶溫度）T0,這種現象叫做過冷。過冷是結晶的必要條件，T1與T0之間的差值叫做過冷度，即TT0 T1。過冷度不是恒定的，它與冷卻速度有關，冷卻越快，過冷度就越大。 （三）結晶過程 1晶核的形成 2 晶核的

4、長大 做簡單介紹三 金屬的同素異構轉變 有些金屬，如Fe Co Ti Mn Sn等，在結晶之后冷卻時，還會發生晶體結構的變化，從一種晶格轉變成另一種晶格。金屬在固體下的這種晶格轉變成為同素異構轉變。有同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體成為同素異構體。Fe在結晶以后具有體心立方晶格，成為-Fe；冷卻到1394時，-Fe轉變為面心立方的-Fe；繼續冷卻到912時，-Fe又轉變為體心立方晶格的-Fe.。鐵的同素異構轉變具有十分重要的意義，正是由于鐵能夠發生同素異構轉變，才有可能對剛和鑄鐵進行熱處理，從而達到改變其組織和性能的目的。同素異構轉變是原子的重新排列，形成另一種晶格的過程，實質上也是一種結晶

5、過程。為了與液體結晶相區別，通常把它成為重結晶。畫簡圖示意進行講解。第二節 合金的結構與結晶本節主要了解合金概念和特點。知道什么是鐵素體、珠光體、奧氏體、滲碳體。了解工業純鐵、鋼、白口鑄鐵的碳含量。一 合金 由一種金屬元素和一種或幾種其它元素（金屬或非金屬）組成的具有金屬特性的物質成為合金。例如，碳鋼和鑄鐵是主要由鐵和碳組成的合金。普通黃銅是由銅和鋅組成的合金。與組成它的純金屬相比，合金具有更高的硬度、強度等機械性能外，有的還具有強磁性、耐蝕性等特殊的物理性能和化學性能。因此，工業上使用的金屬材料絕大多數是合金。二 合金的相結構 1 固溶體 當液態合金凝固后，組員之間仍能互相溶解，形成在某種元

6、素的晶格中溶有其它元素原子的相，這種相稱之為固溶體。固溶體中含量較多的元素叫溶劑，含量較少的元素叫溶質。固溶體的晶格與溶劑元素晶格相同。2 固溶體的性能 （1）固溶體的強度和硬度較其溶劑金屬的高。這是因為溶質原子的溶入，將使溶劑原子的晶格常數發生變化，晶格產生畸變，導致位錯移動困難，塑性變形抗力增加，從而使溶劑的強度和硬度提高，這種現象稱為固溶強化。 （2）當溶質濃度適當時，固溶體不僅具有較溶劑金屬為高的強度和硬度，而且能保持良好的塑性和韌性。 （3）與純金屬相比，固溶體具有較高的電阻，而且電阻值與溫度變化的關系不大。3 金屬化合物 金屬化合物一般具有較復雜的晶體結構，熔點高、硬而脆。當它在合

7、金中出現時，通常能提高合金的硬度、強度和耐磨性，但會降低塑性。金屬化合物對金屬的強化作用往往比固溶體強大，并隨類型、數量、形態、大小和分布而改變。它可使合金的組織和性能在很大范圍內變動，這正是合金可以通過熱處理改變其性能的原因之一。三 鐵碳合金的基本組織1 鐵素體 代號F 碳在Fe中的間隙固溶體。2 奧氏體 代號A 碳在Fe中的間隙固溶體。3 滲碳體 代號Fe3C 鐵與碳的化合物。4 珠光體 代號P 共析轉變形成的鐵素體與滲碳體的機械混合物。5 萊氏體 代號Ld 共晶轉變形成的奧氏體與滲碳體的機械混合物。四 鐵碳合金碳含量1 工業純鐵 0.02182 鋼 0.02182.113 白口鑄鐵 2.

8、116.69第三節 馬氏體型轉變重點：馬氏體的形態、性能。難點：馬氏體的形成及結構當奧氏體快速過冷到Ms點以下溫度時，將發生馬氏體轉變，形成馬氏體。這種操作在熱處理上稱之為淬火。馬氏體是淬火鋼的基本組織。鋼件淬火可以大幅度地提高鋼的強度、硬度，而降低塑性、韌性，這與淬火得到馬氏體組織密切相關。一 馬氏體的組織形態1 板條馬氏體 主要在低碳鋼、馬氏體實效和不銹鋼淬火組織中存在。板條馬氏體的組織特征是以細長的條狀馬氏體作為組織單元。2 片狀馬氏體 片狀馬氏體的立體形態為雙凸透鏡狀。在光鏡下觀察時，片狀馬氏體呈針狀或竹葉狀。相鄰的馬氏體片互不平行，而成一定角度（60或100）.馬氏體片的尺寸相差懸殊

9、。最先形成的馬氏體片常橫貫整個奧氏體晶粒，其尺寸較大。隨后形成的馬氏體片，只能在已被分割的奧氏體中形成，故尺寸較小，而且越到后來，尺寸越小。二 馬氏體的晶體結構X射線結構分析證明，鋼中的馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體。鋼中馬氏體晶體結構有兩種類型：一種是體心正方晶格，出現在含碳較高的（C>0.25）鋼中；另一種是體心立方晶格，出現在低碳鋼（C<0.25）或無碳鐵合金中。板條馬氏體的含碳量低（C<0.2），正方度很小，故有體心立方晶格。片狀馬氏體的含碳量高（C>1.0），正方度大，因此具有體心正方晶格，而晶格畸變嚴重。三 馬氏體的性能1 馬氏體的硬度和強度 馬氏體的機

10、械性能特點，是具有高的硬度。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，隨著含碳量的增加，馬氏體硬度急速升高，當鋼的含碳量增至0.60.7后，其硬度變化趨于平緩。因為，隨著含碳量增加，殘余奧氏體增加，故硬度增加變緩。2 馬氏體的塑性和韌性板條馬氏體具有高度強度和硬度，但韌性和塑性低，宜用于工作時受沖擊較小且抗磨損的零件。板條馬氏體具有高度強度和韌性，因此，采取措施盡可能多的獲得板條馬氏體，將進一步材料的性能潛力。第四節 鋼的退火與正火掌握退火與正火的概念。熟悉退火與正火的目的。一 退火 是將鋼件加熱到一定溫度，經保溫后緩慢冷卻，以獲得接近于平衡組織的熱處理工藝方法。二 正火 是將鋼件加熱到全部奧氏體化溫度

11、，經保溫后在空中或用其它適當方式冷卻，以獲得細珠光體組織的熱處理工藝方法。三 退火與正火的目的一般把熱處理工藝分為最終熱處理和預先熱處理兩大類。最終熱處理的目的是使零件達到設計使用的性能要求，而預先熱處理的目的則是消除或改善前工序引起的缺陷，為后續工序做好性能與組織準備。退火與正火用于毛坯預先熱處理，可以達到以下目的：1 消除和改善坯料制備時所造成的各種組織缺陷。2 獲得最利于切削加工的組織與硬度。3 改善組織中相的形態與分布，細化晶粒，為最終熱處理做好組織準備。用于中間熱處理的目的是：1 消除或降低內應力，以減小后繼工序加工后變形或開裂傾向。2消除冷作硬化，軟化金屬，以利于冷塑性變形的繼續進

12、行。四 正火與退火的選用1 低碳鋼。 這類鋼主要應解決塑性過高造成粘刀而不易切削加工的問題，故采用正火為宜。2 中碳鋼。 為滿足切削加工要求，含碳量不超過0.45的鋼選用正火是合適的。含碳量超過0.45的鋼和一些合金含量較高的中碳結構鋼，因正火硬度過高，故宜采用退火。3 高碳鋼。 從切削加工或最終熱處理淬火的需要來看，采用退火為宜。 第五節 鋼的淬火與回火熟悉淬火、回火的概念，重點學習淬火、回火的工藝要素以及淬火回火的目的。把鋼加熱到奧氏體化溫度，保持一定時間，然后大于臨界冷卻速度冷卻，這種熱處理操作成為淬火。大部分零件淬火的目的是起到強化作用。淬火后獲得馬氏體或下貝氏體，通過回火得到預期的機

13、械性能。一 鋼的淬火加熱淬火加熱溫度，主要根據鋼的化學成分，結合具體工藝因素進行確定。1 鋼的化學成分一般情況下，亞共析鋼淬火溫度為Ac3+3050；共析鋼或過共析鋼的淬火溫度為Ac1+3050。2 工藝因素工件尺寸大小及形狀因素。淬火介質及淬火方法因素。加熱設備因素。3 亞溫淬火二 加熱時間1 影響加熱時間的因素：鋼的成分。工件尺寸與裝爐量。加熱設備。爐溫。裝爐狀況。2 加熱時間的確定淬火加熱時間常根據工件的有效厚度確定，并用加熱系數綜合表述以上各種影響因素。三 淬火冷卻介質淬火時，既要將已加熱至奧氏體狀態的工件，淬入冷卻介質進行激冷，使工件的冷速大于臨界冷卻速度，以獲得馬氏體組織，同時，又

14、要防止工件淬火變形和開裂。為此，應選擇不同冷卻特性的介質。生產中使用的淬火冷卻介質可分為兩大類：一類是淬火過程中要發生物態變化的介質，如水、水溶液及油等。該類介質沸點較低，工件的冷卻要依靠介質的汽化來進行。另一類是淬火過程中不發生物態變化的介質，如，熔鹽、熔堿及氣體等。四 淬火鋼的回火1 回火 回火是將淬火鋼加熱到A1以下的某一溫度，保溫一定時間，隨后以適當方式冷卻到室溫的熱處理操作。淬火后的工件一般不能直接應用，必須及時回火。原因是：淬火后工件具有較高的強度和硬度，但脆性大、塑性低、容易損壞。淬火后工件內部有較大的內應力，容易變形、開裂。淬火組織不穩定，容易發生轉變，從而引起工件尺寸變化。回

15、火的主要目的是：賦予工件最終的機械性能，減少或消除內應力，提高組織與尺寸的穩定性，減少變形和防止開裂。二 回火的分類1 低溫回火（<250）回火的目的是降低淬火應力，減少脆性，盡量保持鋼的高硬度、高強度和高耐磨性。主要應用于各種刃具、量具、冷變形模具、滾珠軸承、高頻淬火件等。2 中溫回火（300500）回火的目的主要在于保持較高的硬度和強度，并具有高的彈性極限和足夠的韌性。主要用于各種彈簧及某些模具。3 高溫回火（500650）習慣上將淬火加高溫回火成為調質處理。調質的目的是要得到一定的強度、硬度和良好的塑性、韌性相配合的綜合機械性能。調質處理廣泛用于各種重要結構件，特別是在交變載荷下工

16、作的零件。第六節 結構鋼的熱處理重點掌握調質鋼、彈簧鋼、軸承鋼的工作性能及其熱處理特點。用以制造各種機器零件和工程結構的鋼成為結構鋼。這類鋼按用途可分為建筑工程結構鋼及機器結構鋼兩大類。前者多數可以不經熱處理而直接使用。后者可分為調質鋼、滲碳鋼、彈簧鋼及軸承鋼。一 調質鋼的熱處理（一） 調質用鋼1 按化學成分分類 （1）含碳量 一般為0.350.55%（碳素鋼0，或0.250.50%(合金鋼)。 （2）合金元素 合金元素在調質鋼中的主要作用是提高淬透性和綜合機械性能，其中Mn、Si、Cr、B等元素的作用較大，成為主加元素。Mo、W、Ti等元素加入量較少，配合主加元素使用，稱為附加元素。在調質的

17、淬火溫度之下，附加元素大部分仍存在于碳化物中，所以不能顯著提高鋼的淬透性。它們的作用是細化奧氏體晶粒，減少鋼的過熱傾向，提高回火穩定性和強化鐵素體。2 按淬透性高低分類（1）低淬透性鋼 這類鋼的油淬臨界直徑不超過30毫米。常用的有碳鋼、鉻鋼、錳鋼和硼鋼等。（2）中淬透性鋼 這類鋼的油淬臨界直徑約為4060毫米，常用的鋼種有鉻鉬鋼、鉻錳硅鋼等。（3）高淬透性鋼 這類鋼都是多元合金鋼，油淬臨界直徑在60100毫米以上。（二）調質鋼的熱處理按照淬火和回火的溫度、時間和冷卻這三個要素的熱處理要求進行。二 彈簧鋼的熱處理為了使彈簧可靠地工作，對彈簧鋼提出如下基本性能要求：應具備高的彈性極限和高的屈強比，

18、以避免彈簧在高載荷下產生永久變形；應具備高的疲勞極限，以免彈簧在長期震動和交變應力的作用下產生疲勞破壞；有一定的沖擊韌性和塑性；具有良好的淬透性，以免淬火時心部出現珠光體和鐵素體，是彈性極限大幅度降低。（一）彈簧用鋼 彈簧鋼的主要性能要求是高的抗拉強度、彈性極限和疲勞強度，因此，彈簧鋼采用高的含碳量，碳鋼為0.60.9%，合金鋼為0.450.75%。碳素彈簧鋼的主要缺點是淬透性差，直徑大于10毫米的彈簧一般采用合金彈簧鋼制造。Si、Mn是彈簧鋼中常用的合金元素。Si、Mn的共同作用使淬透性大大提高。65Mn、60Si2Mn、50CrVA是最常用的合金彈簧鋼。（二） 彈簧鋼的熱處理1 采用熱軋不

19、退火鋼材，熱成型后，進行淬火加回火。一般板簧和大型卷簧的制造都采用此法。2 采用熱軋退火鋼材，冷卷成型，除應力整形后，再加淬火和回火。此法用來制造612mm的中型卷簧。3 采用冷軋鋼帶和冷拔鋼絲，冷卷成型，經淬火回火或低溫回火。一般小型彈簧都采用此法。結合具體材料講解工藝。三 滾動軸承鋼的熱處理（一）滾動軸承鋼的性能要求 高的淬透性；高的接觸疲勞強度；高的彈性極限及一定的韌性；高的尺寸穩定性；一定的抗腐蝕能力。（二）軸承用鋼 軸承鋼可分成鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼及高溫軸承鋼。鉻軸承鋼：含碳量為0.951.15%,這可以保證軸承鋼淬火回火后具有高的硬度、強度和耐磨性。Cr含量宜在0.40

20、1.65%之間，含Cr量超過1.65%會使殘余奧氏體量增加，硬度下降。鉻的作用是提高鋼的淬透性，減小過熱傾向和增加鋼的抗蝕性。常用的鉻軸承鋼為：GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn。（三） 滾動軸承鋼的熱處理 1 預備熱處理 正火、普通球化退火、等溫球化退火。 2 最終熱處理 淬火、回火、精密軸承的尺寸穩定處理。3 結合具體材料講解工藝。第七節 工具鋼的熱處理重點掌握工具用鋼所具有性能特點；掌握常用的各類工具鋼的牌號及主要成分組成。一 刃具鋼的熱處理1 刃具鋼的性能要求：高硬度、高耐磨性、高的熱硬性、高的強度和足夠的韌性。2 常用的碳素工具鋼：T7、T8、T9、

21、T10、T11、T12、T13。二 模具鋼的熱處理1 冷作模具鋼的性能要求：高的硬度、高的耐磨性、足夠的強度和韌性、熱處理時變形小、較高的淬透性。2 常用的鋼為:9M2V、9CrWMn、CrWMn、Cr2、Cr12、C12MoV、9CrSi。3 熱做模具的性能要求：高溫下的機械性能、良好的耐熱疲勞性、高的淬透性、良好的工藝學和抗氧化能力。4 常用鋼為：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8、3Cr2W8V。 結合具體材料講解工藝。第八節 硬 度 實 驗掌握布氏硬度和洛氏硬度的基本原理及其優缺點；了解各類硬度測量方法的使用條件和范圍。 一 硬度實驗的意義及分類硬度是金屬材料力學性能中最常用

22、的性能指標之一，是表征金屬在表面局部體積內抵抗變形或破壞的能力。分三類 壓入法：布氏、洛氏、維氏、顯微硬度、努氏硬度。 回跳式：肖氏、里氏。 刻劃法：莫氏硬度。二 布氏硬度 1900年由瑞典人Brinell提出而得名。布氏硬度法采用鋼球壓頭（直徑為D），加載（P）后壓入試樣表面，根據單位壓痕表面積上所受載荷大小，來確定布氏硬度值（用HB表示）。HB=P/F凹=P/DtF凹表面壓痕的凹陷面積；t壓痕凹陷深度；HB布氏硬度值符號，單位為kgf/mm2 若單位采用Mpa(MN/m2)時，則等式右邊的計算值應乘以0.102，才是所求HB值。, 在實際測定時，由于測定t較困難，而測定壓痕直徑d卻比較容易。因此，要將上式中t的換成d。 即 HB