机械工程材料及应用教案王纪安

课 题：3.1手锯锯条的服役条件分析 3.2材料的力学性能——硬度与韧性（2课时） 【新课导入】：锯条是用什么材料做的？锯条需要具有什么样的力学性能？金属材料的软硬是我们经常关注的问题，请问常见的金属材料中哪些是比较软的？哪些是比较硬的？

在工业生产中，我们仅仅知道金属材料软和硬是远远不够的，还必须精确知道其硬度值的大小。本节课我们来深入学习硬度的有关知识。

中文里“韧”是什么意思?它是指柔软而结实,不易折断。在生产和生活中，许多机械零件往往要受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、凿岩石机风镐上的活塞、快速行驶的汽车相撞、高速飞行的子弹击中防弹衣的材料等。在金属材料受到冲击载荷作用时，也必须具有这种韧性。

教学目标：1.了解并分析手锯锯条的工作条件；

2.掌握三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。

3．理解硬度概念，明确三种硬度测定方法；

4．理解韧性的意义，明确韧性测定方法，掌握韧性的衡量指标（Ak）；

教学重点：三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。

教学难点：三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。

前测：什么是机械工程材料的硬度与塑性？测试硬度的方法有哪些？ 教学过程： 【板书】

3.1手锯锯条的服役条件分析 3.1.1手锯锯条的工作条件

摩擦——高硬度；冲击力——韧性好； 3.1.2手锯锯条的失效分析 磨损、崩刃、断裂

3.2材料的力学性能——硬度与韧性 3.2.1硬度

硬度：金属材料抵抗其它更硬物体压入表面的能力。 【讲解】硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。各种不同的机械零件对硬度都有不同的要求，尤其是机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命，因此硬度是金属材料重要的力学性能之一。

硬度试验设备简单，操作方便，能在零件上进行试验而不破坏。硬度值还可以间接地反映金属材料的强度和金属的化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在机械工程中得到普遍应用。

硬度试验方法很多，生产中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。 【板书】

硬度测定方法 压头类型 原 理 硬度值 应 用 HBS：淬硬钢球 以球面压痕单位表面积 HBS＜450 测定较软的原材料、 布氏硬度 HBW：硬质合金球 上的压力来计量硬度值。 HBW＜650 半成品的硬度。

F 直径1、2、2.5、5、10 HB = （完成交流与讨论1、2） S压 HRA 1200金刚石圆锥体 以压痕深度(h)来 HRA 20~80 适用于测定硬度极高的材

料和成品。如硬质合金。

洛氏硬度 HRB 1.588 mm的钢球 计量硬度值。 HRB 20~100 适用于测定硬度较低的材

料和成品。如黄铜轴套。

HRC 1200金刚石圆锥体 HRC 20~70 适用于测定硬度较高的

材料和成品。如淬火钢。

相对面夹角为 1360 以压痕单位表面积 HV 10~1000 适用测定极软到极硬的各种

维氏硬度 的正四棱锥体金刚石 上的压力计量硬度值。 材料，主要用于测试很薄工

件及渗碳层等的硬度。

3.2.2冲击韧度

【板书】韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 1．韧性测定

（1）冲击试样 图1-19所示

V型缺口试样 10×10×55 U型缺口试样 10×10×55

（2）冲击试验 大能量一次冲击（图1-20所示） 2．韧性指标

冲击功 Ak=G（H1—H2）

G──摆锤重量（N）；

H1──冲击前摆锤举起的高度（m）；

H2──冲断试样后，摆锤回升的高度（m）； Ak──冲击功（J）。

【练习】依据表4-2，请查出下列材料的韧性（Ak） 碳 钢 25 35 25 韧性（Ak） 【板书】韧性材料 Ak≥8 J 如碳钢； 脆性材料 Ak＜8 J 如铸铁。

小结：

（1）Ak值的越大，表示材料的韧性越好；

【交流与讨论】是否所有受到冲击载荷作用的零件都要选用韧性大的材料制造？

【板书】 （2）受到大能量，一次冲击载荷作用的零件，应选用韧性大的材料制造。如汽车

保险杆、防弹材料；

受到小能量，多次冲击载荷作用的零件，应选用强度大塑性好的材料制造。如模锻锤锤杆。 【小结】学习内容

硬度测定方法： 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度

韧性 Ak

Ak值的越大，表示材料的韧性越好 【作业】书面：习题 【交流与讨论】

1．某私营企业自制了一批水泥砖，需要检验这批水泥砖的硬度是否达到样品的硬度。这时有人说只要有一个小铁球就可以做这个试验。你认为可行吗？应怎样试验，能够测出水泥砖的硬度是否达标？

（1．让小铁球从相同高度自由下落，检查铁球落在每块水泥砖上的深度，深度浅的硬度大。

2．让水泥砖成 45 度角安放，小铁球从相同高度下落，看铁球滚动多远。硬度大，小铁球滚得远些。）

课 题：3.3金属的结晶特点与铁碳相图 【导入新课】

从铁碳合金组织学习中我们知道，室温下的组织F、P、Ldˊ、Fe3C随着含碳量增加，它们的性能变化是规律的，塑性、韧性由好变差，硬度由大变小，其实这种变化规律我们是可以从材料专家绘制的铁碳合金相图反映出来的。

Fe-Fe3C相图不仅大大地推动了金相学的发展，而且在生产实践中具有重要的现实意义。它为研究钢铁的组织，合理选用钢铁材料，科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据 【学习目标】

1.了解金属的结晶条件、过程及晶粒大小对其力学性能的影响 2. 了解纯铁的同素异构转变 3. 了解分析铁碳合金相图 4.了解铁碳合金相图的应用

教学重点：分析铁碳合金相图与铁碳合金相图应用 教学难点：分析铁碳合金相图与铁碳合金相图应用 前测：1、合金的基本组织有哪三种类型？

2、固溶体又有哪两种类型？固溶体的性能是怎样的？ 3、什么叫合金、请说明下列合金的组成。

黄铜 碳钢 硬铝 武德合金

（Cu-Zn Fe-C AI-Cu-Mg Pb-Sn-Bi-Cd ）

4、合金至少有几种元素组成？一定是金属元素与金属元素组成的吗？ 教学过程：

【板书】3.3.1金属结晶特点

金属的结晶 液态─→固态

【讲解】金属材料由液态转变为固态时凝固的过程，即晶体结构形成的过程称为结晶。金属材料的冶炼和铸造都要经历由液态转变为固态的结晶过程。金属材料性能与结晶后组织密切相关，所以了解金属材料结晶过程的基本规律，对于掌握和控制金属材料的组织及性能具有十分重要的

【板书】一、金属结晶的条件（教师引导分析观察图3-6，概括出特点。）

纯金属是在恒定的温度下结晶的。

如：Fe 1538℃， Cu 1083℃。

原因：结晶过程中释放出来的结晶热量，补尝了散失在空气中的热量。

【讲解】在实际生产中我们总会发现液态金属冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始结晶，如图2-6所示。实际结晶温度（T1）低于结晶温度（T0）。（过冷现象） 【板书】过冷度：理论结晶温度和实际结晶温度之差

△T=T0—T1

【交流与讨论】

在寒冷季节里，北方人是怎样吃硬梆梆的冻柿子呢？他们吃法叫做“拨冰子”，其过程就是将冻柿子放入冷水中，待冻柿子外面结成大冰团时将其捞出，此时剥开冰团，里面的柿子已变得松软可口了。请你想一想，他们是利用什么原理把冻柿子里的冰拨出来的？

（利用水结冰放出的热量熔化冻柿。） 教师指导阅读“你知道吗？” 【板书】二、纯金属的结晶过程 【讲解】液态金属在达到结晶温度开始结晶时，首先从液态金属形成一些微小而稳定的小晶体，称为晶核，然后随着时间推移，晶核不断长大，与此同时，液体中不断形成新晶核，并不断长大，直到它们彼此相互接触，液态金属完全消失而转变为固态，如图2-7所示。 【板书】（纯金属的结晶过程是）晶核形成与晶核长大。

三、晶粒大小对其力学性能的影响

（教师讲读“材料史话”）

【交流与讨论】

晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示，数目越多晶粒越小。为了方便测量，常用单位截面上晶粒的平均直径来表示。下表是晶粒大小对纯铁力学性能的影响：

晶粒平均直径(μm) σb（MPa） 184 δ(%) 30.6 39.5 48.8 50.7 70 25 2.0 1.6 8 6 2126270 分析上表晶粒大小对纯铁力学性能的影响，你得出的结论是：

【板书】晶粒越细，金属材料的力学性能越好。

细化晶粒的方法有：

1、增大过冷度 适用于中小型铸件。

2、变质处理(孕育处理) 在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂。

3、振动处理 【交流与讨论】

细化晶粒是提高金属材料力学性能的重要手段之一，工业上把利用细化晶粒来强化金属材料的方法称为细晶强化。专家们认为：“细晶强化是一种最经济的强化金属材料的方法。”你怎样理解这一观点的？

（金属同样的结晶，细晶粒，力学性能就好，反之就差。） 【板书】四、临界温度：金属材料结构发生改变的温度。

如纯Fe的临界温度为 1538℃， 纯Cu 的临界温度为 1083℃。

教师指导阅读“你知道吗？”

【板书】3.3.2铁碳合金相图

一、铁碳合金的基本组元与基本相

1、纯铁的同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。

【讲解】同素就是同种元素；

由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。

【板书】同素异构体的稳定性： α β γ δ 低温 高温 纯铁的同素异构转变

（教师引导学生分析图3-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）

【交流与讨论】金属晶体结构改变，它的性能会不会改变？

【讲解】不仅纯铁能够发生同素异构转变，而且铁碳合金——钢、铸铁同样能发生同素异构转变。正因为如此，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理来改变其组织和性能 。可见纯铁的同素异构转变现象具有极其重要的意义。 2、铁碳合金的基本相及其性能

钢和生铁都是铁碳合金，根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以反应形成金属化合物，或固溶体与金属化合物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中出现以下几种

基本组织。 【板书】

组织名称 符号 含义 含碳量 性能

铁素体 F 碳溶解在α－Fe中的 0.0008％ 塑性、韧性很好，强度、硬度

间隙固溶体。 （ 室温） 低。（δ：30~50％,Ak：128~160J， （指导观察图3-4、3-5） σ b：180~280MPa，HBS：50~80）

奥氏体 A 碳溶解在γ－Fe中的 0.77％ 塑性、韧性好，强度、硬度不

间隙固溶体。 （727℃） 高（伸长率δ：45％～60％σ b： （指导观察图3-6、3-7） 400MPa，HBS：160～200）

渗碳体 Fe3C 铁与碳反应形成的金 6.69％ 硬度很高（相当于800HBS），塑

属化合物。 性、韧性几乎为零，脆性很大。

珠光体 P 铁素体与渗碳体组成 0.77％ 强度较高，硬度适中，有一

的机械混合物。 （727℃以下） 定的塑性。（σ b：800MPa，HBS：（指导观察图3-8） 160～280，δ：20％～25％）

莱氏体 Ld 由奥氏体和渗碳体组成。 （727℃以上） 硬度高（相当于700HBS），

Ldˊ 由珠光体和渗碳体组成。 （727℃以下） 塑性很差。

（指导观察图3-9）

注： 在完成上述内容教学时，结合完成下列内容教学。 【交流与讨论】

下表为纯铁的力学性能，通过学习比较可以发现铁素体力学性能与纯铁基本相同，请问你是如何看待这一问题的？ 力学性能 抗拉强度 （σ b） 硬度（HBS） 伸长率 （δ） 断面收缩率（ψ） 韧性 （Ak） 力学性能指标值 176-276 MPa 50-80 40%-50% 70%-80% 128-160J 【讲解】渗碳体有片状、球状（粒状）、网状等不同形态，其数量、形态与分布对铁碳合金

的性能有很大的影响。渗碳体在适当的条件下，能分解为铁和石墨：

Fe3C─→3Fe+C（石墨）

【交流与讨论】

在铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体中：属于合金基本相的是____________________________，属于机械混合物的是____________________________，只能存在______________________。

727℃以上组织是

【板书】二.铁碳合金相图分析

铁碳合金相图：表示在极缓慢加热（或冷却）情况下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。

【讲解】铁碳合金中，铁和碳可以形成一系的化合物， 如Fe3C、Fe2C、FeC等，如图3—10所示。

由于含碳量＞6.69%的铁碳合金脆性很大，没有实用价值。 因此，目前应用的铁碳合

金相图仅研究含碳量从0%~6.69%，也就是Fe-Fe3C相图。图3-11为简化后的Fe-Fe3C相图。图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量百分数，从左向右表明含碳量从零增加到6.69%。 【板书】1、Fe-Fe3C相图

【板书】2、Fe-Fe3C相图特性点

特性点 温度（℃） 含碳量（%） 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 D 1227 6.69 渗碳体的熔点

C 1148 4.30 共晶点（教师板书出反应式） S 727 0.77 共析点（教师板书出反应式） E 1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度 G 912 0 纯铁α-Fe ↔γ-Fe转变温度 【板书】3、Fe-Fe3C相图特性线 ACD线——液相线。此线以上全部为液相。〔用L表示。铁碳合金冷却到此线开始结晶，在AC线以下从液相中结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出一次渗碳体（Fe3CI）。〕 AECF线——固相线。液态合金冷却到此线全部结晶为固相。（此线以下全部为固相区） GS线（A3）——冷却时奥氏体开始转变为铁素体的开始线，或加热时铁素体全部转变为奥氏体终了线。 ES线（Acm）——碳在γ-Fe中溶解度曲线。此线以下开始从奥氏体中析出二次渗碳体（Fe3C。 Ⅱ）

ECF线——共晶线。〔含碳量在2.11-6.69%的合金冷却到此线时（1148℃）都发生共晶反应，同时结晶出奥氏体与渗碳体混合物——莱氏体。）〕 PSK线（A1）——共析线。〔含碳量在0.0218-6.69%的合金冷却到此线时（727℃）都反生共析反应，同时析出铁素体与渗碳体混合物——珠光体。〕

【练习】教师指导学生画出Fe-Fe3C相图（其尺寸与图3-11）并填写出各区域的组织。 【板书】4、相区 四个单相区、 五个两相区

【板书】三、典型合金的结晶过程及组织

铁碳合金的分类

钢 含碳量小于2．11%的铁碳合金。

分类 含碳量 室温组织

亚共析钢 C＜0.77% F+P

共析钢 C = 0.77% P 过共析钢 C＞0.77% Fe3CⅡ+P

白口铸铁 含碳量2．11%~6.69%的铁碳合金。

分类 含碳量 室温组织 亚共晶白口铸铁 C＜4.3% P+ Fe3CⅡ+L`d 共晶白口铸铁 C = 4.3% L`d 过共晶白口铸铁 C＞4.3% Fe3CI+L`d

分析六种典型铁碳合金的结晶过程和组织

四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

1、含碳量对组织的影响

（教师引导学生分析图3-22）

亚共析钢 共析钢 过共析钢 F减少 全部为P Fe3CⅡ增多 P增多 P减少 2、含碳量对性能的影响

含碳量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。但当钢的含碳量大于0.9%时，因网状渗碳体的出现，使钢的强度有所降低。

为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的

含碳量一般不超过1.4%。

Fe-Fe3C相图不仅大大地推动了金相学的发展，而且在生产实践中具有重要的现实意义。它为研究钢铁的组织，合理选用钢铁材料，科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据，本节课我们讨论Fe-Fe3C相图的应用。 【板书】五、Fe-Fe3C相图的应用

1、选材方面

（教师讲读教材内容，指导完成“交流与讨论”） 2、铸造方面

接近共晶成分的铸铁铸造性好，在铸造生产中获得广泛应用。

原因：接近共晶成分的铸铁不仅熔点低，而且凝固区间小，且流动性好，收缩性小。 3、锻造方面

钢材锻造、轧制的温度范围通常选择在Fe—Fe3C相图中奥氏体区。

原因：钢处于奥氏体状态时，强度较低，塑性较好，便于塑性变形。 4、热处理方面

【讲解】Fe-Fe3C相图诞生100多年来，它为钢铁金相组织的研究，钢铁材料的合理选用，科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据，发挥了巨大的指导作用。然而，我们也应认识它的缺陷和不足。实际生产中使用的钢铁材料，除铁和碳两种元素外，还有其他杂质元素（主要是硅、锰、硫、磷）或合金元素，而Fe-Fe3C相图仅研究铁、碳两种元素的相互作用和影响，没有考虑其他杂质元素或合金元素对铁碳合金的影响。

我们还知道，Fe—Fe3C相图是钢在极缓慢加热（或冷却）时测定绘制的，因而，在实际生产加热时，由于加热速度较快，钢的组织转变总会发生滞后现象，实际加热转变温度总要高于Fe—Fe3C相图的A1、A3、Acm。例如，依据Fe—Fe3C相图，含碳量为0.45%钢由铁素体转变为奥氏体的转变终了温度为766℃，而含碳量为0.45%钢在实际加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度为780℃。为了将Fe—Fe3C相图的加热临界温度A1、A3、Acm和实际生产加热临界温度加以区别，通常把实际加热的各临界温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示， 【板书】实际加热的各临界温度

相图加热临界温度 A1 A3 Acm 实际加热临界温度 Ac1 Ac3 Accm

Ac1 实际加热时，珠光体转变为奥氏体的终了温度；

Ac3 实际加热时，铁素体转变为奥氏体的终了温度； Accm 实际加热时，Fe3CⅡ溶入奥氏体的终了温度。

【讲解】必须指出的是，在实际生产冷却时，由于冷却速度较快，钢的组织转变临界温度也会发生滞后现象，在此我们不作讨论。 【小结】

一、纯金属结晶特点

纯金属是在恒定的温度下结晶的。 二、纯金属的结晶过程 晶核形成与晶核长大

三、晶粒大小对其力学性能的影响

晶粒越细，金属材料的力学性能越好。 细化晶粒的方法。

F P Ldˊ Fe3C

含碳量 小 ————————————————→ 大 塑性、韧性 好 ————————————————→ 差

硬度 小 ————————————————→ 大 四、Fe-Fe3C相图的分析特性点、相图特性线； 五、含碳量对钢组织和性能的影响 六、Fe-Fe3C相图的应用；

【作业】习题思考

课 题：3.4金属材料的热处理3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材（2课时）

【新课导入】钳工锉削用的锉刀是采用什么材料制造的？锉刀的性能是怎样的？〔 T13或T12，具有高硬度（62~65HRC）和耐磨性。〕锉刀的高硬度和耐磨性是T13本身具有的吗？不是的。它是通热处理处理出来的。从第五章开始我们将学习讨论热处理的知识。 教学目标：1、掌握热处理含义，明确普通热处理和表面热处理的种类。

2、能熟练应用Ac1、Ac3、ACcm，明确钢加热时的组织转变及其影响因素。 3、明确等温冷却、连续冷却、过冷奥氏体；

4、理解过冷奥氏体等温图，掌握过冷奥氏体等温冷却的组织和性能。 5、掌握过冷奥氏体典型连续的产物，马氏体及马氏体转变特点。 教学重点：热处理含义， Ac1、Ac3、ACcm应用 教学难点：热处理含义， Ac1、Ac3、ACcm应用 教学过程： 【板书】热处理：将固态钢进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。

普通热处理──退火、正火、淬火、回火； 表面热处理──表面淬火、化学热处理。

注意（1）任何热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段；（如图5-1） （2）保温的目的是使工件热透，组织转变均匀。 【讲解】热处理是机械制造工艺中一个不可缺少的组成部分，它能改善零件的加工性能，提高材料使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。据统计，机床制造中约有60%~70%的零件，汽车、拖拉机制造中约有70%~80%的零件都要进行热处理，各种工具和轴承几乎全部要进行热处理。可见，热处理在机械制造中占有非常重要的地位。 （教师介绍“热处理史话”） 【板书】（1） 钢在加热的组织转变

一、加热目的：获得奥氏体（或部分奥氏体）。

【复习】请说出Ac1、Ac3、ACcm的意义？并将Ac1、Ac3、ACc分别标注到钢部分相图中去。 【交流与讨论】

一． 45钢Ac1：724℃，Ac3：780℃。T10钢Ac1：730℃，ACcm： 800℃。请问45钢、T10钢在下表不同温度时的组织是什么？

45钢 T10钢 室温 35℃ 730℃ 二．亚共析钢完全奥氏体化，应加热到______以上；

共析钢完全奥氏体化，应加热到________以上； 过共析钢完全奥氏体化，应加热到______以上。

【讲解】奥氏体虽然是钢在高温状态下的组织，但它的晶粒大小、均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重影响。因此，了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。

【板书】二、奥氏体的形成过程教师讲读教材相关内容） 共析钢

1．奥氏体晶核的形成；2．奥氏体晶核的长大；3．残余渗碳体的溶解；4．奥氏体的均匀化。

三、奥氏体晶粒长大及影响因素

１、晶粒长大过程２、影响晶粒长大因素 小结：热处理加热时，要合理选择并严格控制加热温度和保温时间，合理选用钢材。 【板书】（2）钢在冷却的组织转变 热处理的冷却方式

１、等温冷却 ２、连续冷却 一、过冷奥氏体等温转变

（教师讲解除清楚过冷奥氏体。）

1．过冷奥氏体等温转变图（C曲线） （教师边图示边讲解分析以下内容） 共析钢过冷奥氏体等温转变图：

aa‵曲线为过冷奥氏体转变开始线；

bb‵曲线为过冷奥氏体转变终了线。 Ms线：过冷奥氏体发生马氏体转变的开始温度线； Mf线：过冷奥氏体发生马氏体转变的终了温度线。 2．过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

（1）珠光体转变 在A1~550℃温度范围

组织名称 符号 温度范围 组织特征 硬度（HRC） 珠光体 P A1~650℃ 粗片状 ＜25 索氏体 S 650℃~600℃ 细片状 25~35 托氏体 T 600℃~550℃ 极细片状 35~40 （2）贝氏体转变 在550℃~Ms温度范围。

组织名称 符号 温度范围 组织特征 硬度（HRC） 上贝氏体 B上 550℃~350℃ 羽毛状 40~45 下贝氏体 B下 350℃~Ms 黑色针叶状 45~55 二、过冷奥氏体连续转变

【讲解】把钢加热到奥氏体状态后，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生的转变称为过冷奥氏体连续冷却转变。因过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，故目前生产中通常应用过冷奥氏体等温转变图近似地来分析奥氏体连续冷却时的转变。例如我们要确定一种钢在某种连续冷却速度下所得到的组织，可将该连续冷却速度线画在此钢的等温转变图上，根据它与C曲线相交的位置，便可大致地估计出它可能得到组织。

【板书】1．典型连续冷转变（教师边图示边讲解分析以下内容）

连续冷却名称 平均冷却速度 转变产物 随炉冷却（V1） 10℃/分 珠光体 空气冷却（V2） 10℃/秒 索氏体 油中冷却（V3） 150℃/秒 托氏体+马氏体 水中冷却（V4） 600℃/秒 马氏体 临界冷却速度（V临）：奥氏体向马氏体转变的最小冷却速度。 影响临界冷却速度的主要因素：钢的化学成分。 例如，碳钢的V临大，合金钢的V临小， 2．马氏体转变

【讲解】当冷却速度大于V临时，奥氏体很快地过冷到图5-8“c曲线”中Ms温度以下发生马氏体转变，这时γ-Fe晶格迅速向α-Fe晶格转变。但由于温度较低，钢中碳原子来不及扩散，被迫全部留在α-Fe晶格，此时碳大大超过了在α-Fe中的正常溶解度。 【板书】马氏体（M）：碳溶于α-Fe的过饱和固溶体。（教师介绍材料史话）

马氏体转变的特点：

（１）马氏体转变在连续转变中完成（Ms~Mf）；

（２）非扩散型转变，转变速度快极；

（３）马氏体转变体积发生膨胀，并产生很大的内应力； （４）转变不彻底，存在残余奥氏体。

【板书】（3）钢的普通热处理

一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。

1、退火的目的

①降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工； ②细化晶粒，均匀钢的组织及成分；

③消除钢中的残余内应力，以防止工件变形或开裂。

2、常用退火

常用退火 完全退火 球化退火 去应力退火（热史话） 加热到Ac3+（30~50）℃ 加热到Ac1+（20~30）℃ 加热到略低于A1温度 工艺 保温（一般3分/毫米） 保温 保温

随炉冷却 随炉缓慢冷却（小于50℃/h） 随炉缓慢冷却 组织 铁素体+珠光体 球状珠光体 无组织变化

应用 用于亚共析钢的锻件、 用于过共析钢，如碳素工具 用于锻造、铸造、焊接、

铸件、焊接件的退火。 钢、合金工具钢和轴承钢。 深度冷加工变形及切削

加工后的工件应去应力。

实例 用38CrMoAI…… 用T13钢制造锉刀…… 用65Mn钢制造…… 【交流与讨论】过共析钢毛坏退火能否加热到ACcm以上？ 【板书】二、正火

1、正火工艺：将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃，经保温一段时间，随后在空气

中冷却的热处理工艺。（教师板演图示加热临界温度，并强调以下两点）

（1）加热：亚共析钢 Ac3+（30~50）℃ 过共析钢 Accm+（30~50）℃

（2）正火冷却速度比退火稍快，组织较细，强度、硬度较高。（观察表5-5） 2、正火与退火基本相同。（让学生复述） 3、应用 （1）、改善低碳钢、中碳钢的切削加工性。 【例】用45钢制造普通车床主轴，为降低硬度改善切削加工性，调整组织， 消除锻造内应力，通常选用正火。其部分工艺过程如下：

（2）作为普通结构零件的最终热处理

【例】某工厂用45圆钢制造小型电机主轴，因对力学性能要求不高,该厂选

用正火作为最终热处理。其工艺过程如下：

（3）消除过共析钢中网状渗碳体，改善钢的力学性能

【例】一含有网状渗碳体组织的T10钢毛坯，为改善其切削加工性能应如

何进行热处理？并简述所进行的热处理的作用。

解：（1）正火。消除网状渗碳体。

（2）退火。降低硬度，改善切削加工性。

退火与正火的选择

【观察与思考】观察图5-12从切削加工性考虑：低碳钢、中碳钢宜选用_____火；高碳钢宜选用______火。

1、从切削加工考虑低碳钢、中碳钢选用正火，高碳钢选用退火； 2、从使用性能考虑； 3、从最终热处理考虑； 4、从经济方面考虑，优先选用正火。 例 某工厂用 Ｔ13 钢制造丝锥锉刀，其工艺路线为：

下料→锻造→热处理1→切削加工→淬火. 低温回火→切削加工

试分析工艺路线中热处理1应选用什么？请说明热处理1的主要作用。

【板书】三、钢的淬火

淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定时间，然后快速冷却，以获

得马氏体组织的热处理工艺。

的目：主要是获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。

（指出：淬火是强化钢材最显著、最重要的方法。并指导阅读“你知道吗”） 淬火加热温度的选择

（指导阅读教材相关内容。）

亚共析钢 Ac3+（30~50）℃

过共析钢 Ac1+（30~50）℃（教师板书图示）

【交流与讨论】亚共析钢淬火加热温度过低或过高有什么样危害？ 过共析钢淬火加热温度过高有什么样危害？

淬火冷却（V冷≥V临）

【热处理史话】随着淬火技术的发展，人们逐渐发现冷却剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲

元曾在陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到800多公里外的成都取水淬火的，这说明中国 在古代就注意到不同水质的冷却能力了。

【板书】淬火理想的冷却速度 【讲解】淬火时为了得到马氏体，工件在淬火介质中的冷却速度必须大于或等于临界冷却速度 ，但不是冷却速度越大越好，若淬火冷却速度过大，产生的收缩应力大大超过马氏体膨胀应力，工件易出现变形或开裂。因此，在保证淬硬的前提下，应尽量选择缓和的冷却介质，以减少淬火应力，防止工件变形和开裂。分共析钢的过冷奥氏体等温转变图可以看出，为了获得马氏体组织，并不需要整个冷却过程中都有要快冷，关键应在等温转变图“鼻尖”附近快冷。图5-14所示为理想的冷却速度（即慢──快──慢）。 【板书】慢──快──慢 常用的淬火冷却介质 （1）水

【讲解】由表5-6可知，水的冷却特性很不理想。因为在需要快冷的650~500℃范围它的冷却速度却很小，而在300~200℃需要慢冷时，它的冷却速度反而增大，使工件容易发生变形，甚至开裂；其次，水温的变化对其冷却能力影响很大。水温越高，冷却能力越小。生产中常通过搅拌冷却水或让冷却水循环，以提高650~500℃范围内的冷却能力。另外，淬火冷却水中若混有油、肥皂等杂质时，会显著降低其冷却能力，这在使用时必须注意。

然而，由于水价廉易得，使用安全，无燃烧、腐蚀等危害，水仍然是应用最广泛的淬火冷却介质。碳钢零件通常采用水淬火。 【板书】（1）水 主要用于用于形状简单的碳钢工件淬火。

（2）盐或碱的水溶液

【讲解】为了提高水的冷却能力，可加入少量（10~15%）的盐或碱。常用的是食盐水溶液和氢氧化钠水溶液。

由表5-6可知食盐水溶液和氢氧化钠水溶液的优点在于650~500℃范围内冷却速度快，缺点是300~200℃的冷却速度仍然很快，容易引起变形开裂，并且对工件有腐蚀作用，淬火后工件必须清洗。（指导阅读教材为什么）

【板书】（2）盐或碱的水溶液 主要用于重要碳钢零件的淬火。 （3）矿物油 【讲解】矿物油也是一种应用广泛的淬火冷却介质，目前生产中用作淬火冷却介质的矿物油有机油、柴油、变压器油等。由表5-6可知油的在300~200℃的温度范围内冷却速度比较慢，这对于减少淬火工件的变形与开裂是很有利的，但它在650~500℃内冷却速度太慢，故不能能用于碳钢，而只能用于临界冷却速度小的合金钢淬火，但油价格较高，易燃，不易清洗。 【板书】（3）矿物油 用于临界冷却速度小的合金钢淬火。

【板书】淬火方法（教师采用边图示、边分析、边讲解完成以下内容）

淬火方法 单液淬火法 双液淬火法 分级淬火法 等温淬火法 实例 碳钢在水中淬火。 水淬油冷 （保温：使工件 （保温：使工件内外温 合金钢在油中淬火。 内温度一致） 度一致，使A冷→B下） 淬火组织 马氏体 马氏体 马氏体 下贝氏体

优点 易实现机械化、自 取长补短， 有效减小工件 力学性能好，基本避

动化，应用广泛。 淬火应力减小。 变形或开裂。 免工件的淬火开裂。

缺点 易产生硬度不足或 操作困难。 只适用尺寸较 淬火时间长，零件的直

硬度不均匀现象。 小的零件。 径或厚度不能过大，

应用 适用于形状简单，变 用于碳素工具 用于形状复杂的 用于形状复杂，强度和

形要求不高的工件。 钢制造易开裂 碳钢或合金钢小 韧性要求高的各种小型

的工件。 型零件。 模具、成形刀具。

淬硬性与淬透性

1、淬硬性 指钢经淬火后能达到的最高硬度。

淬硬性主要取决于钢中的碳含量，含碳量越高，钢淬火后的硬度越高。 淬火材料 淬火硬度

45钢 55HRC T13钢 65HRC

2、淬透性 指在规定条件下，钢淬火后获得淬硬层深度的能力。

碳 钢 合金钢

牌 号 45 60 40Cr

水冷淬透层（mm.） 18 25 36

（1）影响淬透性的主要因素：钢的临界冷却速度（V临）

临界冷却速度越小，钢淬透性越好。 合金钢易淬透，而碳钢难淬透。

（2）淬透性好的钢的优点 a能使大截面零件淬透,获得理想的力学性能；

b可用冷却能力弱的介质淬火，减少零件的变形与开裂。

【交流与讨论】淬火是强化钢材最显著、最重要的方法，请问工件淬火后，能否直接使用？

为什么？

【板书】淬火工件

组织：马氏体+A残，不稳定。

性能：硬度高，强度大，脆性大，内应大。 结论：不能直接使用。淬火后紧接着进行回火。 【板书】第五节 钢的回火

回火 将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处

理工艺。

【交流与讨论】回火的组织与冷却方式无关，只温度有关。请思考采用何种冷却方式最经济？

一、回火目的（教师边讲边分析） 1．减少或消除淬火应力；

2．获得所需要的力学性能；

3．稳定组织，稳定尺寸。

二、淬火钢在回火时组织和性能变化

1、组织的变化

（1） 80℃~200℃ 马氏体分解 → 回火马氏体

200℃~300℃ 残余奥氏体也开始分解 （特殊细小的Fe2。4C）

（2） 300℃~400℃ Fe2。4C→Fe3C

（3） 400℃~500℃ 回火托氏体 （细小的Fe3C）

（4） 500℃~650℃ 回火索氏体

（球状Fe3C + F） 2、 性能的变化

【交流与讨论】45钢力学性能与回火温度的关系如图5-16所示，请分析随着回火温度的升

高，强度、硬度、塑性和韧性是如何变化的？并由此完成以下结论的填充。 结论：随着回火温度的升高，钢的强度、硬度_________，塑性、韧性_________。

（推而广之，其他淬火钢回火）

【板书】随着回火温度的升高，钢的强度、硬度降低，塑性、韧性提高。

三、回火的分类和应用（教师边讲边分析）

分类 低温回火 中温回火 高温回火 温度 150℃~250℃ 250℃~500℃ 500℃~650℃ 组织 回火马氏体 回火托氏体 回火索氏体

性能 高的硬度和耐磨性，有 具有高的弹性强度、屈服点 具有良好的综合力学性

一定的韧，内应力降低。 和适当的韧性，内应力基本 能，内应力全部消除。

消除。

应用 主要用于高硬度工具和 主要用于弹性零件和热模具 广泛用于受力构件的热

耐磨件的回火。如刀具、 的回火。 处理。如主轴、曲轴、连 冷模具、量具、滚动轴 杆、螺栓、齿轮等。 承、渗碳件等。

【板书】综合力学性能：强度、硬度、塑性和韧性良好配合的性能。 调质处理：淬火与高温回火相结合的热处理。

调质处理与正火相比，不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于正火钢。（见表5-8） 原因 调质处理 正火 组织 回火索氏体 索氏体 Fe3C形态 球粒状 薄片状 3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材

3.5.1碳素工具钢的牌号、成分、硬度和用途 3.5.2碳素工具钢的热处理 1碳素工具钢的退火

2碳素工具钢的淬火和回火 3手锯锯条的热处理

手锯锯条的常用材料T10、T12钢，热处理见表3-6 【小结】学习内容

普通热处理的类型：正火、退火、淬火、回火 一、正火、退火、淬火、回火的目的和工艺 二、淬火钢在回火时组织和性能变化 三、普通热处理的分类和应用

【作业】课后习题