金属材料热处理教案.docx
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金属材料热处理教案
金属材料学教案
2010-2011学年第一学期
学院材料科学与工程学院
教研室无机材料教研室
课程名称金属材料学
课程类型专业课
授课班级0703、04
授课教师王涛
金属材料学
TheMetalMaterial
课程代码：
学分：
2
总学时：
40学时讲课学时：
32学时
课外实验学时：
8学时课程性质：
专业课
适用专业：
无机非金属材料
先修课程：
材料科学基础大学物理物理化学
开课学期：
第七学期
一、课程性质与作用
本门课程围绕金属材料组成、结构、性能和工艺之间的关系，分别介绍金属材料的生产加工方法及过程、金属材料学的基础理论、铁基金属材料、重要的有色金属材料、粉末合金。
二、课程与其它有关课程的联系
本课程的先修课程为材料科学基础、大学物理、物理化学等。
通过本门课程的学习，使学生掌握金属材料学的基础理论及其应用，了解金属材料的生产方法，熟悉金属材料的加工工艺，掌握金属材料的主要类型和本质，了解金属材料腐蚀的危害。
主要学习金属材料的生产加工方法及过程、金属材料学的基础理论、铁基金属材料、重要的有色金属材料等。
三、课程内容及课时分配
第一章晶体结构（2学时）
1、原子结构与原子间的键合
2、晶体学基础
3.金属的晶体结构
4、点缺陷
5.线缺陷-位错
6.面缺陷：
自由表面、晶界、相界、孪晶界、层错
第二章金属与合金的塑性变形（2学时）
1、应力-应变曲线
2.单晶体的塑性变形
2、多晶体的塑性变形．
3、合金的塑性变形
4、塑性变形对金属组织与性能的影响
第三章回复与再结晶（2学时）
1、变形金属在加热时的变化
2.回复
2、再结晶
3、晶粒长大
4再结晶退火后组织与性能
5、金属的热加工
6、超塑性加工
第四章合金的相结构（4学时）
1、合金中的相
2、固溶体及分类
3、中间相及分类
第五章铁碳合金相图（4学时）
1.铁碳合金的组元和基本相
2.铁碳合金相图分析
3.铁碳合金平衡结晶过程
4.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
5.钢中杂质对钢的组织和性能的影响
第六章钢的热处理（6学时）
第七章合金钢（6学时）
1、合金结构钢
2、合金工具钢
3、特殊性能钢
第八章铸铁（2学时）
第九章有色金属（2学时）
三、实验、上机、设计、作业辅导等教学环节要求
1、实验共计8学时。
实验一、碳钢热处理
实习内容：
碳钢热处理
实习要求：
加深对热处理基本概念的理解，熟悉热处理的基本方法，掌握热处理过程中碳钢性能的变化并深刻理解其机理。
实验二、碳钢显微结构
实习内容：
碳钢金相显微镜结构观察
实习要求：
了解金相显微镜的基本结构和基本原理，熟悉金相显微镜结构观察方法，掌握碳钢的显微结构特征。
实验三、铸铁显微结构
实习内容：
铸铁金相显微镜结构观察
实习要求：
了解金相显微镜的基本结构和基本原理，熟悉金相显微镜结构观察方法，掌握铸铁的显微结构特征。
2、布置作业4次，其中基础理论2次、碳钢及铸铁1次、铝合金合铜合金1次。
3、辅导答疑6学时。
主要参考书目：
金属材料学与热处理史美堂上海科技出版社2000年出版
金属材料及热处理于晗 孙刚冶金工业出版社2008年版
金属学原理余永宁冶金工业出版社2000年出版
金属材料与热处理罗国民重庆大学出版社2007年出版
西安科技大学课程进度表
2010—2011学年第1学期
课程名称金属材料学专业班级材料07级3、4讲课教师王涛
辅导教师：
王涛 总学时数32本学期时数32
日期
8.31
9.02
9.07
9.09
9.14
9.16
9.21
9.23
9.28
9.30
10.7
10.12
10.14
10.19
10.21
课程内容
第一章晶体结构
第二章金属与合金的塑性变形回复与再结晶
第三章合金的相结构
第四章铁碳合金相图
1.铁碳合金的组元和基本相
2.铁碳合金相图分析
3.铁碳合金平衡结晶过程
4.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
5.钢中杂质对钢的组织和性能的影响
期中考试
第五章钢的热处理
1.热处理原理
2.热处理工艺
3.表面热处理
第六章合金钢
1、合金结构钢
2、合金工具钢
3、特殊性能钢
第七章铸铁
第八章有色金属
考试
时数
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
教学
方式
讲授
讲授
讲授
讲授
讲授
考试
讲授
讲授
讲授
讲授
讲授
讲授
讲授
讲授
考试
必读教材和参考书
金属材料学与热处理史美堂上海科技出版社2007年出版
金属材料及热处理于晗 孙刚冶金工业出版社2008年版
金属学原理余永宁冶金工业出版社2000年出版
金属材料与热处理罗国民重庆大学出版社2007年出版
注：
此表一式五份。
请分别送交任课教师所在系（教研室）、任课班级所在院（系）部办公室、任课班级、教务处各一份。
金属材料学教案
第1周授课日期2010-8-31学时数32
课程名称金属材料学
本课内容课程介绍绪论
安排学时1教学时数总计1
教学目的及要求：
1、了解学习本课程的目的
2、了解本课程的基本内容及其发展史
3、了解金属材料在各行业中的应用
教学具体内容：
绪 论
一、学习本课程的目的
本课程是研究金属材料的成份、组织、热处理与金属材料的性能间的关系和变化规律的学科。
二、 本课程的基本内容
1、主要内容：
包括金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理和金属材料等。
2、 金属的性能主要介绍：
（1）金属的力学性能和工艺性能；
（2）金属学基础知识讲述金属的晶体结构、结晶及金属的塑性变形，铁碳合金的组织及铁碳合金相图；
（3）钢的热处理讲述热处理的原理和工艺；
（4）金属材料讲述碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的牌号、成分、组织、热处理、性能及用途。
3、学习本课程的方法
理论联系实际、注意观察现实生活中所接触到的金属材料。
三、金属材料与热处理的发展史
金属材料的使用在我国具有悠久的历史。
四、金属材料在工业农业上的应用。
小结：
本次课是绪论部分，主要介绍了金属材料及热处理这门课的学习内容。
要掌握的内容有：
了解学习本课程的目的；了解本课程的基本内容及其发展史；
了解金属材料在各行业中的应用。
作业：
预习第一章
金属材料学教案
第1周授课日期2010-8-31学时数32
课程名称金属材料学
本课内容第一章金属的晶体结构
安排学时1教学时数总计2
教学目的及要求：
1、掌握晶体的性能特点。
2、掌握晶体结构的概念。
3、熟练掌握金属晶体的类型。
4、掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲线、及过冷度。
5、掌握纯金属的结晶过程。
6、熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。
7、同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。
教学重点与难点：
1、金属常见的晶格类型是教学重点。
2、晶体的性能、结构是教学难点。
3、细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。
4、纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。
教学具体内容：
第一章 金属的结构与结晶
1.1金属的晶体结构
1、晶体与非晶体
非晶体：
在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。
如：
普通玻璃、松香、树脂等。
晶体：
凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。
性能：
晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
2、晶体结构的概念：
（1）晶格和晶胞：
表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。
能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。
（2）晶面和晶向：
在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。
通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。
3、金属晶格的类型：
（1）体心立方晶格：
它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。
如：
铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-Fe
（2）面心立方晶格：
它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。
如：
铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-Fe
（3）密排六方晶格：
它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。
属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。
1.2纯金属的结晶
金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。
1、纯金属的冷却曲线及过冷度。
用热分析法进行研究：
实际结晶温度低于理论结晶温度这一现象称为“过冷现象”。
理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To-T1）。
金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。
冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。
2、纯金属的结晶过程。
结晶过程是晶核的形成与长大的过程。
外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。
3、晶粒大小对金属力学性能的方面。
一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较强的强度和韧性。
细化晶粒的方法。
（1）增加过冷度
（2）变质处理
（3）振动处理
1.3金属的同素异构转变
同素异构转变的概论：
金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。
具有同素异构转变的金属有：
铁、钴、钛、锡、锰等。
同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α，β，γ，δ等表示。
铁的同素异构转变式
δ－Fe γ－Fe α－Fe
金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：
1、有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。
2、同素异构转变属于固态相变，有本身的特点：
新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；转变需要较大的过冷度；晶核的变化伴随金属体积的变化，转变时产生较大的内应力。
例如：
γ－Fe转变为α－Fe时，铁的体积会膨胀约1％，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。
小结：
本节课的主要内容是金属的晶格类型及金属的结晶过程。
要求熟练掌握金属晶体的类型、掌握金属结晶的概念，纯金属冷却曲线、及过冷度的概念。
掌握纯金属的结晶过程。
熟悉掌握晶粒大小对金属力学性能的影响及常用细化晶粒的方法。
作业 ：
1、金属的晶格形式有几种，各有什么特点？
常见金属分别属于哪种？
2、影响金属结晶速率的因素有哪些？
3、影响金属晶粒度大小的因素有哪些？
金属材料学教案
第2周授课日期2010-9-07学时数32
课程名称金属材料学
本课内容第三章合金
安排学时2教学时数总计6
教学目的及要求：
1、掌握合金的概念及无相的概念。
2、掌握合金的组织概念、性能特点。
3、掌握固溶体，金属化合物质、混合物。
4、了解二元合全相图的建立。
5：
掌握铅锑合金合金相图的分析方法。
教学重点与难点：
1、掌握合金的概念是教学重点，
2、掌握三种合金组织的名称及性能是教学难点。
3、掌握合金相图的概念及合金相图的建立是教学重点，
4、掌握三种共晶转变的概念及共晶转变的条件是教学难点。
5、铅锑合金合金相图的分析是教学的重点，亦是教学难点。
教学过程：
第三章 合金
合金是一种金属元素与其它金属元素可非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。
例如：
普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成德合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。
组成合金的最基本的独立物质称为组元或元。
硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。
在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。
3.1合金的组织
1、固熔体
固熔体是一种组元渗入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。
溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。
固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。
（1）、间隙固溶体
溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。
（2）、置换固溶体
溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固容体称为置换固溶体。
2、金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。
其性能物特点是熔点高，硬度高，脆性大。
金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。
3、混合物
两种或两种以上的相按一定质量分类组成的物质称为混合物。
3.2二元合金相图
1、二元合金相图的建立：
相图是合金的成分，温度和组织之间关系的一个简明图民，它是研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。
二元合金相图的纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。
二元合金相图的建立是通过实验方法建立起来的，目前测绘相图的方法很多，最常用的是热分析法。
现以铅锑二元合金为例，说明测绘合金相图的方法及步骤：
（1）、配置若干组不同成分的铅锑组分，如下表所示。
合金序号 化学成分（%） 临界点（℃）
Pb Sb 开始结晶温度 结晶终了温度
1 100 0 327 327
2 95 5 300 252
3 89 11 252 252
4 50 50 460 252
5 0 100 631 631
Pb－Sb合金的成分和临界点
（2）、分别用热分析法作出各合金的冷却曲线，如下图所示。
（3）、找出各冷却曲线上的临界点。
（4）、将临界点标在成分、温度坐标系的坐标图上，并连接各相同含义的临界点，就得到相图。
2、共晶转变的概念：
一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。
3.3铅锑二元合金相图的分析。
如下图中：
1、合金I
2、合金II、
小结：
本章要掌握的内容有，合金的概念，三种合金组织的名称及性能、合金相图的概念及合金相图的建立、掌握三种共晶转变的概念及共晶转变的条件。
铅锑合金相图的分析是教学的重点，亦是教学难点。
作业：
1、根据铅锑合金相图，分析成分点分别为1、2、3、4、5的合金的冷却过程，画出冷却曲线。
2、解释固溶体、金属间化合物、机械混合物。
3、影响固溶体溶解度的因素有哪些？
金属材料学教案
第2、3周授课日期2010-9-09,14学时数32
课程名称金属材料学
本课内容第四章铁碳合金
安排学时4教学时数总计10
教学目的与要求
1、掌握铁碳合金的相及组织。
2、熟悉掌握铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的符号及性能特点。
3、掌握铁碳合金相图，简化图各区域组织符号及名称。
4、掌握铁碳合金相图重要点线的含义，特别是共晶点，共析点及转变式。
5、分析共析钢、亚共析钢、过共折钢、共晶白口铸铁，亚共晶和进共晶白口铸铁的结晶过程。
6、了解铁碳合金的成分，组织与性能的关系。
7、掌握铁碳合金相图的应用。
教学重点及难点。
1、教学重点是简化相图各区域的组织符号及转变。
2、难点是共晶、共析转变成的写法及共晶、共析转变线。
第四章 铁碳合金相图
4.1铁碳合金的相及组织
1、铁素体：
①概念：
碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。
②符号：
F， 体心立方晶格
③ 溶解能力：
溶解度很小，在7270C时，碳在α-Fe中的最大溶碳量为0.0218%，随温度的降低逐渐减小。
④ 性能：
由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似。
即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。
2、奥氏体：
① 概念：
碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
② 符号：
A，面心立方晶格
③ 溶碳能力：
较强。
在11480C时可溶C为2.11%，在7270C时，可溶C为0.77%。
④ 性能：
强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和扎制时所要求的组织。
3、渗碳体：
①概念：
含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。
②符号：
Fe3C 复杂的斜方晶体
③溶碳能力：
C=6.69%
④性能：
熔点12270C硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。
4、珠光体：
①概念：
是铁素体与碳光体的混合物
②符号：
P，是铁素体和渗碳体片层相间，交替排列。
③溶碳能力：
在7270C时，C=0.77%
④性能特点：
取决于铁素体和渗碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
5、莱氏体：
①概念：
是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在11480C时从液体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。
②符号：
Ld（高温莱氏体，温度＞7270C）由于奥氏体在7270C时转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成叫低温莱氏体。
L’d表示
③溶碳能力：
C=4.3%
④性能特点：
硬度很高，塑性很差。
F、A、Fe3C是单相组织，称铁碳合金的基本相。
P、Ld是由基本相混合组成的多相组织。
4.2铁碳合金相图
1、铁碳合金相图的组成。
2、Fe—Fe3C相图中点、线的含义。
（1）点的含义：
A点：
纯铁的熔点，1538℃
D点：
渗碳体的熔点，1227℃
C点：
共晶点，1148℃
E点：
C在γ-Fe中最大溶解度，C=2.11％
G点：
纯铁的同素异构转变点，912℃α－Feγ－Fe
S点：
共析点，
（2）线的含义：
ACD线：
液相线，在此线的上方所有的铁碳合金都为液体。
AECF线：
固相线，在此线的下方所有的铁碳合金都为固体。
在ACD线与AECF线之间是结晶区，即过渡区。
GS线：
从A中析出F的开始线，又称A3线
ES线：
C在A中溶解度曲线，亦称为Acm线。
ECF：
共晶线，温度为1148℃。
PSK线：
共析线，727℃，A1线
3、铁碳合金的分类
（1）钢：
0.0218%＜C＜2.11%的铁碳合金
亚共析钢：
0.0718%＜C＜0.77%
共析钢：
C=0.77%
过共析钢：
0.77%＜C＜2.11%
（2）白口铸铁：
2.11%≤C＜6.69%
亚共晶白口铸铁：
2.11%≤C＜4.3%
共晶白口铸铁：
C=4.3%
过晶白口铸铁：
4.3%＜C＜6.69%
4.3、典型铁碳合金的结晶过程
1、共析钢：
（C=0.77%）
3、过共析钢：
4.4、铁碳合金的成分，组织与性能的关系
含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。
4.5、Fe—Fe3C相图的应用
1、作为选用钢材料的依据：
如制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，则应选用含碳量较低的钢；要求强度、塑性和韧性等综合性较好的构件，则选用含碳量适中的钢，各种工具要求硬度高及耐性好，则应选用含碳量较高的钢。
2、制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据。
4.6、 碳素钢
含碳量大于0.0218%小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢或碳钢。
1、常存元素对钢的性能的影响
（1）、硅
来源：
炼钢后期作脱氧剂带入；
对钢的性能影响：
提高钢的强度、硬度；
是钢中的有益元素。
（2）、锰
来源：
炼钢脱氧剂。
对钢的性能影响：
提高钢的强度与硬度。
是钢中的有益元素。
（3）、硫
来源：
生铁带入；
对钢的性能影响：
对钢造成热脆性；
是钢中的有害元素。
（4）、磷
来源：
生铁带入；
对钢的性能影响，对钢造成冷脆性；
是钢中的有害元素。
2、碳素钢的分类
（1）、按钢的含碳量分类：
低碳钢：
C≤0.25%
中碳钢：
0.25%＜C＜0.6%
高碳钢：
C≥0.6%
（2）、按钢的质量分类：
普通钢：
S≤0.05%，P≤0.045%
优质钢：
S≤0.035%，P≤0.035%]
高级优质钢：
S≤0.025%，P≤0.025%
（3）、按钢的用途分类：
结构钢：
主要用于制造各种机械零件和工程构件。
C＜0.7%
工具钢：
主要用于制造各种刀具、模具和量具。
其含碳量大于0.70%
（4）、按冶炼时脱氧程度的不同分类：
沸腾钢、镇静钢 、半镇静钢
3、碳素钢的牌号及用途
（1）、碳素钢结构钢：
牌号：
Q屈服点数值，质量等级符号和脱氧方法符号；
性能：
一般；
应用：
厂房、桥梁、船舶、铆钉、螺钉、螺母等。
例如：
Q235-A?
F：
表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢。
（2）、优质碳素结构钢：
牌号：
用两位数字表示钢中平均含碳量的十分之几。
分类：
1）、08~25钢，属于低碳钢
性能：
强度、硬度较低、塑性、韧性及焊接性良好；
用途：
冲压件、焊接结构件及渗碳件
如：
深冲器件、压力容器等。
2）、30~55钢 属于中碳钢
性能：
较高的强度和硬度，是塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低。
用途：
制作受力较大的机械零件。
如：
连杆、曲轴、齿轮等
3）、60钢以上 属于高碳钢。
性能：
有较高的强度、硬度和弹性；
用途：
制造较高强度、耐磨性和弹性的零件
如：
气门弹簧、弹簧垫圈等
（3）、碳素工具钢：
牌号：
T+数字（平均含碳量的千分数）
如：
T12A：
表示平均含碳量为1.2%的高效优质碳素工具钢。
T7~T8：
钻头、模具等
T9~T10：
丝锥、板牙等
T11~T13：
锉刀、削刀等
（4）、铸造碳钢：
牌号：
ZG+数字—数字
第一组数字：
屈服点
第二组数字：
抗拉强度值
如：
ZG270—500，
应用：
制造形状复杂力学性能要求较高的机械零件。
小结：
本章介绍了铁碳合金基本相及组织，重点介绍了铁碳合金及其分析方法。
要求掌握铁碳合金的相及组织。
熟悉掌握铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的符号及性能特点。
掌握铁碳合金相图，简化图各区域组织符号及名称。
铁碳合金相图重要点线的含义，特别是共晶点，共析点及转变式。
分析共析钢、亚共析钢、过共折钢、共晶白口铸铁，亚共晶和进共晶白口铸铁的结晶过程。
了解铁碳合金的成分，组织与性能的关系。
掌握铁碳合金相图的应用。
作业：
1、画出铁碳合金相图，标出主要的点、线及合金相。
2、写出主要的反应式。
3、分析亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的结晶过程。
金属材料学教案
第3周授课日期2010-9-16学时数32
课程名称金属材料学
本课内容
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