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钢铁教材
无锡职业技术学院
教案
教师姓名
授课班级
授课形式
讲授
授课日期
2005年2月24日第1周
授课时数
2
授课章节名称
绪论
第一章:
工程材料的基础知识
第一节:
工程材料的分类
第二节:
钢铁生产简介
第三节:
金属材料的性能(强度与塑性)
教学目的
1.了解本课程的性质、内容、任务、特点和学习方法
2.工程材料的种类
3.钢与生铁、钢材的生产方法与种类
4.强度与塑性的概念、测定方法,判据、意义和应用
教学重点
本课程的内容、目标、任务、作用
钢与生铁、钢材种类
强度和塑性判据的意义和应用
教学难点
强度和塑性判据的意义和应用
更新、补充、
删节内容
拉伸试验新标准
(GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》)
使用教具
拉伸试样
课外作业
补充
课后体会
绪论课强调本课程在机械制造生产中的作用和地位
材料入门:
钢与生铁的概念、钢材生产方法与种类
强度与塑性强调判据的表示符号,要求理解其意义和作用
绪论
一、本课程的性质地位、任务、内容、要求
1.性质:
综合性的技术基础课,是制造类,管理等专业的必修课。
2.任务:
是了解机器生产全过程:
原材料——毛坯成形——零件成形
3.课程内容(与热加工实训、机械加工实习结合)
机械工程材料及热处理(本学期理论课)
毛坯成形及选择(热加工实训)
零件成形及装配(机械加实习、专业课)
4.要求:
与热加工实训、机械加工实习结合,学会“三选一线”,即选材、选毛坯、选加工方法,拟定工艺路线。
二、课程特点及学习方法
特点、学习环节、教学手段:
讲课、录像、多媒体、实习、实验
三、材料与机械制造发展史
1.材料里程碑:
石器时代、青铜时代、铁器时代
2.制造工艺发展:
冶炼术、切削加工术
3.发展趋势:
材料轻量化、高强度、功能材料;毛坯生产精密、绿色;机械加工:
数控、精密、高效
第一章工程材料的基础知识
工程材料的分类
按成分:
金属材料、非金属材料、复合材料
按使用场合:
结构材料、工具材料、功能材料
按其应用的领域:
机械工程材料、建筑材料、能源材料、信息材料、生物材料等。
钢铁生产简介
钢材生产过程:
炼铁——炼钢——钢材加工
一、炼铁
原料、原理、设备
产品:
生铁(Fe、C、Si、Mn、P、Si),
铸造生铁(硅1.25%~3.2%),炼钢生铁(硅<1.25%)
生铁成分与性能特征:
杂质多,性能差。
一般不直接使用。
二、炼钢
钢与生铁的区别:
碳与硅含量不同
炼钢原理:
氧化,将生铁中多余的碳及杂质降低
方法:
转炉、电弧炉、
钢的浇注:
沸腾钢和镇静钢:
脱氧程度,性能特征,使用场合
钢材生产:
压力加工:
轧制、拉拔、挤压等
三、钢材的生产与分类
分四类:
板、管、型、金属制品
1.板材:
热轧和冷轧。
中板:
大于4~25mm、薄板:
小于4mm、厚板:
大于25mm
另:
镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合
2.型材:
孔型轧辊。
简单截面和复杂截面,规格常用截面主要尺寸表示
(线材:
指直径小于6~9mm的园钢和真径小于10mm的螺纹钢)
3.管材:
无缝钢管:
用途(石油、化工等较高压力和管道)
有缝管:
用途(自来水管、煤矿气管等低压管)
4.钢丝
生产方法:
用6~9mm盘条拉拔
种类:
各种截面、化学成分、强度等级;可合股成钢丝绳和钢索
金属的性能
材料的性能包括工艺性能和使用性能两类。
(1)工艺性能热处理、铸造、锻压、焊接、切削加工性能等。
(2)使用性能力学性能、物理性能、化学性能等。
力学性能
力学性能:
外力作用下所显示的抵抗能力(亦指……)
常用指标:
强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限、断裂韧度等
一、强度
强度:
材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验:
(GB/T228-2002),
标准拉伸试样(长试样的L0=10d0;短试样的L0=5d0)。
拉伸曲线分析:
(1)屈服点(σs)和规定残余伸长应力σr0.2表示材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。
σs=
MPa
(2)抗拉强度(σb)抗拉强度σb是材料拉断前所能承受的最大拉应力。
σb=
MPa
强度的意义:
σs或σr0.2是选材与设计的主要依据;
二、塑性
塑性:
是材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。
1.断后伸长率(δ)δ=
×100%,(δ5>δ10),一般大20%左右
2.断面收缩率(Ψ)Ψ=
×100%
塑性的意义:
塑性加工,增加使用安全可靠性。
小结:
钢与生铁区别;屈服点、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率。
补充题:
某厂购进一批40钢,按国家标准规定,力学性能应不低于下列数据,σs=335Mpa,σb=570Mpa,δ5=19%,ψ=45%。
入厂验收时,采用d0=10mm的标准短试样进行拉伸试验,测得FS=28260N,Fb=45530N,L1=60.5mm,d1=7.3mm。
试列式计算并回答这批钢材的力学性能是否符合要求?
(答案:
σs=360Mpaσb=580Mpaδ5=21%ψ=46.7%)
无锡职业技术学院
教案
教师姓名
授课班级
授课形式
讲授
授课日期
2005年3月3日第2周
授课时数
2
授课章节名称
三、硬度
四、冲击吸收功
五、疲劳极限
教学目的
1.硬度的测定方法及种类,硬度的意义.
2.冲击韧性的意义
3.疲劳断裂的概念及预防
教学重点
HB、HR、HV、akv、Akv、-1、KIC的测定方法及意义
教学难点
小能量多次冲击*、疲劳断裂及预防措施.
更新、补充、
删节内容
使用教具
冲击试样
课外作业
补充:
课后体会
提醒学生注意硬度的表示方法
各种硬度的适用范围
课前提问:
1.有一紧固螺栓,使用后发现塑性变形(伸长),问是哪项力学性能没有达到要求?
2.起重机桁架、吊钩、传动链等为什么选用低碳钢制作?
三、硬度
1.布氏硬度测量法
(1)原理
(2)测量条件及范围:
{
条件:
F、D、t
测量范围:
HBS用于测量硬度低于450
HBW用于测量硬度大于450~650
(3)表示方法:
硬度值/HBS(W)/D/F/t例:
120HBS10/1000/30
(4)特点应用:
数据稳定、误差小;压痕大、费时
用于灰铸铁、非铁金属、非金属
2.洛氏硬度测量法
(1)测量条件:
HRA1200金刚石园锥压头60kg
HRB1.588mm淬火钢球100kg
HRC1200金刚石园锥压头150kg
(2)原理:
利用压痕深度来衡量
HR=K-e=k-(h/0.02)
(3)特点及应用:
方便、快捷、压痕小、范围大、能测薄件
HRA20~88硬质合金、表面淬火层、渗碳层
HRB20~100非铁金属、退火钢、正火钢
HRC20~70淬火钢、调质钢
3.维氏硬度测量法
原理:
HV=
=0.1891*
特点:
测量范围广(5~1000HV)、能测薄件、不能测组织不均匀材料
比较布氏,洛氏硬度测量的特点及应用场合、各硬度之间的换算。
四、冲击吸收功
静载荷和动载荷的区别
1.夏比冲击试验
试样:
55×10×10mm
冲击吸收功AKV=AKV1-AKV2=mg(h1-h2)(J)
影响因素:
冲击韧性随温度的降低而下降...,低温条件下使用的钢材应注意。
碳素结构钢韧脆转变温度为-20℃
2.小能量多次冲击抗力*
材料受小能量多次冲击时,寿命主要决定于材料的强度、塑性、韧性等综合性能。
五、疲劳*
交变应力和循环应力
疲劳的概念:
交变、循环应力,受力远小于屈服点、使用一定时间后发生断裂的现象。
原因及预防措施:
减少疲劳源、使所受循环应力值小于疲劳强度。
疲劳极限-1:
是指定循环次数下失效的估计循环应力值。
六、断裂韧度*
低应力脆断:
材料在远低于许用应力下,突然发生的脆性断裂。
原因:
低应力下材料中宏观裂纹(气孔、缩孔等)的扩展引起。
断裂韧度KIC:
材料抵抗裂纹失衡扩展的能力。
KIC的意义:
(1)若已知KIC,可确定材料中允许存在的、不会失稳扩展的最大裂纹长度
(2)若已知存在的裂纹长度,可确定不至脆断的最大应力。
一般:
中低强度钢KIC达50MN.m-3/2,常在小于200Mpa下,可存在几厘米的裂纹。
高强度材料KIC小于30MN.m-3/2,常受高的工作应力,几毫米时已危险。
建议:
理想的材料是强而韧,需要时可略降低强度,以保证足够的韧性较安全。
小结:
HBS、HRC、Akv、akv、-1、KIC
作业:
3,4,
无锡职业技术学院
教案
教师姓名
授课班级
授课形式
讲授
授课日期
2005年3月10日第周
授课时数
2
授课章节名称
第四节金属的晶体结构与结晶
一、金属的晶体结构
二、金属的结晶
教学目的
1.了解纯金属与合金常见的晶格
2.了解金属结晶规律、晶粒大小、控制晶粒大小措施
教学重点
晶粒大小及其控制措施
教学难点
合金相结构
更新、补充、
删节内容
新教材中不讲二元合金相图。
使用教具
晶格模型(体心立方、面心立方、密排六方)
课外作业
练习册及教材P25:
1~5题
课后体会
细晶强化:
常温下的材料晶粒越小,强度、硬度越高。
细化晶粒的措施:
变质处理、增加过冷度、附加振动。
思考:
合金如何结晶?
第四节金属的晶体结构与结晶
一、纯金属的晶体结构与结晶
1.
纯金属的晶体结构
概念:
晶体非晶体晶格晶胞
体心立方晶格:
-Fe
面心立方晶格:
-FeAlCuAgAu
密排六方晶格:
ZnMg
2.纯金属的结晶
(1)过冷现象:
Tn 过冷度: T=T0-Tn影响过冷度的因素: 冷却速度、过冷度 (2)纯金属的结晶过程 形核: 晶核,自发形核、非自发形核 长大: 晶粒、晶界、显微组织 (3)晶粒大小及其控制措施 晶粒越细,力学性能越好 细化晶粒措施: 快冷、变质处理、振动 3.金属的同素异晶转变 概念: 同一种固态纯金属(或其它单元相物质)由一种稳定状态转变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转达变,称为同素异构转变。 纯铁的同素异晶转变: L——δ-Fe——γ-Fe——α-Fe 二、合金的晶体结构与结晶 1.合金的相结构 (1)固溶体 类型: 置换固溶体、间隙固溶体 性能: 固溶强化,且有高的塑性和韧性、固溶强化的应用举例 固溶体常作为合金中的基本相。 (2)金属化合物 性能: 熔点高、硬而脆 金属化合物举例 金属化合物在合金中常作为第二相强化、可提高合金的强度、硬度、耐磨性、红硬性、细化热处理晶粒 2.合金的结晶: (略)。 在后续章节涉及相关合金的结晶(以铁碳合金例)。 小结: 晶体的有关知识、同素异晶转变及意义、纯金属晶粒大小与力学性能之关系、晶粒大小控制措施。 作业 无锡职业技术学院 教案 教师姓名 授课班级 授课形式 讲授 授课日期 2005年3月17日第4周 授课时数 2 授课章节名称 第二章铁碳合金 第一节铁碳合金的基本组织 第二节铁碳合金相图 教学目的 1.了解铁碳合金中的基本相及其它们的性能 2.初步掌握铁碳合金相图及其应用 教学重点 1.熟悉铁碳合金即铁碳合金含碳量对性能的影响,理解铁碳合金成分——组织——性能之关系 2.Fe-Fe3C相图及其应用 教学难点 同上 更新、补充、 删节内容 使用教具 金相组织挂图 课外作业 练习册及教材思考题 课后体会 课前提问: 1.晶粒大小对力学性能的影响? 如何细化晶粒? 2.固溶体、金属化合物的性能特征及其它们在合金中起的作用? 3.合金如何结晶? 思考过吗? 引出本章铁碳合金。 第二章铁碳合金 第一节铁碳合金的基本组织 一、铁素体(F) 体心立方结构,727℃时Wc=0.0218% 抗拉强度: 180~280Mpa50~80HBS 断后伸长率: 30~50%冲击韧度: 160~200J/cm2 二、奥氏体(A) 面心立方,1148℃时Wc=2.11% 抗拉强度: 400Mpa160~200HBS、断后伸长率: 40%~50% 三、渗碳体(Fe3C) 熔点1127℃Wc=6.69% 800HBS塑性、韧性几乎为0 四、珠光体(P) F+Fe3CWc=0.77% 抗拉强度: 770Mpa180HB断后伸长率: 20~35%冲击韧度: 30~40J/cm2 五、莱氏体(LdLd’) A+Fe3C、P+Fe3C 1148℃时Wc=4.3%性能硬而脆 第二节Fe-Fe3C相图分析 一、相图中点、线、区分析 点: A、D、G、C、E、S 线: 液相线: AC、CD固相线: AE、ECF、先析线: GS、ES 共析线: PSK 区: 见相图 二、典型合金的结晶分析 共析钢: P 亚共析钢: F+P 过共析钢: P+Fe3CII 三、碳钢的成分、组织、性能之关系 四、铁——渗碳体相图的应用 1.在选材上的应用 2.在铸造上的应用 3.在锻压生产上的应用 4.在焊接上的应用 5.在热处理生产上的应用 小结: 重点是铁碳合金成分——组织——性能之关系(图) 作业: 教材P43: 三、简答题3、10(做在作业本上,要上交);一、二、三、相应题目(做在书上) 无锡职业技术学院 教案 教师姓名 授课班级 授课形式 讲授 授课日期 2005年03月24日第5周 授课时数 2 授课章节名称 第三节非合金钢(碳钢) 教学目的 掌握常用碳钢的牌号、成分、性能及其应用 教学重点 碳素结构钢: Q235..........Q275 优质碳素结构钢: 08204565...... 碳素工具钢: T7T8......T13 铸造碳钢: ZG200-400...... 教学难点 各类碳钢的牌号、性能、应用 更新、补充、 删节内容 使用教具 课外作业 习题二: 三,9、11、13 课后体会 课前提问: 1.F、A、Fe3C、P表示什么? 性能? 2.共析、亚共析、过共析钢的平衡组织是什么? 它们的性能如何? 第三节非合金钢(碳钢) 一、杂质元素对钢性能的影响 1、锰: 约为0.25%~0.80%。 固溶强化;清除FeO,降低钢的脆性;与硫化合成MnS,可以减轻硫的有害作用。 有益。 2、硅: 约为0.10%~0.40%,固溶强化;除FeO对钢质量的不良影响,有益。 3、硫: FeS与Fe形成低熔点共晶体(熔点为985℃),在1000~1250℃热加工时导致钢变脆而开裂,“热脆”。 有害。 4、磷: 强度、硬度提高,但使塑性和韧性降低,“冷脆”。 有害。 二、碳钢的分类 碳钢的种类很多,常按以下方法分类。 1、按钢中碳的质量分数分类 低碳钢(Wc<0.25%); 中碳钢(0.25≤Wc≤0.60%) 高碳钢(Wc>0.60%)。 2、按用途分类 碳素结构钢用作机械零件,工程结构件,一般属于低、中碳钢。 碳素工具钢用作刀具、量具和模具。 一般属于高碳钢。 3、按质量等级分类(根据钢中有害杂质硫、磷含量) 普通质量碳钢(Ws≥0.045%、Wp≥0.045%)。 不规定控制质量 特殊质量碳钢(Ws≤0.02%,Wp<0.020%),需要特别严格控制质量和性能(例如控制淬透性和纯洁度)的碳钢。 优质碳钢指除普通质量和特殊质量碳钢以外的碳钢 另: 转炉钢、电炉钢;沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢等。 三、常用碳钢 讲解思路: 牌号表示(常用牌号为例)——性能特点——应用场合 1.碳素结构钢 牌号例Q235-A·F,表示σs≥235MPa 特点: 价格低廉,工艺性能(如焊接性和冷成形性)优良。 应用: 一般工程结构和普通机械零件。 如Q235可制作螺栓、螺母、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等 2.优质碳素结构钢 牌号: 例45、65Mn、08F 应用: 制造重要机械零件的非合金钢,一般都要经过热处理之后使用。 常用钢号及用途: 08F,碳的质量分数低,塑性好,强度低,用于冲压件如汽车和仪表外壳; 20,塑性和焊接性好,用于强度要求不高的零件及渗碳零件,例如机罩、焊接容器,小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等; 45,40Mn,经调质后综合力学性能良好,用于受力较大的机械零件,如齿轮、连杆、机床主轴等; 60、65Mn钢具有较高的强度;用于制造各种弹簧、机车轮缘、低速车轮。 3.碳素工具钢 牌号: 例如T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。 特点: 属共析钢和过共析钢,强度、硬度较高,耐磨性好适用于制造各种低速切削刀具。 T7、T8: 制作承受一定冲击而要求韧性的零件。 如大锤、冲头、凿子、木工工具、剪刀 T9、T10、T11: 制造冲击较小的要求高硬度高耐磨性的工具。 如丝锥、小钻头、冲模、手锯条 T12、T13: 制作不受冲击的工具。 如锉刀、刮刀、剃刀、量具 4.铸钢 牌号: 例如ZG200-400,表示σs≥200MPa,σb≥400MPa的铸钢。 性能: 铸造性能比铸铁差,但力学性能比铸铁好; 应用: 主要用于制造形状复杂,力学性能要求高,而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件,例如汽车的变速箱壳,机车车辆的车钩和联轴器等。 本章小结: 了解铁碳合金的成分、组织、性能之关系; 熟悉铁碳合金相图 常用碳钢的牌号、性能、应用。 无锡职业技术学院 教案 教师姓名 授课班级 授课形式 讲授 授课日期 2005年3月31日第6周 授课时数 2 授课章节 名称 第三章钢的热处理 第一节热处理概述 第二节钢的热处理原理 一、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 教学目的 1.了解热处理的概念、作用、分类 2.钢的奥氏体化 3.钢在不同的冷却条件下转变组织和性能 教学重点 冷却转变产物及性能,热处理冷却方式对组织和性能的影响 教学难点 用钢的等温冷却转变曲线分析冷却组织和性能。 更新、补充、 删节内容 使用教具 课外作业 P69: 一、二(填空和选择在直接做在书上) 课后体会 重视小结: 钢在不同温度下的等温冷却转变产物及性能 钢在不同冷却下的转变产物及性能 第三章 钢的热处理 第一节热处理概述 热处理的概念: 固态、加热、保温、冷却,组织、性能、改变 热处理工艺曲线: T(温度)—t(时间)曲线, 热处理的应用: 材料改性 钢实际加热和冷却时的相变点 AC1AC3Accm Ar1Ar3Arcm 第二节钢在加热和冷却时的转变 1.钢在加热时的组织转变 热处理工艺曲线 (1)奥氏体的形成 以T8钢为例分析: 加热至AC1以上 温度由珠光体转变为奥氏体,过程如下: A形核A晶粒长大 (2)奥氏体的晶粒度与控制措施 影响奥氏体晶粒因素: 化学成分,加热温度,保温时间,原始组织 2.钢在连续冷却时的组织转变 (1)钢的等温冷却转变(以共析钢的等温冷却转变曲线为例) 曲线分析: 等温转变产物及性能: 高温转变: P727~650℃ 160~250HBS S727~600℃25~30HRC片状 T600~550℃ 35~48HRC 中温转变: B上550~350℃ 40~48HRC羽毛状 B下350~Ms℃ 45~55HRC针状 (3)影响C曲线的因素: 化学成分,奥氏体化条件 亚共析钢和过共析钢等温转变曲线 2.钢的连续冷却转变 (1)用等温转变曲线近似分析连续冷却后产物 以共析钢为例进行分析 炉冷: V1P170~220HBS 空冷: V2S25~35HRC 油冷: V3M+T45~55HRC 水冷: V4M+A’55~65HRC 共析钢和过共析钢的连续转变(略) (2)马氏体转变 马氏体(M): 是碳在αFe中的过饱和固溶体 马氏体转变的特点: 不完整性(在MS~Mf区间内完成转变),残余奥氏体、非扩散型,马氏体过饱和的含碳量、体积膨胀,导致内应力、变形、开裂 马氏体的组织形态: 板条状(低碳)、针状(高碳) 马氏体的性能: 主要决定于含碳量 小结: 加热: 奥氏体化(部分奥氏体化、全部奥氏体化) 冷却: 过冷奥氏体转变(等温转变产物与性能,连续冷却近似分析方法) 思考: 1.全部奥氏体化条件? 如何部分奥氏体化条件? 如何获得均匀、细小的奥氏体? 2.等温冷转变产物性能与等温温度关系? 连续冷却速度与组织、性能的关系? 无锡职业技术学院 教案 教师姓名 授课班级 授课形式 讲授 授课日期 2005年4月14日第周 授课时数 2 授课章节名称 第三节钢的整体热处理工艺 退火、正火、淬火、回火 教学目的 1.掌握各种退火、正火工艺方法、目的及应用 2.各种淬火工艺,淬火目的及应用 3.回火方法及应用 教学重点 重点为“四把火”的工艺方法、应用 教学难点 退火、正火、淬火、回火的选用 更新、补充、 删节内容 使用教具 课外作业 练习册及教材思考题 课后体会 内容较多,且是本章的重点,课后加强辅导 第三节钢的整体热处理工艺 一、退火 1.完全退火AC3以上30~50℃加热、保温、缓冷 细化组织降低硬度改善塑性作为亚共析钢的预先热处理 2.球化退火AC1以上20~30℃加热、保温、缓冷 P球改善组织、降低硬度、为淬火作组织准备、改善切削加工性能。 主要适合于共析钢和过共析钢锻轧件,若组织中有网状两次渗碳体,先进行正火。 3.去应力退火500~600℃加热、保温、缓冷 去除各类内应力,适合于铸、锻、焊、冷冲压、切削加工等件。 二、正火 AC1或AC3以上30~50℃加热、保温、空冷. 细化组织、消除二次渗碳体网、提高力学性能 用于一般件的最后热处理,改善低碳钢的可切削性能 退火与正火的选择 考虑切削加工性(170~260HBS);从零件结构形状考虑,减小内应力(形状复杂件主要用退火);从经济性考虑,使成本低(正火成本低)。 三、淬火 1.淬火目的: 获M或B下组织,强化钢材 2.淬火工艺: (1)淬火温度AC
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