1、金 属 材 料 与 热 处 理讲解金 属 材 料 与 热 处 理教案 汉 寿 职 业 技 术 学 校吴 健教案（一）课题：金属的物理性能、化学性能教学目的：1、了解和掌握金属的物理性能它所包含的内容，以及变化特性。 2、了解和掌握金属的化学性能它所包含的内容，以及变化特性。教学重点：1、物理特性：密度、熔点、导热性、导电性、磁性； 2、化学特性；耐蚀性、抗氧化性、化学稳定性；课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时一、金属的物理性能1、物理性能：是金属材料本身固有的一些属性。1） 密度：在一定的温度，单位体积材料的质量。2）熔点：金属材料熔解的温度。熔点越高，在制造高温下工作的构件越有限
2、优势。3）导热性：金传导热或散热的能力，用导热率表示。金属的热导率越大，则金属的导热性越好，越适应用来制造热交换器等传热设备的零件。常用金属的物理性能比较物理性能物 理 性 能 比 较密度/(kg/L)金 铅 银 铜 铁 锰 铝1932 11。34 10。53 8。92 7。8 7。34 2。70熔点/（C）钨 铁 锰 金 银 铝 锡 3380 1538 1244 1064 960 660 232导热性-热导率银 铜 铝 镁 铁 锡 铅 锰 418.6 393.5 221.9 153.7 75.4 62.8 34.8 4.98(192C)导电性-电阻率银 铜 铝 镁 钨 铁 铅 锰 1.5 1
3、.67(20C) 2.66 4.47 5.1 9.7 20.68 185(20C)4）导电性：金属内部电子的移动，材料的导电性能用电阻率表示。 电阻率越大金属的导电性越差。金属的电阻率常会随温度升高而增加，使金属的导电性和电阻热发生变化。5）磁性：金属在磁场中磁化或磁性强弱反应的能力。 金属的磁化分三种：（1） 铁磁性材料：在外磁场中能磁化的材料。（2） 抗磁性材料：在外磁场中能抵抗或消弱被磁化的材料。（3） 顺磁性材料：在外磁场中能微弱被磁化的材料。2 金属的化学性能化学性能；是指在其服役条件下抵抗各种化学介质作用的能力。1）耐腐性：抵抗各种化学介质作用而不被腐蚀的能力。2）抗氧化性：在高温
4、下抵抗氧化的能力。3）化学稳定性：是金属耐蚀性和抗氧化性的总称。课堂小结：作业：教案（二）课题：金属材料的力学性能教学目的：1、了解掌握强度的含义、特性及应用、试验的方法； 2、了解掌握塑性的含义、特性及应用、试验的方法； 3、了解掌握硬度的含义、特性及应用、试验的方法； 4、了解掌握冲击韧度的含义、特性及应用、试验的方法； 5、了解掌握疲劳强度的含义、特性及应用、试验的方法；教学重点：1、强度的含义、特性及应用、试验的方法； 2、塑性的含义、特性及应用、试验的方法； 3、硬度的含义、特性及应用、试验的方法； 4、冲击韧度的含义、特性及应用、试验的方法； 5、疲劳强度的含义、特性及应用、试验的
5、方法；课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时 金属材料的力学性能是金属材料受外力（载荷）作用时所表现出抵抗损伤的能力。材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。载荷分：1、静载荷； 2、冲击载荷； 3、交变载荷；1、强度 是金属在静载荷作用下，抵搞永久变形（塑性变形）和断裂的能力。1、拉伸试样： 2、拉伸曲线分析： （A）oe弹性变形阶段：曲线近乎为直线，伸长量与载荷成正比，此时如卸载，试样可恢复原来形状和尺寸，Fe表示。（B）es屈服阶段：载荷继续增加时，试样将产生塑性变形（不可恢复的变形）并逐渐明显。在载荷达到Fs时，曲线上出现水平或锯齿线段，表明载荷不增加或略有增减，而试样仍继续
6、伸长，此现象为屈服。（C）sb强化阶段：屈服阶段后，试样塑性变形增大，承受载荷的能力也随之增加，材料进入了强化阶段。这种随塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度的提高而塑性、韧性下降的现象，为形变强化。（D）bz缩颈、断裂阶段：当载荷过到至最大值Fb后，试样某处横截面发生局部收缩，即出现缩颈，当达至z点时，试样在缩颈处被拉断。3、强度指标 金属受载荷作用时，为抵抗变形或断裂，在材料内部作用着现外力相时抗的力称为内力。拉伸、压缩载荷下，横截面上的应力计算公式：（应力）=F（外力）/S（截面积） （单位Pa或MPa）1、屈服点：指试样试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。用s表示s=Fs
7、/So式中 Fs试样产生屈服时的载荷（N） So试样原始横截面积（mm)许多金属材料（如铸铁、高碳钢）在拉伸时没有明显的屈服现象用残余伸长应力0.2表示，0.2是试样拉伸后，其标距部分残余伸长达到0.2%时的应力，也称屈服强度 0.2=F0.2/SO式中 F0.2试样残余伸长达到0.2%时的载荷。 SO试样原始横截面积（mm) s或0.2表示材料抵抗塑性变形的能力，其数值越高，材料抵抗塑性变形能力越大，工件试用工作应力越高，承载能力越强。 s或0.2是评定金属力学性能的主要指标是设计和选材的重要依据。2、抗拉强度：指试样被拉断前能承受的最大应力用b表示。 b=Fb/So式中 Fb试样拉断前能承
8、受的最大应力 So试样原始横截面积（mm) b表示材料抵抗断裂的能力。数值越高，材料抵抗断裂能力越大。工件的工作应力是不允许超过抗拉强的，否则会产生断裂，它是机械零件设计和选材的重要依据。3、形变强化：是材料在塑性应形时产生强、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。是强化材料的重要手段之一。2、塑性 是脂材料断裂前产生永久变形（塑性变形）的能力。伸长率、断面收缩率来评价。1、伸长率：指试样拉断后标距的伸长与原始标距百分比，用表示。=(L1LO)/LO100%,式中 L1试样拉断后的标距(mm).。 LO试样原始标距(mm)。 同一材料标距长度不同，其伸长率镇不同，不能直接比较，长的用符号10，短的用
9、符号5。2、断面收缩率：指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用表示。=(SOS1)/SO100%,式中 SO试样原始标距(mm)。 S1试样拉断后的缩颈处的最小横截面积(mm).。金属材料塑性评价用、，来说明，当其值越大，金属材料的塑性越好。、一般不能用于工程计算。课堂小结：作业：教案（三）课题：金属材料的力学性能教学目的：1、了解掌握硬度的含义、特性及应用、试验的方法； 2、了解掌握冲击韧度的含义、特性及应用、试验的方法； 3、了解掌握疲劳强度的含义、特性及应用、试验的方法；教学重点：1、硬度的含义、特性及应用、试验的方法； 2、冲击韧度的含义、特性及应用、试验的
10、方法； 3、疲劳强度的含义、特性及应用、试验的方法；课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时一、硬度 是评价材料软硬程度的指标，是材料抵抗局部变形、特别是塑性变形，压痕或划痕的能力。硬度试验方法常用的方法1、布氏硬度1）测量原理：用直径为D淬火钢球（符号为HBS）或硬度合金球（符号HBW）做压头，以相应载荷压试样表面，经保持规定的时间后卸除载荷，得到一直径为D的压痕，再用载荷除以压痕表面积。 布氏硬度值的计算公式：HBS（HBW）=F/S。式中 S压痕表面积（mm） F作用在工件上的载荷（kgf式N）2）表示方法：硬度值硬度符号试验条件（依次为：D，F及载荷保持时间，10-15S不标注）
11、。例：120HBS10/100/30、表示用直径10mm的淬火钢球为压头，在1000kgf（式9.807N）载荷作用下保持30s，所测得的布氏硬度值为120；538HBW5/750表示用直径为5mm的硬抟合金压头在750kgf（式7355N）载荷作用下保持1015s。所测得布氏硬度什为538。3）优缺点优：压痕较大，准确缺；操作麻烦、压痕较大。2、洛氏硬度1） 测试原理：采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为非作歹1.588MM淬火钢球为压头，在初载荷主载荷先后作用下，将压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除主载荷，以测量的压痕深度来确定洛氏硬度值。 2） 表示方法硬度值硬度符号+标尺 常用H
12、RA、HRB、HRC三种。例70HRC、70HRA3） 优缺点优：操作简便、压痕小，可直接测量；缺：不够准确。3、维式硬度1） 测试原理与布式硬度试验相同。2） 表示方法硬度值硬度值符号HV试验条件。3） 优缺点优：压痕较浅。缺：工作效率不如洛氏硬度。二、冲击韧度在短时间内以较高的速度作用在零件上的载荷称为冲击载荷。金属材料抵抗冲击载荷而不破断的能力，称为冲击韧度。1、测试原理 冲击韧度越大，表示材料在大能量的冲击载荷作用下抵抗破坏的能力越强。生产中一般把冲击韧度什低的材料称为脆性材料，值高的称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平整，呈晶状，有限金属光泽。韧性材料在断裂前有
13、明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。2、试验的用途 冲击韧度值实际上是没有明确物理意义的，它是一个由强度和塑性共同决定的综合力学性能指标。1）评定材料的低温变脆倾向，测定材料的韧脆转变温度。2）反映材料的冶金质量和加工产品质量。3、小能量多次冲击试验 实践证明：小能量多次冲击条件下，零件冲击抗力主要取决于材的强度和塑性。.三、疲劳强度 金属材料经受无限次循环应力（或交变载荷）而不发生断裂的最大应力值为疲劳强度。1、 疲劳现象 零件在工作时，其所承受着大小、方向或大小、方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷。交变载荷下工作的零件，因损伤劳累，在工作应力低于其屈服强度的情况下发生突然断裂，称
14、为疲劳断裂。2、疲劳断裂的特点（1）无明显的塑性变形预兆，突发，、险性大。（2）引起断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点。（3）疲劳断口主要由三个部分组成：疲劳策源地、裂纹扩属区、瞬时断裂区。3、疲劳断裂的原因 零件表面或内部有缺陷，使局部应力大于屈服点，在循环应力作用下易产生微裂纹，并随着循环周次的增加裂纹不断扩展，使零件的有限效承载面积不断减小，最后减小到不能承受外加载荷的作用零断裂三个阶段。4、疲劳曲线与疲劳极限 金属材料所承受交变应力愈大，则疲劳断裂前所受应力循环次数越少，反之越多。交变应力A与疲劳寿命N的关系曲线图为疲劳曲线。 疲劳强度是指材料经受无限次循环应力鸸不发生断裂的最大应力
15、值。5、提高疲劳强度的途径除了与选用材料本性有关外；1）改善零件结构的形式。避免尖角、缺口、截面突变；2）降低零件的表面粗糙度，提高表面加工质量；3）采取表面强化处理；课堂小结：作业：教案（四）课题：金属的工艺性能 教学目的：1. 了解掌握铸造性能的含意； 2. 了解掌握锻造性能的含意； 3. 了解掌握焊接性能的含意； 4. 了解掌握切削加工性能的含意；教学重点：1.铸造性能的含意； 2.锻造性能的含意； 3.焊接性能的含意； 4.切削加工性能的含意；课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时 金属材料的工艺性能是指金属材料用各种加工方法获得优质零件的能力。直接影响到零件制造工艺和质量。一
16、、铸造性能 金属及合金利用铸造加工方法而获得优良铸造的能力为铸造性能。常用流动性、收缩性、偏析倾向等综合评价。当流动性好、收缩性小、2鹿茸析倾向低时，材料铸造性能好。不同的材料铸造性能不同，同种材料中靠搂共晶点的合金铸造性能好。二、锻造性能 金属材料利用压力加工时获得优质锻件的能力为锻造性能。常用塑性和变形抗力来综合评价。塑性越好，变形抗力越小，零件成形容易，宜于模膛充满，变形功消耗小，金属的锻造性能就越好。三、焊接性能 金属材料利用焊接加工的方法获得优质焊缝的能力为焊接能力。低碳钢具有良好的焊接性能。四、切削加工性能 金属材料利用切削加工方法获得优质零件的能力为切削加工性能。常用切削抗力大小
17、，表面粗糙度、断屑难易程度及刃具磨损大小来衡量。课堂小结：作业：一、填空题1制造机械零件选择金属材料时，常需要考虑金属材料的（ ），（ ）和（ ）等是否满足要求。当零件与工作条件不能适应，常出现有断裂、变形、及磨损现象，使其无流按预定效能工作，此现象称为（ ）。2金属的使用性能主要表现有（ ）、（ ）、（ ）等。3金属材料的力学性能是指金属材料受外力作用时（ ）的能力。4金属材料强度评价常用（ 或 ）和（ ），它们常是零件设计、选材的重要依据。而塑性的评价则用（ ）和（ ），它们一般不能直接用在零件设计中，但为保正零件使用的安全性，金属材料应珍有一定的塑性。5提高零件疲于疲命极限的途径主要有（
18、 ）、（ ）、（ ）。6金属的工艺性能主要包括（ ）、（ ）、（ ）、（ ）。二、名词解释1熔点：2强度：3硬度：4塑性：5冲击韧度：6力学性能：7疲劳断裂：教案（四）课题：金属的晶体结构 教学目的：1、了解晶体和非晶体的概念、晶体的组成； 2、了解晶体结构的结构的组成；教学重点：1、晶体和非晶体的概念、晶体的组成； 2、晶体结构的结构的组成；课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时一、晶体的基础概念自然界中的固态物质按其原子（或分子、离子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。原子按一定的几何形式周期排列而成的固态物质称为晶体。原子无规则堆积在一起的固态物质称为非晶体。 1、晶格将晶体中
19、的原子假想为固定不动的刚性小球，并用假想的线将晶体中的原子串联起来，从而获得了能描述晶体中原子排列规律的几何空间架称为晶格。2、晶胞晶格实际是由许多特征小单元重复排列组成的，能够完全反映晶格特征的最小几何单元即晶胞，它比晶格更为直观地反映出晶体中原子排列规律。3、晶格常数属于同一种晶胞特征的晶体，它们的晶胞的大小和原子排列的疏密程度通党用晶胞的棱边度度来进行比较。晶胞的确良棱边长度称为晶格常数。4、晶面和晶向晶格中各方位的原子面称为晶面，晶体由层层晶面堆砌而成。晶格中由两个以上原子中心连接而成的任一直线，都代表晶体空间的一个方向称为晶向。二、常见的晶体结构 1、体心立方晶格：晶格常数a=b=c
20、,在立方体的八个顶角上和中心各有一个原子分布。每个晶胞中实际含有2个原子。2、面心立方晶格：晶格常数a=b=c，在立方体在八个顶角和立方体有六个面中心各有一个原子分布。每个晶胞中实际含有4个原子3、密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞是个正六棱柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六主形的上下底面所组成。每个晶胞中实际含有原子6个。三、晶体的缺陷 金属晶体的结构实际上是由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体。 外观不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间存在的分界面称为晶界。 实际金属的这种多晶体结构，使它不再呈现有单晶体各向异性的特点，这是因为若干位向不同的晶粒之间产生的各向异性已互相抵消，从而使
21、金属出现了非晶体的各向同性特点。 金属结晶时由于结晶的条件的限制以及外力作用的影响等，往往使晶体中局部区域2的原子规则排列受干扰而破坏。这种原子排列的不完整性称为晶体缺陷。1） 点缺陷晶体中的原子总是在某一位置上做热振动。动能特别高的原子脱离周围原子的束缚，可能进入加紧的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。而当有异类原子侵入，占据原来空位的结点位置称为“置换原了”。空位、间隙原了和置换原子的出现，使点区域出现缺陷，并使周边原子失去不衡而造成晶格畸变（歪扭）。 2） 线缺陷晶体中最普通的线缺陷是错位，这种错位于现象是由晶体内部局域=部滑移造成的。金属
22、材料的塑性变形一般是借助于位错的移动来实现的。 3） 面缺陷面缺陷包括晶界、亚晶界；晶界：是晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界：晶粒内部由位向差很小的嵌镶小块所组成称为亚晶粒。晶界和亚晶界都是过渡层面，其原子排列的不规则性更为突出，同样会使晶格畸变，使金属材料在室温时的强度、硬度和韧性都得到提高。也就是说晶粒数目越多，晶粒越细小，晶界和亚晶界越多越曲折，强化材料的作用越大。所以生产中常采用细化晶粒来强化金属材料。实际中的固态金属是多晶体结构，其中晶体中将不同程度出现和蔼种的晶体缺陷，从而造成晶格畸变，它们对金属的强度、硬度、韧性的提高有重大的影响。 金属晶格三种类型中在力学性能上的特点：1、体心立方
23、晶格一般具有较高的强度和韧性。2、面心立方晶格具有较高的塑性。3、密排六方晶格一般具有较大的脆性，塑性较差。 晶体缺陷存在对提高金属于的力学性能有重要意义。课堂小结：作业：教案（六）课题：纯金属的结晶 教学目的：1、了解掌握纯金属的冷却曲线； 2、了解掌握纯金属的结晶的原理； 3、了解掌握金属的同素异构转变原理教学重点：1、纯金属的冷却曲线； 2、纯金属的结晶的原理； 3、金属的同素异构转变原理课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时金属工件都需要经过冶炼和铸造，由液态冷却凝固为固态的过程，也就是金属原子将由不规则排列的液体过渡到原子规则排列的固态的过程称为结晶一、纯金属的结晶 金属液缓
24、慢冷却时，随时间推移其热量缓慢散失，温度下降。当冷却到期1点时，金属液体开始结晶。原子不断排列运动而产生结晶潜热释放，其恰好补偿了散失的热量，在这恒温条件下一步晶体不断增多，而液体不断减少，直至2点结晶终了。即为结晶阶段，它所对应的温度T0即为金属的结晶温度称为理论结晶温度。结晶完毕后，固态金属温度将继续下降，直至温室。 实际生产中，金属结晶的冷却速度快，从而出现金属实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度的现象，此现象称为过冷。两者之差称为过冷度。用T=（T0T1）表示。 过冷度与冷却速度、金属性质扩纯度有限关。冷却速度愈快，过冷度越大，金属的实际结晶温度愈低，。 实际金属的结晶者是在过冷情况下
25、结晶的，即过冷是金属实际结晶的必要条件。二、纯结晶的过程1、晶核形成的方式1）自发形核：将很纯净的液体金属快速冷却，在足够大的过冷条件下，液体会不断产生许多类似晶体中原子排列的小集团，形成结晶核心，即为自发形核。2）非自发形核：实际金属液体中常常会存在一些杂质或异类质点，结晶时它们会优先成为结晶核心，这种借助于外来因素促进晶核产生的方式为非自发形核。2、晶核长大的方式晶核形成之后，会不断的吸收周围液体中的金属原子不断长大。开始时，因其内部原子规则排列的特点，外形比较规则，由于晶核长大需要不断散热，所以在散热条件比较优越的棱边各顶角处就会优先长大。实际金属结晶时，如果纯度很高，过冷度很小，结晶时
26、又能不断得到体积收缩所需液体的补充，那么结晶后，就看不到树枝晶生长的痕迹。用金相方法观察到的金属及合金的内部组织移为金相组织，可分为宏观组织和显微组织。三、晶粒细化 实际金属结晶后，一般都会形成由许多晶粒组成的晶体。在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能影响很大。在一般情况下，晶粒越小，则金属的强度、塑性和韧性越好。1、增加金属的过冷度 一定体积的液态金属中，若形核率N（单位时间体积形成的晶核数）越大，则结晶后的晶粒越多、越细小；晶核长大速度V（单位时间晶体长大的长度）越大，则晶粒越粗，反之则越细。金属的形核对率N和长大速度V均随过冷度而发生变化，过准度愈高则形核率比长大速度增加更快，有利于晶粒细
27、化。2、孕育（变质）处理就是在液体金工属中加入孕育剂或变质剂，以达到细化晶粒和改善组织的目的。变质剂的作用在于增加晶核的当选量或者阻碍晶核的长大。3、振动处理在金属结晶过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 总之，纯金属的结晶实际上是由液态金属固态金属的过程。结晶过程就是晶核的形成和长大的过程。 在一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。细化晶粒需要在结晶时增加形核率、抑制长大速度，常用方法：增加过冷度、孕育（变质）处理和振动处理。 细化晶粒常用方法有三种：增加过冷度、孕育处理、振动处理。是否同时采用？ 可以同时采用，但要
28、适当。3金属的同素异构转变原理 金属经结晶形成固态晶体后，者具有一定的晶格结构，多数在固态不再发生晶格结构变化。但有的金属在固态下，却会随温度的变化而发生晶格结构的变化，称为同素异构转变，由于其与液态金属结晶有许多共同之处，也称为重结晶。金属的同素异构转变过程也必须在一定的冷却条件才能进行转变，有潜热泪盈眶释放和吸收，是在一定的转变温度下通过形核与晶核长大来完成。由于同素异构转变是在固态下发生晶体结构的转变，因此其原子扩散比较困难，转变时需要较大的过冷度。另外，由于转变时晶格的致密度改变，将引起晶体体积的变化，在金属中易引起较大的内应力。 其过程：铁由液态结晶（1538）C后获得体心立方晶格，
29、称为-Fe；当慢慢冷却至1394C时转变为面心立方晶格结构，称为-Fe；继续冷至912C时又转变为体心立方晶格结构称为a-Fe；之后一直冷至室温，晶格不再发生变化。以铁为基础的铁碳合金之所以能够通过热处理显著改变其性能，就是由于纯铁具有同素异构的变化。课结小结：作业：一、填空题1原子按一定的几何形式（ ）而成的固态物质称为晶体；而原子（ ）在一起在固态物质称为非晶体。晶体具有固定的（ ）和（ ）；非晶体具有（ ）而不具有的特点。2常见的金属晶格类型有（ ）、（ ）和（ ）三种。3根据几何特性不同，金属晶体中的结构缺陷有（ ）、（ ）、（ ），它们对金属的力学性能有（ ）影响。4金属原子将由（
30、）过渡到（ ）的过程，此过程称为结晶。金属的结晶是通过（ ）和（ ）两个过程来完成的。5金属实际结晶温度T1总是低于（ ）温度的现象，此现象称为（ ）。两者之差称为过瘃度，用T表示，且T（ ）。二、简述题1如何细化晶粒？细晶粒有何特点？2何谓同素异构转变？用纯铁的同素异构转变表达式描述转变过程。铁碳合金能经热处理显著改变其力学性能的根本原因是什么？教案（七）课题：合金的晶体结构 教学目的：1、了解掌握合金的基本概念、定义。 2、了解掌握合金组成的基本概念、定义。教学重点：1、合金的基本概念、定义。 2、合金组成的基本概念、定义。课型：新课主要教学或训练方式：讲述课时：2课时一、合金的基本概念1、合金合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素，通栽培熔炼或其它方法结合而成，具有金属特性的物质，称为合金。2、组元合金中最基本、独立的组成
