金属工艺学教学教案

金属工艺学教学教案内容摘要：

解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。 1 ● 溶质原子代替一部分溶剂原子 ， 占据溶剂晶格 的 部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。 按溶质溶解度 的 不同，置换固溶体又可分为有 限固溶体和无限固溶体。 a) 置换固溶体 b) 图 132 固溶体的类型 2 ● 溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂 晶格的 结点位置，而 是 嵌入 溶剂晶格的各 结点之间的间隙内 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。 这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。 固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。 18 a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子） 图 133 形成固溶体时产生的晶格畸变 （ 二 ） ● 金属化合物是指合金中各组元 之 间 发生相互作用 而形成的 具有金属特性的一种新 相。 （ 三 ） ● 由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。 在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格 的 类型和性能，而整个机械混合物的性能 则 介于各组成相 的 性能之间， 并 与各组成相的性能以及相的数量、形 状、大小和分布状况等密切相关。 三 、合金结晶过程 合金 的 结晶过程 与 纯金属一样， 也是 晶核形成和晶核长大两个过程。 同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。 合金的结晶过程中具有如下特点 （ 1） 纯金属 的 结晶是在恒温下进行，只有一个 结晶温度。 而 绝大多数 合金是在一个温度范围内进行结晶 的 ， 一般 结晶的开始温度与终止温度 是 不相同， 一般 有两个 结晶温度 （ 2） 合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有 差异 ，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。 （ 3） 合金结晶后一般有三种情况： 第一种情况是形成 单相固溶体； 第二种情况是形成 单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物 (如共晶体 )； 第三种情况是 结晶开始 时 形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物 (如共晶体 ) 四 、合金结晶冷却曲线 合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。 一般合金的结晶冷 图 134 合金 的 结晶冷却曲线 19 Ⅰ — 形成单相固溶体 Ⅱ — 形成单相 金属化合物 或析出共晶体 Ⅲ — 形成机械混合物 ● 从一定 化学 成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶转变 (或称 共晶反应 ) ● 在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变 (或称 共析反应 )。 共析转变 第 九 节 金属 材料的 铸锭组织特征 一、 金属材料的 铸锭组织结构 金属铸锭呈现三个不同的 结晶 区 ： 表面细晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。 表面细晶粒区的组织特点是：晶粒细长，区域厚度较小，组织致密，成分均匀，力学性能较好。 在柱状晶 粒区，两排柱状晶粒相遇的接合面上存在着脆弱区，此区域常有低熔点杂质及非金属夹杂物积聚，使金属材料的强度 和塑性降低。 这种组织在锻造和轧制时，容易使金属材料沿接合面开裂。 等轴晶粒区的组织特点是：晶粒粗大，组织疏松，力学性能较差。 在金属铸锭中，除存在组织不均匀外，还常有缩孔、气泡、偏析、夹杂等缺陷。 根据浇注方法 的 不同，金属铸锭分为钢锭模铸锭（简称铸锭）和连续铸锭。 二、定向结晶和单晶 ● 定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定 的温度梯度，从而 使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶 的工艺方法。 用 该工艺 方法生产出 了 整个 铸 件都是由同一方向的柱状晶所构成的涡轮叶片。 这 种 叶片具有良好的使用性能 ，其 工作温度 则 可达 930℃。 ● 单晶 是其原子都按照一个规律和一致的位向排列的一个晶体。 单晶制备的基本原理是使液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核提拉成一整块晶体。 【 教学重点与难点 】 1．重点： 纯金属的结晶过程、金属材料的同素异构转变 2．难点： 合金的晶体结构、 金属材料的铸锭组织特征 【 教学方法与教学手段 】 1．利用试样、挂图等教具。 2．利用多媒体资料进行短时演示。 【小结与布置作业】 1． 小结 熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。 2．布置作业 尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。 20 教案五 【 教学组织 】 1．提问 10分钟 2．讲解 70分钟 3．小结 5分钟 4．布置作业 5分钟 【 教学内容 】 第 十 节 铁碳合金状态图 ● 铁碳合金是由铁和碳两种元素为主组成的合金。 一 、 铁碳合金的基本组织 铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。 1． 铁素体 (F) ● 铁素体是指α Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成 的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号 F(或α )表示。 铁素体仍保持α Fe的体心立方晶格。 铁素体 的溶碳量很小，在 727℃时溶碳量最大（ W（ C）=%）。 铁素体的性能几乎 与 纯铁相同，强度和硬度较低 (σ b=180～ 280MPa， 50～ 80HBW)，而塑性和韧性好 (δ =30%～ 50%， KU≈ 128～ 160J)。 铁素体在 770℃（居里点）有磁性转变，在 770℃以下具有铁磁性，在 770℃以上则失去铁磁性。 2． 奥氏体 (A) ● 奥氏体是指γ Fe内固溶有碳和 (或 )其它元素所形成的晶体 点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或γ )表示。 奥氏体仍保持γ Fe的面心立方晶格。 奥氏体溶碳能力较大，在 1148℃时溶碳量最大（ W（ C） =%），随着温度下降溶碳量逐渐减少，在 727℃时的溶碳量为 W（ C） =%。 奥氏体是非铁磁性相，具有一定的强度和硬度 (σ b≈ 400MPa， 160～ 220HBW)，塑性好 (δ≈ 40%～50%)。 稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。 3． 渗碳体 (Fe3C) ● 渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化 学成分近似于 Fe3C的一种间隙式化合物 ，以符号 Cm表示。 渗碳体的晶格形式，与碳和铁都不一样，是复杂的晶格类型。 渗碳体碳的质量分数是 W（ C） =%，熔点为 1227℃。 渗碳体硬度高 (约为 800HV)，脆性大，塑性与韧性极低。 渗碳体不发生同素异构转变，有磁性转变，在 230℃以下具有弱铁磁性，而在 230℃以上则失去磁性。 渗碳体是亚稳定的金属化合物， 21 图 136 铁素体晶胞示意图 图 138 奥氏体的晶胞 图 140 渗碳体的晶胞 4． 珠光体 (P) ● 珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的 组织。 常见的珠光体是 铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。 珠光体 也 是铁素体 (软 )和渗碳体 (硬 )组成的机械混合物 ， 常用符号“ P”表示。 珠光体中碳的质量分数平均为 W（ C） =%。 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度 （σ b≈ 770MPa， 160～ 220HBW）、 塑性 (δ≈ 20%～ 35%)和韧性 (KU≈ 24～ 32J)，硬度适中 （ 180HBW） ，是一种综合力学性能 较好的组织。 图 141 珠光体的显微组织 5． 莱氏体 (Ld) ● 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体， 用符号 Ld表示。 莱氏体碳的质量分数为 W（ C） =%， WC＞ %的铁碳合金从液态缓冷至 1148℃时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物 （即 莱氏体 ）。 ● 727℃以上 存在 的莱氏体称为高温莱氏体 (Ld )，在 727℃以下 存在 的莱氏体称为低温莱氏体（ L′d），或称变态莱氏体。 莱氏体的性能 与 渗碳体相似，硬度很高 (相当于 700HBW)，塑性很差。 二 、 铁碳合金状态图 1． ● 合金状态图是表示在极缓慢冷却 (或加热 )条件下，不同化学成分的合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。 22 图 142 简化的铁碳合金状态图 2． 铁碳合金状态图中的特性点 表 14 铁碳合金状态图中的特性点 特性点 温度（℃） WC（ %） 特性点的含义 A 1538 0 纯铁的熔点或结晶温度 C 1148 共晶点，发生共晶转变 ⇌+Fe3C D 1227 渗碳体的熔点 E 1148 碳在 奥氏体 中的最大溶碳量，也是钢与生铁的 化学 成分分界点 F 1148 共晶渗碳体的成分点 G 912 0 α Fe⇌γ Fe同素异构转变点 S 727 共析点，发生共析转变 A0。 77⇌+Fe3C P 727 碳在 铁素体 中的最大溶碳量 K 727 共 析 渗碳体的成分点 Q 室温 碳在铁素体中的最大溶碳量 3． 铁碳合金状态图中的 （ 1） 液相线 ACD。 （ 2） 固相线 AECF。 （ 3） 共晶线 ECF。 ECF线是一条水平 (恒温 )线，称为共晶线。 在 ECF线上 ， 液态铁碳合金将发生共晶转变，其反应式 是： 1148℃ ＋ 23 （ 4） 共析线 PSK。 PSK线也是一条水平 (恒温 )线，称为共析线，通称 A1线。 在 PSK线上固态奥氏体将发生共析转变，其反应式 是 ： 727℃ ＋ （ 5） GS线。 GS线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线，通称 A3 （ 6） ES线。 ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通称 Acm线。 （ 7） GP线。 GP线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终了线或者加热时铁素体转变为奥氏体的开 （ 8） PQ线。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。 它表示 铁素体 随着温度的降低，铁素体中的碳的质量分数沿着 PQ 三 、铁碳合金的分类 表 16 铁碳合金分类 合金类别 工业纯铁 钢 白口铸铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 W（ C） /% W（ C） ≤ W（ C） ≤ W（ C） WC WC = WC W（ C） W（ C） = W（ C） 室温组织 F F+P P P+ Fe3CII L39。 d+P+ Fe3CII L39。 d L39。 d+ Fe3CI 四 、碳对铁碳合金组织和性能的影响 随着钢中碳的质量分数的增加，平衡组织中的铁素体量不断减少，渗碳体量不断增多，钢的力学性能将发生明显的变化。 当碳的质量分数 W（ C） %时，随着碳的质量分数的增加，钢的强 度和硬度提高，而塑性和韧性降低；当碳的质量分数 W（ C） %时，由于 Fe3CII的数量随着碳的质量分数的增加，而急剧增多，并明显地呈网状分布于奥氏体晶界上，这样降低了钢的塑性和韧性，也降低了钢的强度。 五、铁碳合金状态图的应用 铁碳合金状态图在工程上为零件选材以及制定零件铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了理论依据。 例如，将钢加热到单相奥氏体区，则钢的内部组织为奥氏体，钢的塑性 好 ，便于进行压力加工。 【 教学重点与难点 】 1．重点： 铁碳合金的基本组织 、 铁碳合金的 分类 和 铁碳合金状态图 2．难点： 铁碳合 金状态图 【 教学方法与教学手段 】 1．利用试样、挂图等教具。 2．利用多媒体资料进行短时演示。 【小结与布置作业】 1．小结 熟悉基本定义，注重将基本知识与生活经验相联系，加深对所学知识的理解。 2．布置作业 尽量独立完成相应章节中的习题，必要时可相互交流与探讨问题。 24 教案六 【 教学组织 】 1．提问 10分钟 2．讲解 70分钟 3．小结 5分钟 4．布置作业 5分钟 【 教学内容 】 第 二 章 钢的热处理 ● 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。 热处 理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成。 常用的热处理加热设备有箱式电阻炉、盐浴炉、井式炉、火焰加热炉等。 常用的冷却设备有水槽、油槽、盐浴、缓冷坑、吹风机等。 表 21 热处理工艺分类 及名称 分 类 与 名 称 热处理。