单元2 常用金属材料及热处理（课件）《机械基础》上好课（苏教版·凤凰职教）

《机械基础》（苏教版·凤凰职教） 上好课—中职专业课 模块七 金属材料及热处理 单元2 常用金属材料及热处理 教学目标 知识目标 1. 熟记Fe-Fe₃C相图核心特性点、特性线，理解相图的工程应用价值。 2. 掌握非合金钢、合金钢、铸铁、有色金属的分类、牌号规则及适用场景。 能力 目标 1. 能够准确识别各类金属材料牌号，区分不同钢材、铸铁、有色金属的性能差异。 2. 能够根据机械零件的工作工况、性能要求，合理选择金属材料及配套热处理工艺。 情感 目标 1. 培养严谨的工程思维和求真务实的科学态度，树立安全优先的工程职业理念。 2. 引导学生感知力学性能在机械生产中的应用价值，激发专业学习兴趣。 教学引入 同样是铁，为什么有的做菜刀，有的做大桥？ 思考情境 · 菜刀需要又硬又锋利，但不能太脆 · 大桥钢筋需要强度高、韧性好、能焊接 · 汽车齿轮表面要耐磨，芯部要抗冲击 · 机床床身要减震、不变形 核心问题 为什么同样由铁和碳组成，性能却天差地别？ ——答案就在成分、组织和热处理中 齿轮淬火——加热后急速冷却， 表面变硬 知识讲授：什么是合金？什么是铁碳合金？ 合金：一种金属元素与其他金属/非金属元素熔合而成，具有金属特性的物质。 铁碳合金：以铁（Fe）和碳（C）为基本组元的合金，包括碳钢和铸铁，是现代工业应用最广泛的合金。 合金的三类组织 ·固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格中（如铁素体、奥氏体） ·金属化合物：组元相互作用生成的新相（如渗碳体 Fe₃C） ·混合物：两种或以上相的组合（如珠光体、莱氏体） 碳钢钢板——最常用的铁碳合金材料 知识讲授：铁碳合金的五种基本组织 组织 符号 含碳量 主要性能特点 铁素体 F 0.0218% 塑性韧性好，强度硬度低 奥氏体 A 2.11% 塑性好，无磁性，锻造性好 渗碳体 Fe₃C 6.69% 高硬度高脆性，塑性几乎为零 珠光体 P 0.77% 强度较高，综合力学性能好 莱氏体 Ld 4.3% 硬度很高，塑性韧性极差 金相显微镜——观察金属内部组织的必备工具 知识讲授：五种组织的性能"两极" 软韧一侧 ·铁素体 F：含碳极低，体心立方晶格，塑性好但强度低 ·奥氏体 A：面心立方晶格，塑性优良，是锻造加工的理想组织 硬脆一侧 ·渗碳体 Fe₃C：含碳6.69%，复杂斜方晶格，硬而脆，是强化相 综合平衡 ·珠光体 P：铁素体+渗碳体层片状混合物，强韧性配合最佳 ·莱氏体 Ld：奥氏体+渗碳体，硬而脆，铸铁的主要组织 碳钢圆钢棒——不同含碳量对应不同组织和性能 知识讲授：Fe-Fe₃C 相图是什么？ 定义 Fe-Fe₃C 相图表示在缓慢冷却（平衡状态）条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的组织或状态的图形。 研究范围 · 含碳量：0 ~ 6.69%（Fe₃C 成分点） · 温度：室温 ~ 1600°C · 含碳量 < 2.11% 为碳钢，> 2.11% 为铸铁 重要意义 相图是钢铁材料选材和制定热加工工艺的重要依据。 钢厂圆钢堆——成分和组织决定了钢材的性能 知识讲授：六条特性线 ACD 线 — 液相线：线上方为液态 L，冷却至此开始结晶出固相 AECF 线 — 固相线：线下方全部为固相，冷却至此结晶完成 ECF 线 — 共晶线（1148°C）：含碳2.11%~6.69%的合金在此发生共晶转变：L → A + Fe₃C（莱氏体 Ld） PSK 线 — 共析线 A₁（727°C）：所有碳钢在此发生共析转变：A → F + Fe₃C（珠光体 P），又称 A₁ 线 ES 线 — Acm 线：碳在奥氏体中的溶解度曲线。随温度降低，碳在奥氏体中溶解度减小，多余碳以渗碳体析出 GS 线 — A₃ 线：冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线，又称 A₃ 线 知识讲授：七个特性点 符号 温度 含碳量 含义 A 1538°C 0% 纯铁熔点 C 1148°C 4.3% 共晶点——从液相同时结晶出奥氏体+渗碳体（莱氏体） D 1227°C 6.69% 渗碳体熔点 E 1148°C 2.11% 碳在奥氏体中的最大溶解度点——碳钢与铸铁分界 G 912°C 0% 纯铁同素异构转变点（δ-Fe ↔ γ-Fe） S 727°C 0.77% 共析点——从奥氏体同时析出铁素体+渗碳体（珠光体） P 727°C 0.0218% 碳在铁素体中的最大溶解度点 知识讲授：Fe-Fe₃C 相图 · 应用 1. 选材依据 · 低碳钢（wC<0.25%）：塑性好，用于桥梁、建筑、钢筋 · 中碳钢（0.25%~0.6%）：强度塑性韧性均衡，用于齿轮、轴 · 高碳钢（wC>0.6%）：硬度高，用于刀具、弹簧 2. 热加工依据 ·铸造：浇注温度参考液相线 ·锻压：加热到奥氏体区（塑性好） ·焊接：参考碳含量判断焊接性 ·热处理：A₁、A₃、Acm线是加热温度基准 齿轮—— 相图指导了它的选材和热处理工艺 知识讲授：非合金钢（碳素钢）· 分类 按含碳量分类 · 低碳钢：wC < 0.25% — 塑性好，焊接性好 · 中碳钢：0.25% ≤ wC ≤ 0.6% — 综合性能好 · 高碳钢：wC > 0.6% — 硬度高，耐磨性好 按质量等级分类（S、P杂质） · 普通质量钢：wS ≤ 0.045%，wP ≤ 0.045% · 优质钢：wS ≤ 0.035%，wP ≤ 0.035% · 特殊优质钢：wS ≤ 0.020%，wP ≤ 0.025% 按用途分类 · 碳素结构钢：wC < 0.7%，做工程构件和机械零件 · 碳素工具钢：wC > 0.7%，做刀具、模具、量具 精制圆钢棒——按含碳量和质量等级分类 知识讲授：Q235-A·F 这个牌号怎么读？ 牌号表示方法 Q + 屈服强度数值 + 质量等级 + 脱氧方法 示例：Q235-A·F ·Q：屈服强度"屈"的拼音首字母 ·235：屈服强度 235 MPa ·A：质量等级（A/B/C/D，A最差） ·F：脱氧方法（F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢） 性能与用途 塑性好、焊接性好，用于建筑钢筋、桥梁、厂房支架、铆钉、连接件等工程结构。 钢管——碳素结构钢常用于工程结构件 知识讲授："40钢"里的40代表什么意思？ 牌号表示方法 两位数字表示平均含碳量的万分数。 例如：40钢 → 平均含碳量 0.40% 常用牌号及用途 ·15钢、20钢：低碳，塑性好，渗碳件、冲压件 ·35钢、40钢、45钢：中碳，调质后综合性能好 ·60钢、65钢：高碳，弹性好，做弹簧 特点 S、P杂质含量低，质量好，一般需经热处理（调质）后使用。45钢是机械制造中最常用的钢号。 优质碳素结构钢圆钢——45钢应用最广 知识讲授：钢的热处理 定义 将钢件按一定工艺规则进行加热、保温、冷却，改变其内部组织，从而获得所需性能的热加工工艺。 两大类别 普通热处理（整体热处理）： 退火 → 正火 → 淬火 → 回火（"四把火"） 表面热处理： 表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮等） 核心三要素 加热温度 · 保温时间 · 冷却速度 真空热处理炉——精密热处理设备 知识讲授：T8 和 T12A 有什么区别？ 牌号表示方法 T + 数字（含碳量千分数）+ （A表示高级优质） 例如：T8 → 平均含碳量 0.8% T12A → 含碳1.2%，高级优质钢 特点与用途 · 含碳量高（>0.7%），淬火后硬度高、耐磨性好 · 但红硬性差（200~250°C以上硬度下降） · 用于低速切削刀具、锉刀、凿子、錾子、量规等 常用牌号 T7、T8（冲头、凿子）；T10、T12（锉刀、丝锥、板牙） 工具钢件淬火——碳素工具钢淬火后 获得高硬度和耐磨性 知识讲授：退火：为什么要"慢冷"？ 工艺：加热 → 保温 →随炉缓慢冷却 目的 · 降低硬度，改善切削加工性 · 消除内应力，防止变形开裂 · 细化晶粒，为后续热处理做准备 常用退火方法 ·完全退火：亚共析钢，细化晶粒 ·球化退火：共析/过共析钢，渗碳体球状化 ·去应力退火：消除铸造/焊接/冷加工残余应力 台车式退火炉——工件随炉缓慢冷却 知识讲授：正火和退火有什么区别？ 工艺：加热到 A₃ 或 Acm 以上30~50°C，保温后在空气中冷却 与退火的区别 · 冷却速度比退火快 → 组织更细、强度硬度更高 · 生产周期短、成本低、设备利用率高 主要用途 · 改善低碳钢的切削加工性（提高硬度） · 细化晶粒，均匀组织 · 作为普通结构件的最终热处理 · 代替调质处理（要求不高时） 井式热处理炉——正火后空冷 知识讲授：回火：淬火后为什么必须回火？ 工艺：淬火后重新加热到 A₁ 以下某温度，保温后冷却。淬火后必须回火！ 目的：消除淬火内应力、稳定组织尺寸、调整强度韧性配合。 回火种类 温度范围 性能特点 典型应用 低温回火 150~250°C 高硬度、高耐磨性 刀具、量具、轴承、渗碳件 中温回火 350~500°C 高弹性极限、屈服强度 各类弹簧、发条 高温回火 500~650°C 强韧综合性能好（调质） 齿轮、轴、连杆（淬火+高温回火=调质） 知识讲授：表面淬火 工艺：快速加热工件表面至淬火温度，立即快速冷却。 表面淬硬成马氏体，芯部仍保持原始组织。 性能特点 · 表面：高硬度、高耐磨性 · 芯部：保持足够的塑性和韧性 常用方法 ·感应加热表面淬火：高频/中频感应 ·火焰加热表面淬火：氧乙炔焰 典型零件：齿轮、曲轴、凸轮轴、销等 感应加热表面淬火——局部快速加热后喷射冷却 知识讲授：渗碳和渗氮有什么不同？ 原理：工件放入活性介质中加热保温，使元素渗入表层，改变表层化学成分和性能。 渗碳 · 渗入碳原子，提高表层含碳量 · 渗碳后淬火+低温回火 → 表面硬耐磨，芯部韧性好 · 用低碳钢（20钢、20Cr），如汽车变速箱齿轮 渗氮 · 渗入氮原子，形成氮化物 · 硬度更高、更耐磨、耐蚀性好 · 渗氮温度低、变形小，无需淬火 · 典型钢：38CrMoAlA 网带式渗碳淬火炉——连续化学热处理生产线 知识讲授：合金渗碳钢 知识讲授：淬火：为什么要"快速冷却"？ 工艺：加热到 A₃ 或 A₁ 以上，保温后快速冷却（水/油中） 获得马氏体组织。 目的：提高硬度、强度和耐磨性。 两个重要概念 ·淬硬性：淬火后能达到的最高硬度，取决于含碳量 ·淬透性：获得淬硬层深度的能力，合金元素提高淬透性 注意：淬火后必须回火！否则内应力大、易开裂。 齿轮淬火——加热后急速浸入冷却液， 获得高硬度马氏体组织 知识讲授：为什么要在钢中加入合金元素？ 定义：在碳钢基础上，人为加入合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V等），以改善性能的钢。 分类（按合金元素总量） · 低合金钢：总量 < 5% · 中合金钢：5%~10% · 高合金钢：> 10% 按用途分三大类 ·合金结构钢：制造机械零件 ·合金工具钢：制造刀具、模具、量具 ·特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢 合金钢管——低合金钢用于桥梁、压力容器 知识讲授：四种常用合金结构钢 合金渗碳钢（低碳） 渗碳淬火+低温回火，表硬心韧。代表：20CrMnTi → 汽车变速箱齿轮 合金调质钢（中碳） 淬火+高温回火（调质），综合性能好。代表：40Cr → 机床齿轮、轴 合金弹簧钢（中高碳） 高弹性极限、高疲劳强度。代表：60Si2Mn → 汽车板簧、螺旋弹簧 滚动轴承钢（高碳） 高硬度高耐磨、高接触疲劳强度。代表：GCr15 → 滚动轴承套圈、滚珠 螺旋弹簧——60Si2Mn 合金弹簧钢制造 知识讲授：W18Cr4V 为什么叫"高速钢"？ 合金工具钢 ·低合金刃具钢：9SiCr，低速切削刀具、丝锥、板牙 ·高速钢：W18Cr4V，红硬性好（600°C仍保持硬度），可高速切削 ·模具钢：冷作模具、热作模具 ·量具钢：量规、块规，尺寸稳定 特殊性能钢 ·不锈钢：Cr不锈钢、Cr-Ni不锈钢（304/316），耐腐蚀 ·耐热钢：高温抗氧化、高温强度 ·耐磨钢：ZGMn13高锰钢，受冲击后加工硬化 不锈钢管——304/316铬镍不锈钢耐腐蚀 知识讲授：铸铁和钢有什么本质区别？ 定义：含碳量 > 2.11%（实际2.5%~4.0%）的铁碳合金。 特点 · 碳主要以石墨形式存在 · 铸造性好、减振性好、切削性好 · 抗压强度高，但塑性韧性差，不能锻压 · 只能铸造成形，成本低 分类（按石墨形态） · 灰铸铁：石墨片状（HT） · 可锻铸铁：石墨团絮状（KT） · 球墨铸铁：石墨球状（QT） 机床床身——灰铸铁铸造，减振耐磨 知识讲授：可锻铸铁与球墨铸铁 可锻铸铁（KT） 石墨呈团絮状，强度塑性优于灰铸铁。 注意：不可锻造！由白口铸铁退火得到。 用于管接头、扳手、汽车后桥壳等。 球墨铸铁（QT） 石墨呈球状（浇注前加球化剂）。 牌号：QT + 抗拉强度 + 伸长率，如QT600-3。 性能：兼具钢的强度和铸铁的铸造性。 可调质处理，用于曲轴、齿轮、连杆。 球墨铸铁曲轴——性能接近钢，成本更低 知识讲授：铸钢 定义：用于制造铸件的钢，含碳量一般0.15%~0.6%。 牌号以"ZG"开头（"铸钢"拼音首字母）。 与铸铁对比 · 铸钢：力学性能高，塑性韧性好，但铸造性差（流动性差、收缩大） · 铸铁：铸造性好、减振耐磨，但强度塑性低 适用场景 形状复杂且受力较大、要求较高强度和塑性的零件： · 重型机械机架、吊车车轮 · 水压机工作缸、铁路车辆摇枕 铸钢件车间——复杂形状受力构件 知识讲授：灰铸铁 组织特征：石墨呈片状分布在钢基体上 牌号表示：HT + 最小抗拉强度（MPa） 如 HT200 → 抗拉强度200MPa 性能特点 · 减振性好（石墨吸震）——机床床身首选 · 耐磨性好 · 铸造流动性好，收缩小 · 抗压强度高，但抗拉强度低、脆性大 典型用途：机床床身、箱体、底座、缸体、皮带轮 灰铸铁机床铸件——箱体、床身 知识讲授：灰铸铁的优势 知识讲授：铝及铝合金 纯铝 密度小（2.7 g/cm³）、塑性好、耐蚀，但强度低。 铝合金分类 ·变形铝合金：压力加工成形（轧制、挤压） 防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝 ·铸造铝合金：直接铸造成形 铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金 应用：飞机蒙皮、门窗型材、易拉罐、汽车轮毂 工业铝型材——变形铝合金挤压成形 知识讲授：铜及铜合金 纯铜（紫铜）：导电导热好，塑性好，强度低，做电线。 铜合金三类 ·黄铜：铜+锌（Zn），H开头。色泽金黄，耐蚀，做阀门、管件、装饰 ·青铜：铜+锡/铝/硅等（除Zn、Ni外）。锡青铜减摩耐磨，做轴承、齿轮 ·白铜：铜+镍（Ni），色泽银白，耐蚀，做仪表、医疗器械 黄铜棒——铜锌合金，H62最常用 知识讲授：滑动轴承合金 用途：制造滑动轴承的轴瓦和内衬。 理想组织：软基体 + 硬质点 · 软基体：塑性好，磨合性好，嵌藏异物 · 硬质点：突出耐磨，承担摩擦 分类 ·锡基轴承合金（巴氏合金）：锡为基，性能好但贵 ·铅基轴承合金：铅为基，较便宜 ·铝基轴承合金：轻量化，新型材料 巴氏合金滑动轴承轴瓦 知识讲授：材料的选择与运用 选材料不是越贵越好——三大原则 1. 使用性能原则 首要原则 满足零件的力学性能（强度、硬度、韧性、耐磨性）和物理化学性能要求。 先分析零件工况，再定性能指标。 2. 工艺性能原则 可加工性 材料能否顺利铸、锻、焊、切削、热处理。 工艺性差的材料即使性能好也难以制造。 3. 经济性原则 低成本 满足性能前提下，优先选低成本、标准化材料。 考虑材料价格、加工成本和使用寿命。 知识讲授：典型零件选材 零件 常用材料 热处理 理由 机床齿轮 45钢 / 40Cr 调质+表面淬火 表面耐磨、芯部强韧，承受弯曲和冲击 汽车变速箱齿轮 20CrMnTi 渗碳淬火+低温回火 表面硬耐磨，芯部抗冲击，承载大 弹簧 60Si2Mn 淬火+中温回火 高弹性极限、高疲劳强度 丝锥/板牙 T12A / 9SiCr 淬火+低温回火 高硬度高耐磨，低速切削工具 机床床身 HT200灰铸铁 去应力退火 减振耐磨、铸造性好、成本低 传动部分 师生互动 讨论：自行车车架和菜刀分别应该选什么钢？ 分组讨论2分钟，请同学分享答案并说明理由 情境一：自行车车架 要求：轻便、有一定强度、可焊接、成本低 思考方向： · 含碳量高还是低？ · 需要热处理吗？ · 选哪个牌号？ 情境二：菜刀 要求：刀刃锋利、硬度高、有一定韧性不崩口 思考方向： · 含碳量高还是低？ · 需要什么热处理？ · 选哪个牌号？ 传动部分 知识点背诵 一、五个组织：铁素体F（软韧）、奥氏体A（塑好无磁）、渗碳体Fe₃C（硬脆）、珠光体P（综合好）、莱氏体Ld（硬脆） 二、三个关键温度/成分点：S点727°C/0.77%（共析→珠光体）；C点1148°C/4.3%（共晶→莱氏体）；E点2.11%（碳钢/铸铁分界） 三、四把火对比：退火（慢冷降硬度）、正火（空冷细化）、淬火（快冷获马氏体提硬度）、回火（淬火后必须，消应力调性能） 四、三个回火温度：低温150~250°C（刀具轴承）；中温350~500°C（弹簧）；高温500~650°C（调质=淬火+高温回火，齿轮轴） 五、牌号规则：Q235（屈服强度）、45钢（含碳万分之45）、T12A（工具钢含碳千分之12高级） 六、选材原则：使用性能（首要）、工艺性能、经济性 单项选择题 1. 铁碳合金中，含碳量为0.77%的共析点是（ ） A. E点　　 B. S点　　 C. C点　　 D. P点 正确答案：B S 点：共析点，含碳量 0.77%，温度 727℃，发生共析转变：奥氏体 → 珠光体（铁素体 + 渗碳体） E 点：碳在奥氏体中的最大溶解度点（2.11%） C 点：共晶点（4.30%） P 点：碳在铁素体中的最大溶解度点（0.0218%） 课后练习 正确答案：C 淬火会使钢产生很大内应力，硬度高但脆性大，容易开裂。淬火后一定要回火，目的是消除淬火内应力、降低脆性，调整力学性能。 课后练习 单项选择题 2. 淬火后必须进行的热处理工艺是（ ） A. 退火　　 B. 正火　　 C. 回火　　 D. 渗碳 单项选择题 3. 制造汽车变速箱齿轮，应选用的材料和工艺是（ ） A. 45钢调质　　 B. 20CrMnTi渗碳淬火　　 C. T12A淬火　　 D. HT200铸造 正确答案：B 汽车变速箱齿轮要求：表面耐磨、心部韧性好，承受冲击载荷。 20CrMnTi是低碳合金渗碳钢，工艺：渗碳 + 淬火 + 低温回火，表层硬度高耐磨，心部强韧抗冲击，适合变速箱齿轮。 课后练习 简答：退火、正火、淬火、回火的区别 课后练习 1. 退火：加热保温后炉内缓慢冷却，获得平衡组织。目的是软化工件、消除内应力，改善切削加工性，一般作为预备热处理。 2. 正火：加热保温后空气中冷却，冷却速度比退火快，晶粒更细。强度硬度高于退火，可细化均匀组织，用作预备热处理或不重要零件最终热处理。 3. 淬火：加热保温后快速冷却，得到马氏体。大幅提高硬度和耐磨性，但内应力大、脆性高，一般不单独使用。 4. 回火：淬火后，在 Ac₁以下温度加热保温再冷却。消除淬火内应力、降低脆性，调整力学性能，是淬火后必须进行的工序。 课堂小结 1. 熟练背诵本节课核心必背知识点，整理成个人背诵笔记。 2. 完成课堂练习题，核对答案并整理错题，标注错误原因与知识点漏洞。 3. 简答题实操应用：分别说明齿轮、高速刀具、机床床身、汽车弹簧四种零件的选材及对应的热处理工艺，并简述理由。 课后作业 感谢观看 Lavf58.46.101 Lavf62.3.100 $