金属材料与热处理说课

金属材料与热处理说课（共8篇）

金属材料与热处理说课 篇1

说

课

稿

课程名称： 《 金属材料与热处理 》 科室名称： 机 电 工 程 系 教师名称： 彭 银 华

2012-2013学年第二学期

金属的晶体结构与结晶

湘西职院机电系彭银华

各位老师：

早上好！如果用一句话表达我此刻的心情，那就是在不断地期盼中等待着，在不断地参与中感受并收获着。今天同样希望我的表现能得到各位老师的认可。我说课的内容是《金属的晶体结构与结晶》，主要从教材分析、教学方法、教学过程三个方面作具体的阐述。教材分析

1.1 教材所处的地位和作用

《金属的晶体结构与结晶 》是全国技工院校规划教材《金属材料与热处理》第二章内容。本章是在学习了金属材料的性能之后编排的。通过本章课的学习，既可以对金属性能的知识进一步巩固和深化，又可以为后面第三章《金属的塑性变形》和第六章《钢的热处理》中打下基础，所以本章的内容非常重要。1.2 教学目标

根据《教学大纲》的要求和学生已有的知识基础和认知能力，确定以下教学目标：

1、知识目标：

（1）了解三种典型金属晶体结构的特点及常用金属的晶体结构；

（2）掌握金属材料的结晶条件、基本过程和细化晶粒的主要方法。

2、能力目标：

（1）能够运用细化晶粒的措施提高金属材料的力学性能；（2）能够运用金属同素异构转变理论改善金属材料的组织和性能。

3、德育目标：

（1）培养学生对热处理岗位安全文明操作知识；（2）提高学生职业道德修养。1.3 教学的重点和难点：

1、教学重点：

（1）晶体与非晶体的概念及它们的特点；（2）晶体的结构；（3）纯金属的结晶过程；（4）金属晶体的结构缺陷。

2、教学难点：（1）金属晶格的类型；（2）晶粒大小对力学性能的影响及细化晶粒的方法；（3）金属的同素异构转变。教学方法

2.1 学生情况分析

学生为五年制高职生，大部分学生的基础比较薄弱，再加上湘西地区的教育资源贫乏，授课以理论知识为主。2.2 教学方法

在教学方法的应用上，充分体现传统课堂面授与现代网络教学的有机结合，主要采用以下方法。

（1）情景展示教学法（包括生产现场及模型图片展示）；

（2）讲授法：是该门课程的主要教学方法，与以往不同的是，讲授过程中多结合生产实践，通过交叉联系的方式达到即学即用的效果；（3）分组讨论法：教师创设问题，让学生分组讨论；（4）自由阅读法：培养学生快速阅读能力；（5）世界大学城平台网络教学法。教学过程

3.1 新课引入（5分钟）

提问让学生回答雪花（冰窗花）的形状，可有导向让学生描述雪之形之成因，为讲金属结晶的成因做准备。让学生沉浸到雪之美的意境。话锋一转：金属的晶体结构与结晶与雪花形态成因有很多相似之处，引入正题。3.2 金属晶体的晶体的结构（15分钟）

1、晶体与非晶体的概念

引用生活中常见的雪花、金属、玻璃、石蜡、食盐等说明晶体与非晶体的概念及区别。

2、晶体的结构

从初中化学上石墨与金刚石的结构引入，接着讲授晶体的结构，其中应用到相关的实践及模型图片。

3.3 金属晶格的类型（重点讲解，25分钟）

接着上面石墨与金刚石的晶体结构引入，那么金属晶格有那些类型呢？举例讲解最常见的金属晶格的类型及特点。3.4 金属的结晶（40分钟）

1、金属的结晶（概念，5分钟）强调凝固，播放几分钟的炼钢视频（关于结晶方面的）。

2、结晶潜热（概念，3分钟）（生活化）

生活常识：下雪和化雪相对来说哪一个暖一些（下雪：下雪水汽变成固态的雪要放出热量），金属结晶也是一样，接着讲授概念。

3、热平衡（课外补充，2分钟）

生活常识：冰水混合物的温度（在结冰时）,原因：结晶放出的热量和对外散发的热量刚好平衡。再引入金属结晶。

4、过冷度（难点讲解，15分钟）

从宏观上和学生共同思考纯金属结晶的三个过程，液态、液固共存、固态。用多媒体和学生一起画出结晶时的冷却曲线。然后讲明理论和实际结晶时的差异，绘出相应的曲线，导出过冷度的概念。

在讲授过冷度与冷却速度关系时可结合晶粒的细化。让学生观看铸铁生产中动画，观察出外和里晶粒的粗细，找出原因。

问题设计：在铸模中凝固的铸铁锭，外层和里面晶粒一样粗细么？说明原因。

5、纯金属的结晶过程（难点讲解，15分钟）

（1）阅读金属界结晶部分，带着问题(金属结晶过程包括几部分，对于晶枝能正确的理解)；

（2）阅读晶粒大小对金属材料的影响部分（问题：铸造生产中铸件晶粒的细化方法有哪几种？每种方法的特点，及其在生产中的具体应用）；

（3）分组讨论以上设计的问题；

（4）教师结合问题讲解纯金属的结晶过程。3.5小结与作业布置（5分钟）

（1）小结（2）作业

习题册第二章：

一、1.2.3.4.5.6.二、1.2.3.4.5.6.7。

金属材料与热处理说课 篇2

1 培养兴趣, 记性思维

《金属材料与热处理》这门课涉及到专业术语, 材料成份结构及工艺原理等知识, 与机械专业相应的课程结合起来, 以学生为中心, 有准备地对教材进行分析分解, 引发学生的求知欲望, 让学生保持强烈的好奇心去学习尤为重要。兴趣是学习动机中最活跃的成份, 一旦激发出来, 就能充分调动学生的主观性, 直到实现寓教于乐的目的。例如:对“金属材料力学性能”分析中, 照本宣科, 逐个分析会使学生厌烦, 不妨放映灾难片《泰坦尼克号》沉没片段加以解说, 泰坦尼克号是堪称当时世界最大、最豪华的、设计最先进的游轮, 被称为“永不沉没的海上都城”, 但与冰山相撞后, 在三个小时后沉没。这是人类航海史上的一个悲剧, 也是近百年来的未解之谜。后来科学家对该游轮的残骸进行分析认为:该事故的发生与材料的力学性能有关。泰的钢板在极低的温度下变脆, 经不起振动, 含磷量高, 韧性差, 最终导致了这场灾难的发生。让学生在猜测过程中产生心理上的焦虑、渴望、兴奋, 而这种心态下是教学所需的。心理学家皮亚杰认为“青少年的好奇心不完全取决于一个东西的物理特性, 而要看重它和主体的过去经验的关系如何”———即学生对自己熟悉和相关的课题内容产生兴趣, “好奇之心, 人皆有之”利用悬念这一“催化剂”, 创设新奇的教学情境, 往往收到事半功倍的效果。

2 课前预习, 提出重点理头绪

古语云:“凡事预则立, 不预则废”。课前预习不仅能使学生确定听课重点, 而且有利于课堂提问有的放矢。例如在讲金属的结晶这部分时, 将重点内容“结晶的基本概念和过冷度对结晶的重要性”提出。通过预习, 学生对这部分的名词概念及术语 (如结晶、过冷度、结晶潜热、生核率等) 有了初步的印象。上课时, 学生对这些概念及术语能很自然地接受, 对重点内容也能很快掌握。这样“散”与“杂”就会变成有条有理, 很容易收到事半功倍的效果。

3 抓住要领, 将庞杂的内容结构化

由于该课程名词概念多, 较为抽象和分散, 而且这些名词概念又是该课程的理论基础部分, 如果这部分内容没掌握好, 要学好后续应用部分是非常困难的。授课时, 首先从教学目的着手, 引出本课程的教学内容, 然后抓住其要领, 并用关键词“结晶、热处理、晶体组织结构和金属材料的性能”表示。课程的教学目的之一就是要合理选用材料 (这里主要指金属材料) , 要做到合理选材, 就必须了解材料的性能, 而材料的性能取决于它的化学成份和晶体组织结构, 不同成份的材料性能显然是不同的, 而相同成份的材料性能也可能相差很大, 如石墨和金刚石, 这是由于材料的晶体组织结构不同造成的。而影响晶体结构的因素又有结晶过程、热处理和外界其他因素。因此, 要了解某种材料的性能, 首先要从结晶过程开始, 分析其结晶后得到的晶体组织结构, 采用适当的热处理和各种加工后组织结构又发生了什么变化, 最后根据晶体组织结构分析其性能特点。

4 充分利用多媒体课件, 优化教学手段

多媒体教学具有贮存信息量大, 画面丰富, 图、文、声、像并茂的优点。制作课件时可以充分发挥多媒体教学的优势, 采用计算机去展示本课程中的微观结构和微观变化过程, 将过去无法表达或难以表达的内容, 通过形象的图形、动态动画演示给学生, 吸引学生的注意力, 使学生对概念、原理、工艺的理解更加深刻, 增强教学内容和教学过程的趣味性, 有助于学生理解、记忆, 从而获得更好的教学效果。《金属材料与热处理》课程具有知识新、内容多、更新快的特点。如果继续使用“书本+黑板+粉笔”的传统模式, 必然会带来“教”与“学”之间的一系列矛盾, 出现“内容越来越多、课时恶性膨胀、教师辛苦万千、学生晕头转向”的被动局面。而为了在有限的时间内向学生传授大量的信息和知识, 可充分利用用多媒体教学, 来提高教学效果。利用计算机技术, 能把分隔的、静止的教学画面动态地、连续地贯穿起来, 使学生能够通过动态的画面, 较轻松地理解教师的教学意图。由于多媒体教学的交互性, 教师演示更加机动灵活迅速方便, 从而使授课内容更加丰富多彩。例如, 纯金属的结晶过程一直是教学的重点和难点, 这一结晶的过程使得多数同学难于理解。但通过多媒体教学中的动画演示, 学生可以清楚地看到晶体结晶变化的全过程。并且还可以通过暂停、重放等方式进行详细讲解。晶体结构、面心 (体心) 立方结构中的间隙、晶体中的位错运动等金属的基本知识, 通过多媒体课件, 教师能全方位、生动、形象地向学生讲解其空间结构及运动方式, 教学效果大大提高。在讲授“钢的淬火和回火”这部分内容时, 把淬火和回火操作过程的录像剪辑成5分钟左右的片段插入课件, 再以45钢为例, 分别经低温、中温和高温回火, 并分别测试其硬度值。利用多媒体进行模拟演示实验, 还可以达到完善的实验效果。比如教材中有关金相组织的实验, 要求在显微镜下完成。采用多媒体教学便可将显微镜下的情况通过电视屏幕全程演示。在教学课堂中增加了趣味与生动, 使学生能够充分利用视觉和听觉去获取知识。

5 善于归纳总结, 加深记忆

总结是对知识的进一步深化, 是加深学生记忆的有效办法。对于一些分散、难以理解的内容, 教师可以在总结中对教学内容进行分析、整理、系统地进行归纳, 帮助学生理清思路, 增强记忆。例如, 各种金属材料的牌号、性能、用途等内容都分散在各章节。特别是各种材料的牌号容易混淆, 学完以后, 学生会感觉内容杂乱, 难以接受。对此, 教师可以对以上内容进行总结, 并采用列表的方式, 将各种金属材料从牌号、性能、用途等几个方面进行归纳, 比较它们的异同, 使学生一目了然, 轻松掌握, 以便正确、合理地选材。又如, 热处理的退火、正火、淬火、回火、表面热处理等内容学完后, 可以将这些内容放在一起, 从工艺、目的、组织、性能、作用等方面给学生做一个全面的比较和总结, 使所学的知识更加系统化、条理化。

结语

总之, 在教学中, 针对课程中的某些疑难内容、概念, 要尽可能采用有趣、直观、多样的方式进行启发式教学。孔子说过:知之者, 不如好之者;好之者, 不如乐之者。兴趣是学习动机中最活跃的成分, 一旦激发出来就会使学生产生求知欲望。要充分调动学生的主观能动性, 克服学习中的困难, 学到有用的知识, 真正实现寓学于乐。

摘要：《金属材料与热处理》是机械类各专业的一门必修技术基础课, 它涉及的专业术语多、理论深、内容抽象、学习起来比较困难。随着现代工业的飞速发展, 对现代技术工人的要求也不断提高, 我们的教学主体——学生的素质也不断变化, 这就要求我们的教师因材施教, 灵活运用多种教学方法和手段, 提高教学效果。

关键词：金属材料与热处理,教学方法,主动性

参考文献

[1]张燕玲.浅谈《金属材料与热处理》课程的兴趣教学[J].职业教育研究, 2007 (8) .

[2]刘振武, 姜建华, 徐观明.情趣教学法实验研究 (二) ——对中职教学中“趣味”因素的探讨[J].中国职业技术教育, 2003 (34) .

巧讲《金属材料与热处理》 篇3

《金属材料与热处理》是全国技工学校机械类专业的通用教材，本课程内容主要由金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理、金属材料及非金属材料(选学)五部分组成，基本涵盖了机械工业中常用的各类材料。该课程是一门从生产实践中发展起来，直接服务于生产的专业基础课，具有很强的实践性。由于材料种类繁多，性能又千变万化，本课程涉及的术语、概念多，而且抽象，对于年纪小、缺乏实践经验的学生来说，是一本难啃的“天书”。笔者在多年的教学中，积累了一些教学方法，通过“巧讲”尽量做到形象生动，理论联系实际讲清重要概念和基本理论。下面就从“巧用比较法”、“巧用归纳总结法”、“巧用演示法”和“巧用实验法”四个方面来进行阐述。

一、巧用比较法

在讲解金属的力学性能硬度这部分内容时，可以充分利用比较法。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法都是硬度试验，都是通过硬度试验来测得材料的硬度。实验过程中必须具备两个共同的条件压头、试验力，这是他们的共同点。然而在选择压头的种类和试验力的大小上，他们又有很多不同之处。紧紧抓住不同点，如压头的材质、压头的形态、试验力大小的不同，引导学生总结出三种硬度试验各自的优缺点及适用范围。最后从硬度试验的“符号、含义、压头选择、试验力、优缺点及适用范围”六个方面列表对新课进行总结，使问题简单化、直观化。

还可以利用比较法将难以理解的概念与生活知识相比较，起到化难为易的效果。像纯金属的结晶中过冷现象与百米冲刺冲过终点的惯性相比较，铸铁中的石墨与旧衣服上的小裂缝相比较等等。总之，通过这样的比较和分析，学生豁然开朗，较快地接受了新概念，对解决教学难点也很有益处。

二、巧用归纳总结法

1、平时积累阶段

主要是授完新课后，对全课的内容进行归纳与总结，可以是教师示范，也可以由教师引导学生进行或师生共同完成。归纳总结必须体现提纲挈领，全面准确，力求形式多样、有深度，不能只是前面教学内容的机械再现或重复。如第五章非合金钢(碳素钢)讲完后，可以归纳总结成表1：

依照同样格式、方法还可以编制：常用合金钢的牌号及应用：铸铁、有色金属的牌号及应用归纳表，以及力学性能指标及含义归纳表和钢的热处理归纳表。

2、期末整理提高阶段

平时的学习是量的积累，期末复习整理阶段要善于将知识点连成线、由线连成片，最后形成知识网，达到质的飞跃。

知识网络如图1所示。

配合平时的归纳总结表，厚厚的一本《金属材料与热处理》就清晰地展现在我们眼前了。

三、巧用演示法

1、复习巩固阶段

主要抓住纯铁的同素异构转变和铁碳合金相及组织这两大知识点进行。复习中，要注意强调三个点：纯铁的同素异构转变a-Fe→r-Fe的912℃(G点)，共晶点(C点)(温度1148℃，含碳量4.3％C)，共析点(S点)(温度727℃，含碳量为0.77％C)。

2、建立相图

铁碳合金相图的建立要环环相扣，由点到线再到面，步步为营。切忌一下把完整的相图“放映”到学生眼前。

(1)建立坐标：

(2)在温度坐标轴上找温度点：A点1538℃、G点912℃、D点1227℃，在成分坐标轴上找成分点：0.77％C、2.11％C、4.3％C；

(3)找温度线1148℃(ECF线蓝色显示)，727℃(PSK线红色显示)；

(4)成分点与温度线得交点：0.77％c与727℃得交点S点(共析点红色加粗)，2.11％与1148℃得交点E点(碳在r-Fe中最大溶解度)，4.3％C与1148℃相交点C点(共晶点蓝色加粗)；

(5)连点成线得相区：A、C连线得AC线，A、E连线得AE线，D、C连线成DC线，G、s连线得GS线，E、S连线得ES线：

(6)填写整个相区的组织遵循从高温到低温，先钢后铁，紧扣两点(共晶点C，共析点S)、两线(共晶转变线ECF,共折转变线PSK)。共晶组织Ld蓝色显示，共析组织P红色显示。

3、相图分析

典型铁碳合金的结晶过程分析用从上到下闪亮的线条贯穿，表示从高温冷却到低温的全过程。当冷却线和相图中各特征线相交，用组织闪烁来表示发生的组织转变，并配以结晶过程示意图。特别强调PSK线以下，组织由于含碳量的不同发生的变化。

动画效图明显的多媒体课件，再配上鲜明的色彩，铁碳合金相图就活灵活现地展现在学生面前，最后可以引导学生对相图知识进行总结。同样，共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线也可以制成多媒体课件，配合教学。

四、巧用实验法

随着学校办学实力的提高，建立了力学实验室和金相实验室，配备了拉伸试验机，布氏、洛氏硬度机各一台，可以进行拉伸试验和硬度实验：金相显微镜八台和各类试样若干，可进行试样的显微组织分析；同时与齿轮厂进行了校企合作，可安排学生参观热处理车间。

实验课的教学围绕以下三个中心：

1、理论教学——转变学生思想

采用讲授与演示相结合的教学方法，通过演示和讲授，转变学生轻视实验的思想，

通过“多看一点，多听一点”激发学生对本学科的兴趣。

2、动手操作——形成能力培养体系

基本仪器的使用，可开放实验室，让学生在一周内通过观察、操作，配合查找仪器、仪表结构示意图，使用参数等，掌握正确的使用方法，侧重培养学生的观察能力。基础实验的操作，要求学生在规定时间内完成全部实验操作过程，并完成数据记录，侧重培养学生的动手能力。完成实验报告对采集的数据进行分析，探讨实验过程中的成功经验与失败教训，提出改进实验的建议，及减小误差的方法。这阶段主要侧重于对学生实验研究能力的培养，通过层层深化，在实验技能训练中促进综合素质的提高。

3、内引外联——扩展教学内容

首先要求学生利用已有技能自行加工实验试样，从选材到加工工艺都由学生自行操作，自行解决；其次，请专业人员来校举办讲座，拓宽知识面，通过实验课，使学生真真切切地学会探索知识的方法和技巧。

巧讲《金属材料与热处理》 篇4

巧讲《金属材料与热处理》

作者：谢 晨

来源：《职业·中旬》2009年第09期

《金属材料与热处理》是全国技工学校机械类专业的通用教材，本课程内容主要由金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理、金属材料及非金属材料(选学)五部分组成，基本涵盖了机械工业中常用的各类材料。该课程是一门从生产实践中发展起来，直接服务于生产的专业基础课，具有很强的实践性。由于材料种类繁多，性能又千变万化，本课程涉及的术语、概念多，而且抽象，对于年纪小、缺乏实践经验的学生来说，是一本难啃的“天书”。笔者在多年的教学中，积累了一些教学方法，通过“巧讲”尽量做到形象生动，理论联系实际讲清重要概念和基本理论。下面就从“巧用比较法”、“巧用归纳总结法”、“巧用演示法”和“巧用实验法”四个方面来进行阐述。

一、巧用比较法

在讲解金属的力学性能硬度这部分内容时，可以充分利用比较法。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法都是硬度试验，都是通过硬度试验来测得材料的硬度。实验过程中必须具备两个共同的条件压头、试验力，这是他们的共同点。然而在选择压头的种类和试验力的大小上，他们又有很多不同之处。紧紧抓住不同点，如压头的材质、压头的形态、试验力大小的不同，引导学生总结出三种硬度试验各自的优缺点及适用范围。最后从硬度试验的“符号、含义、压头选择、试验力、优缺点及适用范围”六个方面列表对新课进行总结，使问题简单化、直观化。

还可以利用比较法将难以理解的概念与生活知识相比较，起到化难为易的效果。像纯金属的结晶中过冷现象与百米冲刺冲过终点的惯性相比较，铸铁中的石墨与旧衣服上的小裂缝相比较等等。总之，通过这样的比较和分析，学生豁然开朗，较快地接受了新概念，对解决教学难点也很有益处。

二、巧用归纳总结法

1、平时积累阶段

主要是授完新课后，对全课的内容进行归纳与总结，可以是教师示范，也可以由教师引导学生进行或师生共同完成。归纳总结必须体现提纲挈领，全面准确，力求形式多样、有深度，不能只是前面教学内容的机械再现或重复。如第五章非合金钢(碳素钢)讲完后，可以归纳总结成表1：

依照同样格式、方法还可以编制：常用合金钢的牌号及应用：铸铁、有色金属的牌号及应用归纳表，以及力学性能指标及含义归纳表和钢的热处理归纳表。

2、期末整理提高阶段

平时的学习是量的积累，期末复习整理阶段要善于将知识点连成线、由线连成片，最后形成知识网，达到质的飞跃。

知识网络如图1所示。

配合平时的归纳总结表，厚厚的一本《金属材料与热处理》就清晰地展现在我们眼前了。

三、巧用演示法

1、复习巩固阶段

主要抓住纯铁的同素异构转变和铁碳合金相及组织这两大知识点进行。复习中，要注意强调三个点：纯铁的同素异构转变a-Fe→r-Fe的912℃(G点)，共晶点(C点)(温度1148℃，含碳量

4.3％C)，共析点(S点)(温度727℃，含碳量为0.77％C)。

2、建立相图

铁碳合金相图的建立要环环相扣，由点到线再到面，步步为营。切忌一下把完整的相图“放映”到学生眼前。

(1)建立坐标：

(2)在温度坐标轴上找温度点：A点1538℃、G点912℃、D点1227℃，在成分坐标轴上找成分点：0.77％C、2.11％C、4.3％C；

(3)找温度线1148℃(ECF线蓝色显示)，727℃(PSK线红色显示)；

(4)成分点与温度线得交点：0.77％c与727℃得交点S点(共析点红色加粗)，2.11％与

1148℃得交点E点(碳在r-Fe中最大溶解度)，4.3％C与1148℃相交点C点(共晶点蓝色加粗)；

(5)连点成线得相区：A、C连线得AC线，A、E连线得AE线，D、C连线成DC线，G、s连线得GS线，E、S连线得ES线：

(6)填写整个相区的组织遵循从高温到低温，先钢后铁，紧扣两点(共晶点C，共析点S)、两线(共晶转变线ECF,共折转变线PSK)。共晶组织Ld蓝色显示，共析组织P红色显示。

3、相图分析

典型铁碳合金的结晶过程分析用从上到下闪亮的线条贯穿，表示从高温冷却到低温的全过程。当冷却线和相图中各特征线相交，用组织闪烁来表示发生的组织转变，并配以结晶过程示意图。特别强调PSK线以下，组织由于含碳量的不同发生的变化。

动画效图明显的多媒体课件，再配上鲜明的色彩，铁碳合金相图就活灵活现地展现在学生面前，最后可以引导学生对相图知识进行总结。同样，共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线也可以制成多媒体课件，配合教学。

四、巧用实验法

随着学校办学实力的提高，建立了力学实验室和金相实验室，配备了拉伸试验机，布氏、洛氏硬度机各一台，可以进行拉伸试验和硬度实验：金相显微镜八台和各类试样若干，可进行试样的显微组织分析；同时与齿轮厂进行了校企合作，可安排学生参观热处理车间。实验课的教学围绕以下三个中心：

1、理论教学——转变学生思想

采用讲授与演示相结合的教学方法，通过演示和讲授，转变学生轻视实验的思想，通过“多看一点，多听一点”激发学生对本学科的兴趣。

2、动手操作——形成能力培养体系

基本仪器的使用，可开放实验室，让学生在一周内通过观察、操作，配合查找仪器、仪表结构示意图，使用参数等，掌握正确的使用方法，侧重培养学生的观察能力。基础实验的操作，要求学生在规定时间内完成全部实验操作过程，并完成数据记录，侧重培养学生的动手能力。完成实验报告对采集的数据进行分析，探讨实验过程中的成功经验与失败教训，提出改进实验的建议，及减小误差的方法。这阶段主要侧重于对学生实验研究能力的培养，通过层层深化，在实验技能训练中促进综合素质的提高。

3、内引外联——扩展教学内容

金属材料与热处理说课 篇5

第一部分：晶体结构与塑性变形 一、三种典型的金属晶体结构

1．bcc、fcc、hcp的晶胞结构、内含原子数，致密度、配位数。Bcc：体心立方，内包含2个原子，致密度为0.68，配位数为8 Fcc：面心立方，4个原子，致密度0.74，配位数12 Hcp：密排六方，6个原子，致密度0.74，配位数12 2．立方晶系的晶向指数[uvw]、晶面指数(hkl)的求法和画法。

3．晶向族〈„〉/晶面族{„}的意义（原子排列规律相同但方向不同的一组晶向/晶面，指数的数字相同而符号、顺序不同），会写出每一晶向族/晶面族包括的全部晶向/晶面。4．bcc、fcc晶体的密排面和密排方向。

密排面 密排方向

fcc {111} <110> bcc {110} <111>

二、晶体缺陷

1．点缺陷、线缺陷、面缺陷包括那些具体的晶体缺陷。

点缺陷：特征“三个方向尺寸都很小”空位，间隙原子，置换原子 线缺陷：特征“两个方向上的尺寸很小”位错：刃型位错，螺型位错

面缺陷：特征“在一个方向上尺寸很小”外表面，内界面：晶界，亚晶界，孪晶界，堆垛层错和相界 2．刃型位错的晶体模型。

三、塑性变形与再结晶

1．滑移的本质：滑移是通过位错运动进行的。2．滑移系 =滑移面 + 其上的一个滑移方向。滑移面与滑移方向就是晶体的密排面和密排方向。

3．强化金属的原理及主要途径：阻碍位错运动，使滑移进行困难，提高了金属强度。

主要途径是细晶强化（晶界阻碍）、固溶强化（溶质原子阻碍）、弥散强化（析出相质点阻碍）、加工硬化（因塑变位错密度增加产生阻碍）等。

4．冷塑性变形后金属加热时组织性能的变化过程：回复→再结晶→晶粒长大。5．冷、热加工的概念

冷加工：在再结晶温度以下进行的加工变形，产生纤维组织和加工硬化、内应力。

热加工：在再结晶温度以上进行的加工变形，同时进行再结晶，产生等轴晶粒，加工硬化、内应力全消失。6．热加工应使流线合理分布，提高零件的使用寿命。第二部分：金属与合金的结晶与相图

一、纯金属的结晶

1．为什么结晶必须要过冷度？

由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即 G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态 金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。

2．结晶是晶核形成和晶核长大的过程。

3．细化铸态金属的晶粒有哪些主要方法？（三种方法）控制过冷度，变质处理，振动搅动 二、二元合金的相结构与相图

1．固溶体和金属化合物的区别。（以下哪一些是固溶体，哪一些是金属化合物：α-Fe、γ-Fe、Fe3C、A、F、P、Ld、S、T、B上、B下、M片、M条？）

’2．匀晶相图

①在两相区内结晶时两相的成分、相对量怎样变化？ ②熟练掌握用杠杆定律计算的步骤：

⑴将所求材料一分为二，⑵注意杠杆的位置和长度，⑶正确列出关系式。3．共晶（析）相图

①熟悉共晶（析）相图的基本形式（水平线、一变二）。②会区分共晶（析）体、先共晶（析）相、次生相（二次相）。

③会在相图中填写组织组成物（或相组成物），掌握不同合金在室温时的平衡组织, 会熟练应用杠杆定律计算相组成物和组织组成物的相对量。

三、Fe-Fe3C 相图（重点）

1.默绘相图并牢记共晶转变和共析转变的温度与各相成分。包晶转变：1495摄氏度 共晶转变：温度1148摄氏度 共析转变：727摄氏度

2.掌握各类合金平衡结晶过程与室温时的平衡组织，会画符合要求的平衡组织示意图： ①各组织组成物的形态，②在相图上标注各组织组成物。3.会用杠杆定律计算相组成物和组织组成物的相对量。第三部分：各类材料与钢铁热处理（重点）

一、各类材料的牌号、热处理和用途

1． 会根据牌号确定钢的化学成分（碳及合金元素的含量范围）。①结构钢钢号特征： 前二位数字(万分比)普通碳素结构钢（如Q235等）、普通低合金钢（如Q295等）包括：⑴工程构件用钢： 含碳量小于0.20%。

热处理：热轧空冷后(相当于正火)直接使用 ⑵机器零件用钢： 按含碳量区分，由低到高是 渗碳钢(0.100.50%)(碳素钢：40, 45;合金钢：40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo)、热处理：调质处理，即淬火＋高温回火 用途：轴，弹簧钢(0.500.60%的工具钢, 如：3Cr2W8V，5CrNiMo 热处理：淬火＋高温回火

⑶量具用钢：C:0.9-1.5%, 碳素工具钢:T10A, T12A 热处理：水（油淬）＋低温回火 低合金工具钢：9SiCr, GCr15, 热处理：淬火（油）＋冷处理＋低温回火

③不锈钢钢： Cr含量≥13%, 如：1Cr18Ni9Ti，3Cr13 2．钢的热处理工序及应用

①预先热处理： 完全退火（用于亚共析钢，用于组织均匀化，Ac3+30 C）

球化退火（用于共析钢、过共析钢, Ac1+30 C）

正火（过共析钢中消除网状二次碳化物，低碳亚共析钢中代替完全退火但强度硬度高一些, Ac3(ACcm)+30 C）

②最终热处理

⑴一般： 低温回火（用于刃具、冷模具等）

淬火 + 中温回火（用于弹簧等）

高温回火（即调质，用于轴类等）

⑵特殊： 构件用钢：不淬火，在热轧或正火（空冷）状态使用；

渗碳钢：先渗碳，再淬火 + 低温回火。

3． 铸铁、有色金属材料的分类

①要求掌握铸铁的分类并认识牌号（HT、QT、KT等）。②了解铸铁中石墨形态（几种形态？）对铸铁性能的影响。③ 要求认识铝合金、铜合金、钛合金的类型和强化途径。4.材料力学性能各指标的符号、名称。

二、热处理原理 1． 2． 3． 4． 钢加热到临界点（AC1/AC3/ACm）以上形成奥氏体，应控制加热温度和保温时间以避免晶粒长大。共析钢的TTT曲线示意图。

P、S、T、B上、B下、M片、M条的形态。

M的性能：硬度决定于马氏体内含碳量，韧性决定于马氏体的粗细及形态。

5．TTT曲线的应用： 冷却方式 画冷却曲线 所得组织 6．回火形成粒状组织M回、T回、S回（T回、S回与片状组织T、S无关）。

三、热处理工艺 1.会确定加热温度 ①退火、正火、淬火：

碳钢：临界点（AC1/AC3/ACm）+ 30℃；合金钢原则相同，但温度较高。②回火： 低温回火，中温回火，高温回火（用于淬火后的热处理）2.冷却方式与目的

① 退火—炉冷；②正火—空冷；③淬火—单液淬火，水淬油冷，分级淬火（减小内应力），等温淬火（获得B下）3．淬透性与淬硬性的区别

淬透性：钢淬火获得M多少的能力，决定于C曲线左右的位置。

淬硬性：钢淬火获得M的硬度高低，决定于M内的含碳量。故高碳钢的淬硬性好而淬透性不好，低碳合金钢的淬透性好而淬硬性不够（如20CrMnTi）。

四、要求会定性分析合金元素在钢中主要作用的原因。①提高淬透性，②固溶强化，③弥散强化，④细化晶粒 ⑥所有合金元素都提高回火稳定性。

五、高速钢

1．莱氏体钢的锻造： 莱氏体钢内存在不均匀分布的粗大共晶碳化物，严重降低钢的性能，不能用热处理方法消除，必须进行反复多向的锻造击碎之，使之分布均匀，改善组织性能。高速钢及Cr12型钢都是莱氏体钢。2．为获得高速钢的红硬性，其热处理工艺应当： ① 高温淬火形成高碳高合金度的马氏体

高温加热（W18Cr4V 1280℃；W6Mo5Cr4V2 1220℃）使大量碳化物溶入奥氏体，形成高碳高合金度的奥氏体，经淬火形成高碳高合金度的马氏体 + 大量残余奥氏体 + 未溶碳化物，为二次硬化作准备。② 560℃多次回火时发生二次硬化，原因是：

⑴弥散强化，回火温度达500℃以上时，从马氏体内析出大量稳定的特殊合金碳化物，弥散分布，使硬度上升, 至560℃硬度达到峰值。

⑵二次硬化，在回火冷却时发生A向 M回 转变，也使硬度上升。多次回火可继续降低残余奥氏体量，进一步提高硬度。最终组织：回火马氏体 + 少量残余奥氏体 + 碳化物

，六、典型零件的选材、热处理及工艺路线（综合应用）

1、选材原则：力学性能；工艺性能；经济性；（轻型、高寿命）2． 轴类零件: 调质钢，如：40，40Cr等

热处理：调质（即淬火 + 高温回火）。（S回）

弹簧零件：弹簧钢。如：60Si2Mn 热处理：淬火 + 中温回火。(T回)机床齿轮：调质钢，如： 40，40Cr 热处理：调质表面淬火（高频）+ 低温回火。

汽车、拖拉机变速箱齿轮：渗碳钢，如：20Cr或20CrMnTi

热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火。

模具材料与表面处理讲义 篇6

论

一、模具在现代工业生产中的地位及作用

以前，人们习惯上把一个国家钢铁的产量作为衡量一个国家工业发展水平的标准（比如我们国家50年代大跃进的目的），但是自20世纪80-90年代，有人提出了一个出乎所有人意外的标准：一个国家模具工业的水平才是衡量一个国家工业发展水平的标准。

为什么？答案很简单：模具反映了1）一个国家的装备制造业和加工业水平的高低（在这个因素里面实际上包括了两个因素，即硬件的因素和软件的因素，硬件因素…软件因素中包含设计人员的素质、制造工人素质等因素----德国有个总统魏茨泽克曾经说过：我们需要的是更多的技师，而不是Doctor。）；2）模具反映了一个国家材料发展水平的高低（看似简单）；3）模具反映了一个国家材料处理技术水平的高低（热处理、表面处理）…

大家知道模具生产工件是一种少无切削的加工方式，它的特点是生产率高，材料利用率高，因此这种生产方法经济性能很好，正是由于上述原因，因此它才能在国民经济各个部门得到广泛的应用。举个例子：大家通常见到的汽车，大约70-80%以上的零部件是采用模具制造出来的，其中有冲压件、塑料件、锻件，橡胶件等等（可以请同

学们先说出零件然后看看是否为用模具生产出来的）。

模具在工业生产中的广泛应用反过来又促进了模具工业的发展，这主要体现在以下几个方面：

1）模具标准化程度提高；

2）模具品种增多、模具的复杂程度提高； 3）模具的精度和使用寿命明显提高；

4）模具材料行业发展加快、模具材料品种增多； 5）

模具技术人员（设计和制造）和管理人员的素质大大提高。

二、模具材料和表面处理在模具工业中的地位

模具性能的好坏、使用寿命的高低直接影响到产品的质量和经济性能，而模具的寿命与模具材料及其表面处理方式等诸多因素有直接的联系。换句话说，模具材料及其表面处理方式等因素对工件的质量和经济性能有直接的影响，因此，在现代模具生产过程中，人们对模具材料及其表面处理方式等给与了高度的重视，它在模具生产中具有举足轻重的地位。

三、模具材料与表面处理技术现状

从模具材料层面来看，我们国家在生产上一定形成了一定的规模，并且产量也比较高。但是如果从模具材料的品质和种类来看，与一些先进的国家相比仍然存在一定的差距，这具体表现在：1）先进1)国家模具材料品种和规格比较齐全（举个例子，比如大小）；2）模具材料材质好；3）国外企业使用新材料的积极性比国内要高，道理很2)简单，通过使用新材料可以降低成本或者提高性能，这就给新材料的发展提供了一种良性循环的局面。

3)从模具的热处理和表面处理技术方面来看。我们国家企业对于新技术、新工艺的认知度和工业国家有一定的差距。大多企业宁愿采用的传统的热处理和表面处理方式，也不愿采用新出现的工艺和技术。我想这主要可以归结为以下几方面的因素：1）信息闭塞，对新技术、新工艺不了解；2）不愿采用新技术，因为使用新技术存在一定的风险，并且需要前期投资；3）国家对于新工艺、新技术的重视程度不够，导致新工艺、新技术从理论方面不够完善。大家可以想象这种状况会使新工艺新技术的推广更加困难。

当然使用材料、新技术和新工艺绝对不应是盲目的，而必须具备丰富的专业知识和实际经验，只有这样才判断使用材料、新技术和新工艺会给企业带来哪些机遇。

总之，要想在模具材料与表面处理技术上赶上世界先进水平，有

很长的路要走。

四、学习本课程的意义

首先使同学们能够对于模具材料及其表面处理方式有一个系统、全面的了解；

其次是在学习了该课程之后，可以帮助同学们正确选择模具材料以及相应得热处理和表面处理工艺；

第三，有助于研制新材料、新工艺和新技术等。引子：在相应的模具专业课程学习过程中我们学习的重点是模具的结构设计，实际上模具设计还包括模具的选材以及模具的热处理和表面处理方法的选择，这也是为很多人所忽视的一个重要环节。比如在设计注塑模具时可供选择的模具材料很多（SM45、P20、铜铍合金等），究竟选用哪种比较合适？选择何种热处理（工艺、温度）以及表面处理工艺（渗透、覆层、机械、）比较合理？

第一章

模具材料概论

§1-1 模具和模具材料分类

一、模具

模具是在一定条件下借助于成形设备将液态或者固体材料（金属或者非金属）加工成产品的一种成形工艺装备。

用模具生产工件必须具备几个要素条件：即模具、成形设备、成形（被加工）材料。

三要素中主要包括的内容：

 模具因素：主要包括模具的设计和制造水平；

 成形设备因素：主要包括设备的能力和状态（精度）；  被成形材料因素：主要指被加工材料本身的性质（厚薄、软硬、流动性、腐蚀性等等）。

 一定的条件：指工作条件，即工作温度。

二、模具的分类

模具的种类繁多，比如我们以前学过的冷冲压模具、锻造模具、塑料模具等等都是模具。那么如何对模具进行分类哪？

1、根据成形材料、成形工艺和成形设备可以分为10大类，即①冲压模具、②塑料制品成形模具、③锻造成形模具、④压铸模、⑤铸造用金属模具、⑥粉末冶金模具、⑦玻璃制品用模具、⑧橡胶制品成形模具、⑨陶瓷模具、⑩经济模具等。

2、根据模具的工作条件（或者说坯料的温度）分3类:

即①热作模具；②冷作模具；③温作模具 ①热作模具包括

加工金属用—热锻模、热挤压模、锤锻模、热冲压模、压铸模和铸造用金属模具

加工非金属用—塑料成型模具、橡胶成型模具、玻璃制品模具、粉末冶金模具和陶瓷模具等。

②冷作模具包括 各种冷冲压模具（冲裁、弯曲和拉深）和冷镦模具和冷挤压模具等

③温作模具包括

温锻模具、温镦模具、温挤压模具和温旋压模具等。

三、模具材料的分类

模具材料种类繁多、分类方法很多。由于在模具制造过程中使用最多的是模具钢，因此我们可以把模具材料首先分成

热作模具钢

模具钢

冷作模具钢

温作模具钢 模具材料

铸铁

其它模具材料

有色金属及其合金

硬质合金（carbide）

其它非金属材料

§1-2 模具材料应当具备的主要性能指标

虽然我们上面对模具材料进行了分类，但是各种模具的工作条件不尽相同，因此对模具材料的要求也有很大的差别，对于共性的要求和个性的要求一定要分清楚。比如对于大多数的塑料制品成型模具来说一般要求模具能够在较短的时间内迅速冷却下来，以缩短生产周期，与此相应就要求模具材料具有良好的导热性能。但是对于注塑模具和压塑模具的要求又有一定的差别，因此在选择模具材料之前必须对模具的工作状况和各种模具材料的特点以及其它要求有深入的了解，只有这样所选择的模具材料才能最符合实际要求。那么模具材料主要有哪些性能指标呢？

一、强度

定义：强度是反映材料变形抗力和断裂抗力的一种指标。

1、变形抗力

从学过的知识我们知道，反映材料塑性变形抗力的主要指标是材料的屈服极限σs或者材料的屈服强度σ0.2。衡量冷作模具材料变形抗力的指标是指常温下的σs或者σ0.2。而衡量热作模具材料变形抗力的指标则是高温下的屈服极限σs或者屈服强度σ0.2。为了确保模具在使用的过程中不发生塑性变形，模具的工作应力必须小于屈服极限或者屈服强度。

2、断裂抗力

反映材料断裂抗力的指标是材料的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度。

冷作模具材料的断裂抗力一般用常温下的抗压、抗拉和抗弯强度来表示。

热作模具的断裂大多是由于疲劳破坏而造成的。

3、影响强度的因素  C和合金元素的含量

 C化物的类型、形状、大小和分布  晶粒大小  金相组织  残余奥氏体含量  内应力状态etc.二、硬度

 定义：硬度是反映材料软硬程度的指标。

 硬度是反映材料弹性、塑性、强度和韧性等一系列性能的一个综合性指标；

 模具材料必须具备较高的硬度，以保证模具在使用过程中

具备必要的稳定性，冷作模具硬度稍高，一般在60HRC左右，热作模具稍低，一般在35-55HRC左右；  热作模具要求材料具有良好的热硬性；即材料在高温下保

持原有硬度的能力；

 影响硬度的因素：主要有材料的化学成分和处理工艺。常见的有洛氏硬度（HRC）、布氏硬度（HB）、和维氏硬度（HV）。

三、耐磨性

反映了材料表面抵抗磨损的能力。

1、耐磨性常用常温下的相对磨损量来表示。

2、磨损是由于模具与被加工材料之间的相对运动而产生的；

3、磨损的主要形式有：磨料磨损、粘着磨损、氧化磨损和疲劳磨损。

当冲击负荷比较小时耐磨性能与硬度成正比，即硬度越高，材料的耐磨性能越好；当冲击负荷比较大时，除了硬度之外，耐磨性能还会受到强度和韧性的影响，在一定范围内耐磨性能与硬度成正比，但超过了一定值之后材料的耐磨性能反而会随着硬度的上升而下降。

耐磨性能与材料的金相组织有关。铁素体耐磨性能最差，马氏体耐磨性能稍好，而下贝氏体耐磨性能最好。此外耐磨性能还与材料中C化物的性质、数量和分布状态有很密切的关系。

 磨料磨损：在工件与模具接触表面之间的外来硬质颗粒刮擦模具表面从而造成模具表面材料脱落的现象叫做磨料磨损。机理：当磨料与工件和模具表面接触时，由于工件与模具之间

存在相对运动，因此作用在磨料上的力可以分为与模具表面垂直和平行两个方向上的力。垂直方向上的力将磨料压入模具表面，而平行方向的力使磨料与模具表面发生相对运动，这种相对运动将在模具的表面上留下划痕，见图1-1。

图1-2-1磨料磨损原理图

磨料磨损主要取决于材料的硬度和组织等因素。

 粘着磨损：在成型的过程中，工件与模具表面之间会产生相对运动，由于模具表面凹凸不平，粘着的结点将发生剪切破坏，模具材料将转移到工件上或者脱落，这种现象我们称之为粘着磨损。

机理：○1微小的凸起开始接触，继而在接触的峰顶部为产生弹

性—塑性变形。○2变形持续进行，接触点粘着形成粘结点；○3相对运动继续进行，在粘结点附近产生裂纹；○4变形增大，在粘结点的裂纹处剪断，并附着在工件上。

粘着磨损主要受到材料摩擦系数的影响。摩擦系数越小粘着磨损也越小，因此可以通过对材料的表面进行处理以达到降低摩擦系数之目的。从组织结构上来看，当结构为下贝氏体或者回火马氏体且C化物分布均匀、细小时材料的耐粘着磨损能力较好。 氧化磨损

氧化磨损取决于所形成的氧化膜的性质和氧化膜与基体的结合强度。一般说来，致密的、非脆性氧化膜在与基体结合强度较高时具有较高的耐氧化磨损能力。 疲劳磨损

取决于材料的冶金质量。钢材中的缺陷，比如疏松、气孔、白点和非金属夹杂物等缺陷都可能成为疲劳裂纹源。在选择材料时，应当尽量选择真空脱氧、电渣重熔和真空熔炼等方法生产的材料，这样的材料比较纯洁，气孔和非金属夹杂物比较少，材料的耐疲劳磨损能力比较高。

四、韧性

 定义：韧性是材料在冲击负荷下抵抗产生裂纹的能力。 通常冲击负荷用αk表示。在工作时承受较大负荷的模具必须考虑材料的冲击韧度。一般说来，材料在硬度比较高时其冲击韧性比较低。

 影响韧性的因素：钢的成分、组织和冶金质量。随着含C ↘杂质减少αk增加；细晶组织、板状马氏体组织和下贝氏体组织以及高温回火组织αk值比较高

五、疲劳抗力

 定义：是反映在交变负荷的作用下材料抵抗破坏的能力。 衡量标准有：疲劳强度；疲劳裂纹萌生抗力；疲劳裂纹扩展抗力等等。

 对于热作模具来说，其工作状态为急冷急热，因此会发生所谓的冷热疲劳，因此冷热疲劳是衡量热作模具材料的一个重要指标。

六、耐热性

热作模具在工作的过程中由于工作温度比较高，这时常温状态下的一些介稳组织就会转变为稳定组织，在此过程中，组织结构将发生

变化（如马氏体分解、C化物聚集长大etc.）。这种组织的转变将导致材料强度、硬度等力学指标的下降，从而影响材料的使用性能。

七、耐腐蚀性

在加工工件时，被加工材料中可能会有一些具有腐蚀性的物质，这些腐蚀性的物质将造成模具表面腐蚀，加剧表面的磨损。因此在加工这类材料时，模具材料应当具有一定的耐腐蚀性。

§1-3 模具的失效形式和失效原因分析

一、模具的失效形式

1、模具的寿命

模具的寿命是指模具从开始使用到失效时所加工工件的次数。

2、模具失效

模具失效是指模具的工作部分发生严重磨损或者破坏、且无法用一般方法修复(刃磨)的状态。

3、模具失效的类型

有2种，即偶然失效和工作失效。

 偶然失效----因为设计不良、使用不当等使模具发生早期破坏。

 工作失效----模具因为工作而发生的正常磨损、破坏etc.4、失效的形式

虽然模具种类繁多、工作状态和工作条件也有很大差异，但是失效的方式归纳起来主要有3种，即

磨损

表面磨损----磨料磨损、粘着磨损、氧化磨损和疲劳磨损

表面腐蚀----点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀和应力腐蚀

断裂

脆性断裂

塑性断裂

疲劳断裂，见图1-3-1 变形

弹性变形

塑性变形（塌陷、弯曲、镦粗etc.），见图1-3-1，图1-3-2。

蠕变

二、模具的失效分析

1、失效分析的意义

为模具材料的选择以及模具设计和制造提出改进之处，为模具新材料、新工艺和新方法的研制提供一些参考数据，指导正确使用模具和设备。

2、分析步骤

 生产现场调查

记录模具失效的方式、加工件（材料、厚度等）、使用的设备、模具的安装、操作情况，最后封存模具；

 对失效的模具进行必要的分析。主要包括4方面的内容：8

a）检查模具的材质（主要包括化学成分、冶金质量、金相组织等，与入库检查记录和材料供应商提供的技术参数进行比较）； b）检查加工工艺（锻造、机械加工、热处理、表面处理等是否符合规范）；

c）检查分析模具结构（是否明显的结构缺陷）； d）检查使用情况（是否有不当之处）；  分析失效原因

模具是偶然失效（模具结构、安装、使用、设备etc.）还是

工作失效（断裂、磨损、塑性变形） 写出事件的过程、分析、结论

3、举例说明（原因分析）

图1-3-3冷挤压冲头

可能出现问题的部位：R（断裂）D（尺寸变小）出现问题的可能原因：R-疲劳破坏 D-磨损 §1-4 影响模具寿命的主要因素

一、模具结构设计对模具的影响

1、圆角半径

在模具设计过程中，2个面的相交部位往往采用圆弧连接，圆弧是模具设计中不可缺少的一部分。在模具的设计过程中有内、外圆角之分，这些圆角半径的大小不仅对成型件的质量有很大的影响，而且对模具的使用寿命也有很大的影响。

一般来说，模具的外圆角对工艺影响比较大，比如在拉深工艺中，如果外圆角过小，拉深时的成型力将会增加。而内圆角半径的大小则会对模具的使用寿命有很大的影响，过小的圆角半径将会导致材料在该处产生较大的应力集中现象，最后导致模具在该处发生疲劳破坏。

图1-3-4 冲裁凹模

2、模具型腔结构

人们一般认为整体的模具型腔结构简单、使用时寿命比较高。但事实是模具在过渡部位存在比较大的应力集中，而这些应力集中现象会造成模具早期开裂，因此可以在这些部位处采取组合式结构，以降低应力集中现象，见图1-3-5。

此外模具的开裂有时是由于拉应力过大而造成的（可以稍微具体分析），对这类的模具也可以采用组合结构，已降低拉应力，避免模具开裂，见图1-3-6。

3、模具工作部位角度

 挤压冲头，见图1-3-8

分析三种情况下工作和失效的情况。 拔（脱）模斜度

大小对于质量、寿命的影响。锻模和塑料模均有。

实际上对于每种模具而言，其结构上都有自己的特点，因此在分析的过程中，一定要结合实际情况。比如在冲裁模具中，还要注意冲裁间隙等等。

二、模具的制造质量

1、模具坯料的锻造

 锻造加热规范；  锻造温度；  锻造方法和锻造比；  锻后冷却。

2、模具的机械加工和电加工

 模具的加工包括外形加工和工作部分的加工。外形的加工比较简单，可以采用车、铣、刨、磨等多种方式进行加工，由于这些部位不直接与工件或者坯料接触，因此它们的加工情况对模具的寿命影响很小。模具的工作部位在加工工件的过程中与毛坯直接接触，并且承受很大的负荷，因此它们的加工质量对模具的寿命有很大的影响。

 加工质量主要指尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。如果加工质量达不到要求，则模具的寿命就会受到很大影响。比如在冲裁模具中如果凸模的尺寸偏大，则在使用的过程中磨损就会加剧，即模具的设计使用寿命就会降低。

三、模具热处理和表面处理的影响

 模具的热处理是为了保障模具材料在使用的过程中具有必要的强度、刚度、韧性和耐磨性等。

 热处理工艺方法比较多，但主要是淬火和回火。在热处理过程中，必须严格遵守操作规范，否则将会出现一些影响模具

使用寿命的不良因素，比如氧化和脱C、过热和过烧，硬度不足、脆断等。

 模具的表面处理是为了提高材料表面的某些性能，比如耐磨、耐腐蚀性等，处理合理有助于提高模具的使用寿命。

模具材料的种类、化学成分、组织结构和冶金质量和硬度等对模具寿命均有影响。

 模具材料的种类：普通模具钢和硬质合金冲压电机转子寿

命之比较；  成分的影响；  组织结构的影响；  冶金质量的影响；

 硬度的影响：一般说来硬度越高，模具的使用寿命越长，当硬度达到一定程度的时候，模具的使用寿命随着硬度的升高而下降。（模具热处理）；

 模具本身物理性能，比如导热性能等对于模具的使用也有很大的影响。

四、模具材料对模具寿命的影响

五、使用对模具使用寿命的影响

 设备：

主要是指设备的状态，比如精度和刚度；

 被加工材料的性质：

被加工材料的表面质量、尺寸、硬度、有无腐蚀性等；

 模具的安装和使用

安装精度的高低；

使用过程中对模具的维护；

 操作规程

模具的预热；

模具的保温；

禁止冷击等；

送料控制（双料）

 模具管理

存放（专用场所、编号并按照编号排列）；

维护（使用后检查并定期涂上保护油脂）；

专人保管第二章

冷作模具材料

冷作模具定义：在常温下对材料进行压力加工或者其它加工使用的工装叫做冷作模具。

 根据上述定义归纳一下哪些模具是冷作模具？ 冲裁、拉深、弯曲、冷挤压、冷镦、滚丝、拉丝etc. 主要的冷作模具材料有：冷作模具钢、硬质合金（Carbide）、陶瓷（ceramics）、铸铁etc.；

 其中使用最为广泛的模具材料为冷作模具钢和硬质合金。

在这一章里我们将通过分析模具的工作条件、失效形式以及性能要求来综合分析冷作模具钢和硬质合金2类材料。

§2-1 对冷作模具材料性能的要求

一、对冷作模具材料使用性能方面的要求

在分析冷作模具材料的使用性能之前，我们先来看一下冷作模具的工作条件和模具在使用过程中的主要失效形式。

 冷作模具在工作的过程中承受的负荷：

冷作模具种类繁多，结构也比较复杂，在使用的过程中模具材料可能要承受拉伸、压缩、弯曲、冲击、摩擦等机械负荷的作用。

 冷作模具的主要失效形式： 磨损、脆断、变形、咬合

根据上述冷作模具所承受的负荷和主要的失效方式，对冷作模具材料提出的主要性能要求是：

1、良好的硬度和耐磨性

 这一指标主要为了保证模具形状和尺寸的稳定性。 冷作模具在工作时，模具和坯料之间会产生相对运动。而

这种相对运动会使他们之间产生很大的摩擦，这种摩擦会使模具表面出现微小的凸凹痕迹，这些凸凹痕迹与坯料表面凸凹部位相咬合，并在模具的表面上产生切应力，从而导致模具表面的机械破坏。

 在前面我们讲过，对于冲击负荷不大的场合，模具材料的耐磨性能与材料的硬度成正比，所以大家可以知道为什么冲裁模具的硬度比较高。总的原则是：在满足其它性能的前提下，尽量选择比较高的硬度值。一般来说；冷作模具的工作硬度在60HRC左右。具体的硬度值要看模具的工作条件。

2、高强度

 强度主要是起到承受负荷的作用。

 强度是选择模具材料的重要指标之一。根据前面提到的强度指标我们知道强度应当有2层含义，即塑性变形抗力和断裂抗力。

3、足够的韧性

 对于承受强烈冲击负荷的模具来说，通常要求模具材料必须具有良好的韧性。要提高韧性就必须适当降低材料的硬度，这与前面的硬度和耐磨性要求出现了矛盾，因此必须在提出材料指标要求综合考虑各种因素。

 对于承受较小冲击负荷的模具，在选择模具材料是主要考虑材料强度和疲劳强度。

4、良好的抗疲劳性能（疲劳强度）

 在很多情况下，模具承受的静负荷并不是很大，冲击负荷也不高，但是负荷呈周期性变化。在这种情况下，模具发生失效往往是由于材料发生了疲劳破坏，因此在选择模具材料时，必须对疲劳抗力提出一定的要求。

 影响疲劳破坏的因素：钢材中有带状或者网状C化物、晶粒

粗大、模具表面上有微小刀痕、凹槽以及截面突然变化，此外模具表面的脱碳现象也会导致材料出现疲劳破坏。

5、良好的抗咬合能力

当被加工材料与模具表面接触时，由于高压的作用使润滑失效，此时被加工材料与模具材料直接接触，被加工材料被冷焊接在模具的型腔上形成金属瘤，这样，在后续加工中，就会在工件的表面留下划痕。

影响抗咬合能力因素：

 被加工材料的种类，比如镍基合金、奥氏体不锈钢等出现

咬合的概率比较高；  模具材料本身抗咬合能力；  润滑条件。

二、工艺性能要求

1、可锻性

锻造的目的：○1为了改变材料的内部的组织，○2消除组织缺陷、○3提高材料的致密性、○4改善材料的流线分布，由此可以看出锻造对于材料的质量有很大的影响。从锻造工艺性方面对模具材料的具体要求有以下几条：  材料塑性好；  锻造时变形抗力小；  锻造温度范围广；

 锻裂以及析出网状C化物倾向性小。

2、良好的切削性能

1）具体要求：  切削力小；  切削量大；  刀具磨损小；  加工质量好。

2）改变切削性能措施：

 在切削加工比较困难时，通过热处理改变组织，因此改变切削性能；

 表面质量要求比较高的模具可以选用易切削钢，这些钢种含有S、Ca等元素。

3、良好的磨削性能

由于模具的尺寸精度和形状精度要求比较高，因此多数模具工作零件必须经过磨削加工才能使用。

具体要求：

 对砂轮和冷却条件不敏感；  不易发生磨伤和磨裂。

4、热处理工艺性和表面处理工艺性

主要包括淬透性、回火稳定性、脱C倾向性、过热敏感性、淬火变形和开裂。

 淬透性

大型模具除了要求表面具有足够的硬度外，还要求芯部具有良好的强度和韧性，这就要求模具材料必须具有良好的淬透性；对于形状比较复杂的模具也要求使用淬透性比较高的材料，原因是淬火后材料内部的应力状态比较均匀，这样就可以避免出现开裂或者较大的变形。鉴于上述原因，故一般要求模具材料具有良好的淬透性。

 回火稳定性

回火稳定性反映了受热软化时，材料的变形抗力； 回火稳定性高的材料具有良好的热硬性； 回火稳定性用软化温度和二次硬化硬度来表示。二次硬化概念：

某些铁碳合金(比较典型的是高速钢)须经回火后，硬度进一步提高。这种硬化现象，称为二次硬化。

它是由于特殊碳化物析出和(或)由于参与奥氏体转变为马氏体或贝氏体所致。

 脱C倾向性小、过热敏感性低

脱C会造成材料耐磨性能和疲劳性能的下降； 过热则会使材料的晶粒粗大，降低材料的韧性。 淬火变形和开裂倾向性小

产生的原因可能有2方面的因素，即热处理工艺或者模具材料，我们在这里主要考虑材料方面的因素，即材料的成分和原始组织状态。

 表面处理工艺性能良好。

三、冷作模具材料的主要成分及其对性能的影响

1、C元素及其含量

C是金属材料中的主要元素，C含量是影响模具材料性能的决定性因素，很多性能都与C含量有密切的关系。C↗硬度强度和耐磨性能↗但是塑性和韧性下降； C↘硬度强度和耐磨性能↘但是塑性和韧性↗。

因此在选择模具材料时要根据具体的工艺特点来选取。如果要求材料具有比较高的耐磨性能，就可以选择含C量比较高的的材料；反之，如果要求模具的韧性比较好，就应当选择含C量稍微低一点的材料。

模具用材料的含C量一般在0,5—1,5之间，当然也有少数模具材料的含C量很高（可能达到2%左右）。

在钢材中添加的其它合金成分可以改进某些性能，当然也可能带来某些负面的影响。

2、Mn元素

 优点：

可以增加钢的淬透性；降低Ms点；增加淬火后残余奥氏体量。这些都有利于防止工件变形、淬裂，并可以使外形尺寸比较稳定。

 缺点：

加入Mn后钢材的导热性下降；过热敏感性加剧；第二类回火脆性增加。

3、Si元素

 优点：

增加钢材的淬透性；增加钢材的回火稳定性；提高材料的变形抗力和疲劳抗力；提高材料的抗氧化性能和耐腐蚀性能。

 缺点：

 优点:

二次硬化效果好；热硬性提高；耐磨性提高；过热敏感性降低。

加剧脱C倾向性（Si元素可以促使C以石墨的方式析出）；过热敏感性和第二类回火脆性加剧。

4、Cr元素

 优点: 淬透性提高；回火稳定性提高；过热敏感性降低；耐磨性能提高；抗氧化能力提高。

 缺点

C化物分布不均匀性加剧；残余奥氏体量增加。

5、Mo元素

 优点: 淬透性提高；回火稳定性提高；高温蠕变强度提高；二次硬化效果提高；可以抑制Cr、Mn、Si引起的第二类回火脆性。

 缺点

脱C倾向性加剧。

6、W元素

 缺点

导热性降低；硬度和韧性下降。

7、V元素

 优点:

耐磨性提高；热硬性提高；细化晶粒；过热敏感性下降。 缺点

锻造性能和磨削性能下降。

8、Co元素

 优点:

热硬性提高；二次硬化提高；

9、Ni元素

 优点:

强韧性提高，淬透性提高；耐腐蚀性提高。 缺点

二类回火脆性提高。

§2-2 冷作模具材料及热处理规范

冷作模具材料的分类：

分类的方法很多，比如按照元素成分来分；按照性能来分等等。比如按照合金元素的含量来分可以分为：低合金、中合金、高合金工具钢等等。

我们教材采用了一种综合考虑化学成分、工艺性能和力学性能的分类方法，按照这一分法可以将模具钢分为8类，即

 低淬透性冷作模具钢；  低变形冷作模具钢；  高耐磨、微变形冷作模具钢；  高强度、高耐磨冷作模具钢；  抗冲击冷作模具钢；  高强韧性冷作模具钢；  高耐磨、高韧性冷作模具钢；  特殊用途冷作模具钢

下面我们就根据上述分类方法对每类材料的特点进行研究。

一、低淬透性冷作模具钢

这类钢种主要以C素工具钢为主，典型的钢号有T7A，T8A，T10A，T12A，9Cr2，GCr15等等。

1、C素工具钢的特性

C素工具钢价格便宜、材料供货渠道好、锻造工艺性和加工工艺性也比较好。这类材料的缺点是淬透性比较差，材料在使用的过程中耐磨性、热硬性稍差，因此模具的寿命比较短；此外，在热处理过程中，淬火温度范围比较窄，且开裂的倾向性比较大。

1）力学性能

材料的力学性能取决于材料热处理时的淬火和回火温度。 淬火温度的影响

图2-1 淬火温度对强韧性的影响 提高温度：材料的强度、冲击韧性和抗弯挠度均下降（见图2-1），原因是淬火马氏体变得粗大。

提高温度，材料处理后的硬度随着温度的升高而逐渐增加，达到一定程度后基本保持不变（见图2-2）。

图2-2 淬火温度与硬度之间的关系

1—试样表面硬度；2—试样中心硬度（试样直径20mm）尽管如此，大多数的C素工具钢仍然采用比较高的温度进行淬火，原因是C素工具钢的淬透能力比较差（见图2-3），在实际生产中一般采取提高淬火温度的方法来提高淬硬层的厚度，以提高材料的承载能力。

图2-3 淬火温度与淬透性之间的关系

直径比较小的模具淬火温度一般控制在760--780℃，而稍微大点的模具温度则控制在800--850℃。

但是淬火温度过高，材料内部会出现比较大的残余应力，因此容易产生裂纹。

材料的耐磨性能随着C含量的增加而提高，主要原因是残余C化物量增加之缘故。

 回火温度的影响

硬度：随着回火温度的升高而降低，当回火温度超过200℃时，下降的趋势更快（图2-4）。

图2-4 硬度回火温度的关系

抗弯强度：在220--250℃之间回火时达到最大值，见图2-5。

见图2-5 抗弯强度与回火温度之间的关系

韧性：在220--250℃之间回火时出现回火脆性，如果承受高冲击负荷的模具，应当避免在此范围内进行回火；

如果对抗弯强度有较高的要求，则可以在220--280℃的范围内进行回火。

如果对材料性能没有什么特殊要求的话，碳素工具钢的回火温度一般取160--180℃。

2）工艺性能 a)锻造工艺性

 变形抗力小，锻造温度范围宽，即锻造工艺性能良好。比

如T8A，T10A 锻造温度范围为850-800℃，1150-1100℃  锻造T10A和T12A是应特别注意：严格控制终锻温度和

锻后冷却速度。如果终锻温度过高且锻后冷却缓慢，则在材料中容易析出网状二次渗C体，这将导致在后来的淬火过程中出现淬火开裂。在磨削过程中出现磨削裂纹，再使用的过程中出现脆断。所以在锻后一般采用空冷的方法。此外在锻造的过程中可以采用比较大的锻造比，以细化C化物。

 在锻造之后，需要将锻件进行处理，以便消除内应力，降

低硬度，细化组织，这样可以进行机械加工并为以后的热处理做好准备。

 锻后处理主要有2种：即等温球化退火和正火+等温球化退火。在正常情况下采用等温球化退火即可；如果锻造之后出现晶粒粗大或者网状C化物，则必须采用正火+等温球化退火。

 等温球化退火工艺：

加热温度：750-770℃ 等温温度：680-700℃

退火组织为珠光体，硬度小于197HBS  正火工艺：

T10A，T12A：温度830-850℃ b)淬透性

 淬透性比较差；截面小于4-5mm油淬可以淬透；5-15mm水淬可以淬透；20-25mm水淬无法淬透。c)淬火变形

 在淬火过程中使用强冷却介质，这样可以提高材料的淬透性，但同时可以引起较大的淬火变形。

 不同的材料在淬火之后变形有规律：比如说T7A在淬火之后尺寸变大，因此在设计零件时可以将精加工余量适当减小；T8A，T10A，T12A等在淬火之后尺寸变小，因此在设计工件时可以将精加工余量适当加大。

3）低淬透性冷作模具钢热处理规范

热处理规范内容应当包括淬火规范和回火规范。对于低淬透性冷作模具钢来说，可以参考表2-5。

4）应用范围

从上面的分析我们可以看出，这类材料价格比较便宜，且具有比较好的锻造和机械加工工艺性，具有一定的耐磨性，硬度也比较高，但是淬透性差，淬火变形也比较大，同时韧性也比较差，因此多用在尺寸小、形状简单、负荷小、批量不大的生产场合。

2、GCr15

GCr15实际上是一种轴承专用钢，这种材料硬度高、强度高、耐磨性好、淬火变形小，因此也可以用来制造冷作模具。

1）力学性能

 正常的淬火温度为830-860℃，（最佳温度为840℃），淬

火后的硬度可以达到63-65HRC。高于860℃，时由于残余奥氏体的增加和奥氏体晶粒的粗化，淬火硬度又会下降，此外钢材的强度和塑性、韧性也有明显下降。

 尺寸较大的模具采用稍微高点的淬火温度，以提高材料的淬透性，获得足够的淬硬层深度和较高的硬度。 尺寸较小的或者使用油淬的模具一般采用较低的淬火温度。

 淬火组织为隐晶马氏体+球状碳化物（分布均匀）+残余奥氏体。

 回火温度对硬度和冲击韧性的影响

随着回火温度的升高，回火后材料的硬度逐渐下降，但耐回火性能明显高于碳素工具钢，比如在200-220℃回火时，其硬度仍然可以达到60HRC左右，见图2-6。

图2-6 硬度与回火温度之间的关系

冲击韧性与回火温度有明显的联系，在160-200℃之间回火时，冲击韧性有明显的提高，主要原因是消除了淬火应力，马氏体过饱和度减少。但是超过200℃回火，冲击韧性又有明显的下降，进入所谓的第一类回火脆性区，见图2-7。所以回火温度一般为160-180℃。

图2-7 冲击韧性与回火温度之间的关系

2）工艺性能  锻造工艺性

锻造工艺性较好，锻造温度范围比较宽，析出网状碳化物的倾向性小。始锻温度1080-1020℃，终锻温度850℃，锻后空冷，金

相组织为片状珠光体。

如果锻造工艺不当，比如终锻温度过高、锻后冷却速度缓慢等，则碳化物将沿奥氏体晶界析出，并形成粗大的网状碳化物，如果终锻温度过低，则沿晶界析出的碳化物和奥氏体一起沿着变形方向被拉长，出现条状碳化物，这样的组织必须经过正火处理才能消除。

 正火工艺

温度920-900，冷却速度>40-50℃/min 小料空冷，大料强制冷却。 球化退火 加热温度：770-790℃ 保温温度：720-690℃ 退火后硬度：217-255HBS  淬透性

具有良好的淬透性，一般25mm左右的坯料可以淬透。淬火温度范围宽，过热倾向性小，残余奥氏体少，淬火变形小。

二、低变形冷作模具钢

低变形冷作模具钢是在C素工具钢的基础上发展起来的。这类钢材是针对C素工具钢的缺点加入了的合金元素，比如Cr、Mn、Si、W、V等。加入这些合金元素后，材料的淬透性明显提高，细化了晶粒，材料的回火稳定性明显提高，因此材料在强韧性、耐磨性和热硬性等方面比C素工具钢有明显的提高。使用寿命也比C素工具钢长。表2-6列举了各种低变形冷作模具钢。在这些钢种中，最常使用的是CrWMn和9Mn2V。下面我们就重点介绍一下这2种材料的特性。

1、CrWMn

1）力学性能

 淬火温度与力学性能

硬度(Hardness)和温度(Temperature)之间的关系见图2-8）

图2-8 硬度、冲击韧性与淬火温度之间的关系 当淬火温度<850℃时： T↗

H↗

当淬火温度>850℃时： T↗

H↘

冲击韧性αk在800℃达到最大（见图2-8）

抗弯强度σbb在800-820℃是最大，淬火温度一般选择在820-850℃，淬火硬度62-65HRC。

图2-9 抗弯强度与淬火温度之间的关系

淬火方法对性能的影响：

当要求冲击韧性比较好的时候可以采用等温淬火的方法，见图2-10。

图2-10 性能与淬火方法之间的关系 回火温度与力学性能之间的关系 硬度与回火温度之间的关系：

图2-11 硬度与回火温度之间的关系24

硬度随着回火温度的升高而下降，见图2-11，因此回火温度多选择在140-160℃，回火后硬度62-65HRC；170-200℃，60-62HRC。230-280℃，55-60HRC。

冲击韧性与回火温度之间的关系：

冲击韧性随着回火温度的升高而升高，但是在大约250℃的范围出现下降，见图2-12，即出现回火脆性。所以要避免在此范围内回火。

抗弯强度与回火温度之间的关系：

抗弯强度随着回火温度升高而增加，但是在200℃左右出现谷值，见图2-13，因此在回火的过程中要避开该温度范围。

图2-12 冲击韧性与回火温度之间的关系

图2-13 抗弯强度与回火温度之间的关系 2）工艺性能  锻造工艺性

CrWMn属于高C低合金工具钢，总体来说锻造工艺性比较好：变形抗力小，锻造温度范围较宽，但是这种材料C化物偏析比较严重，因此在锻造时应当采用反复镦拔的方法，此外，锻后冷却缓慢容易生成网状C化物，因此锻造之后应当先空冷到650-700℃，然后转入热灰中缓慢冷却。

在锻造之后需要将工件进行等温球化退火处理，退火后的材料组织比较均匀，硬度不高（255-207HBS）。如果材料在锻造之后出

现了网状C化物或者晶粒粗大时，就必须在退火之前进行正火处理。具体工艺参数： 球化退火温度：790-830℃； 等温温度：700-720℃； 量的V，细化了晶粒，降低了过热敏感性，通常采用的淬火温度为780-820℃。

正火温度：930-950℃  淬透性

由于材料中含有Cr、Mn、W等元素，因此其淬透性比碳素工具钢有明显提高，直径小于40-50mm的工件可以在油中淬透，并且淬火变形小。

 使用范围

由于Cr WMn淬透性较好，且淬火变形小，其硬度、耐磨性、强韧性等主要指标均优于碳素工具钢，因此是一种应用比较广泛的模具材料。目前主要用于要求变形小、形状复杂的轻型冲裁模具（一般板料厚度<2mm）和常见的拉深、弯曲和翻边模具。2、9Mn2V 1）力学性能

 淬火温度与力学性能之间的关系 硬度与淬火温度之间的关系： 抗弯强度与淬火温度之间的关系：

9Mn2V的淬火温度范围比较宽，在840℃以下淬火，其力学性能基本保持不变，见图2-

14、2-15，原因是该材料中含有一定

图2-14 硬度与淬火温度之间的关系

2-15 强韧性与淬火温度之间的关系26

图  回火温度与力学性能

硬度随着回火温度的升高而降低，当回火温度高于200℃时，硬度下降的速度明显加快，见图2-16。

冲击韧性随着回火温度的升高而逐步升高，当回火温度在200-250℃时，αk出现一个低谷，见图2-16，即材料出现回火脆性。

图2-16 硬度、冲击韧性与回火温度之间的关系

综合上述原因，一般回火温度取160-180℃。硬度60-62HRC。2）锻造工艺性

C化物的不均匀性比CrWMn小，锻造温度范围较宽（1150-800℃），因此锻造工艺性比较好。

锻造之后先空冷至700-650℃，然后转入热砂缓冷。

球化退火：加热温度760-780℃，等温温度700-680℃

退火后硬度<229HBS 3）淬透性

和CrWMn相比9Mn2V的淬透性稍微差些，油淬临界直径为30mm左右。

淬火变形小，低温回火是体积发生膨胀。4）应用范围 中小型冷冲模具。

3、热处理规范

1）CrWMn

淬火：预热温度：400-650℃

加热温度：820-850℃

淬火介质：油

淬火硬度：62-65HRC 回火：回火温度：140-160℃

回火硬度：62-65HRC 2）9Mn2V 淬火：预热温度：400-650℃

加热温度：780-820℃

淬火介质：油

淬火硬度：〉62HRC

回火：回火温度：150-200℃

回火硬度：60-62HRC

三、高耐磨、微变形冷作模具钢

1、Cr12和Cr12MoV 特点：具有高的硬度、耐磨性、淬透性、韧性高、淬火后体积变化最小。使用时脆断倾向性大。

1）力学性能

 淬火温度与力学性能的关系

Hardness随着淬火温度的升高而逐步增加，超过了临界点时（1050℃），硬度随着淬火温度的升高而下降，见图2-17。

冲击韧度和抗弯强度与淬火温度之间的关系

冲击韧度随着温度的上升而逐渐升高，超过了一定值后（1000℃），冲击韧度则随着淬火温度的升高而逐渐下降，见图2-18。

图2-17 硬度与淬火温度之间的关系

2-18 冲击韧性和抗弯强度与淬火温度之间的关系28

图 抗弯强度随着温度的上升而逐渐升高，超过了一定值后（950℃），冲击韧度则随着淬火温度的升高逐渐下降，见图2-18。

 回火温度与力学性能之间的关系 硬度与回火温度之间的关系

随着回火温度的上升，硬度逐渐下降，当达到520℃左右时，硬度出现较大的回升，即出现所谓的二次硬化，见图2-19，并且淬火温度越高回升的程度越大。

图2-19 硬度与回火温度之间的关系

冲击韧度、抗弯强度和抗压强度与回火温度的关系，见图2-20，图2-21。

图2-20 冲击韧性、抗弯强度与回火温度之间的关系

图2-21 抗弯抗压强度与回火温度之间的关系

由于Cr12MoV可以采用多种淬火和回火方式进行处理，因此选取何种工艺取决于对材料的具体要求，比如要求材料具有比较高的硬度和强度可以采用低温淬火和低温回火（淬火1020-1040℃，硬度62-63HRC，回火150-170℃，硬度61-63HRC）。

2）工艺性能  锻造工艺性

由于Cr12MoV属于高合金钢，因此材料的导热性差、变形抗力大、锻造温度范围窄、组织缺陷严重（带状、网状碳化物、碳化物分布严重不均匀）。

 热处理工艺性

淬透性很好，截面尺寸300-400mm的工件在油中即可淬透，淬火变形小。

2、Cr4W2MoV 特点：具有较高的淬透性和淬硬性，并且具有较高的耐磨性和尺寸稳定性，使用寿命比Cr12型钢材有较大的提高。

1）力学性能

 淬火温度与力学性能的关系

硬度：硬度随着淬火温度的上升逐步提高，当达到1000℃左右时硬度值达到最高，如果淬火温度继续升高，硬度将逐渐下降，见图2-22。

图2-22 硬度与淬火温度之间的关系

冲击韧度、抗弯强度与淬火温度的关系见书中表。 回火温度与力学性能的关系 硬度与回火温度之间的关系见图2-23。

图2-23 硬度与回火温度之间的关系

图2-24 冲击韧性、抗弯强度与回火温度之间的关系 冲击韧度、抗弯强度与回火温度的关系见图2-24。

常规的淬火温度为960-980℃和1020-1040℃（硬度大于62HRC）回火温度为280-300℃（硬度为60-62HRC）或者500-540℃（硬度为60-62HRC）。

采用不同的淬火和回火温度对性能的影响不一样。采用何种组合看具体要求。比如要求材料具有比较高的强韧性可以采用960-980℃淬火，280-300℃回火。

2）工艺性

锻造工艺性：比较差。易发生过热、过烧、断裂，锻造温度范围窄。1100-900℃℃，缓冷。

热处理工艺性：淬透性好、淬火变形小。

3、具体的热处理规范可以参考书上的表。

四、高强度、高耐磨冷作模具钢

1、特点：

这类钢材具有高强度、高抗压强度、高耐磨性、高热稳定性等。与Cr12MoV相比，韧性耐磨性和扭转性能稍微差些，其余性能均优。淬火温度越高，碳含量越高，则处理后材料的耐磨性能和抗压

强度越高，但是材料的韧性稍微降低。传统的高速钢是这类钢种的典型代表（W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2等）。

2、W6Mo5Cr4V2力学性能与淬火温度之间的关系 硬度与淬火温度之间的关系见图2-25

图2-25 硬度与淬火温度之间的关系 冲击韧度与淬火温度之间的关系见图2-26

图2-26 冲击韧性与淬火温度之间的关系

3、回火温度对W6Mo5Cr4V2的影响

硬度与回火温度之间的关系：

（淬火温度为1190-1230℃，硬度64HRC）200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 62HRC 62HRC 62HRC

65HRC

65HRC

图2-27 冲击韧性与回火温度之间的关系

回火温度对抗弯强度的影响见图

图2-28 抗弯强度与回火温度之间的关系

4、高速钢的处理相对比较复杂，如何选择热处理工艺取决于使用过程中对模具的要求。淬火1150-1200，63-65HRC回火560，硬度62-66HRC。

5、锻造工艺性能较差，锻造温度范围窄：1100-950，塑性较差，加热过程中容易发生氧化脱碳现象。

6、高速钢主要用来制造承受负荷比较大、耐磨性要求高的场合，中厚板材的冲裁、冷挤压、冷镦冲头等。

五、抗冲击冷作模具钢

1、Cr-W-Si系（4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si）

特点：这几个钢种是在Cr-Si钢的基础上加入一定量的W，在回火时W有利于保存淬火时细小的晶粒，这样就可以使钢材在回火状态下获得比较高的韧性。同时这种材料具有较高的高温强度和良好的淬透性。

1）力学性能

 淬火温度对力学性能的影响

4CrW2Si由于含碳量比较低，因此需要渗碳后才能达到使用要求。所以在这里主要讲一下5CrW2Si和6CrW2Si的特性。

硬度随着淬火温度的升高而增加，见图2-29。

图2-29 硬度、冲击韧性与淬火温度之间的关系

冲击韧性随着淬火温度的升高而增加，950℃达到峰值，见图

2-29。

 回火温度对力学性能的影响

硬度随着回火温度的升高而降低。图2-30

图2-30 硬度与回火温度之间的关系

冲击韧性随着回火温度的升高而提高，但是在300-350℃之间有轻微的回火脆性，即在此范围内冲击韧性略有下降。因此在选择回火温度时要避开这个区间。

图2-31 硬度、冲击韧性与回火温度之间的关系

通常淬火温度在在870-900℃范围，油淬，硬度大于55HRC（57HRC）。

回火温度有2种： 200-250 回火硬度53-58HRC（53-58HRC）430-470 回火硬度45-50HRC（45-58HRC）

2）工艺性能

锻造工艺性能良好，具有比较宽的锻造温度范围（1180-850）。良好的切削性能，因为材料中含有S元素。

淬透性良好，脱碳敏感性较大，因此材料中含有一定的Si元素。淬火变形较难控制。

2、9SiCr 特点：淬透性高

性能介于碳素工具钢和Cr12型钢材之间。淬火温度与硬度之间的关系：见图2-29 淬火温度与抗弯强度之间的关系：见图2-29 由图可以看出当淬火温度达到880℃时钢材的抗弯强度明显下降，所以淬火温度要低于880℃。一般为860-880，硬度62-65HRC

图2-29 硬度、抗弯强度与淬火温度之间的关系

具有良好的回火稳定性，当回火温度为270时，会火后的硬度仍然可以达到60HRC以上。

图2-30 硬度、抗弯强度与回火温度之间的关系 硬度随着回火温度的升高逐渐下降，见图2-30

抗弯强度则随着回火温度的升高逐渐升高，但是在250左右回火时最低，见图2-30。

回火温度主要根据材料的使用硬度要求选择。180-220℃

硬度

62-64HRC 280-320℃

硬度

56-58HRC 350-400℃

硬度

54-56HRC 淬透性一般，35mm左右可以淬透。淬火时脱碳倾向性较大。锻造性能良好，锻造温度范围比较宽（1150-800℃）。切削工艺性能良好。价格低廉。

用在负荷比较小的冲裁模具中。

3、热处理规范见书中表的规定。

六、高强韧性冷作模具钢

冷挤压技术的发展要求模具材料具有更高的硬度、耐磨性、韧性，这类材料正是为了满足这种要求而产生的。1、6W6Mo5Cr4V（6W6）

降碳高速钢特点：

减少了C和V的含量，C化物的不均匀程度得到了很大的改善，在淬火状态下材料的抗弯强度和塑性以及冲击韧性均有较大的提高。但是淬火硬度略有下降。

 淬火对6W6的影响

硬度与淬火温度之间的关系，见图 冲击韧性与淬火温度之间的关系，见图

 回火对力学性能的影响

硬度：具有良好的热稳定性和二次硬化能力，在560-580℃出现回火硬化峰值。

抗弯强度：在580℃左右回火达到最大值。冲击韧性：回火温度在540-560之间出现谷值。

为了获得较高的耐磨性和韧性，一般采用较低温度淬火、较高温度回火。即

淬火温度：1180-1200℃

回火温度：560-580℃，回火3次。

 工艺性能

锻造工艺性能较差，主要反映在锻造温度范围窄

35（1100-1050℃—900-800℃）、锻造变形抗力大 良好的切削性能。磨削性能稍微差些。热处理过程中容易脱碳。

应用：作为高速钢或者高Cr、高C钢的德换代产品，作为冷挤压或者冷镦冲头。

2、基体钢

所谓的基体钢就是具有高速钢正常淬火基体组织的钢种，这类钢材过剩C化物少，C化物细小、均匀，工艺性能好，强韧性有明显提高。

1）65Nb 与W6Mo5Cr4V2相比，65Nb的基体成分中C、W含量稍微低些，而Mo稍高，同时成分中含有少量的铌。这种合金的特点是：保持高速钢的硬度和耐磨性，同时又具有较高的韧性和抗疲劳强度。

淬火对硬度的影响：

淬火硬度随着淬火温度的升高而增加，当温度超过1120左右时，硬度又会逐渐下降（奥氏体晶粒逐渐增大所致）。

回火温度对硬度的影响

在520-540左右回火时出现二次硬化，硬度和抗弯强度出现峰值。

热处理工艺

淬火温度：1080-1180℃ 回火温度：520-600℃ 2次回火 锻造工艺性

变形抗力较小，锻造温度范围比较宽（1120-850℃）。但是材料的导热性能差，因此在加热的过程中必须注意。

应用：

形状比较复杂的挤压模具、冷冲压模具

2）7Cr7Mo2V2Si（LD）

不含W的基体钢，Cr、Mo、V的含量高于高速钢，因此其淬透性和二次硬化能力均有明显提高。此外，未溶的VC能够起到细化晶粒的作用，增加钢材的韧性和耐磨性。

LD钢在不同淬火温度和回火温度下的硬度见表2-21。热处理工艺与性能之间的关系见表2-23。

热处理规范

淬火温度：1100-1150℃ 回火温度：540-570℃ 2-3次 或者

淬火温度：1050-1080℃ 回火温度：180-220℃

锻造工艺性能

具有良好的锻造工艺性，锻造温度范围比较广（1130-1150℃，850℃）

Anwendung：

综合性能比较好，可以用于冷挤压、冷镦、冷冲压等，且模具的使用寿命比较长。3、6CrNiSiMnMoV（GD）

基体钢成本高，淬火温度区间窄，中小企业使用比较困难，因此

推出了GD钢。

属于高强韧性、低合金冷作模具钢。

冲击韧性、断裂韧性、抗压强度均优于CrWMn和Cr12MoV。耐磨性能低于Cr12MoV。

可以代替CrWMn、Cr12、9Mn2V、6CrW2Si等材料。4、7CrSiMnMoV（CH-1）

CH-1又称火焰淬火钢。

具有较高的强韧性和良好的耐磨性。见表2-27。热处理工艺性

淬透性好，硬度高，80mm油可以淬透，40mm空淬透。硬度：62-64HRC 锻造工艺性

变形抗力小，锻造温度范围宽（1200-800℃），因此锻造工艺性良好。焊接工艺性良好。Anwendung

各类冷作模具，特别是大型、复杂模具。模具使用寿命长。5、8Cr2MnWMoVS

淬透性好，淬硬性好（61-64HRC）100mm空淬即可。切削性能良好（含S）热变形小

表面处理性能良好 应用：精密零件冲裁模具。

6、热处理规范

见表2-29。

七、高强韧性、高耐磨性冷作模具钢

钢种特点：这类钢材在强韧性方面与高强韧性类材料差不多，而耐磨性与高Cr钢和HSS类似。

1、GM（9Cr6WMo2V2）

特点：主要性能指标优于Cr12MoV。1）力学性能：

硬度与淬火温度之间的关系

硬度与回火温度之间的关系

力学性能与其它材料之比较 见表2-31

2）工艺性 锻造工艺性

锻造工艺性良好，不含粗大C化物，C化物不均匀程度小。但是在锻造过程中应当注意的问题：加热缓慢；锻造方法；锻造后缓慢冷却。具有良好的线切割性能。

2、ER（Cr8MoWV3Si）

与GM钢特点类似，耐磨性能稍好。

八、特殊用途冷作模具钢

在此主要指耐腐蚀钢和无磁模具钢，耐腐蚀钢主要用在有腐蚀性的场合，而无磁钢则用在使用过程中被加工材料不应当能被磁化的场合。

耐腐蚀钢 9Cr18、Cr18MoV

无磁模具钢

1Cr18Ni9Ti（奥氏体不锈钢）、7Mn15Cr2Al3V2WMo

§2-3 硬质合金和钢结硬质合金

1、金属陶瓷硬质合金

硬质合金是用难熔的高硬度C化物粉末（WC、TiC）与少量的粘结剂（Co、Ni）粉末混合后加压成型，再经烧结而成的粉末冶金材料。

1）特点

硬度高、耐磨性很好，工作温度很高、脆性大、抗弯强度和韧性差、无法进行切削加工（可以磨削加工）以及锻造和热处理。

2）分类

常见的有2种：钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）

3）应用

用在承受比较大压力摩擦力的场合，比如冲裁模（多用于级进模

具）、拔丝模等

2、钢结硬质合金

钢结因质合金是以难熔的C化物为硬质相，以合金钢为粘结

剂，用粉末冶金的方法制成。

1）特点

硬度、耐磨性比一般的硬质合金稍微差些、比高速钢的则好、韧性比一般的硬质合金强，性能介于HSS和高速钢之间。

可以进行切削加工和热处理。2）分类及种类

分类方法很多（可以根据硬制相、粘结相）

种类大约有10几种，其中DT合金在模具制造中的应用最为广泛。

3）DT合金 力学性能

硬度比其它硬质合金稍微低些，但是冲击韧性和抗弯强度较高。

工艺性能

锻造工艺性能优于其它钢结硬质合金；

具有良好的机械加工性能；一般在退火后可以进行机械加工

39（车、铣、刨、钻、铰、攻丝等），加工类似铸铁，可以采用低转速、大进刀量和中等进给速度。

可以采用电加工进行加工，但是加工后表面有微小裂纹和硬化层，需要二次回火才能消除。

可以进行热处理。

回火温度升高，处理后韧性也升高，但600℃左右出现回火脆性。

§2-4 冷作模具的选材

一、选材的原则

1、满足使用性能

根据模具的工作条件、失效方式和寿命要求、以及可靠性高低等提出对模具材料强度、硬度、耐磨性和韧性等使用性能方面的要求。在众多的要求中确定其中的1-2项指标作为选择材料的主要依据，同时兼顾其它要求。（根据工作条件分析）

2、工艺性能良好

主要包括：

1）良好的机械加工工艺性和电加工工艺性

2）良好的锻造工艺性

3）良好的热处理工艺性（包括良好淬硬性、淬透性、工艺简单etc。）

上述内容主要是为了降低制造成本。

3、经济性能

这里所指的经济性能是指综合成本（性能价格比），而非一次性成本，在满足性能和寿命要求的前提下尽量采用价格比较低廉的材料。

4、材料供应

市场上材料的供应情况，最好使用市场上比较常见的材料，这样材料的成本比较低，同时能够保障材料的供货渠道。

注：有些专家认为在采购材料时，品种和规格要尽量少，以便于材料的采购和管理。这种观点固然有其道理—对于采购和管理有利，但是从生产和使用的角度上来说，这可能会增加模具的制造成本。

二、具体应当考虑的因素

1、工作条件

负荷的性质

冲击负荷大----要求较高的韧性 静压力大----要求较高的抗压强度 摩擦大----要求较高的耐磨性

存在弯曲----要求材料具有较高的抗弯强度

2、失效形式

根据模具的失效形式分析失效的原因，根据造成失效的主要性能指标，选择其它性能稍高的材料。

3、待加工工件

1）批量大小

批量大----选择材质好、性能高的材料 批量小----选择材质差、性能低的材料 2）精度高低、表面质量 3）尺寸大小 4）性状复杂程度 5）被加工工件的材质

加工铜、钢、铝、锌、铅、纸板等对模具材料以及性能的要求有很大的差别。

4、模具结构

1）尺寸大小

尺寸大----要求材料的淬透性较高 尺寸大----要求材料的材质比较好 2）模具的性状

复杂----要求模具材料具有比较高的淬透性、开裂倾向性要小、同时要易于加工。

5、制造工艺方面的因素

考虑工厂目前的设备状况和人员素质情况，这一点往往被很多的厂家所忽视。

三、常用冷作模具的材料选择

1、冲裁模

有刃口、将材料从板料上分离，具体工艺包括落料、冲孔、切边等。1）工作条件

冲击、挤压、弯曲、摩擦 2）主要的失效形式

磨损、崩刃、凸模折断等（非正常失效）

画图分析冲裁过程，分析产生磨损和崩刃的原因何在？

凸模的磨损比凹模要严重，分析原因？

磨损包括粘着磨损、磨料磨损和疲劳磨损 3）对材料的主要性能要求

具有较高的硬度和耐磨性、强度比较高、一定的韧性。4）材料选择

主要根据被加工工件（材质、厚度、尺寸和形状、生产批量）和主要的失效形式

材质比较软的、工件小、形状简单、生产批量不大的----选择C素工具钢和低合金工具钢。

被加工材料硬度上升、工件尺寸变大、形状也趋于复杂批量较大，则可以选取中高合金钢、HSS或者硬质合金。

模具尺寸比较大的尽量选择淬透性好的且耐磨性好的材料。

例题：冲裁一形状简单的工件，工件直径10mm，批量1000件，材料08F，厚度1mm，试选择凸、凹模的材料并确定材料的硬度要求。（见表2-38）

模具其它零件材料的选择（参考表2-40）

2、冷镦模具

1）工作条件：

冲头：冲击力、摩擦、冲头可能承受弯曲力（冲头收到偏心力或者材料端面不平而造成）

凹模：冲击力、摩擦力、胀力（拉应力）2）主要失效形式：

凸模变形（镦粗、弯曲等）、折断（弯曲力造成）凹模塌陷、开裂（应力集中且韧性不足的表现）局部磨损（材料流动产生的剧烈摩擦所造成）3）对材料的主要性能要求

足够硬度和抗压强度、良好的耐磨性能、良好的韧性、一定的抗弯强度和疲劳强度。

4）材料选择

根据负荷、批量与工件的尺寸大小。负荷小、批量小可以选择普通的碳素工具钢或者低合金工具钢

负荷大、批量大者可以选择高C中Cr钢、高速钢或者硬质合金等等。

例题：冷镦M10螺栓，采用整体模具，试确定凸凹模的材料以及工作硬度。（见表2-41）

3、冷挤压模具

1）工作条件

模具的表面承受压力、摩擦力、工作温度大约可以达到400℃左右。

2）主要失效形式 变形（强度不足所致）磨损（耐磨性能）

冲头折断（冲头受到偏心负荷的作用，或者受到弯曲负荷）3）对材料的要求

高强度、硬度、耐磨性、良好的韧性和抗弯强度，此外应当具备一定的热硬性。

4）材料选择

与被挤压材料和批量有关

可以选择碳素工具钢（T10）、低合金钢、Cr12型或者Cr12MoV以及高速钢、降碳高速钢、基体钢等

注：高速钢使用硬度62-64HRC

4、拉深模

1）工作条件

凸模：压力（但是不大）、摩擦力 凹模：径向胀力和摩擦力

2）失效形式

磨损（咬合和划伤，但主要是咬合）

3）对材料的性能要求

高耐磨性、良好的抗咬合性能（除了材料本身具备之外还可以通过表面处理改善该性能）、较高的强度、硬度、一定的韧性

4）材料选择

T8A、T10A、CrWMn、Cr5MoV、Cr12、Cr12MoV、7Cr7Mo3V2Si、YG11C（HV1400）、YG15（HV1200）T8A（63HRC）、9Cr2（63HRC）、9Mn2V（62HRC）、Cr5MoV（63HRC）

5、弯曲模

可以使用的模具材料

T8A、T10A、T12（1550）、9Cr2（2056）、9Mn2V（2842）、Cr5MoV（2363）、CrWMn（2419）

6、拉丝模 主要负荷：摩擦

材料要求：高硬度、耐磨性好（具体看被加工材料、批量）材料主要根据线径选取：金刚石、YG类硬质合金、或者钢结硬质合金、以及普通模具钢，比如T10A、CrWMn、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等等。在国外使用比较多的是金刚石、硬质合金高速钢，其中高速钢的热处理硬度比国内稍微要高些（国内硬度为58-64HRC，德国一般采用63-67HRC）。

作业：如何提高模具寿命？

简述磨料磨损和粘着磨损及其机理。

有一简单的小型冲裁件，材料10#钢，板料厚度2mm，试确定凸凹模的材料、工作硬度，并制定简单的制造工艺路线以及锻造和热处理规范。

思考题：失效的类型和分类

§2-5 冷作模具钢的锻造及热处理技术

一、冷作模具钢的锻造

模具用钢大多为高C、高合金钢，这些材料存在成分偏析、组织偏析、C化物粗大不均、晶粒粗大等缺陷。那么锻造的目的就是为了提高材料的均匀性；改善C化物的结构和分布；焊合内部缺陷提高材料的致密性；改善材料的流线分布提高材料的承载能力。

模具钢，特别是高C高合金模具钢，其塑性一般比较差，材料的变形抗力比较高，锻造温度范围比较窄，并且材料的导热性能比较差。因此，在锻造的过程中一定要注意上述因素。比如在加热的过程中要先缓后急，否则，在材料内部会出现温度应力（外压、内拉）；

在锻造的过程中严格控制锻造温度（始锻和终锻温度），以防材料出现过热、过烧现象；

尽量采用比较大的锻造比，以焊合内部缺陷； 选择合适的锻造方法；

注意锻后冷却和处理（球化退火或者正火）

二、模具热处理技术

模具在制造过程中需要如何进行热处理呢？首先，我们来看一

下冷作模具是如何制造出来的。

1、冷作模具的制造工艺路线

1）一般模具的制造工艺路线

下料----锻造----锻后热处理（球化退火或者正火+球化退火）----粗加工----半精加工----淬火和回火----磨削----钳工装配

2）成型磨削或者电加工冷作模具

下料---锻造----锻后热处理----粗加工----半精加工----淬火回火----成型加工（或者电加工）----钳工装配

3）复杂冷作模具

下料----锻造----锻后热处理----粗加工----调质处理----半精加工、精加工----装配

从上面制造工艺路线中我们已经看出，模具在制造过程中主要需要2次热处理，1次是模具材料在锻造之后，1次是在模具装配之前。第1次热处理主要是为了后期的加工和处理作准备工作---材料的组织和结构；第2次主要是为了获得必要的使用性能。应该说1次和第2次热处理对于模具材料来说同等重要，表面上看，材料的使用性质是最后的热处理过程所赋予的，但是如果没有前期的处理过程是无法确保材料达到要求的使用性能。第1次热处理是球化退火；第2次热处理包括淬火和回火。此外有些模具材料在使用之前还要进行必要的表面处理，但是冷作模具很少。

下面我们就主要来讲一下模具的第2次热处理所包含的内容。

2、冷作模具的淬火和回火

在模具处理之前应当作那些工作呢？ 1）选择合适的淬火温度 2）确定加热、均温、保温时间

3）确定淬火介质（空气、水、油、盐浴等）4）确定加热过程中的保护措施，以防止氧化和脱C。为了防止氧化一般可以采取被动保护和主动保护两种措施，所谓的被动保护措施是指将氧气与被处理材料隔绝，我们国内目前采取的基本是这种保护方式，即将处理材料装箱，刷上涂料、包装（不锈钢箔或者硼酸与玻璃料组成的薄膜etc.）以及盐浴加热等。主动保护措施是指将氧气去掉，比如说通过燃烧。（举几个例子：模具材料在处理时用瓦楞纸包装，在加热的过程中将发生燃烧氧气消耗掉。）

3、冷作模具的强韧处理

低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温淬火和分级淬火处理etc.具体采用哪种处理方法取决于材料和具体的要求。

1）低淬低回

低淬是指采用比传统淬火温度低的温度进行淬火。采用这种方式可以：

提高材料的韧性、冲击和疲劳抗力，但是硬度略有下降，这样就可以降低材料脆断、脆裂的倾向性。

2）高淬高回

高淬高回是为了解决低淬透性材料的淬硬层厚度薄的问题而提出的，当然在提高了淬硬层的同时其它的指标也会有所变化。对于耐冲击钢来说，通过高淬高回可以提高材料的韧性和耐磨性。

3）微细化处理

微细化处理的主要目的是提高材料的耐磨性和强韧性。主要有2种方法： a)4步热处理法

高温淬火----高温软化回火----低温淬火---低温回火 其中第2步的作用就是为了得到细晶组织（回火索氏体）b)循环超细处理

将工件加热到AC1线以上稍微停顿就淬火冷却，如此反复2-4次。

4）分级淬火和等温淬火

 分级淬火

定义：将加热到奥氏体化温度的工件淬入温度在马氏体转化温度附近的冷却介质（硝盐浴）中，停留一段时间，使零件表面和内部温度趋于一致后取出空冷，以较低的冷却速度完成马氏体转变。

Ms+（10-30℃）或者Ms-（80-100℃） 等温淬火

定义：将加热到奥氏体化温度的工件淬入温度稍微高于马氏体转化温度的热浴中停留并完成马氏体转变。

工艺特点：减小工件在淬火过程中的变形和开裂倾向性，淬火应力小。

组织结构：下贝氏体或者下贝氏体+马氏体 等温淬火后不需要回火处理。

5）其它方式 喷淋淬火etc

表面强化处理

4、主要冷作模具的热处理特点

1）冷冲压模具

薄板：要求具有较高的耐磨性和硬度。从工艺上要保证上述2方 面的要求，同时材料还应当具备一定的韧性。

厚板：主要的失效形式是崩刃和断裂（折断）。因此材料的热处 理重点应当放在保证材料的强韧性，并同时提高材料的耐磨性能。

2）冷镦模具的特点

材料应当具备足够的韧性和强度。

凹模可以采用喷水淬火法，这样可以使材料的表层具有较高的硬 度，而材料的内部具有比较高的韧性，还要采取措施减小淬火应力，以提高材料的疲劳强度。

3）冷挤压模具

材料应当具有高的耐磨性、硬度、韧性和高温强度。

4）拉深模具

材料应当具有较高的耐磨性、硬度和良好的抗咬合能力。

第三章

热作模具材料

热作模具：所谓的热作模具是指用来加工温度在再结晶温度以上的材料使用的模具。我们在前面讲到模具分类时，曾经讲过在热作模具有加工金属用的和加工非金属的，本章主要讲加工金属用的模具材料。

§3-1 热作模具材料性能要求及成份特点

热作模具种类比较多，每一类模具的工作状态都不完全相同，要分析对材料的性能要求，必须首先了解模具的工作条件等。

1、分类

1）热冲切模具（热切边、热冲裁等等）2）热变形模具（热锻模、热挤压模具）3）压铸模（有色金属、黑色金属）

2、工作条件

1）设备与负荷

使用的主要设备有：热模锻压力机、锻锤和压铸机等。使用热模锻压力机的工艺，模具与被加工材料接触时间比较长，模具温度升高比较大，但是冲击负荷比较小。

使用锻锤的工艺，模具与被加工材料接触时间短，模具温度升高比较小，但是冲击负荷比较大。

使用压铸机的工艺：模具与被加工材料接触时间长，模具温度高，此外模具表面受到高压、冲刷。

2）被加工材料与负荷

有色金属（受热小、温度低、磨损和热疲劳）

黑色金属（受热多、温度高、模具材料容易软化、磨损和热疲劳）

3）润滑以及冷却条件与负荷

润滑的目的是为了减小材料在成型过程中材料与模具表面的摩擦力；

冷却则是为了缩短生产循环时间，但是由于温度波动较大，因此容易造成冷热疲劳。

3、对热作模具材料的要求

1）良好的韧性；

2）良好的耐磨性和较高的硬度；（摩擦、氧化、腐蚀、氧化皮

等因素均可造成模具发生严重磨损）；

3）较高的热稳定性、较高的高温强度；（在较高温度下仍然保持常温力学性能，否则会发生软化、塑性变形、塌陷等问题）； 4）良好的耐冷热疲劳性能；（断裂等）

5）良好的导热性；（为了维持正常的工作循环，必须将热量及时排出）；

6）高淬透性；（目的是使各处的力学性能比较均匀、并承受较大的负荷）

7）良好的工艺性（加工方法和费用）； 成份特点：

从性能要求方面来看，热作模具材料要求具有较高的韧性，因此含C量稍少，热作模具材料含C量一般在0,4-0,6％之间。减少含C量，可以提高韧性，但同时硬度会降低。

含有Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、V等合金元素。这些元素可以明显提高淬透性、热硬性、高温强度、热疲劳抗力等。

比如：其中的Cr元素可以提高材料的淬透性、耐磨性以及材料的抗氧化能力。此外W和Mo元素可以提高材料的高温强度和热疲劳抗力。

§3-2 热作模具钢及热处理

为了便于对模具材料进行系统分析，首先对热作模具材料进行分类。从实际生产中来看，绝大部分的热作模具材料是热作模具钢，其他热作模具材料后面再讲。首先来看一下模具钢的分类。

一、热作模具钢的分类

根据不同的标准有以下几种分类方法：

1、按照工艺用途来分：

热模锻模具钢、热挤压模具钢、压铸模具钢、热冲裁模具用钢。

2、按照工作温度来分：

低耐热模具钢（350-370℃）、中耐热模具钢（550-600℃）、高耐热模具钢（580-650℃）

3、按照使用性能来分：

高韧性热作模具钢、高热强度热作模具钢、高耐磨性热作模具钢

4、按照合金元素的含量分： 低合金、中合金、高合金

下面我们就按照工艺用途分类法来介绍各类热作模具材料的特点以及锻造和热处理工艺。

二、热模锻模具用钢及其热处理

热模锻模具是在高温的条件下，通过冲击力或者压力使炙热的金属发生塑性变形而成型的模具。热模锻模具主要包括锤锻模、热模锻压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锤锻模等等。

热锻模在工作的过程中受到冲击力或者压力的作用，根据上述情况我们可以将热锻模分为2大类，即以受冲击力为主成型的模具和以受压力为主成型的模具。第2大类模具的工作情况与热挤压类似，因此把它们放在与热挤压模具一起讨论。我们在此主要讨论以受冲击为主的模具材料，即锤锻模材料。

1、锤锻模的工作条件

模具在工作的过程中受到的负荷主要有冲击负荷，此外还会受到比较大的压应力和拉应力的作用。由于整个成型过程是在高温下进行的，因此模具型腔的温度会因为与坯料的接触而快速升高，一般来说模具的温度可以升高300-400℃，局部温度可以升高500-600℃，温度波动大约200℃。由于模具温度升高速度很快，因此在取出锻件后必须用水、油或者压缩空气对模具进行冷却，以便使工件和模具迅速冷却下来，以进行下一个工作循环。在这个过程中，由于温度的变化会造成模具上应力出现变化。此外在成型的过程中，由于材料发生转移，因此坯料与模具表面之间存在强烈的摩擦。

2、失效形式

1）磨损（粘着、氧化和磨料磨损）2）塑性变形（塌陷）

3）断裂（脆断、崩裂、燕尾开裂、表面龟裂）

3、对锤锻模材料的主要性能要求

 在高温下具有高的强度；  良好的冲击韧性；

 具有高的耐磨性、较高的硬度；  良好的冷热疲劳性能；  良好的导热性；  高的淬透性；  良好的抗氧化性  良好的工艺性能。

4、锤锻模材料的主要钢种

金属材料与热处理说课 篇7

一、巧设教学情境, 激发学生学习兴趣

“知之者不如好之者, 好之者不如乐之者”, 兴趣是学生主动学习, 积极思维, 真正成为学习主体的内在动力。也是提高教学质量, 保证教学质量的关键。

本课程的实践性较强, 在生产、生活中的应用性也非常广, 教师可以创设与生产、生活联系密切的教学情境, 来激发学生的学习兴趣, 变被动学习为主动学习, 以提高学习效果。比如在介绍钢的热处理时, 可以首先播放一些学生比较喜欢的武侠小说中武器制作的片段并提出问题:为什么要先将坯料放在炉中加热, 再进行锻打, 还要将其浸入水中, 反复进行?学生会随着教师设置的情境从武侠小说逐渐进入到课程的学习任务中, 积极主动地通过各种方式寻求答案, 老师也可在这个时候适时的引入关于金属热处理的概念、方法及热处理后金属材料组织性能的转变的讲解。又如在介绍“金属材料的机械性能”这一内容前, 拿出事先准备好的的多个弹簧秤, 让学生进行称重实验, 同时让学生进行观察并讨论, 为什么利用弹簧秤称重时, 称较轻的物品时弹簧秤可以正常使用较长时间, 但在称较重的物品时弹簧秤可能很快被损坏, 无法正常使用呢?通过学生们的讨论, 很自然地将学生的注意力引入到“金属材料的机械性能”的学习中, 提高了学生的学习积极性, 使学生的被动学生转变成为主动探究。

二、利用信息化教学手段, 提供学生自主学习的环境

随着计算机、多媒体、网络、通讯和人工智能的飞速发展, 人类进入了信息化时代。数字化、信息化已成为当今乃至未来社会的显著特征, 对人们的生产、生活、学习方式产生了深远的影响。利用信息化教学手段, 让学生在教师创建的不同教学情境中、通过教师提供的多种教学资源, 通过小组协作、师生互动等学习过程发挥学生的主动性和积极性, 让学生真正成为学习的主体。

大学城空间课程的推出, 教师可将平时上课所用的教学PPT、教学讲义、及相关教学资源上传到网上, 学生在课堂上没有弄懂的知识通过自主观看老师上传空间的资料反复学习, 利用空间, 教师还可在网上对学生实现不受空间与时间限制的指导, 大大提高教学效果。

随着翻转课堂等概念的普及, 微课受到了教育界的广泛重视。微课是将教学重点、难点、疑点等通过精心构思, 录制成一个个5-8分钟, 50M左右大小的简短视频, 上传至网上, 方便学生随时随地通过网络下载或点播, 可重复使用, 利用率高, 能较好地满足师生的个性化教学和个性化学习需求, 很好地提供了让学生自主学习的环境, 可以作为《金属材料与热处理》课程教学的重要教学模式。

比如“钢的热处理”中介绍的是退火、正火、淬火、回火和钢的表面热处理等内容。这“四把火”既是教学重点, 也是教学难点, 每一把“火”的加热温度、保温时间、冷却速度、组织变化等内容特别容易混淆, 而这些因素在热处理工艺过程中对于材料的组织变化起着决定性的作用, 直接影响产品的质量。为了让学生熟悉并掌握这“四把火”, 可将每把“火”在实际中的应用视频及其加热温度、保温时间、冷却速度、组织变化等内容制作成微课, 上传到网上, 让学生能通过网络随时随地进行观看, 通过多次反复, 一方面可以让学生熟悉这部分内容, 同时让学生对于热处理的工艺流程有了一个比较深刻的印象, 做到理论和实践的有机结合, 取得更好的教学效果。

三、强化师资培训, 提高教师的教学能力

信息化教学手段的合理使用, 能激发学生的学习兴趣, 提高学生的学习积极性, 而对教师则提出了更高的要求:1.根据教学要求, 针对教学重点和难点, 将教学内容设置成一个个教学情境;2.熟练掌握现代信息技术, 如PPT课件制作技术、录屏、视频制作编辑等软件的使用;3.广博的知识和精湛的教学技艺。这就要求我们紧跟时代发展要求, 加强校企合作, 强化师资培训与队伍建设, 定期分批安排老师进行针对性的培训, “内培外引”, 形成竞争机制, 提高教师教学能力, 以达到提高教学效果的目的。

“教学有法, 教无定法”。在教学实践中, 提高教学效果的方法多种多样, 各有千秋。教学实践证明, 在《金属材料与热处理》的教学中, 教师应精心设计各种教学情境, 充分利用现代化教学手段, 不断提高自身的综合专业素养, 理论联系实际, 激发学生的学习兴趣, 提高教学效果。

参考文献

[1]马秀霞.浅谈金属材料与热处理兴趣教学法[J].教学探索, 2015 (1) :81-82.

[2]胡铁生, 周晓清.高校微课建设的现状分析与发展对策研究[J].现代教育技术, 2014 (2) .

[3]李贞祥.教学中情境故事的有效采用[J].专业建设, 2014 (12) :85-87.

[4]梁乐明, 曹俏俏, 张宝辉.微课程设计模式研究[J].开放教育研究, 2013 (19) .

如何上好金属材料与热处理课 篇8

关键词：金属材料与热处理　学习兴趣　教学方法

金属材料与热处理是一门与生产实践联系非常紧密的课程，也是学习其他机械类课程的基础。来技工学校就读的学生大多是初中毕业生，且大部分学生来自农村，对工作极为向往。在教学中应紧紧抓住这一渴望心理，激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈好奇心和求知欲，提高教学效果。

一、重视绪论，充分调动学生的学习兴趣

对于中职学校学生来说，兴趣教学是最行之有效的。因为兴趣一旦激发出来就能让学生产生强烈的求知欲，充分调动起他们的主观能动性，从而克服学习中的困难，真正实现寓学于乐。因此，绪论作为本学科的第一堂课，一定要充分准备以调动学生的学习兴趣，为日后的学习创造一个良好的开端。

首先，要让学生明确“为什么要学这门课”，打消其“学了没用”的念头；其次，要让学生了解学习内容，对这门课有个大致的了解；再次，明确告知学生本课程的学习方法；最后，介绍金属材料及热处理的发展历史。

笔者在网上下载了《故宫奇航》，片中展现了很多我国非常珍贵的青铜器，并用动画的形式简单介绍了青铜的由来，其中还介绍了秦始皇陵铜车马，让学生大致了解了什么是热处理。在播放这个视频的时候，所有学生都认真观看，产生了浓厚的兴趣。

二、重视课堂教学，充分体现学生主体地位

本课程具有三大特点：一是内容庞杂、名词概念多、理论性强，涉及多方面的基础知识，如物理学、化学、力学、材料学及工艺学等，综合性很强。二是与日常生活、生产实际联系紧密，实践性强，且有些相关理论在生产实践中灵活性较大，受各种现实条件制约，所以要做到理论联系实际。三是相关理论的系统性强，结构严密，前后内容密切相关。要想学好这门课，不但要系统掌握相关理论知识，还要具有一定的分析、综合与总结能力。

在课堂教学过程中，要改变教师在讲台上唱独角戏的模式，必须调动学生的积极性，创造机会使学生积极参与到教学活动当中，充分体现学生的主体地位。首先，针对本堂课内容列举学生所了解的生产或生活中的现象，提出问题，让学生带着问题进行学习。其次，讲课过程中，联系举例，向学生提出相关的问题，引导学生思考。最后，课堂结束时留给学生一些问题去思考，为后续课程做准备。

三、理论联系实际，使学生充分理解抽象概念

课堂教学时，教师自身要深刻、准确地理解授课内容，尽量使用通俗易懂的语言把原本抽象的概念用具体的生活实例进行阐述。通过形象而生动的实例来激发学生的兴趣，使其充满好奇，以达到调动学生学习积极性的目的。

例如，在讲授硬度对切削加工性能的影响时，可引用生活中“切肉”的实例来讲解。冻得很结实的肉，硬度很高，切起来很费劲；完全解冻的肉，硬度低，但韧性大，也不好切；只有处于半冷冻状态的肉硬度及韧性适中，最好切。这时再讲解“材料具有适当硬度和一定脆性，其切削加工性能较好”时，学生就很容易理解了。

四、恰当运用多媒体设备，使学生充分理解所学知识

书本上的知识都是静止的状态，对于一些需要动态处理的内容不能充分地表达出来。因此，只靠教材本身的图文和教师抽象的语言描述，学生不仅会感到难学，也会觉得缺乏趣味。如运用多媒体设备，便会收到事半功倍的教学效果。

运用多媒体设备，可为学生形象地展示奥氏体的形成过程、金属结晶的过程等一些只能在特定条件下才能观察到的现象，还可以给学生们播放各种热处理的操作方法，使学生了解工人们真实的工作状态。

由于学校条件有限，不能为学生安排金相实验，笔者就通过多媒体向学生展示一些组织的金相照片，并播放制备金相试样的操作过程。在讲授“钢的火花鉴别”这一节时，笔者给学生播放了教学视频，让他们真正观察到不同材料的火花有何不同。

总之，只要教师和学生共同努力，在教学过程中师生互动，改变传统的教学方法，用新颖的教学方式引导他们去自觉地探求新的知识，努力激发学生的学习兴趣，一定可以学好《金属材料与热处理》这门课。

参考文献：

[1]毛爱祥.浅谈《金属材料与热处理》的兴趣教学[J].教育研究,2009(9).

[2]吴恒艺.“一体化”教学模式在《金属材料与热处理》课程中的应用[J].职业,2011(11).

[3]陈志毅.金属材料与热处理(第五版)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2007.