机械制造基础教案

机械制造基础教案

编者：刘 云

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机械制造基础 教学过程

绪论

一、 为什么要学机械制造基础（机械工程材料工艺学）？

械制造基础是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。它主要传授各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互关系；金属零件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。

研究的对象：常用的工程材料、材料的各种加工处理工艺。 例如：

钢铁、铝合金、铜合金、塑料等材料及热处理工艺、焊接工艺、铸造工艺、切削加工工艺等加工处理工艺。

举例：

常用主轴材料：45 。技术要求：调质处理。 箱体材料：HT200。技术要求：退火。 国家工业发展的三大支柱：材料、信息、微机。 1.工程材料是国家工业发展的物质基础。

工业和日常生活都离不开工程材料的使用，研究材料最终是为人类的文明进步而服务。

2.作为工科类专业所必须掌握的一门功课。

基础课→（桥梁）→ 专业课

机械工程材料工艺学是一门技术基础课，对专业课和基础课起着桥梁的作用。

二、机械工程材料工艺学课程有什么特点？

1.本课程同实践紧密相联系，是一门实践性很强的学科。

2.通过生产实践才能融会贯通地学习掌握（安排了钳工、金工实习）。 3.为了弥补实践方面的不足，采用录像教学以及到工厂参观和实习，通过

师生的相互努力来学好这门功课。

三、怎样才能学好机械工程材料工艺学？

1.注意各章节的联系、学习、复习、巩固、应用、总结。 2.要理解、要提问题、不能累计问题。

3.抓住主要内容：金属材料及热处理基本知识，铸造、锻造、焊接、切削加工基本常

识。 随着科学技术和生产力的不断发展，金属工艺学的内容构成也有所发展。应当指出，本课程的发展必然是有关学科的相互渗透和综合，而不是兼收并蓄、包罗万象、内容越来越复杂。它仍属工艺学范畴。

金属工艺学是实践性很强的技术基础课，它有利于对学生进行技能训练，有利于培养学生具有更高的实际能力和开拓精神。 作业布置： 课后总结：

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教学过程

第一篇

教学过程

第一章

第一节 金属材料的力学性能（机械性能） 材料的性能：

使用性能：物理性能、化学性能、力学性能（机械性能）。

工艺性能：热处理性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能。 力学性能的定义：材料在外力作用下，表现出（静载荷、动载荷、交变载荷）的性能。 一、 强度与塑性

概念：静载荷、应力

试验：拉伸实验 试样－低碳钢、L0＝5d0、L0＝10d0 GB（6397－86） 要求同学们实验指导书（图书馆查资料，锻炼学生的自学能力）。 材料的力学性能实验。

F（N） b·

S k· Fe e S′

O ?L（mm） ?Le

分析：（从中导出材料的强度和塑性）

P：Fe、ΔLe。S：FS、ΔLs。 S'→Fs'、 ΔLs→ΔLs'。 b→ΔLb、F→Fb。???

（1）F＝0、ΔL＝0

（2）F≤Fe 、ΔLo～e≤ΔLe

Fo～e＝ΔLo～e×tgα＝ΔLo～e×K O～ΔLe：弹性变形阶段。 （3）Fe

Fe～s≠ΔLe～s×tgα

ΔLe～ΔLs 塑性变形阶段（永久变形）（微量塑性变形）。 （4）F＝Fs> Fs' 、 ΔL=ΔLs→ΔLs' ，S屈服点 （“屈服”现象）。

金属材料的主要性能

金属材料导论

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ΔLs→ΔLs' 塑性变形阶段（屈服变形）

（5）Fs'

ΔLs'～ΔLb塑性变形阶段（大量塑性变形阶段） （6）F＝Fb 、 ΔL=ΔLb ， Fb最大载荷 、b缩颈点。 （7）Fk

1.强度：

定义：塑性变形、断裂的能力。 衡量指标：屈服强度、抗拉强度。 （1） 屈服点：

定义：发生屈服现象时的应力。 公式：σs＝Fs/Ao （MPa）

Fs－材料发生屈服现象时的力。

So－材料的原始横截面面积。

条件屈服强度规定：σr0.2＝F0.2/Ao (无明显的屈服现象的材料)

应用：汽缸盖和汽缸体之间的密封性（螺栓联接）超过螺栓材料本身的屈服强度。 （2）抗拉强度： 定义：最大应力值。 公式：σb＝Fb/Ao Fb－最大的载荷。

So－材料的原始截面面积。

应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。

σs/σb 屈强比：越小，可靠性越高；越大，可靠性越低。

2.塑性：

定义：发生塑性变形，不破坏的能力。 衡量指标：伸长率、断面收缩率。 （1）伸长率： 定义：

公式：δ＝（L1－L0）/L0 ×100％ L1－拉断后的长度。

L0－原来的试样长度。

注意：长、短试样测出的δ值不相等（比较大小，要同样的试样）。 L0＝5d0 δ5

L0＝10d0 δ10＝δ

δ5>5% －塑性材料、δ5<5％－脆性材料。 45：δ5≈18.7% δ1<δ5 （2）断面收缩率：

定义：

公式：Ψ＝（A0－A1）/A0×100％ S0－原截面面积。

S1－断口处断面面积。 Ψ5 Ψ10

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Ψ值越大，塑性越好。

总结：δ Ψ越大，塑性越好，越易变形但不会断裂。 录像：拉伸试验。 作业布置： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：金属材料的力学性能。

教学目的和要求：1.掌握洛氏硬度、布氏硬度的试验原理、特点及其应用范围。

2.了解金属夏比冲击试验、多次冲击试验简介。

3.了解金属疲劳的概念，提高疲劳强度的措施。 重点与难点：硬度、冲击韧性、疲劳强度的概念。 教学方法：讲授法

课型：理论课和录像观摩。

教学过程

复习旧课：强度和塑性的概念。 二、 硬度 硬度：

定义：抵抗更硬物体压入的能力。

衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 1.布氏硬度：HB

试验：GB84。一定直径的钢球HBS（硬质合金HBW），规定的载荷及时间后。 HB＝F/S (N/mm2) <650

举例：钢球直径：10mm，载荷：30KN（F＝30D2），时间：规定10（s）。 材料：压痕直径：d0＝3.92mm 查表： HBS＝239 （1）应用范围：铸铁、有色金属、非金属材料。

（2）优缺点： 精确、方便、材料限制、非成品检验和薄片。

2.洛氏硬度：HR、（HRA、HRB、HRC）

试验：GB83。一定锥形的金刚石（淬火钢球），在规定载荷和时间后，测出的压痕深度差即硬度的大小（表盘表示）。

HRA、HRB、HRC。一般通常习惯用HRC（无单位）。

（1）应用范围：钢及合金钢。

（2）优缺点：测成品、薄的工件，无材料限制，但不精确。 3.维氏硬度：

试验：GB83。一定锥形的金刚石，在规定的载荷、时间后。 HV＝F/S

（1）应用范围：测薄片和镀层。

（2）优缺点：数值精确，但操作麻烦。

4.肖氏硬度HS、锉氏硬度、显微硬度HM

总结：数值越大，硬度越高。但相互之间不能比较，必须查表为同单位才行。

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三、 韧性

概念：动载荷、“梅氏”试样（金属夏比试验）。 冲击韧度：

定义：抵抗冲击载荷而不破坏的能力。 衡量指标：αk＝Ak/A （J/cm2）

αk－一次性冲击试验的标准。

多次冲击：Ak↓→σs、 σb。 Ak↑→Ψ、δ

αk和温度有关：温度越低，αk越小。（低温易冲断）脆性临界转变温度。

四、 疲劳强度

概念：交变载荷、疲劳现象 试验：疲劳实验法。 衡量指标：疲劳强度σ-1 钢：107、有色金属：108。σ

max

=σ-1

五、 蠕变和松弛：（补充内容） 1.蠕变： 蠕变强度 高温下容易产生。 2.松弛：松弛强度

高温下容易产生。

录像：硬度试验、冲击试验和疲劳试验。

作业布置： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：材料的物理性能、化学性能。

教学目的和要求：1.掌握材料的物理性能、化学性能（复习过去的相关内 容）。

2.了解它们在实际生产中的应用。 重点与难点：物理性能和化学性能的应用。 教学方法：讲授法 课型：理论课

教学过程

第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能

复习旧课：学习本课的实际意义。 金属的性能：物理性能、化学性能。 一、物理性能：

1.比重：单位体积内物体的重量。

密度：单位体积内物体的质量。

铁：7.8克/厘米3、铜：8.9克/厘米3、铝：2.7克/厘米3、钛：4.51克/厘米3

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γ<5g/cm→轻金属、γ>5g/cm→重金属。

应用：飞机制造业、子弹头、检验材料、炼铁、炼钢、铅球等。 2.熔点：固体→液体的温度点。 凝固点：液体→固体的温度点。

铁：1538℃、铜：1083℃、铝：660℃、钛：1660℃。

应用：耐高温材料（飞机、导弹、航天）、防火安全阀、熔断器（保险丝）等。 3.热涨性：一般而言，金属材料具有热胀冷缩的性能。

材料不同，热胀冷缩的大小也不同。

应用：电线的形态、桥梁的架设、钢轨的铺设、精密的测量工具、电冰箱、电饭锅等。

4. 导热性：金属具有传导热能的性质。 导热材料的顺序：银、铜、铝等。

金属材料的杂质越多、导热性越差。高速钢导热性差，加热要缓慢，以防开裂。 应用：陶瓷、水壶的水垢等。

5. 导电性：金属具有传递电流的性质。 导电材料的顺序：银、铜、铝等。

应用：电火花加工（下册P.78～80、电解加工、电子束加工及制造电线、电缆、玻璃拉丝模等。

6.磁性；金属材料在磁场的情况下磁化（分为软磁和硬磁）。 例如：铁、镍、钴等。

应用：手表材料、磨床的磨削加工（P.71下册）等。

二、化学性能： 1.耐蚀性（耐酸碱性）：金属材料抵抗腐蚀的性能。例如：钢铁生铁锈、铜生铜绿 （造

成重大事故）。应用：食品行业、饮料行业、医药行业、化工行业等。

2.抗氧化性：高温时抵抗氧化的能力。 应用：锻打、电焊、热处理等。

3.化学稳定性：在常温下，化学稳定的性能。

应用：耐热设备、高温锅炉等。

三、工艺性能：是指是否易于进行冷、热加工的性能。

包括：热处理性能（第三章）、铸造性能（第二篇）、焊接性能（第三篇）、锻造性能

（第四篇）、切削加工性能（第五篇）。（最后要和书名金属工艺学联系上） 以上各种工艺性能将在以后有关章节中分别介绍。

作业布置：

课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：铁碳合金的晶体结构与结晶过程。

教学目的和要求：1.了解晶体与非晶体，晶格、晶胞、晶格常数的意义。熟悉两种常

见的金属晶格类型。 2.了解结晶的概念、结晶基本过程，晶粒大小对金属力学性能影响

及其控制措施，纯铁的同素异晶转变。 重点与难点：铁碳合金晶体结构和同素异晶转变。 教学方法：讲授法

课型：理论课和录像观摩。

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教学过程

第二章 铁碳合金（钢和铸铁）

第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变

复习旧课：材料的力学性能。 一、金属的结晶

结晶：液态金属凝结成固态金属的现象。

概念：理论结晶温度－金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度To。 （计算出来

的）

量出来的）（平时浇注的温度）

一、金属结晶的过冷现象：

过冷现象：

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn

a To 理论结晶温度 Tn b c 实际结晶温度

d

O 时间

冷却速度越大，过冷度越大。

金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn

1.在ab段：金属均呈现液体，

2.在bc段：液体中某些原子结成晶核（自发晶核）（晶坯）晶核不断长大形成枝晶直到晶粒。

3.在cd段：每一个晶核形成一个晶粒，从而形成含有多晶体的金属固体。 概念： 晶粒、 晶界。

晶核－枝晶－晶粒－多晶体。 晶核－枝晶－晶粒

实际结晶温度－金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度Tn。（实际测

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晶界；晶粒。晶粒越多，晶界也越多，则晶粒移动所受的阻力越大，宏观来看，材料越不容易发生变形，即材料的硬度越高，强度越好。 总结：晶粒越小，则材料的力学性能越好。 采用的主要途径是：

晶核数目越多－晶粒越多－晶粒越细小，从而提高材料的力学性能。 （1）提高过冷度： （>10℃/s 非晶态金属）

实验测出：冷却速度越大，生核速率越大>长大速率。

（2）变质处理（孕育处理）：在液态金属中，加入一些细小的金属粉末（变质剂）

（孕育剂）形成非自发晶核，使晶核数目增多，晶粒变细小。 （3）机械振动：使枝晶破碎成为几个晶核，使晶核数目增多（超生波振动等）。 二、纯金属的晶体结构

概念：原子球、结点、晶格、晶胞、晶格常数（a、b、c、α、β、γ） 致密度：晶胞中原子占有的体积与晶胞体积之比。 纯金属的晶格类型：

1.体心立方晶胞

例如：纯铁（α-Fe）912℃↓、W、Mo、V、Cr（β－Ti）882℃↑ 立方体: a＝b＝c ； α＝β＝γ＝90o 原子数：8×1/8＋1＝2 致密度：0.68

原子的晶格结构不同，则性能不同，即使原子的晶格结构相同，但由于原子的质量不同，性能也不同。

2.面心立方晶格

立方体 a＝b＝c α＝β＝γ＝90o 原子数：8×1/8＋6×1/2＝4 致密度：0.74

举例：铜：a＝b＝c=3.608×108、铜原子M＝63.54×1.67×10－24g 铜原子的直径：D＝2.5505?，计算铜的密度？

纯铁（γ－Fe）912～1394℃、Al、Cu、Ag、Mn等。 三、纯铁的同素异晶转变（举列钻石和石墨）

纯铁：α－Fe→（912℃）γ－Fe（1394℃）→δ-Fe（1538℃）→L

二次结晶或重结晶。

提问：一定质量的纯铁加热到912～1394℃时，体积是增加还是减少，若继续加热到

1394～1538℃时，体积是增大还是减少？

授课时间： 班级： 本课课题：铁碳合金

教学目的和要求：1.了解合金、组元、系、相、固溶体、金属化合物、机械混合物。 2.熟悉铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。 重点与难点：铁碳合金组织及其力学性能。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

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第二节 铁碳合金的基本组织

复习旧课：细化金属材料晶粒的方法及纯铁的结构。

元素（金属＋非金属）共为108种，而纯金属一般共为83种。 Fe：HB80、σb＝200MPa、C：HB3、σb≈0 。 Fe＋C组成的合金化合物：HB800、σb=400MPa。 Al：HB25、σb＝80MPa。

Al＋Mg＋Mn组成的铝合金化合物：HB70、σb＝280MPa。 而工业中的金属材料均为合金。 合金：

定义；金属元素同另一种或几种金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的新材

料。

金属特性：导电性、导热性、塑性、光泽。 例如：钢铁合金：Fe＋C＋Mn＋Si、铝合金：（Al＋Mg＋Mn）、（Al＋Ze＋Mn）、 铜合金：（Cu＋Zn）、（Cu＋Sn）、（Cu＋Ni）等。

产生具有优良的使用性能和工艺性能方面的新材料（特出的物理、化学性能）。 组元：

定义：合金中的最小单元。 合金系：

合金中百分含量不同的组元构成的一系列合金。铝合金（Al＋Mg＋Mn）。 铝合金：Al：99％、97％、95％、??.. Mg：0.5％、2％、2％、???. Mn：0.5％、1％、3％、???. 二元合金系、三元合金系、四元合金系。 相：

具有同一化学成分，同一聚集状态，且有明显界面分开的独立均匀部分。

例如：液→单相、固相→单相、液＋固→两相。 一、固溶体：

定义：溶质原子进入溶剂中，依然保持晶格类型的金属晶体。 置换固溶体：d质/d剂>0.85。（胖子到教室形象举例） 晶格歪扭、畸变，晶体缺陷。 无限置换固溶体：Cu＋Ni

有限置换固溶体：Cu+Zn

温度越高，则溶解度（固溶量）越大。

间隙固溶体：d质/d剂<0.59。（瘦子到教室形象举例） 晶格歪扭、畸变，晶体缺陷。

只能形成有限固溶体：C→α－Fe、 727℃ 0.0218％。

因形成固溶体使材料强度、硬度升高的现象－固溶强化。（合金的好处） 1.铁素体F：C→α－Fe中形成的固溶体。 单相、层片状、体心立方晶格。 20℃ 0.0008％C （工业纯铁）。

727℃ 0.0218％C 。

机械性能：δ＝30～50％、ψ＝70～80％、αku＝160～200J/cm2、σb＝180～280MPa、HBS50～80 （770℃↓磁性）。（应用简略提一下）

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（饱和的盐水凝固点－21℃、其沸点108℃。 饱和NaOH溶液沸点314℃。） 2.奥氏体A：C→γ－Fe中形成的固溶体。 单相、层片状、面心立方晶格。 727℃ 0.77%C、1148℃ 2.11%C。

机械性能：δ＝40～60％、σb＝400～50MPa、HBS＝170～220、抗磁性。 （应用提一下）

二、金属化合物（中间相）（强化相） 形成：温度降低时析出的一种新材料。 Fe3C、Fe2.4C、VC、WC、CuZn、Cu21Zn22 σ↑、HRC↓、δ↓、ψ↓、αku↓。

渗碳体C：F＋C层片相间叠加。硬度极高，而塑性、韧性极低。 三、机械混合物：

定义：α－固溶体＋β－固溶体＋?＋α－金属化合物＋β－金属化合物 例如：钢铁、铝合金、铜合金、钛合金等。 1. 珠光体P：F＋Fe3C

两相，机械混合物。 0.77％C。

机械性能：δ＝20～25％、σb＝800～850MPa、 HBS＝280～260。 强度高、硬度较高。（应用提一下）

2.莱氏体Ld、Ld′： 两相机械混合物，含碳量：4.3％C。 Ld＝A＋C 727～1148℃。（高温莱氏体） Ld′＝P＋C 20～727℃。（低温莱氏体）

机械性能：HB＝560～600、δ＝4～5％。性能与渗碳体相近。（应用较少）

总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级：

本课课题：铁碳合金

教学目的和要求：1.熟悉简化的Fe－Fe3C状态图、分析：特性点、线和区域组织。 2.熟悉典型成分铁碳合金的结晶过程分析及其在室温下的组织。 重点与难点：掌握铁碳合金状态图。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

第三节 铁碳合金状态图

复习旧课：铁碳合金组织及其力学性能。

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℃

A ℃

L D A E L＋A C L＋C F G A＋C A＋C Ld＋A＋C Ld Ld＋C 727F P S K 600Q P＋F P P＋C P＋C Ld′＋P＋C Ld′ Ld′＋C 0 0.77 2.11 4.30 6.69 F＋C

一、铁碳合金状态图的建立

（1）配制不同成分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的冷却曲线。

（2）从各冷却曲线上找出临界点，并将各临界点分别画到成分－温度坐标中。 （3）将意义相同的临界点连接起来。

二、Fe－Fe3C合金状态图的分析：

1.点（特性点）：

A 1538℃ 100％Fe的熔点 ； D 1227℃ 100％Fe3C的熔点； G 912℃ 100％Fe的同素异晶转变点（重结晶温度点）； C 1148℃ 4.3％C 共晶点L→Ld（A＋C） 共晶反应；

F 1148℃ 6.69％C 虚点 ； P 727℃ 100％Fe虚点；

K 727℃ 6.69％C虚点、E 1148℃ 2.11％C 碳在γ－Fe中的最大固溶量； S 727℃ 0.77％C 碳在γ－Fe中的最小固溶量，共析点A→P 共析反应。 2.线（特性线）：

（1）AC线：液相线 开始结晶出奥氏体：L→L＋A。DC线：液相线 开始结晶出渗碳体：L→L+C。

（2）AE线：固相线 奥氏体结晶终了线：L＋A→A。ECF线：固相线（共晶线）：共晶

反应 L→Ld。

（3）GS线－A3线：从奥氏体中开始析出铁素体线。

（4）ES线—Acm线：从奥氏体中开始析出渗碳体线（碳在奥氏体中的固溶线）。 （5）PSK线－A1线：共析线； 共析反应 A→P（F＋C）共晶体。

（6）PQ线－碳在铁素体中的溶解度曲线。这种由铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳

体。

3.分类：

含碳量分类：

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工业纯铁：C≤0.0218％C 钢：0.0218％

共析钢：0.77％ P 亚共析钢： C<0.77％ P＋F 过共析钢： C>0.77％ P＋C 共晶白口铁分类：

′

共晶白口铁：4.3％C Ld

亚共晶白口铁：C<4.3％C Ld′＋P＋C 过共晶白口铁：C>4.3％C Ld＋C

三、钢在结晶过程中的组织转变

实验：热分析法－（C：0－6.69％）实用价值。 1.共析钢：

0.77％C：L→L＋A→A→P

分析：在727℃发生共析反应，A中含碳多少？P中含碳多少？ （727℃:F＝88.78％、C＝11.22％） 2.亚共析钢：

0.5％C：L→L＋A→A→A＋F→P＋F

分析：①A→A＋F 在→点以上A中含碳多少？随着温度降低，A中含碳是 逐渐增加

还是减少？

②A＋F→P＋F 在冷却到→点时，A中含碳增加到0.77％C，发生共析反应 A→P，727℃时，P、F各占百分多少？

727℃: F＝35.34％、P＝64.66％。20℃:F＝92.64％、C＝7.36％。

3.过共析钢：

1.0％C：L→L＋A→A→A＋C→P＋C （P＝96.1％、C＝3.9％）

分析：①A→A＋C 在→点以上，A中含碳多少？C中含碳多少？在→点以下，随着温

度降低，A中含碳逐渐增加还是减少？

②A＋C→P＋C 当冷却到→时，A中含碳逐渐减少到0.77％C，发生共析反应 A→P，727℃,P、C相对含量是多少？

Ⅵ.亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁请学生自行分析。 铁碳合金的组织和性能： 工业纯铁：F 塑性好。

亚共析钢：F＋P 取决于F、P的含量。 共析钢：P 强度高。

过共析钢：P＋C 取决于P、C的含量（C为网状的二次渗碳体，脆、不合格）。 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁自行分析。 力学性能和含碳量的关系曲线图。

′

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力学性能

Ψδαku

HB

σS σb含碳量（钢≤1.4％C） 0 0.77 1.40 2.11 4.3 4.Fe－Fe3C状态图的应用。

正确选材：

①.C≤0.25％，低碳钢：塑性好，韧性好。

②0.25％

①铸造方面：

共晶成分的铁碳合金铸造时，组织致密，不易偏析。 ②锻造方面：

钢加热到固相线AE以下200℃及A3线上170℃之间，利用奥氏体塑性好。 ③焊接方面： ④热处理方面：

课堂讨论：碳对铁碳合金组织和性能的影响。 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：碳素钢

教学目的和要求：1.了解常存杂质元素对碳钢性能的影响。 2.掌握碳钢的分类、牌号、性能和用途。 重点与难点：碳钢的分类、牌号、用途。 教学方法：讲授法。 课型：理论课和习题课。

教学过程

第四节 工业用钢简介

复习旧课：碳对铁碳合金组织和性能的影响。

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一、钢的分类

碳钢的分类、编号和用途： 分类：

①低碳钢：<0.25％C ①亚共析钢： 0.008～0.77％C。 ②中碳钢：0.25％≤C<0.60% ②共析钢： 0.77％C。 ③高碳钢：0.60％

①普通碳素钢：S≤0.05％、P≤0.045％。 ②优质碳素钢：S≤0.04％、P≤0.04％。（和国际不接轨） ③高级优质碳素钢：S≤0.03％、P≤0.035％。 用途： ①碳素结构钢： ②碳素工具钢： 冶炼：

①平炉钢（逐渐淘汰） ②转炉钢（使用） ③电弧炉钢。 酸碱性：

①酸性钢 ②碱性钢 ③中性钢。 钢的分类：碳素钢和合金钢。 二、碳素钢：

钢中杂质含量对其性能的影响

1.锰Mn：0.25～0.8％Mn，有益元素，脱氧剂。提高钢的强度和硬度，特别是降低钢的的脆性。

2.硅Si：<0.4％Si，有益元素，脱氧剂。提高钢的强度。 3.硫S：<0.050％，有害元素，热脆（红脆性）。（FeS＋Fe）为共晶体，985℃为液体。 硫的含量越高，热脆性越严重。

4.磷P：<0.0045％，有害元素，冷脆。使钢常温下其塑性和韧性急剧下降，脆性转

变温度升高，在低温时，这种现象更加严重。 5.氢H：<0.0001％，有害元素，氢脆，白点。过多的氢分子会导致钢的开裂。

总之，杂质元素对钢材的性能与质量影响很大，必须严格控制在所规定的范围内。

碳素钢分如下三类： （1）普通碳素结构钢：

新：Q235A（F、b、Z）、σs≥235MPa。

旧：甲类钢：A1、A2、A3、???A7满足机械性能要求的。 乙类钢：B1、B2、B3、???.B7满足化学性能要求的。 特类钢：C2、C3、??..C5满足机械和化学性能要求的。 通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑材料等。 （2）优质碳素结构钢：

普通含锰量钢：0.25～0.8％Mn。

较高含锰量钢：0.70～1.20％Mn。

举例：45： 0.45％C左右、 0.50～0.80％Mn左右。 45Mn ： 0.45％C左右、 0.70～1.00％Mn左右。 常用于齿轮、主轴、连杆→45。 弹簧、板簧、发条→65、65Mn。

15

（3）.碳素工具钢：

优质碳素工具钢：T＋数字。

高级优质碳素工具钢：T＋数字＋A。

举例：T7、T8、T9、???.T14。含义：0.7％、0.80％、0.9％??.1.4％ T7A、T8A、T9A、???.T14A。主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。

三、合金钢：

钢：非合金钢、低合金钢、合金钢。 合金钢：低合金钢、合金钢。

碳钢在200℃时，机械性能剧烈下降，而合金钢在650℃时，其机械性能才略为下降。

质量：优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）。

1.合金结构钢

起首两位数字表示平均含碳量的万分之几，其后的符号表示所含的主要元素；若元素含量<1.5％，不标数，元素含量≥1.5％，其后的数表示其百分含量。最后标“A”则称为高级优质合金结构钢（滚动轴承钢除外）。 例：12CrNi3：0.12％C、Cr<1.5％、3％Ni

20CrMnTi：0.20％C、Cr、Mn、Ti<1.5％ 15Cr、20Mn2B、55Si2MnA

2.合金工具钢

当含碳量≥1.0％时，不标含碳量数当含碳量<1.0％时，起首数表示含碳量的千分之几。合金元素同上。

例：9Mn2V：0.9％C、2％Mn、V<1.5％

CrWMn：C≥1.0％、Cr、W、Mn<1.5％。 W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、9SiCr。

3.特殊性能钢

起首数表示含碳量的千分之几，若起首为“0”，则表示含碳量<0.10％；若起首数为“00”，则表示含碳量为≤0.03％，合金元素同上。 例：9Cr18： 0.9％C、18％Cr。

1Cr18Ni9Ti：0.1％C、18％Cr、9％Ni、Ti<1.5％。

0Cr17Mn13Mo2V：C<0.1％、17％Cr、13％Mn、2％Mo、N<1.5％ 0Cr18Ni9Ti、1Cr13、1Cr28、0Cr17Ti。

第五节 零件选材的一般原则

选择材料的一般原则如下：

1.应能满足零件的工作要求：安全第一。

2.应能满足工艺性能要求：质量第一。 3.必须重视材料的经济性：效率第一。（以铁代钢，以铸代锻） 问答题：

一、根据铁碳合金状态图，说明下列原因： 1.含碳1.0％的钢比含碳0.5％的钢硬度高。 2.含碳1.2％的钢比含碳0.6％的钢强度高。 3.钢宜压力加工成形，铸铁宜铸造成形。

16

4.钳工锯T8、T10钢比锯10、20钢费力，锯条宜钝。

5.在1100℃含碳0.4％的钢能锻造，而含碳4.0％的生铁不能锻造。 6.捆扎物品的铁丝一般都用低碳钢，而吊车用的钢缆却用中碳钢。 7.制造滚动轴承的材料均是高碳钢。 8.制造刮刀、刻字刀具均用高碳钢。 9.制造型材的钢均用08、10号钢。 二、选择对应的材料：

45 65 A3（Q235A） T13 T8A 10 ZG280－500。 弹簧 主轴 螺钉 锯子 锉子 箱体 油箱盖。 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：钢的热处理

教学目的和要求：1.掌握退火的目的、种类、方法及应用。 2.掌握正火的目的、方法及应用。 重点与难点：正火和退火的应用。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

第一节 概述

复习旧课：碳素钢的分类和牌号及其应用。

第四章 钢的热处理

现代工业生产中，为了不断提高金属下材料的机械性能，采用两种方法：

①合金化法－碳钢中加入合金元素（调整钢的化学成分）。 ②热处理法－碳钢进行工艺处理（调整钢的组织）。

热处理：钢在固态范围内，通过加热、保温、冷却，改变金属材料的内部组织，改变材料的力学性能。

一个条件，三个过程：Sold hot－keep－cold。 分类：

普通热处理：退火、正火、淬火、回火。

热处理 表面淬火：火焰加热和感应加热法。 表面热处理 化学热处理：渗碳、渗氮、二元、多元共渗。 【?第一节：热处理的基本原理】（教课书省略） 一、钢的加热和保温时的组织转变：

绝大多数的热处理均是把钢加热到使其转变为奥氏体组织且尽量保持细小的晶粒。

1.钢在加热（冷却）时组织转变的温度。 AC1－加热时，珠光体转变为奥氏体的温度。 Ar1－冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。

17

AC3－加热时，铁素体转变为奥氏体。

Ar3－冷却时，奥氏体转变为铁素体的开始温度。

ACCm－加热时，二次渗碳体在奥氏体中的溶解的终了温度。 ArCm－冷却时，二次渗碳体从奥氏体中析出的终了温度。 钢号： 10 25 30 50 T10 T12 AC1： 727 735 732 727 730 730 AC3： 876 840 813 774 Ar3： 850 824 796 755

Ar1： 710 710 714 718 718 713 ACCm： 800 820

加热、冷却时的理想温度：A1、A3、ACm

实际加热温度： AC1、AC3、ACCm （0~＋20℃） 实际冷却温度： Ar1、Ar3、ArCm （0～－20℃） 2.钢加热时的变化：

以共析钢为例：

①加热到AC1以下时，依然是P； ②加热到AC1时，A晶核产生；

③继续加热，A晶核长大，F→A、C溶解； ④残余C溶解；

⑤均匀化。

亚共析钢、过共析钢分析： 共析钢等温曲线图

℃（温度） A1

600 550 500

230 Ms

－50 Mf 0 0.1 1 10 10 10 10 10 10 S（时间）

根据组织分成三个转变区： 1.高温转变区（珠光体转变区）：A1～550℃， P。

A1～650℃, A′→P粗、HRC15～22、δ＝20％、σb＝550MPa。 650～600℃, A′→P细（索氏体S）、HRC22～27、δ＝18％、σb＝870MPa。

2345618

600～550℃, A′→P极细（托氏体T）、HRC27～43、δ＝18％、σb＝1100MPa。 2.高温转变区（贝氏体转变区）：550～Ms，A→A′→B＝C粒＋F。 550～350℃, A′→B上（羽毛状）＝C粒＋F条状，HRC40～45。 350～Ms，A′→B下（竹叶状）＝C粒＋F针，HRC45～55。 3.低温转变区（马氏体转变区）：Ms～Mf ，A→A′→M＋A′残。 M：C→α-Fe（过饱和地溶解），HRC65～66，硬度很高。 特点：①Ms～Mf范围 ；

②内应力很大；

③A′不能100％转变为M。

三、钢的冷却曲线应用： 等温冷却：定性

连续冷却：定量

炉冷：10℃/min、空冷：10℃/s、油冷：150℃/s、水冷：600℃/s。 P S＋P S＋T＋M M＋A′残 临界冷却速度Vk＝V临。】

补充内容：

影响C曲线的因素：

①含碳量：C<0.77％ C％↑C曲线右移。C>0.77％ C％↑C曲线左移。 ②合金元素：除Co外所有的合金元素均使C曲线右移。 ③加热温度：温度越高，C曲线右移。

保温时间：时间越长，C曲线右移。

亚共析钢的C曲线 过共析钢的C曲线

℃ ℃ Ar3 Arcm

550 550

320 Ms 175 Ms

50 Mf －80 Mf

0 1 10 100 S 0 1 10 100 S

第二节 退火和正火

方法：

普通热处理：退火、正火、淬火、回火。

热处理 表面淬火：火焰加热和感应加热法。

表面热处理 化学热处理：渗碳、渗氮、二元、多元共渗。

19

一、退火：

把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺法。 目的：①提高钢的塑性和韧性（利于切削加工）；

②消除钢的内应力（以防钢件变形和开裂）； ③均匀组织； ④为随后的热处理做准备（组织上为以后的热处理做准备）。

退火的种类：

（1）完全退火：（亚共析钢）

把钢加热到AC3线以上30～50℃的温度，保温一定时间（1.5～

2.5min/mm30min/m3)（碳钢按有效厚度或直径每25毫米为1小时，合金钢按有效厚度或直径每20毫米为 1小时，保温时间与工件形状、材料质量、装炉量等有关）然后随炉冷却的一种工艺。

组织分析：P＋F→A→A′→P＋F （重结晶退火）。（实际生产中在炉中冷却到500℃

左右即可出炉冷却） （2）球化退火：（过共析钢）

把钢加热到AC1线以上20～30℃的温度，保温一定时间（5～6min/mm1hour/m3）然后随炉冷却的一种工艺。

组织分析：P＋Fe3C网→A＋Fe3C网→A′＋Fe3C球→P＋Fe3C球。 （实际生产中冷却到500℃以下时，组织转变完成，可取出空冷）。有些难于形成颗粒球状渗碳体的钢，可以多次并重复上述过程－循环退火（周期化退火）。 （3）低温退火：（亚、共、过共析钢）

把钢加热到500～650℃，保温一定时间（6～8min/mm、1.5hour/m），然后随炉冷却的一种工艺。（低温退火）若用于消除加工硬化（650～750℃），空冷，则称为再结晶退火。

组织分析：P＋F→P＋F→P＋F→P＋F

P→学生分析。

P＋Fe3C网→学生分析。

（4）扩散退火：（亚、过共析钢）

把钢加热到AC3线以上150～200℃、ACCm线以上150～200℃，保温一定时间（10～20hour）然后随炉冷却的一种工艺。（加热温度高，保温时间长，成本高，钢的烧损量大，晶粒粗大），这种工艺是为了消除钢中的成分不均匀的现象。 二、正火：

把钢加热到AC3线或ACCm线以上30～50℃的温度，（4～5min/mm、1hour/m3

经过保温后，随空气冷却的一种工艺。

目的：①提高低碳钢的硬度。（利于切削加工）

②消除网状渗碳体组织。（冷却速度较大，网状来不及形成）

③改善钢的组织。（细化晶粒，均匀组织）

因正火是在空气中冷却，得到的组织晶粒细小，且缩短了冷却时间，提高了生产

率和设备利用率，是一种比较经济的方法，应用较广泛。但是难于消除再结晶退火。 组织分析：P＋F→A→A→A′→S＋F

P＋Fe3C网→A→A→A′→S＋Fe3C粒

应用：①对一些大型或形状复杂的零件，淬火有开裂的危险，用正火；

②对于含碳量0.3～0.5％的钢件，用正火代替退火；

③含碳量低于0.3％的钢件，采用正火，能提高硬度利于切削。

3

20

℃ ℃

①

⑤ ③ ② ④ T 0

① 扩散退火 0.77 2.11 ％ ② 完全退火 ③ 球化退火

④ 正火

⑤ 去应力退火

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：钢的热处理

教学目的和要求：1.掌握淬火的目的、方法及其应用。

2. 熟悉回火的目的，掌握回火方法及其应用。 重点与难点：淬火和回火的目的、方法及其应用。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

第三节 淬火和回火

复习旧课：退火和正火的目的及其应用。

一、淬火：

在固态范围内，把钢加热到一定的温度（亚共析钢Ac3＋30～50°、共析钢及过共析钢Ac1＋30～50°），保温一定时间，（1.5～2.5min/mm、 30min/m3)(时间与钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸加热介质、装炉方法，虽经验公式－热处理手册，但生产实际中是综合上述的因素通过实验才能合理的选定）以大于或等于临界冷却速度冷却下来的一种热处理工艺。（>Vk）

目的：获得马氏体组织，从而提高钢的硬度和耐磨性。 （1）严格控制淬火加热温度。 （2）合理选择淬火冷却介质。

目的：既能得到高硬度的马氏体，也不会产生变形、开裂。

A1 727 A3 912

21

M 温度 Ac1 N

N

T （a） （b） （c） Mf

0 时间 共析钢等温冷却C曲线图

（a）实际水中的冷却曲线。（b）实际油中的冷却曲线。（c）理想淬火剂的冷却曲线。 分析MNQT（c）冷却曲线：MN－冷却速度慢，目的是不易变形、开裂；

NQ－冷却速度快，目的是A′不会转变为珠光体；

QT—冷却较慢，目的是既能得到高硬度的马氏体，不变形、开裂。而且冷却介质使用过程中不易变质，不

易燃，无毒性，无污染，来源充足，价格便宜，能反复多次重复使用。

满足以上所有要求的淬火剂是理想的淬火剂，但目前尚未找到还有待于我去研究和开发。

水： 碳钢

优点：650～550℃、 V＝600℃/S ； A′ P、S、T、B。

缺点：300～200℃、 V＝270℃/S ； 易使工件变形、开裂。

（若水温超过40℃，在650～550℃，冷却速度大为A′→P、S、T、B,不易淬硬，水中淬火易形成表面蒸气膜，若不及时去掉，影响工件内部冷却形成软点。盐水、碱水有水优点以外，并能自由去除薄膜，不会造出淬不硬及软点，但在200～300℃之间冷却，依然很快，易变形、开裂）。 矿物油（机油）： 合金钢

优点：300～200℃ 、 V＝30℃/S ； 工件不会变形、开裂。 缺点：650～550℃ 、 V＝150℃/S； A′→P、S、T、B。

（机油温度不能提的太高，过高的油温将会引起油面的燃烧，油长时间使用易老化，为了寻求理想的淬火介质：水玻璃溶液、聚乙烯醇水溶液聚醚水溶液?.而当前热处理工艺发展的趋势是：在淬火冷却介质的改进和研究方向，主要是在现有的淬火油中加入各种添加剂，以提高冷却能力，减缓油的老化，延长使用时间，??..）。 （3）正确选择淬火方法：

（由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理工艺方面还应考虑从淬火方法上加以解决）。

Ms

22

单液淬火：

把钢加热到淬火温度，经保温后，放入一种冷却介质中。

（这种方法操作简单，易机械化、自动化，通常工件是形状简单的碳钢和合金钢。在水中或盐水中进行单液淬火，操作虽然简单，单淬火变形大，如果采用油冷又难以取得淬硬的效果，这就可将油、水冷却结合起来进行如下的双液淬火）。 应用：卡规、轴承、锯子等。 双液淬火：

把加热到淬火的温度的工件，经保温后，先放入水或盐水中冷到400～300℃，再迅速移到油中或空气中冷却－水淬油冷法。

（双液淬火广泛应用于各种零件或工具，能得到高硬度，又能减少淬火内应力，缺点是操作难，且未能很好地改进工件表面与心部的温差这一缺点。技术还要熟练）。 应用：齿轮、缸体、阀体等。

分级淬火：

把工件加热到淬火温度，经保温后，迅速冷却到Ms点，附近，稍加停留（A′ B），待工件表面和中心温度基本一致时，再取出放入油中或空气中冷却冷却――热浴淬火法。（这种淬火法由于在奥氏体向马氏体转变前，工件的温度经等温停留后逐渐趋于一致，使随后的组织转变得以在表层和内部同时进行，由此可大大减小淬火内应力和变形，主要应用于形状复杂、小尺寸的碳钢和合金钢。） 应用：油泵齿轮、滚珠、滚针等。

等温淬火：

把加热到淬火温度的工件，经保温后，放入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，并等温到奥氏体转变层成下贝氏体后，再取出空冷。

（等温淬火硬度虽然没有分级淬火高，但工件在获得较高硬度的同时还具有良好的塑性和韧性，还可以有效地减少应力和变形，其缺点是不适应用界面尺寸大的工件，其心部易产生珠光体，生产周期长，适用于薄、细而形状发复杂的零件。） 应用；油嘴、小圆筒等。 冷处理：

把淬冷到室温的钢继续冷却到－70～－80℃，保温一段时间，使残余过冷奥氏体在继续冷却过程中转变为马氏体。

（是用干冰－78.5℃或－103℃的液化乙烯、－192℃的液态氮成本很高，易产生应力、变形，很少应用。）

应用：游标卡尺、螺旋尺、钢尺、砝码等。

V1－单液淬火、V2－双液淬火、V3－分级淬火、V4－等温淬火。 ℃

A1 550

23 Ms

V1 V2 V3 V4 Mf

0

二、回火：

定义：将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间（1～5小时），然后冷

却的一种工艺。 目的：①降低材料的脆性、消除内应力；

②获得要求的力学性能； ③稳定工件尺寸；

④降低合金钢的硬度，使之易被切削。

（1）低温回火（150～250℃）：组织：回火马氏体 HRC58～64。

应用于需要高硬度，高耐磨的材料零件。例如：刃具、量具、模具、滚动轴承等。

（2）中温回火（350～500℃）：组织：回火屈氏体 HRC35～45。

应用于需要较高弹性、韧性的材料零件等。例如：弹簧、板簧、发条、冲击工具等。

（3）高温回火（500～650℃）组织：回火索氏体HRC15～25 （HB200～250）。 应用于受交变载荷作用的材料零件等。例如：轴、丝杠、齿轮、连杆等。

淬火＋高温回火：调质处理。 时效处理：（尺寸稳定处理）某些量具等精密工具为了保持淬火后的高硬度和耐磨性

及稳定的尺寸，需在100～180℃进行长时间的低温加热，保温（10～50小时），随炉冷却的工艺。

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：钢的表面热处理

教学目的和要求：1.熟悉表面淬火。

2.了解渗碳、氮化、碳氮共渗及其它化学热处理。 3.了解热处理新技术简介。 重点与难点：表面淬火的目的。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

第四节 表面淬火和化学热处理

复习旧课：淬火和回火的应用。

T（s）

24

普通热处理：材料的内外力学性能均匀一致：外硬内硬、外韧内韧，但是，特殊情况下，需要内外力学性能不一致的材料：外硬内韧。 一、表面淬火（中碳钢）： 定义：

1.火焰加热表面淬火：

氧炔焰： M：2～6mm。 2.感应加热表面淬火：（需经正火、调质处理） 高频（10～500KHz） M：0.5～2mm； 感应器 中频（500～10000Hz）M： 2～8mm； 中频 （50Hz） M：10～15mm； 二、化学热处理： 定义：

1.渗碳：气体渗碳、固体渗碳：

低碳钢 ： 10.5～2mm 后：渗碳＋淬火＋低温回火。 2.渗氮：气体渗氮。 前：调质处理＋渗氮。 合金钢： （0.001～0.8mm）。 3.碳氮二元共渗：气体、固体、液体共渗。 低碳钢 低碳合金钢

4.辉光离子氮化（离子氮化）： 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：铸造

教学目的和要求： 1.了解铸造的工艺。

2.了解合理地控制铸件的凝固，从而防止缺陷。

重点与难点：铸造工艺基础。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

第一章 铸造工艺基础 第一节 液态合金的充型

复习旧课：表面热处理的特点及其应用。 液态合金填充铸型的过程，简称充型。 影响充型能力的主要因素如下： 一、合金的流动性

流动性：4.3％C、高温、P、铸型特点。 二、 浇注条件 1. 浇注温度

在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不易太高。 2. 充型压力

液态合金所受的压力越大，充型能力越好

25

三、铸型填充条件

如下因素对充型能力均有影响：

1. 铸型材料：导热系数和比热容越大，激冷越大，充型能力越差。 2. 铸型温度：

3. 铸型中的气体：开设出气口，增加透气性。

第二节 铸件的凝固与收缩 一、铸件的凝固方式 1. 逐层凝固： 2. 糊状凝固：

3. 中间凝固：大多数的凝固均是这样。 二、铸造合金的收缩 合金的收缩经历三阶段： （1） 液态收缩 （2） 凝固收缩 （3） 固态收缩

收缩率与化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。铸铁的最好。 三、铸件中的缩孔与缩松 1. 缩孔与缩松的形成

（1） 缩孔 它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。 （2） 缩松 分散在铸件某区域内的细小缩孔。 2. 缩孔和疏松的防止

（1） 定向凝固：设置冒口。 （2） 安放冷铁。 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：铸造工艺基础

教学目的和要求：1.了解铸造内应力，防止变形和开裂。 2.掌握铸件质量的控制。 重点与难点：铸件质量的控制。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

第三节 铸造内应力、变形和裂纹

复习旧课：铸件的凝固与收缩。 一、内应力的形成

1.热应力

减少热应力的基本途径是尽量减少各个部位间的温度差，使其均匀地冷却。 3. 机械应力

26

它是合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。

二、铸件的变形与防止

具有残余内应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。

防止铸件变形的措施：

使铸件壁厚均匀、形状对称，采用同时凝固和反变形。 也可采用时效处理：自然时效和人工时效。

一、铸件的裂纹与防止

当铸造内应力超过金属的强度极限时，便会产生裂纹。 两种： 1. 热烈：

是高温下形成的裂纹。

影响因素：

（1） 合金性质。 （2） 铸型阻力。 2. 冷裂：

是低温下形成的裂纹。 二、合金性质和含磷量。

第四节 铸件的质量控制

应从如下几个方面来控制铸件质量：

（1） 合理选定铸造合金和铸件结构。 （2） 合理制定铸件的技术要求。 （3） 模样质量检查。

（4） 铸件质量检验。 （5） 铸件热处理。

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：常用合金铸件的生产

教学目的和要求：1.了解铸铁的分类、特点、石墨化及其影响因素。

2.掌握灰铸铁的牌号、组织、性能及其应用，灰铸铁的变质处理，灰铸铁的热处理。

3. 了解可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁简介

4.。熟悉球墨铸铁的牌号、组织、性能及其应用、球墨铸铁的热处理。

重点与难点：铸铁的性能及其应用。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

27

第二章 常用合金铸铁的生产

第一节 铸铁件生产

复习旧课：铸件的质量控制。

铸铁的分类：定义：含碳量6.69％>C>2.11％的铁碳合金。 ①白口铸铁：C以Fe3C形式存在。

②灰口铸铁：C以片状石墨形式存在，G片。 ③可锻铸铁：C以团絮石墨状形式存在，G絮。 ④球墨铸铁：C以球状石墨形式存在，G球。 ⑤蠕墨铸铁： ⑥麻口铸铁： 一、灰铸铁 灰铸铁的性能： （1）铸造性能好； （2）减摩性能好； （3）减震性能好；

（4）切削加工性能好；

（5）缺口敏感性较低：（举例：麻子脸；黑白衣服，标准好学生） （6）抗拉强度、塑性、韧性比相应的基体的钢低。 2. 影响铸铁组织和性能的因素（G＝石墨） （1）化学成分：

C 、Si→G ， Mn、S、P→Fe3C 。

（2）冷却速度：

V↑→ Fe3C、 V↓→G 。 3.灰铸铁的孕育处理（变质处理）：变质剂：硅铁75％。

在铸铁未浇注前，向铁水中加入少量变质剂（Si＋Fe）、（Si＋Ca），形成非自发晶核，细化晶粒，从而提高其力学性能。 4.灰铸铁的牌号及其生产特点

（1）灰铸铁的牌号 HTab： ab为材料的最低抗拉强度。 （2）灰铸铁的生产特点 二、可锻铸铁

（马铁、玛钢、展性铸铁、韧性铸铁） C→G絮状。 成分：

组织特点： G絮状＋基体。

① G絮状＋F：铁素体可锻铸铁。

② G絮状＋F：珠光体可锻铸铁。

牌号：KTHab－c： ab为最低抗拉强度。 c为最低延伸率。

黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。 三、 球墨铸铁】

1950年，我国开始球铁的研究，1959年无锡柴油机厂利用球铁代替45、40Cr钢，寿命、机械性能相近，成本降低50～80％，工时减少30～50％。1964年广州柴油机厂利用球铁代替合金钢，成本降低85％。 1.球墨铸铁的组织和性能： 2.球墨铸铁的生产特点

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（1）铁水

（2）球化处理和孕育处理：球化剂和变质剂。 （3）铸型工艺 （4）热处理 四、蠕墨铸铁 1.蠕墨铸铁的性能 2.蠕墨铸铁的制取 3.蠕墨铸铁的应用 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：常用合金铸件的生产

教学目的和要求：1.了解铸钢生产的特点。 2.了解铜、铝合金的生产特点。

重点与难点：铸钢、铸铝、铸铜的生产。 教学方法：讲授法。 课型：理论课

教学过程

第三节 铜、铝合金铸件生产 复习旧课：铸铁件的生产特点。 一、铸造铜合金

铜及铜合金

1.铜：99.95％Cu（紫铜）

面心立方晶格，比重大，塑性好，强度低，σb＝200～250MPa、δ＝45～50％，耐蚀性强，主要用于制造电线、电缆、配置铜合金。 工业纯铜：T1～T5，数字越大，铜纯度越低。

T1：99.95％、T2：99.90％、T3：99.70％、T4：99.50％。 2.铜合金：

加入Sn、Zn、Pb、Al、Ni等。 ①黄铜：（Cu＋Zn）

A.压力加工黄铜H： H96、H68、HSn62－1。

B.铸造黄铜ZH：ZHSi80－3、ZHAl67－25。 ②青铜：（Cu＋Sn）、（Cu＋Cr）、（Cu＋Pb）、（Cu＋Al）。 A.压力加工青铜QSn：QSn6.5－0.1。 B.铸造青铜ZQSn10－1。 ③白铜：（Cu＋Ni）。

3.热处理：去应力退火。 二、铸造铝合金

29

1.铝：99.9968％Al，面心立方晶格，比重小，塑性好，强度低，耐腐蚀能力强，表面易形成Al2O3，主要用于制造电线、电缆、配制合金，σb＝80MPa、δ＝50％、ψ＝80％。

工业纯铝：L1～L5，数字越大，铝纯度越低。 L1：99.50％Al、L2：99.00％Al、L3：98.00％。 2.铝合金：

加入铜、镁、锰、锌、硅等。

①压力加工铝合金（形变铝合金）：

A.防锈铝合金LF：Mn＋Mg ，LF5、LF11、抗蚀、强度低、焊接性好。 B.硬铝合金LY：Cu＋Mg，LY1、LY11，机械性能好，抗蚀性好 。 C.超硬铝合金LC：Cu＋Mg＋Zn，LC4、LC3抗蚀性差、室温强度高。 D.锻铝合金LD：Mg＋Si＋Cu，LD5，LD6、锻造性好、机械性能好。 ②铸造铝合金：

A.铸造铝硅合金ZL1：Si、ZL101、Zl104铸造性能好、耐腐蚀。 B.铸造铝铜合金ZL2：Cu、ZL203、ZL201、耐热、铸造、耐蚀性差 。 C.铸造铝镁合金ZL3：Mg、ZL302、ZL301、机械性能好抗蚀、比重大。 D.铸造铝锌合金ZL4：Zn、ZL401、ZL402、抗蚀性差、压铸性好。 ③热处理：

变质处理（2/3NaF＋1/3NaCl）、时效强化。

三、铜、铝合金铸件的生产特点 1.铜合金的熔化 2.铝合金的熔化 3.铸造工艺

四、钛、钛合金

性能：质量轻、比强度高，高温强度好，低温韧性优异，耐蚀性好。 比强度：强度和密度的比值。

钛和钛合金的基本性能：

3

钛为银白色的金属，密度为4.5g/mm，熔点为1668℃，具有同素异晶转变：882℃以下呈密排六方晶格－α－Ti，882℃以上呈体心立方晶格－β－Ti。 ① 比强度值高：σs＝1300MPa；

② ②热强度高：500℃，保持高强度； ③耐腐蚀性好：超过不锈钢；

④疲劳极限高：远远超过铝合金。 二、钛合金

1.α类钛合金：加入铝、锡、锆等。

TA5、TA7，高温强度好、组织稳定、抗氧化性好，抗蠕变性好，焊接性能好。 2.β类钛合金：加入钒、钼、铌、铬、锰等。 TB2，较高的强度，优良的冲压性能。

3.（α＋β）类钛合金

TC4、TC4，常温下强度较高，优良的塑性，易锻造，扎制，冲压 。 总之：是飞机、导弹、宇宙飞船、舰艇的理想结构材料。 轴承合金：

在滑动轴承中制造轴瓦及内衬的合金。

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材料：1.锡基轴承合金（巴氏合金） ZChSnSb11－6（ZChSn2） 2号。 ZChSnSb12－4－10（ZChSn1）1号。

2.铅基轴承合金（巴氏合金）

ZChPbSb16－16－2（ZChPb1）1号。 ZChPbSb15－5－3（ZChPb2）2号。

3.铜基轴承合金

ZQPb30、 ZnSn10－1。

各种轴承合金性能的比较

种类 锡基轴承合金 铅基轴承合金 铜基轴承合金 铸铁 抗咬合性 优 优 中 差 磨合性 优 优 差 劣 耐蚀性 优 中 中 优 耐疲劳性 劣 劣 良 优 硬度HB 20～30 15～30 50～80 160～180 温度℃ 150 150 230 150 最大应力MPa 600～1000 600～800 2000 300～600

咬合性：当摩擦条件不良时，轴承材料与轴粘着和焊合性。

磨合性：在不长的工作时间后，轴承与轴能自动吻合，使载荷均匀作用在工作面上，

避免局部磨损。 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：砂型铸造

教学目的和要求：1.熟悉铸造生产的特点、分类及其应用。

2.★了解造型（造芯）材料，造芯方法，铸铁的熔炼、浇注、铸

件的落砂、清理和检验。

3.熟悉金属的主要铸造性能：流动性、收缩性等。

4.熟悉浇注位置和分型面、浇注系统和冒口，加工余量、起模斜度，

铸造圆角，铸件线收缩率，型芯头，能绘制典型铸件的铸造工艺图。

重点与难点：分型面、浇注系统和冒口。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

第三章 砂型铸造

复习旧课：铸钢、铸铝、铸铜的生产特点。

砂型铸造是传统的铸造方法，它适用于各种形状、大小、批量及各种合金铸件的生产。

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第一节 造型方法的选择

铸铁件、铸钢件、铸铝件、铸铜件??的制造工艺方法。

定义：将熔化的金属材料浇注到铸型空腔中，待其冷却凝固后，得到毛坯的方法。 产品：毛坯（铸件） 一、手工造型

1.单件、小批生产：

2.成批生产 P．55看过录像后，要学生设计①画出木模②确定分型面③活块设计④叙述整个制造

过程。

二、机器造型（造芯） 1. 机器造型（造芯）基本原理 （1）填砂；

（2）震击紧砂； （3） 辅助压实； （4） 起模。

2.机器造型的工艺特点

第二节 浇注位置和分型面的选择

浇注位置是指浇注时铸型分型面所处的空间位置，而铸型分型面是指铸型组元间的结合面。

一、浇注位置选择原则

（1） 铸件的重要加工面应朝下。 （2） 铸件的大平面应朝下。

（3） 将面积较大的薄壁部分置于铸型下部或处于垂直或倾斜位置。 （4） 在较厚部位安放冒口。

二、铸型分型面的选择原则

定义：以砂子为主要原料形成铸型型腔的铸造工艺。 （1） 以平面为易、越少越好。

（2） 重要面置于下箱。 （3） 模型易出 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：砂型铸造

教学目的和要求：1.熟悉铸造工艺参数的选择。 2.分析实例。 重点与难点：铸造工艺参数的选择。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

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教学过程

第三节 工艺参数的选择

复习旧课：铸造工艺设计。 一、机械加工余量和最小铸孔 二、起模斜度

为了使模样便于从砂型中取出，凡垂直于分型面的立壁在制造模样时，必须留出一定的的倾斜度。外壁的起模斜度通常为15′～3o， 内壁的起模斜度通常为3o～10o。 三、收缩率

通常灰铸铁为0.7％～1.0％，铸钢为1.3％～2.0％，铝硅合金为0.8％～1.2％。 四、型芯头

第四节 综合分析举例

一、支座 （1）方案Ⅰ （2）方案Ⅱ

（3）方案Ⅲ

A．单件生产、小批生产 B．大批量生产

二、C6140车床进给箱体 1.分型面的选择

方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。 A．单件生产、小批生产 B．大批量生产 2.铸造工艺图

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级：

本课课题：特种铸造

教学目的和要求：1.熟悉特种铸造工艺。 重点与难点：特种铸造。

教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

第四章 特种铸造

第一节 熔模铸造

复习旧课：铸造工艺参数的选择。

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一、熔模铸造的工艺过程 1.蜡模制造 （1）压型制造 （2）蜡模的压制 （3）蜡模组装 2.型壳制造 （1）浸涂料 （2）撒砂 （3）硬化 3.焙烧和浇注 （1）焙烧 （2）浇注

二、熔模铸造的特点和适用范围 优点：

（1）型腔表面极为光滑

（2）能生产高熔点的黑色金属铸件 （3）生产批量不受限制。

第二节 金属型铸造

一、金属型构造

二、金属型的铸造工艺

1.喷刷涂料

2.金属型应保持一定的工作温度 3.适合的出型时间 三、金属型铸造的特点和适用范围

第三节 压力铸造

一、压力铸造的工艺过程 （1）注入金属 （2）压铸

（3）取出铸件

二、压力铸造的优点和适用范围

（1）铸件的精度及其表面质量较其它铸造方法均高。

（2）可压铸形状复杂的薄壁件，或直接铸出小孔、螺纹、齿轮等。 （3）铸件的强度和硬度均较高。

（4）压铸的生产率较其它铸造方法均高。

第四节 低压铸造

一、低压铸造的基本原理

二、低压铸造的特点和适用范围

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（1）充型压力和充型速度便于控制。 （2）铸件组织较砂型铸造致密。

（3）金属的利用率提高了90％～98％。 （4）利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件。

第五节 离心铸造

一、离心铸造的基本方式

二、离心铸造的特点和适用范围 优点：

（1）省工、省料，降低了成本。

（2）极少有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷。 （3）便于制造双金属铸件。 缺点：

（1）尺寸偏差大，而且内表面粗糙。

（2）不适合密度偏析大的合金及轻合金铸件。

第六节 其它特种铸造方法

一、陶瓷型铸造 1.基本工艺过程

2.陶瓷型铸造的特点及适用范围 二、实型铸造 1.泡沫述塑料模 2.铸造工艺 3.特点

第七节 常用铸造方法的比较

布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：铸件结构设计

教学目的和要求：1.熟悉铸造结构工艺的关系。 重点与难点：结构工艺。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

复习旧课：特种铸造

第五章 铸件结构设计

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进行铸件设计时，不仅要保证其力学性能和工作性能要求，还必须考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。

第一节 铸件结构与铸造工艺的关系

第二节 铸件结构与合金铸造性能的关系 1.铸件壁厚要适当。 2.铸件壁厚宜均匀。

3.铸件壁的连接应平缓、圆滑。 4.防裂筋的应用。

5.减缓筋、辐收缩的阻碍。 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：金属的塑性变形

教学目的和要求：1.熟悉金属锻件的特点、分类及其应用。

2.了解金属的塑性变形，塑性变形对金属组织和性能的影响，冷变

形金属在加热时组织和性能的变化，热变形对金属组织和性能的影响，金属的锻造性。 3.了解锻造温度范围、锻件的冷却。

4.★了解自由锻的特点，设备，基本工序（镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、错移、扭转）及其应用。

5.熟悉自由锻造工艺设计：绘制锻件图，坯料质量及其尺寸计算。

拟定锻造工序，选定锻造设备吨位，确定加热、冷却及其热处理规范，编制锻件工序卡片。能绘制简单锻件图。 6.了解模锻及其胎模锻简介。

重点与难点：金属的塑性变形对金属组织和性能的影响。 教学方法：讲授法和录像观摩。 课型：理论课

教学过程

复习旧课：铸件结构工艺。

第三篇 金属压力加工

压力加工的特点：经过压力加工过的金属材料，具有细晶粒结构；能使粗大枝晶和

各种夹杂物都沿着金属流动的方向被拉长，呈现出纤维组织；并使铸造时内部缺陷（如微裂纹、气孔、疏松等）得以压合，因而提高了金属的力学性能。很多承受重载荷的、受力复杂的零件都使用锻件。另外，锻件还具有适用范围广，使用模型锻造有较高的生产率、节省材料的特点。与焊接和铸造等方法相比，使用较广的自由锻造所获得的产品形状比较简单，若要生产外形和内腔复杂的零件较为困难，甚至是不可能的。

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第一章 金属的塑性变形

第一节 金属塑性变形的实质

塑性变形：当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点之后，既使外力停止作

用，金属的变形也不消失。 金属的塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。在切向应力的作用下，晶体的一

部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移（该面称滑移面），从而造成晶体的塑性

变形。

第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响

金属的变形：

弹性变形、塑性变形、颈缩变形。

弹性变形：去除外力作用时，能恢复原形。

塑性变形：去除外力作用时，不能恢复原形。 颈缩变形：材料趋向接近断裂。

加工硬化：随变形程度的增大，强度和硬度上升而塑性下降的现象。

原理：压力加工就是利用材料的塑性变形，即使晶体中晶粒相对于另一个晶粒发生

滑移或错位，达到所要求的变形程度。 冷变形：在再结晶温度以下的变形。 热变形：在再结晶温度以上的变形。 T再＝0.4T熔

例：纯铁：t熔＝1538℃、 45：t熔＝1450℃。 纯铝：t熔＝660℃ 、 Cu：t熔＝1083℃。 T熔＝t熔＋273℃ （绝对温标）

加工硬化：塑性变形程度越高，强度和硬度就升高。 消除方法：再结晶退火。

第三节 金属的锻造性

金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难以程度的工艺程度。 一．金属的本质

1.化学成分的影响：含碳量；杂质含量等。

2.金属组织的影响：奥氏体；铁素体等组织。 二、加工条件

1.变形温度的影响

锻造温度：

碳钢： 800℃～（AE－200℃）。

合金钢：830℃～（AE－150℃）。 温度过低：导致锻件破裂报废。

温度过高：将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。

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2.变形速度的影响：一般情况下可忽略不计。 3.应力状态的影响：压应力较拉应力为易。 录像：锻造 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：锻造

教学目的和要求：1.熟悉锻造的特点、分类及其应用。 重点与难点：锻造方法 教学方法：讲授法。 课型：理论课和录像观摩。

教学过程

复习旧课：金属塑性成形原理。

第二章 锻造

第一节 锻造方法

一、自由锻

1. 自由锻工序 （1） 基本工序

镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移。 （2） 辅助工序

2. 锻件分类及基本工序方案 二、模锻 1. 锤上模锻 （1） 模锻模膛 （2） 制坯模膛 2. 曲柄压力机上模锻 3. 摩擦压力机上模锻 4. 胎模锻

第二节 锻造工艺规程的制订

一、绘制锻件图

二、坯料重量和尺寸的确定 三、锻造工序的确定

四、锻造工艺规程中的其它内容

第三节 锻件结构的工艺性

一、自由锻件的结构工艺性 二、模锻件的结构工艺性 布置作业：

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课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：板料冲压

教学目的和要求：1.熟悉板料冲压的特点及其应用。 重点与难点：变形工序 教学方法：讲授法。 课型：理论课和录像观摩。

教学过程

复习旧课：锻件的结构工艺性。

第三章 板料冲压

板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。 特点：

（1） 可以冲出形状复杂的零件，且废料较少。

（2） 产品具有较高的精度和较低的表面粗糙度，冲压件的互换性较好。 （3） 能获得重量轻、材料消耗少、强度和刚度都较高的零件。 （4） 冲压操作简单，工艺过程便于机械化。

第一节 分离工序

一、落料及冲孔（通称冲裁） 1. 冲裁变形过程 2. 凹凸模间隙

3. 凹凸模刃口尺寸的确定 4. 冲裁件的排样 二、修整 三、切断

第二节 变形工序

一、拉深 1. 拉深过程 2. 拉深中的废品 3. 旋压 二、弯曲 三、翻边 四、成形

第三节 冲模简介

一、简单冲模 二、连续冲模 三、复合冲模

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第四节 冲压件的结构工艺性

一、冲压件的形状及尺寸

二、简化工艺及节省材料的设计 三、冲压件的厚度

四、冲压件的精度和表面质量 布置作业： 课后总结：

授课时间： 班级： 本课课题：特种压力加工方法简介 教学目的和要求：1.了解特种加工。 重点与难点：特种加工 教学方法：讲授法。 课型：理论课和录像观摩。

教学过程

复习旧课：板料冲压。

第四章 特种压力加工方法简介

第一节 精密模锻

第二节 零件挤压

第三节 零件扎制

一、纵扎 二、横扎 三、斜扎 布置作业： 课后总结：

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