機械制造基礎(chǔ)全冊教案模塊1-9教學(xué)設(shè)計（高職）

知識目標(biāo)：熟悉工程材料的種類、性能指標(biāo)和牌號表示方法；熟悉金屬晶體結(jié)構(gòu)；掌握鐵碳合金相圖的相

關(guān)知識；熟悉熱處理的理論基礎(chǔ)，掌握常見的熱處理工藝方法。

教學(xué)能力目標(biāo)：根據(jù)零件的使用條件，選擇力學(xué)性能指標(biāo)；根據(jù)材料的牌號，判斷其所屬種類、性能特點、應(yīng)

目標(biāo)用場合；根據(jù)材料的性能要求，選擇合適的熱處理工藝。

素質(zhì)目標(biāo)：

教學(xué)

各種工程材料的應(yīng)用領(lǐng)域

重點

教學(xué)

各種工程材料的性能

難點

理實一體

教學(xué)

實物講解

手段

小組討論、協(xié)作

教學(xué)

16

學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程設(shè)計注釋

模塊一工程材料基礎(chǔ)

K任務(wù)描述』

減速器是機械設(shè)備中的常用裝置，它是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用

來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。

減速器主要由傳動零件（齒輪或蝸桿）、軸、軸承、箱體及其附件（軸承蓋、定位銷、螺

明確任務(wù)，在任務(wù)

栓、螺釘?shù)龋┙M成。試確定這些零部件都是由哪些材料制作而成的。

驅(qū)動下開始教學(xué)。

K任務(wù)分析』

減速器的各零部件在工作時受力情況各不相同，對材料的性能要求也有所差異，需要區(qū)

別對待。

K相關(guān)知識X

學(xué)習(xí)情境一材料的分類和金屬材料的性能

一、材料的分類

工程材料是指在機械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制

造工程構(gòu)件和機械零件的材料。按材料的組成和結(jié)合鍵的特點，可將工程材料分為金屬材料、

陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料。

二、金屬材料的性能

1.使用性能

1）力學(xué)性能

力學(xué)性能是指材料在載荷（外力）作用下所表現(xiàn)出的抵抗產(chǎn)生塑性變形或斷裂的能力。

（1）彈性和剛度。

材料力學(xué)性能的指標(biāo)是通過拉伸試驗測定的。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材

料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中的相關(guān)規(guī)定制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖17所示。

（a甘立伸試樣（b）4立斷后試樣

圖1T標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

為消除試樣幾何尺寸對試驗結(jié)果的影響，將拉伸過程中試樣所受的拉伸力轉(zhuǎn)化為試樣單

位截面積上所受的力（稱為應(yīng)力），試樣伸長量轉(zhuǎn)化為試樣單位長度上的伸長量（稱為應(yīng)變），

得到應(yīng)力一應(yīng)變曲線，其形狀與拉伸曲線完全一致。低碳鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖1-2所示。

教師講解屈服強

度和抗拉強度的

(2)強度。工程材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力稱為強度。含義，學(xué)生結(jié)合圖

屈服強度。在圖1-2中，當(dāng)曲線超過A點后，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復(fù)?2分析，加深理

的殘余變形，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形。在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)解。

象時，在試驗期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點稱為屈服點，其所對應(yīng)的強度稱為屈服

強度，應(yīng)區(qū)分為上屈服強度ReH和下屈服強度ReL,單位為MPa。

抗拉強度。材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強度或強度極限，用Rm表示，

單位為MPa。

(3)塑性。塑性是指材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率

和斷面收縮率，在拉伸試驗中，可以通過把試樣拉斷后將其對接起來進行測量而得到。

斷后伸長率A和斷面收縮率Z越大，材料的塑性越好。兩者相比，用斷面收縮率表示塑

性比斷后伸長率更接近真實變形。

(4)硬度。硬度是反映材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，它表示材料表面局部區(qū)域內(nèi)抵抗學(xué)生分組討論斷

其他物體壓入的能力。測量硬度的常用指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。使用不同后伸長率和斷面

方法所測得的硬度值不能直接比較，可通過硬度對照表換算。收縮率與塑性的

(5)沖擊韌性。材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性，用ak表示。一般關(guān)系。

采用一次沖擊彎曲試驗測定材料的沖擊韌性。

(6)疲勞。

①疲勞的概念。許多機械零件(如齒輪、軸、彈簧)是在重復(fù)或交變載荷下工作的。交

變載荷是指大小或方向隨時間而變化的載荷。在交變載荷作用下，即使零件所承受的應(yīng)力遠

低于其屈服強度，長時間作用后也會產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。

②疲勞強度。在測定材料的疲勞強度時要用較多的試樣，在不同循環(huán)應(yīng)力作用下進行試

驗，作出疲勞曲線(材料所受交變應(yīng)力S與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf的關(guān)系曲線)，如圖

1-8所示。

圖1-8疲勞曲線示意圖

2)物理性能和化學(xué)性能

(1)物理性能。工程材料的物理性能包括密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁

性等。各種機械零件由于用途不同，對材料的物理性能要求也有所不同。

(2)化學(xué)性能。金屬及合金的化學(xué)性能指它們在室溫或高溫時抵抗各種介質(zhì)化學(xué)侵蝕的

能力，主要有耐蝕性和抗氧化性。學(xué)生結(jié)合實際思

2.工藝性能考物理性能和化

工藝性能是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。按加工方法的不同，可分為鑄造性、可鍛學(xué)性能對于材料

性、焊接性、切削加工性及熱處理工藝性能等。在設(shè)計零件和選擇工藝方法時，都要考慮材的影響。

料的工藝性能，以降低成本，獲得質(zhì)量優(yōu)良的零件。

學(xué)習(xí)情境二金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

一'晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

1.晶格

如果把組成晶體的原子(或離子、分子)看做剛性球體，那么晶體就是由這些剛性球體

按一定規(guī)律周期性地堆積而成，如圖1-9(a)所示。不同晶體的堆積規(guī)律不同。為了研究方

便，假設(shè)將剛性球體視為處于球心的點，稱為結(jié)點，用假想的直線將這些結(jié)點連接起來所形

成的三維空間格架稱為晶格，如圖1-9(b)所示。晶格能夠直觀地表示晶體中原子(或離子、

分子)的排列規(guī)律。

2.晶胞

從微觀上看，晶體是無限大的。為了便于研究，常從晶格中選取一個能代表晶體原子排

列規(guī)律的最小幾何單元來進行分析，這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖1-9(c)所示。晶

胞在三維空間中重復(fù)排列便可構(gòu)成晶格和晶體。

結(jié)合圖片，理解晶

體、晶胞的含義。

(a)晶體結(jié)構(gòu)(b)晶格(c)晶胞

圖1-9簡單立方晶體示意圖

3.常見純金屬的晶格類型

1)體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞示意圖如圖1T0所示，具有體心立方晶格的金屬有a-Fe、Cr、V、

W、Mo、Nb等。

圖1-10體心立方晶胞示意圖

2)面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞示意圖如圖1-11所示，屬于這類晶格的金屬有YFesAlvCu、

Ni、Au、Ag、Pb等。

掌握常見純金屬

的晶格類型，并知

道哪種金屬屬于

此類晶格。

3）密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞示意圖如圖172所示，屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。

圖1-12密排六方晶胞示意圖

二、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.單晶體和多晶體

在研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時，是把晶體看成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成，晶

體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體。每一個晶粒相當(dāng)于一個單晶體。晶

粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖173所示。掌握單晶體和多

晶體的概念。

圖1-13多晶體結(jié)構(gòu)示意圖掌握晶體的三種

2.晶體缺陷缺陷及其形成。

按晶體缺陷的幾何形狀，可將晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三種。

三'純金屬的結(jié)晶

金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)

的過程，此過程稱為金屬的結(jié)晶過程。

純金屬在緩慢冷卻時，由于結(jié)晶時放出的結(jié)晶潛熱補償了冷卻時向外散失的熱量，故冷

卻過程中溫度不變化，此時的溫度稱為理論結(jié)晶溫度。

四、合金及合金中的相結(jié)構(gòu)

1.合金的基本概念

1）組元

組成合金最基本的、獨立的單元稱為組元，簡稱為元。例如，黃銅的組元是銅和鋅，碳鋼的

組元是鐵和碳，或者是鐵和金屬化合物Fe3C。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個

組元組成的合金稱為三元合金。

2）相

固態(tài)合金中的相是合金組織的基本組成部分，它具有一定的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有均勻

的化學(xué)成分。

3）合金系

由給定的組元可以配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個合金系統(tǒng)，稱為合

金系。組織決定合金的

4）組織性質(zhì)。

組織是指用肉眼或借助各種不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部的情景，包

括晶粒的大小、形狀、種類以及各種晶粒之間的相對數(shù)量和相對分布。

2.固態(tài)合金中的基本相

1）固溶體

合金結(jié)晶時，組元之間相互溶解所形成固相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這

種固相稱為固溶體。

2）金屬化合物

金屬化合物是合金組元按一定比例發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又稱為中間相。

3.合金相圖的基礎(chǔ)知識

1）二元勻晶相圖

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖。二元勻晶相圖

是最簡單的二元相圖，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W等合金都形成二元勻晶相

圖。在這類合金中，結(jié)晶時都由液相結(jié)晶出單相的固溶體。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的

過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。Cu-Ni二元勻晶相圖如圖1T8所示。

結(jié)合圖講解二元

勻晶相圖和二元

共晶相圖。

圖1-18Cu-Ni二元勻晶相圖

2）二元共晶相圖

組成合金的兩組元在液態(tài)時無限互溶,固態(tài)時有限互溶，結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金系

所形成的二元合金相圖稱為二元共晶相圖。PbSn、PbSb%AgCu、AlSi合金相圖

均屬于這類相圖。Pb

圖1-19PbSn二兀共晶相圖

學(xué)習(xí)情境三鐵碳合金

一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如圖1-20所

zjx。

結(jié)合圖1-20講解

純鐵的同素異構(gòu)

轉(zhuǎn)變。

3

O00

J00

趙200

理00

100

00

0

9

8

7

00

圖1-20純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變冷卻曲線

二'鐵碳合金的基本組織

鐵碳合金在固態(tài)下會出現(xiàn)以下幾種基本組織。

1.鐵素體

2.奧氏體

3.滲碳體

4.珠光體

5.萊氏體

三、Fe-Fe3c相圖

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)。wC>6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值,

而Fe3c可以作為一個獨立的組元，因此，所研究的鐵碳合金相圖實際上是簡化的Fe-Fe3c相

圖,如圖1-21所示。

538

500結(jié)合圖片講解Fe-

4ooFe3C相圖，學(xué)生

找出Fe-Fe3c相圖

3OO

的特征線

U

J

嬰

翡

圖1-21簡化后的FeFe3c相圖及其室溫組織圖

1.Fe-Fe3c相圖中的特征點

2.Fe-Fe3C相圖的特征線

(1)ACD線。ACD線為液相線，該線以上的合金為液態(tài)，合金冷卻至該線以下便開始結(jié)

晶。

(2)AECF線。AECF線為固相線，該線以下合金為固態(tài)，加熱時溫度達到該線，合金開

始熔化。

(3)PSK線。PSK線為共析線，也稱為A1線，即具有共析成分(wC=0.77%)的奧氏體在

共析溫度727°C時，要同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，其反應(yīng)方程式為

AS恒溫F+Fe3C

(4)ES線。ES線為碳在奧氏體中的固溶線，通常稱為Acm線。從該線可以看出，奧氏

體的最大溶碳量在1148℃時為2.11%,而在727℃時僅為0.77%。

(5)GS線。GS線是冷卻時由奧氏體析出鐵素體的開始線，通常稱為A3線。

(6)GP線。GP線是冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的終了線。

(7)PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的固溶線。

3.Fe-Fe3c相圖中的特征相區(qū)

(1)三個單相區(qū)。

(2)五個兩相區(qū)。

(3)兩個三相區(qū)。結(jié)合圖片講解典

四、典型合金的結(jié)晶過程分析型合金的結(jié)晶過

1.共析鋼的結(jié)晶過程分析程。

其結(jié)晶過程如圖1-23所示。

羸

(a)l點以上（協(xié)1~2點(02~3點((1)3點~室溫

圖1-23共析鋼結(jié)晶過程示意圖

2.亞共析鋼的結(jié)晶過程分析

P

圖1-25wC=O.4%的亞共析鋼的結(jié)晶過程示意圖

3.過共析鋼的結(jié)晶過程分析

結(jié)晶過程如圖『27所示。

(a)l點以上(1))1~2點?2~3點(d)3~4點(?)4點~室溫

圖1-27過共析鋼的結(jié)晶過程示意圖

4.共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析

結(jié)晶過程如圖1-29所示。

（a）l點以上（切1~2點（02點~室溫

圖1-29共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程示意圖

5.亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析

結(jié)晶過程如圖1-31所示。

（a）l點以上（b）卜2點（。2~3點付）3點~室溫

圖1-31wC=3.0%的亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程不意圖

6.過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析

結(jié)晶過程如圖1-33所示。

講解含碳量對鐵

碳合金組織和性

能的影響。

圖1-34wC=5.0%的過共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織

五、含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響

1.含碳量對鐵碳合金組織的影響

2.含碳量對力學(xué)性能的影響

3.含碳量對工藝性能的影響

1）鑄造性

2）可鍛性

3）焊接性

4）切削加工性

學(xué)習(xí)情境四鋼的熱處理

一、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變

鋼加熱到Ac1以上時會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，加熱到Ac3和Accm以上，保溫足夠

時間便會全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。熱處理加熱的目的是獲得均勻的奧氏體組織，因此，這種加熱

轉(zhuǎn)變的過程稱為鋼的奧氏體化。

1.奧氏體化過程

鋼加熱時奧氏體的形成遵循形核和長大的基本規(guī)律。以共析鋼（碳的質(zhì)量分數(shù)為077%）

為例，奧氏體的轉(zhuǎn)變過程可分為四個階段，即奧氏體晶核形成、奧氏體晶核長大、殘余滲碳

體溶解以及奧氏體成分均勻化，如圖1-36所示。

結(jié)合示意圖，掌握

共析鋼的奧氏體

化過程。

學(xué)生分組討論各

因素如何影響奧

圖1-36共析鋼的奧氏體化過程示意圖氏體晶粒長大。

2.影響奧氏體晶粒長大的因素

1）加熱溫度、保溫時間和加熱速度

加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大。加熱速度越快，過熱度越大，形核

率越高，奧氏體晶粒越細。

2）含碳量

在碳的一定質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)，隨著奧氏體中含碳量的增加，碳在奧氏體中的擴散速度增

大，使奧氏體晶粒長大的傾向增大。

3）化學(xué)成分

鋼中的大多數(shù)合金元素（除Mn以外）都有阻礙奧氏體晶粒長大的作用。其中能形成穩(wěn)定

的碳化物的元素（如Cr、W、Mo、Ti、Nb等）和能生成氧化物、氮化物、有阻礙晶粒長大作

用的元素（如適量的AI）,其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上彌散分布，強烈地阻礙了奧氏

體晶粒的長大，使晶粒保持細小。

二、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變

冷卻過程是熱處理的關(guān)鍵工序，其冷卻轉(zhuǎn)變溫度決定了冷卻后的組織和性能。實際生產(chǎn)

中采用的冷卻方式主要有等溫冷卻（如等溫淬火）和連續(xù)冷卻（如爐冷、空冷、水冷等），兩

種冷卻方式的示意圖如圖1-37所示。

圖1-37兩種冷卻方式示意圖

1.過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變

學(xué)生結(jié)合圖片分

析C曲線的變化，

教師總結(jié)。

圖1-38共析鋼的C曲線

1）過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能

據(jù)過冷奧氏體不同溫度（A1線以下）下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的不同，奧氏體的變化可分為三種不

同類型的轉(zhuǎn)變，即高溫珠光體轉(zhuǎn)變、中溫貝氏體轉(zhuǎn)變和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變。

2）影響C曲線的因素

（1）含碳量。在正常加熱條件下，亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移，過共析鋼

的C曲線隨含碳量的增加而左移。奧氏體中的含碳量越高，Ms點越低。

（2）合金元素。除C。、AI以外的幾乎所有合金元素溶入奧氏體后，都會增加奧氏體的

穩(wěn)定性，使C曲線不同程度地右移。當(dāng)某些合金元素達到一定量時，還會改變C曲線的形狀。

絕大多數(shù)合金元素均會使Ms溫度降低。

（3）加熱溫度和保溫時間。隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒長大,

晶界面積減小，奧氏體成分更加均勻，這些都不利于過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，但提高了奧氏體的

穩(wěn)定性，使C曲線右移。

2.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

1）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)熱處理工藝都是在連續(xù)冷卻過程中進行的，因此，鋼的連續(xù)冷卻

轉(zhuǎn)變曲線（也稱為CCT曲線）更有實際意義。CCT曲線是由實驗方法測定的，圖1-39所示為

共析鋼的CCT曲線，它與C曲線的區(qū)別在于CCT曲線位于曲線的右下側(cè)，且沒有等溫轉(zhuǎn)變曲

線的下部分，即共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時得不到貝氏體組織。學(xué)生分組討論

CCT曲線與C曲

線的區(qū)別，教師總

結(jié)。

。時間/s

圖1-39共析鋼的CCT曲線

2）共析鋼CCT曲線和C曲線的比較和應(yīng)用

0時間/s

三、鋼的退火與正火

1.鋼的退火

退火是將工件加熱到臨界點以上或在臨界點以下某一溫度保溫一定時間后，以十分緩慢

的冷卻速度（一般為隨爐冷卻）進行冷卻的一種方法。

根據(jù)鋼的成分、組織狀態(tài)和退火目的的不同，退火可分為完全退火、等溫退火、球化退學(xué)生分組討論退

火、均勻化退火和去應(yīng)力退火等?；鹋c正火的區(qū)別，

2.鋼的正火教師總結(jié)。

將工件加熱到Ac3或Accm以上30℃~50°C,使鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫后從爐中取出

在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。

正火主要應(yīng)用于以下方面。

（1）正火用于普通結(jié)構(gòu)零件，作為最終熱處理，細化晶粒，提高力學(xué)性能。

（2）正火用于低、中碳鋼，作為預(yù)備熱處理，獲得合適的硬度，便于切削加工。

（3）正火用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3CII,有利于球化退火的進行。

四、鋼的淬火

1.淬火工藝

1）淬火溫度

通常亞共析鋼的淬火溫度應(yīng)在Ac3以上30°C?50°C,共析鋼和過共析鋼的淬火溫度為

Ac1以上30℃-50℃=

2）保溫時間

為了使工件各部分均完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱溫度下保溫一定的時間，通常將工

件升溫和保溫所需的時間計算在一起統(tǒng)稱為加熱時間。

3）淬火冷卻

淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，為了使工件獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于

臨界冷卻速度vk,而快速冷卻會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，容易引起工件的變形和開裂。

2.淬火方法結(jié)合圖1-42,分

為保證淬火效果，減少淬火變形和開裂，應(yīng)根據(jù)鋼的材料、大小和種類，合理選擇淬火析各淬火方法的

方法。常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火法、雙介質(zhì)淬火法、分級淬火法和等溫淬火法四種，如特點。

圖1-42所示。

結(jié)合實際討論各

圖1-42常用淬火方法種回火的應(yīng)用領(lǐng)

3.鋼的淬透性和淬硬性域。

五、鋼的回火

1.回火的目的

（1）改善淬火鋼的性能，達到要求的力學(xué)性能。

（2）穩(wěn)定工件尺寸。

（3）消除或減小淬火內(nèi)應(yīng)力，降低馬氏體脆性，防止工件的變形和開裂。

2.回火的分類

淬火鋼回火后的組織與性能由回火溫度決定，鋼的回火按回火溫度不同可分為低溫回

火、中溫回火、溫回火。

六、鋼的表面熱處理

1.鋼的表面淬火

目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。

1）感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火是在工件中引入一定頻率的感應(yīng)電流（渦流），使工件表面層快速加熱

到淬火溫度后立即噴水冷卻的方法。

2）火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火是用乙快一氧或煤氣一氧的混合氣體燃燒的火焰噴射至零件表面，快比較鋼的滲碳、鋼

速加熱，當(dāng)達到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬的滲氮及碳氮共

火方法。滲各自的特點及

3.鋼的化學(xué)熱處理應(yīng)用領(lǐng)域。

1）鋼的滲碳

（1）滲碳的目的及滲碳用鋼。滲碳的目的是提高工件表層含碳量。經(jīng)過滲碳及隨后的淬

火和低溫回火，可提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部仍保持良好的塑性和韌

性。工業(yè)生產(chǎn)中滲碳鋼一般是碳的質(zhì)量分數(shù)為0.10%?0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如15

鋼、20鋼和20Cr等。滲碳層深度一般為0.5?2.5mm。

（2）滲碳方法。根據(jù)所采用的滲碳劑不同，滲碳可分為氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳。

目前常用的是氣體滲碳，其次是固體滲碳。不論是氣體滲碳還是固體滲碳，滲碳后的零件都

要進行淬火和低溫回火處理，只有這樣才能達到所要求的使用性能。

近年來，滲碳工藝有了很大的進展，出現(xiàn)了高溫滲碳、真空滲碳、高頻滲碳等，有的已經(jīng)開

始用于生產(chǎn)，滲碳過程也在逐漸采用自動化和機械化來控制。

2）鋼的滲氮

與滲碳相比，滲氮工件具有以下特點。

（1）滲氮前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以使心部組織具有較高的強度和韌性。

（2）表面硬度、耐磨性、疲勞強度及熱硬性均高于滲碳層。

（3）滲氮表面形成由致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐蝕性。

（4）滲氮處理溫度低，滲氮后不需再進行其他熱處理，因此工件變形小。

3）碳氮共滲

碳氮共滲是向鋼的表面同時滲入碳和氮，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝，習(xí)慣上又稱講解鋼的分類，并

為富化。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用較為廣泛。結(jié)合實際情況講

學(xué)習(xí)情境五常用金屬材料解不同鋼的不同

一、碳鋼應(yīng)用領(lǐng)域。

1.碳鋼的分類

1）按照冶煉時脫氧程序的不同

根據(jù)冶煉時脫氧程序的不同，碳鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。

2）按碳的質(zhì)量分數(shù)分類：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。

3）按鋼的用途分類

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各類工程構(gòu)件（如橋梁、船舶、建筑物等）

及各種機器零件（如齒輪、螺釘、螺母、連桿等）。它多屬于低碳鋼和中碳鋼。

（2）碳素工具鋼。碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具。這類鋼中碳的含量

較高，一般屬于高碳鋼。

（3）特殊性能鋼。特殊性能鋼包括不銹鋼、耐磨鋼、耐熱鋼等。

4）按鋼中有害雜質(zhì)的含量分類

碳鋼主要按鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量分為以下幾種：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級優(yōu)

質(zhì)碳素鋼。

2.碳鋼的牌號、性能及主要用途

1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

這類鋼主要保證力學(xué)性能，故其牌號體現(xiàn)其力學(xué)性能。牌號用“Q+阿拉伯?dāng)?shù)字”表示，

其中，“Q”為屈服強度，是“屈”字的漢語拼音首字母，數(shù)字表示屈服強度值。

2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)，以萬分之

幾計。

3）碳素工具鋼

鋼號前面的“T”表示碳素工具鋼，其后的數(shù)字為碳的質(zhì)量分數(shù)，以千分之幾計。

4）鑄鋼

以強度表示的鑄鋼牌號是由鑄鋼兩字的漢語拼音首字母“ZG”與表示力學(xué)性能的兩組數(shù)

字組成，第一組數(shù)字代表最低屈服強度，第二組數(shù)字代表最低抗拉強度。

—、合金鋼

1.合金鋼的分類

1）按用途分類

（1）合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼可分為機械制造用鋼和工程結(jié)構(gòu)用鋼等，主要用于制造各

種機械零件、工程結(jié)構(gòu)件等。

（2）合金工具鋼。合金工具鋼可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼三類，主要用于制造刃具、

模具、量具等。比較普通低合金

（3）特殊性能鋼。特殊性能鋼可分為抗氧化用鋼、不銹鋼、耐磨鋼、易切削鋼等。結(jié)構(gòu)鋼和低碳鋼

2）按合金元素含量分類的不同點。

（1）低合金鋼。低合金鋼合金元素的質(zhì)量分數(shù)小于5%。

（2）中合金鋼。中合金鋼合金元素的質(zhì)量分數(shù)為5%?10%。

（3）高合金鋼。高合金鋼合金元素的質(zhì)量分數(shù)大于10%。

2.合金結(jié)構(gòu)鋼

1）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號

我國規(guī)定合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號由“兩位數(shù)字+元素符號+數(shù)字+…”組成。

2）普通低合金結(jié)構(gòu)鋼

普通低合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量的合金元素發(fā)展起來的。從成分

上看其為低碳低合金鋼種，滿足大型工程結(jié)構(gòu)（如大型橋梁、壓力容器及船舶等）減輕結(jié)構(gòu)

重量，提高可靠性及節(jié)約材料的需要。

3）合金滲碳鋼

常用滲碳鋼按照淬透性大小可分為三類：低淬透性滲碳鋼、中淬透性滲碳鋼、高淬透性

滲碳鋼。

4）合金調(diào)質(zhì)鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼是指經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的合金結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于制造汽車、拖拉機、機床和

其他機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。

5）合金彈簧鋼

有代表性的彈簧鋼有以下幾種。

（1）65Mn、70鋼。這兩種鋼可用于制造截面直徑小于15nm的小型彈簧，如坐墊彈簧、

發(fā)條、彈簧環(huán)、剎車彈簧、離合器簧片等。

（2）55Si2Mn、60Si2Mno這類鋼中加入了Si、Mn元素，提高了鋼的淬透性，可用于制

造直徑為20?25所的彈簧，如汽車、拖拉機、機車上的減振板簧和螺旋彈簧、汽缸安全閥

簧（工作溫度小于230°C）。

（3）50CrVAo50CrVA不僅淬透性高，還有較高的熱強性，適于制造工作溫度在350℃?

400℃下的重載大型彈簧，如閥門彈簧、氣門彈簧。

6）滾動軸承鋼

用來制造各種滾動軸承零件如軸承內(nèi)外套圈、滾動體（滾珠、滾柱、滾針等）的專用鋼

稱為滾動軸承鋼。

7）易切削鋼

易切削鋼是指在鋼中加入一種或幾種易切削元素，使其切削加工性能得到明顯改善的結(jié)

構(gòu)鋼，簡稱為易切鋼。

2.合金工具鋼

1）合金工具鋼的牌號

合金工具鋼牌號的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，基本組成為“一位數(shù)字（或無數(shù)字）+元

素符號+數(shù)字+…”，其平均含碳量是用質(zhì)量分數(shù)的千倍表示，當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)wC，1.0%時，鋼

號中不標(biāo)出。

2）合金刃具鋼

合金刃具鋼有兩類：一類是低合金刃具鋼，用于低速切削，其工作溫度低于300°C；另

一類是高速鋼，用于高速切削，工作溫度高達600°C。

3）合金模具鋼

模具鋼可分為兩大類：一類是用于冷成形的冷作模具鋼，工作溫度不超過300°C；另一

類是用于熱成形的熱作模具鋼，模具表面溫度可達600°C。

4）合金量具鋼

用于制造各種測量工具如游標(biāo)卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)等的合金鋼稱為合金量具鋼。

量具在使用過程中必須保持自身尺寸的穩(wěn)定性，因此，量具鋼必須具有高硬度、高耐磨性、

較高的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐蝕性。

3.特殊性能鋼

1）不銹鋼

不銹鋼是指在大氣和一般介質(zhì)中具有很高耐蝕性的鋼種。不銹鋼主要包括兩類，即耐大

氣腐蝕的鋼（稱為不銹鋼）和耐化學(xué)介質(zhì)（如酸類）腐蝕的鋼（稱為耐酸不銹鋼）。前者不一

定耐酸性介質(zhì)，而耐酸不銹鋼在大氣中也有良好的耐蝕性。

2）耐熱鋼

在發(fā)動機、化工、航空等設(shè)備中有很多零件是在高溫下工作，制造這些零件所用的要求

具有高耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。

3）耐磨鋼

從廣泛的意義上講，表面強化結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和滾動軸承鋼等具有高耐磨性的鋼種都可

稱為耐磨鋼，但這里所指的耐磨鋼主要是指在強烈沖擊載荷或高壓力的作用下發(fā)生表面硬化

而具有高耐磨性的高鎰鋼，如車輛履帶、挖掘機鏟斗、破碎機顆板和鐵軌分道叉等。

三'鑄鐵結(jié)合實際討論各

鑄鐵是碳的質(zhì)量分數(shù)大于2.11%（一般為2.5%?5.0%）,并且含有較多的Si、Mn、S、P等種鋁及鋁合金的

元素的多元鐵碳合金。它與鋼相比，抗拉強度、塑性、韌性較低，但具有優(yōu)良的鑄造性。應(yīng)用領(lǐng)域。

鑄鐵可以分為以下幾類。

（1）普通灰鑄鐵。普通灰鑄鐵中石墨呈片狀。

（2）可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵中石墨呈團絮狀。

（3）球墨鑄鐵。球墨鑄鐵中石墨呈球狀。

（4）蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵中石墨呈蠕蟲狀。

四、鋁及鋁合金

鐵碳合金以外的其他金屬及合金，如鋁、銅、鎂、鈦、錫、鉛、鋅等金屬及其合金稱為

有色金屬。有色金屬具有許多特殊性能，在機電、儀表，特別是在航空、航天及航海等工業(yè)

中具有重要的應(yīng)用。

1.純鋁

純鋁是一種銀白色的輕金屬，熔點為660℃,具有面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

純鋁按純度可分為工業(yè)純鋁、工業(yè)高純鋁、高純鋁。

2.鋁合金

1）鋁合金的分類

鋁合金一般具有圖1-43所示的相圖。

結(jié)合實際討論各

種銅的應(yīng)用領(lǐng)域。

2）鋁合金的代號、牌號表示方法

五'銅及銅合金

1.純銅

純銅呈玫瑰紅色，但容易與氧反應(yīng)，在表面形成氧化銅薄膜，外觀呈紫紅色。純銅具有

面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，密度為8.96g/cm3,熔點為1083七。純銅具有優(yōu)良的

導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀，故主要用做導(dǎo)電材料。

2.銅合金的分類

純銅的強度不高，用加工硬化方法雖可提高銅的強度，但卻會使其塑性大大降低，因此，

常用合金化的方法來獲得強度較高的銅合金。常用的銅合金可分為黃銅、青銅、白銅三類。

六'滑動軸承合金

1.錫基軸承合金

錫基軸承合金是一種在軟基體分布硬質(zhì)點的軸承合金。它是以錫、睇為基礎(chǔ)，并加入少

量其他元素的合金。常用的牌號有ZSnSb11Cu6、ZSnSb8Cu4、ZSnSb4Cu4等。

2.鉛基軸承合金

鉛基軸承合金是以PbSb為基體的合金，但二元PbSb合金有密度偏析，同時鍍顆粒太

硬，基體又太軟，只適用于制造速度低、載荷小的次要軸承。為改善其性能，要在合金中加

入其他合金元素，如Sn、Cu、Cd、As等。常用的鉛基軸承合金為ZPbSb16Sn16Cu2,表示錫的

質(zhì)量分數(shù)為15%?17%,鋅的質(zhì)量分數(shù)為15%?17%,銅的質(zhì)量分數(shù)為1.5%?2.0%,余量為鉛

的鉛基軸承合金。

3.鋁基軸承合金

鋁基軸承合金是以AI為基本元素，Sb或Sn等為主加元素的軸承合金。它具有密度小、

導(dǎo)熱性好、疲勞強度高和耐蝕性好等優(yōu)點。鋁基軸承合金原料豐富，價格便宜，廣泛用于制

造高速高載荷條件下工作的軸承。按化學(xué)成分將鋁基軸承合金分為鋁錫系、鋁鑲系和鋁石墨

系三類。

4.銅基軸承合金

銅基軸承合金是以Pb為基本合金元素的銅基合金，也稱為鉛青銅。由于固態(tài)下Pb不溶

于Cu,所以鉛青銅在室溫時的組織是在硬基體銅上均勻分布著軟的鉛顆粒，極有利于保持潤

滑油膜，使合金具有優(yōu)良的耐磨性。此外，鉛青銅比巴氏合金更能耐疲勞、抗沖擊，承載能

力也更強，所以銅基軸承合金可用于制造高速、高載荷下的發(fā)動機軸承和其他高速重載軸承。

K拓展訓(xùn)練工

某小型汽油發(fā)動機結(jié)構(gòu)如圖1-44所示，其主要支承件是缸體和缸蓋。缸體內(nèi)有汽缸，汽

缸內(nèi)有活塞、連桿、曲軸及軸承，缸體的右側(cè)面有凸輪軸，背面有離合器殼、飛輪（圖中未

畫出），缸體底部為油底殼，缸蓋頂部有進氣門、排氣門、挺桿、搖臂，右上部為配電器，左

上部為化油器及火花塞。試為該小型汽油發(fā)動機各主要零件選定合適的材料。

圖1-44小型汽油發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖

知識目標(biāo)：掌握鑄造成型的定義、種類及其優(yōu)缺點；熟悉鑄造工藝設(shè)計內(nèi)容及原則、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計原則；

了解鑄造成型工藝基礎(chǔ)理論知識。

教學(xué)

能力目標(biāo)：根據(jù)零件的具體形狀和加工要求，確定澆注位置、分型面及加工余量和起模斜度等。

目標(biāo)

素質(zhì)目標(biāo)：

教學(xué)

鑄造成型的定義、種類及其優(yōu)缺點

重點

教學(xué)

鑄造工藝設(shè)計內(nèi)容及原則

難點

理實一體

教學(xué)

實物講解

手段

小組討論、協(xié)作

教學(xué)

16

學(xué)時

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程設(shè)計注

模塊二鑄造成型

K任務(wù)描述』

箱體是減速器的重要組成部件，它是傳動零件的基座，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。試確定如何制

明確任務(wù)，在任務(wù)

造減速器箱體的毛坯。

的驅(qū)動下學(xué)習(xí)。

K任務(wù)分析》

因為箱體是內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，所以要采用鑄造的方法來生產(chǎn)毛坯，在鑄造時要根

據(jù)零件圖先畫出鑄造工藝圖，包括澆注位置、分型面、加工余量和起模斜度等。

K相關(guān)知識］

學(xué)習(xí)情境一鑄造成型理論基礎(chǔ)

一'合金的流動性和充型能力

1■合金的流動性

液態(tài)合金本身的流動能力稱為合金的流動性。鐵碳合金的流動性與碳的質(zhì)量分數(shù)之間的

關(guān)系如圖2-1所示。

思考合金流動性

好壞產(chǎn)生的影響。

Wc伙

圖2-1鐵碳合金的流動性與碳的質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

2.合金的充型能力

1）合金的澆注條件

提高合金的澆注溫度和澆注速度，增大靜壓頭的高度都會使合金的充型能力提高，但澆

注溫度太高，將使合金的收縮量增加，吸氣增多，氧化嚴(yán)重，鑄件會產(chǎn)生嚴(yán)重的黏砂和脹砂

缺陷。因此，每種合金都有一定的澆注溫度范圍。一般鑄鋼為1520℃~1620℃,鑄鐵為

1230℃~1450℃,鋁合金為680匕?780°C。

2）合金的鑄型特點

鑄型材料的導(dǎo)熱性越好，液態(tài)合金的冷卻速度越快，合金的流動性越差。當(dāng)鑄型的發(fā)氣

量大、排氣能力較低時，合金的流動受到阻礙，會使合金的充型能力下降。澆注系統(tǒng)和鑄型

的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，合金在充型時的阻力越大，充型能力也會下降。

二'鑄件的凝固和收縮

1.鑄件的凝固學(xué)生分組討論影

在鑄件的凝固過程中，其斷面上一般存在三個區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。響鑄件凝固和收

2.鑄件的收縮縮的化學(xué)成分。

合金從澆注到凝固直至冷卻到常溫的過程中產(chǎn)生的體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮。

三'縮孔和縮松的形成及防止

1.縮孔的形成

圖2-2為縮孔形成過程示意圖。液態(tài)合金充滿鑄型型腔，見圖2-2（a）。由于鑄型吸熱使

液態(tài)合金溫度下降，靠近型腔表面的金屬凝固形成一層外殼，見圖2-2（b）。溫度進一步降

低，凝固層加厚，內(nèi)部的剩余液體由于液態(tài)補縮和補充凝固層的收縮體積縮減，液面下降，

鑄件內(nèi)出現(xiàn)了空隙，見圖2-2（c）；溫度繼續(xù)下降，外殼繼續(xù)加厚，液面不斷下降，到合金全

部凝固后，則在鑄件上部形成容積較大的縮孔，見圖2-2（d）；冷卻到室溫時，隨著鑄件的固

態(tài)收縮，鑄件外形尺寸稍有縮小，見圖2-2（e）o

結(jié)合示意圖，講解

縮孔形成過程。

（a）充型（b）外層凝固（c）內(nèi)部開始凝固（d）內(nèi)部完全凝固⑹固態(tài)收縮

圖2-2縮孔形成過程示意圖

3.縮孔和縮松的控制

1）合理選擇鑄造合金

鑄造生產(chǎn)中應(yīng)盡量選擇共晶成分附近的合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金。

2）控制鑄件的凝固順序

所謂順序凝固，是在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位，通過安放冒口（為避免鑄件出現(xiàn)缺

陷而附加在鑄件上方或側(cè)面的補充部分）等工藝措施，使鑄件上遠離冒口的部位最先凝固（圖

2-3中的I區(qū)），接著是靠近冒口的部位凝固（圖2-3中的II區(qū)、III區(qū)），冒口本身最后凝固。

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