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1、【实训目的及要求实训目的及要求】 了解常用金属材料的种类和现场鉴别方法。了解常用金属材料的种类和现场鉴别方法。了解金属材料的力学性能、试验原理和选用了解金属材料的力学性能、试验原理和选用原则。原则。了解改善金属材料性能的途径和常用的钢铁了解改善金属材料性能的途径和常用的钢铁热处理工艺方法。热处理工艺方法。【实训安全事项实训安全事项】 进行实训操作时必须穿戴好劳动保护用品。进行实训操作时必须穿戴好劳动保护用品。使用仪器设备前，必须熟悉所用设备的结构及工作使用仪器设备前，必须熟悉所用设备的结构及工作原理；首次使用仪器设备时，必须在实训老师的指原理；首次使用仪器设备时，必须在实训老师的指导下进行操作
2、。导下进行操作。热处理工件进炉、出炉时，应先切断电源，然后送热处理工件进炉、出炉时，应先切断电源，然后送取工件，以防触电；出炉后的工件不能用手触摸，取工件，以防触电；出炉后的工件不能用手触摸，防止烫伤。防止烫伤。实训车间内的各种废液、废料应分类存放统一回收实训车间内的各种废液、废料应分类存放统一回收和处理，禁止随意倾入下水道或垃圾箱，防止污染和处理，禁止随意倾入下水道或垃圾箱，防止污染环境。环境。1.0 1.0 实训典型案例实训典型案例 典型案例典型案例1 1 ：无标识钢铁材料试样的现场鉴别无标识钢铁材料试样的现场鉴别 车间现有五种无标识钢铁材料试样，它们的形状、尺寸都车间现有五种无标识钢铁材
3、料试样，它们的形状、尺寸都相似，它们的材质分别为相似，它们的材质分别为2020钢、钢、4545钢、钢、T10T10钢、钢、W18Cr4VW18Cr4V高速钢、高速钢、HT200HT200灰铸铁。学生任取一试样轻轻压在高速旋转的砂轮机灰铸铁。学生任取一试样轻轻压在高速旋转的砂轮机上进行打磨，观察迸射出的火花形态，根据磨削过程中的火花上进行打磨，观察迸射出的火花形态，根据磨削过程中的火花爆裂形状、流线、颜色、发火点等特征，目测判断被测试样的爆裂形状、流线、颜色、发火点等特征，目测判断被测试样的材料牌号，并完成本案例的材料牌号，并完成本案例的金工实训报告金工实训报告。 典型案例典型案例2 2 ：钢铁
4、热处理硬度的现场测定钢铁热处理硬度的现场测定 车间现有车间现有2020、4545、T10T10和和Cr12Cr12四种钢铁材料的试样，请拟四种钢铁材料的试样，请拟定热处理实训方案并完成热处理实训操作，然后现场测定钢铁定热处理实训方案并完成热处理实训操作，然后现场测定钢铁试样热处理后的硬度。通过该实训操作，探究钢铁材料的含碳试样热处理后的硬度。通过该实训操作，探究钢铁材料的含碳量、合金含量、加热温度、冷却介质、回火温度等主要因素对量、合金含量、加热温度、冷却介质、回火温度等主要因素对钢铁热处理后性能的影响，并完成本案例的钢铁热处理后性能的影响，并完成本案例的金工实训报告金工实训报告。1.1 1.
5、1 金属材料的现场鉴别金属材料的现场鉴别金属材料的来源丰富，具有优良的力学性能，是机金属材料的来源丰富，具有优良的力学性能，是机械工程常用的材料。钢和铸铁是最常用的金属材料，械工程常用的材料。钢和铸铁是最常用的金属材料，它们都是以铁、碳为基本元素组成的铁碳合金，其它们都是以铁、碳为基本元素组成的铁碳合金，其中：含碳量为中：含碳量为0.0218%-2.11%0.0218%-2.11%的称为钢，含碳量大于的称为钢，含碳量大于2.11%2.11%的称为铸铁。的称为铸铁。金属材料的现场鉴别方法有多种，可根据金属材料金属材料的现场鉴别方法有多种，可根据金属材料的光泽、颜色、硬度、比重等各种特性来进行判断
6、。的光泽、颜色、硬度、比重等各种特性来进行判断。例如在有色金属中，纯铜为紫红色，铜合金为黄青例如在有色金属中，纯铜为紫红色，铜合金为黄青色，铝及铝合金为银白色；铅锡合金的比重较大，色，铝及铝合金为银白色；铅锡合金的比重较大，铝合金的比重较小；等等。在铁碳合金中，现场鉴铝合金的比重较小；等等。在铁碳合金中，现场鉴别钢铁材料的方法更有很多种，其中最简易的方法别钢铁材料的方法更有很多种，其中最简易的方法是火花鉴别法和色标鉴别法等。是火花鉴别法和色标鉴别法等。1.1.1 1.1.1 火花鉴别法火花鉴别法 火花鉴别法是将钢铁材料轻轻压在高速旋转的砂轮机上进火花鉴别法是将钢铁材料轻轻压在高速旋转的砂轮机上
7、进行打磨，观察迸射出的火花形状、流线、颜色、发火点等特征，行打磨，观察迸射出的火花形状、流线、颜色、发火点等特征， 目测判断钢铁成分大致范围的方法。目测判断钢铁成分大致范围的方法。 1 1火花的形成火花的形成 火花的形成如图火花的形成如图1-11-1所示：钢材在砂轮机上打磨时，磨擦所示：钢材在砂轮机上打磨时，磨擦产生的高热使磨削部位迅速发产生的高热使磨削部位迅速发红变亮，灼热的磨屑沿切线方红变亮，灼热的磨屑沿切线方向迸射飞出形成火花；无数火向迸射飞出形成火花；无数火花构成火花束；仔细观察，火花构成火花束；仔细观察，火花束可分为根部花、中部花和花束可分为根部花、中部花和尾部花三部分。尾部花三部分
8、。图图1-1 1-1 火花的形成火花的形成 2 2火花束的组成要素火花束的组成要素 火花束的组成要素如图火花束的组成要素如图1-21-2所示：磨削时由灼热磨屑形成所示：磨削时由灼热磨屑形成的线条状火花称为流线；流线在飞行途中爆炸显示出稍粗的亮的线条状火花称为流线；流线在飞行途中爆炸显示出稍粗的亮点称为节点；节点爆裂时所迸射出的细线条称为芒线；在芒线点称为节点；节点爆裂时所迸射出的细线条称为芒线；在芒线附近的许多呈现明亮的小点称为花粉。若干条芒线所组成的放附近的许多呈现明亮的小点称为花粉。若干条芒线所组成的放射状火花称为节花，节花可分为一次花、二次花、三次花等。射状火花称为节花，节花可分为一次花
9、、二次花、三次花等。流线尾部出现的火花称为尾花，由于钢材的化学成分不同，尾流线尾部出现的火花称为尾花，由于钢材的化学成分不同，尾花的形态也各不相同，主花的形态也各不相同，主要有苞状尾花、狐尾状尾要有苞状尾花、狐尾状尾花、菊状尾花、羽状尾花花、菊状尾花、羽状尾花等多种，如图等多种，如图1-31-3所示所示. .图图 1-21-2火花束的组成要素火花束的组成要素图图1-3 1-3 各种尾花的形态各种尾花的形态（a a）苞状尾花）苞状尾花 （b b）狐尾状尾花）狐尾状尾花 (c) (c) 菊状尾花菊状尾花 (d) (d) 羽状尾花羽状尾花 3 3常用钢铁材料的火花特征常用钢铁材料的火花特征 通常情况
10、下，碳钢的含碳量越高，则流线越多，火花束变通常情况下，碳钢的含碳量越高，则流线越多，火花束变短，爆花与花粉也增多，火花亮度增强，手感变硬。短，爆花与花粉也增多，火花亮度增强，手感变硬。 图图1-4 1-4 五种钢铁材料的火花特征五种钢铁材料的火花特征（a a）2020钢；钢； (b) 45(b) 45钢；钢； (c) T10(c) T10钢；钢； (d) (d) 灰铸铁；灰铸铁； (e) W18Cr4V(e) W18Cr4V高速钢高速钢1.1.2 1.1.2 色标鉴别法色标鉴别法 为了避免差错，在管理钢材和使用钢材时可以在为了避免差错，在管理钢材和使用钢材时可以在材料上做一定的标记。常用的标记
11、方法有：涂色法、材料上做一定的标记。常用的标记方法有：涂色法、打印法、挂牌法等。打印法、挂牌法等。表表1-1 1-1 部分钢号的涂色标记部分钢号的涂色标记1.1.3 1.1.3 断口鉴别法断口鉴别法 材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的影响而导致破断所形成的断裂面称为断口。生产现场影响而导致破断所形成的断裂面称为断口。生产现场常根据断口的自然形态来判定材料的韧脆性，也可据常根据断口的自然形态来判定材料的韧脆性，也可据此判定相同热处理状态的材料含碳量高低。此判定相同热处理状态的材料含碳量高低。1.1.4 1.1.4 音响鉴别法音响鉴别法 在生产现场
12、，有时也可采用敲击辨音的方法来区在生产现场，有时也可采用敲击辨音的方法来区分材料。分材料。 1.1.5 1.1.5 其它鉴别方法其它鉴别方法 若要准确地鉴别材料，在上述几种现场鉴别方法若要准确地鉴别材料，在上述几种现场鉴别方法的基础上，还可采用化学分析、金相检验、硬度试验的基础上，还可采用化学分析、金相检验、硬度试验等实验室分析手段，对材料进行进一步的准确鉴别。等实验室分析手段，对材料进行进一步的准确鉴别。 1.2.1 1.2.1 金属材料概述金属材料概述人们将工程上广泛使用的材料，称为工程材料。按人们将工程上广泛使用的材料，称为工程材料。按材料的化学成分，可将工程材料分为金属材料、非材料的化
13、学成分，可将工程材料分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。金属材料和复合材料三大类。金属材料是目前应用最广泛的工程材料，它包括纯金属材料是目前应用最广泛的工程材料，它包括纯金属及其合金。金属材料分为黑色金属与有色金属金属及其合金。金属材料分为黑色金属与有色金属两大类：黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，其两大类：黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，其中以铁碳合金（钢、铸铁）的应用最广；有色金属中以铁碳合金（钢、铸铁）的应用最广；有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金是指除黑色金属以外的所有金属及其合金。1.2 1.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.2.2 1.2.2 金属材料的
14、力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指材料克服外加载荷作用，抵抗变金属材料的力学性能是指材料克服外加载荷作用，抵抗变形和断裂的能力。材料的力学性能是设计零件及选择材料的重形和断裂的能力。材料的力学性能是设计零件及选择材料的重要依据。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧要依据。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度等。度、疲劳强度等。 1 1强度强度 强度是指材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力。强度是指材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力。其主要指标是屈服强度（其主要指标是屈服强度（s s）和抗拉强度（）和抗拉强度（b b），单位为），单位为M
15、PaMPa。 2 2塑性塑性 塑性是指材料在静载荷作用下产生永久变形而不发生断裂塑性是指材料在静载荷作用下产生永久变形而不发生断裂破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率（破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率（）和断面收缩率）和断面收缩率（），它们均以百分数表示。伸长率和断面收缩率越大，材），它们均以百分数表示。伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好，所制作的零件也就越不容易发生突然脆断。料的塑性越好，所制作的零件也就越不容易发生突然脆断。 3 3硬度硬度 硬度是指材料抵抗其它硬物压入其表面的能力，硬度也是硬度是指材料抵抗其它硬物压入其表面的能力，硬度也是衡量材料耐磨性能的重要指标。在生产中硬度通常采
16、用压入法衡量材料耐磨性能的重要指标。在生产中硬度通常采用压入法进行测量。根据测试方法的不同，对应有许多种不同的硬度指进行测量。根据测试方法的不同，对应有许多种不同的硬度指标，常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。标，常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。 1 1）布氏硬度）布氏硬度(HB)(HB) 2 2）洛氏硬度）洛氏硬度(HR)(HR) 图图1-5 1-5 布氏硬度测定原理布氏硬度测定原理图图1-6 1-6 洛氏硬度测定原理洛氏硬度测定原理 4 4冲击韧度冲击韧度 金属材料受冲击载荷作用，在断裂前吸收变形能量抵抗金属材料受冲击载荷作用，在断裂前吸收变形能量抵抗破坏的能力，称作冲击韧性。
17、冲击韧性的常用指标为冲击韧破坏的能力，称作冲击韧性。冲击韧性的常用指标为冲击韧度（度（kk）。）。 5 5疲劳强度疲劳强度 曲轴、连杆、齿轮、弹簧等交变载荷作用下工作的机械曲轴、连杆、齿轮、弹簧等交变载荷作用下工作的机械零件，即使所受应力大大低于材料的强度极限，经较长时间零件，即使所受应力大大低于材料的强度极限，经较长时间工作后也容易发生断裂，这种断裂称为疲劳破坏。材料承受工作后也容易发生断裂，这种断裂称为疲劳破坏。材料承受无数次循环交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，称为无数次循环交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，称为疲劳强度。疲劳强度以来表示，疲劳强度也是材料重要的强疲劳强度。疲劳强
18、度以来表示，疲劳强度也是材料重要的强度指标之一，度指标之一， 1.2.3 1.2.3 金属材料的其它性能金属材料的其它性能 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能在机械设计与金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能在机械设计与制造中也都具有重要的意义，同样需要高度重视。制造中也都具有重要的意义，同样需要高度重视。 1 1物理性能物理性能 金属材料的物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、金属材料的物理性能包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。导电性和磁性等。 2 2化学性能化学性能 金属材料的化学性能，主要是指其抵抗活泼介质化学侵蚀金属材料的化学性能，主要是指其抵抗活泼介质化学侵蚀
19、的能力，包括耐蚀性、耐酸碱性和抗高温腐蚀性等。的能力，包括耐蚀性、耐酸碱性和抗高温腐蚀性等。 3 3工艺性能工艺性能 金属材料的工艺性能是指材料在加工过程中能否易于被加金属材料的工艺性能是指材料在加工过程中能否易于被加工成零件的性质。工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接工成零件的性质。工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能与热处理性能等。性能、切削加工性能与热处理性能等。 1.3 1.3 钢铁材料的热处理方法钢铁材料的热处理方法 钢铁热处理是将钢铁材料在固态下进行加热、保温和快速钢铁热处理是将钢铁材料在固态下进行加热、保温和快速冷却，通过改变材料的内部组织，从而获得所需金属
20、性能的一冷却，通过改变材料的内部组织，从而获得所需金属性能的一种工艺方法。钢铁热处理最常用的方法有退火、正火、淬火、种工艺方法。钢铁热处理最常用的方法有退火、正火、淬火、回火，表面淬火、化学热处理回火，表面淬火、化学热处理( (渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗) )等等。等等。 在机械制造中，钢铁热处理是一种非常重要的工艺手段：在机械制造中，钢铁热处理是一种非常重要的工艺手段：切削加工之前对毛坯材料进行预备热处理，可以改善工件的切切削加工之前对毛坯材料进行预备热处理，可以改善工件的切削加工性能，提高切削效率，明显改善加工质量；切削加工之削加工性能，提高切削效率，明显改善加工质量；切削加
21、工之后根据图纸对工件进行最终热处理，可以提高零件的硬度，改后根据图纸对工件进行最终热处理，可以提高零件的硬度，改善零件的耐磨性，消除内应力，稳定零件的形状和尺寸，使零善零件的耐磨性，消除内应力，稳定零件的形状和尺寸，使零件达到图纸规定的使用性能指标。所以，钢铁热处理是现代机件达到图纸规定的使用性能指标。所以，钢铁热处理是现代机械制造中改善加工条件、保证产品质量、节约能源、节省材料械制造中改善加工条件、保证产品质量、节约能源、节省材料的一项极为重要的工艺措施。的一项极为重要的工艺措施。 常用钢铁热处理方法的工艺过程如图常用钢铁热处理方法的工艺过程如图1-71-7所示。所示。图图1-7 1-7 常
22、用钢铁热处理方法的工艺过程常用钢铁热处理方法的工艺过程1.3.1 1.3.1 退火与正火退火与正火 1 1退火退火 将钢材加热到将钢材加热到800800900900范围并保温一段时间，范围并保温一段时间，然后随炉缓慢冷却至常温的热处理工艺称为退火。然后随炉缓慢冷却至常温的热处理工艺称为退火。退火后的钢件内部晶粒细小，组织均匀，降低了硬度退火后的钢件内部晶粒细小，组织均匀，降低了硬度和消除了内应力，改善了切削加工性能，主要适用于和消除了内应力，改善了切削加工性能，主要适用于含碳量较高的碳钢和各类合金钢工件。含碳量较高的碳钢和各类合金钢工件。 2 2正火正火 正火是将工件加热到正火是将工件加热到8
23、00800900900范围并保温一范围并保温一段时间，然后从炉中取出，置于干燥静止的空气中冷段时间，然后从炉中取出，置于干燥静止的空气中冷却至常温的热处理工艺。正火广泛用作改善钢件切削却至常温的热处理工艺。正火广泛用作改善钢件切削加工性能的预备热处理。加工性能的预备热处理。 对于普通要求的机械零件，有时也可以将正火作对于普通要求的机械零件，有时也可以将正火作为达到零件最终使用性能的热处理工艺。为达到零件最终使用性能的热处理工艺。 1.3.2 1.3.2 淬火与回火淬火与回火 1 1淬火淬火 淬火是将工件加热到淬火是将工件加热到780780880880并保温一段时间，然后并保温一段时间，然后投入
24、水中或油中急速冷却的热处理工艺。淬火之后，材料的内投入水中或油中急速冷却的热处理工艺。淬火之后，材料的内部组织发生了变化，工件的硬度和耐磨性提高，但塑性和韧性部组织发生了变化，工件的硬度和耐磨性提高，但塑性和韧性下降，脆性加大，并产生了较大的内应力，因此淬火之后必需下降，脆性加大，并产生了较大的内应力，因此淬火之后必需及时进行回火处理，以消除内应力，防止工件的变形与开裂。及时进行回火处理，以消除内应力，防止工件的变形与开裂。 2 2回火回火 将淬火后的工件再次加热，在一定温度下保温一段时间将淬火后的工件再次加热，在一定温度下保温一段时间（2-4h2-4h），然后缓慢冷却至常温称为回火。淬火后的
25、工件必须），然后缓慢冷却至常温称为回火。淬火后的工件必须尽快回火，回火的目的，在于减小和消除淬火工件的残余内应尽快回火，回火的目的，在于减小和消除淬火工件的残余内应力，防止工件的开裂和变形，调整工件的力学性能，使零件达力，防止工件的开裂和变形，调整工件的力学性能，使零件达到图纸规定的技术要求。到图纸规定的技术要求。 根据回火时的加热温度不同，回火可分为低温回火、中温根据回火时的加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。回火和高温回火三种。1.3.3 1.3.3 表面热处理表面热处理 有些机器零件（如齿轮、链轮、主轴等）要求整体强度和有些机器零件（如齿轮、链轮、主轴等）要求整体强
26、度和韧性较好、表面硬度与耐磨性较高，这时可采用表面热处理的韧性较好、表面硬度与耐磨性较高，这时可采用表面热处理的方法来达到。机械制造中广泛应用的表面热处理方法有表面淬方法来达到。机械制造中广泛应用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。火和化学热处理两种。 1 1表面淬火表面淬火 表面淬火是采用氧气表面淬火是采用氧气乙炔气高温火焰加热，或采用感应乙炔气高温火焰加热，或采用感应表面加热方法，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷表面加热方法，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的热处理工艺方法。却的热处理工艺方法。 2 2化学热处理化学热处理 化学热处理是将工件置于高温活性介质中保温
27、，使一种或化学热处理是将工件置于高温活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分，从而改几种元素渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分，从而改变工件表层的组织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理方变工件表层的组织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳法有渗碳、渗氮、碳氮共渗氮共渗( (氰化氰化) )、渗硼、渗钒等。、渗硼、渗钒等。 本章小结本章小结 1.1.了解金属材料的分类及鉴别方法；了解金属材料的分类及鉴别方法； 2.2.了解钢的热处理对改善金属性能的作用；了解钢的热处理对改善金属性能的作用； 3.3.熟悉热处理工艺。熟悉热处理工艺。 在在车车间间实实训训期期间间，请请特特别别注注意意，使使用用的的工工、量量具具，轻轻拿拿轻轻放放，及及时时放放回回原原处处，方方便便全全校校实实训训的的同同学使用。学使用。
