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名师精编 优秀教案
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
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（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；
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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
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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。