工程材料与热加工基础
机械工程材料及热加工基础资料
《机械工程材料及热加工基础》第一章金属的性能1.强度：金属材料在静载荷（大小和方向不变或逐渐变化的载荷）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。
2.塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。
3.硬度：金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。
4.韧性：冲击载荷（以较高速度作用于零件上的载荷）作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力。
5.疲劳：材料在循环应力（大小、方向随时间发生周期性变化的载荷）和应变作用下，在一处或几次产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或发生断裂的过程。
疲劳极限用σ-1表示。
6.屈服点（屈服强度）σs：材料在实验过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时代应力。
σs﹦试样发生屈服时代载荷/试样原始横截面积。
[不是所有的金属在拉伸试验中都会出现显著的屈服现象]7.抗拉强度σb=试样拉断前所承受的最大载荷/试样原始横截面积。
8.伸长率δ，数值上准确地反映材料的塑性变形。
9.断面收缩率ψ：缩颈处横截面积德最大缩减量与原始横截面积的百分数。
10.硬度的测定：①布氏硬度（压入法）：HBS（压头分淬火钢球）和HBW（压头硬质合金）②洛氏硬度HR(测定淬火钢件的硬度用此方法)③维氏硬度HV。
第二章金属的结构与结晶1.晶体:指其组成微粒（原子、分子或离子）按一定次序作有规律重复排列的物质。
2.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间格架。
3.晶胞：晶格中一个能完整反映晶格特征的最小几何单元。
4.金属晶体结构：体心立方结构；面心立方结构；密排立方结构。
5.晶体缺陷：点缺陷（原子的热震动引起晶格畸变），使材料的强度、硬度提高；线缺陷（主要指位错），起到强化金属的目的；面缺陷（晶界、亚晶界引起），阻碍金属的塑性变形发生。
6.细化晶粒度方法：增加过冷度；变质处理（加入难溶物）；附加震动。
7.金属的铸态组织：表面细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区（穿晶）。
8.铸锭的缺陷：缩孔及缩松，气孔及裂纹，偏析，非金属夹杂物。
工程材料与热加工基础
材料的发展
• 复合材料
• 由两种或两种以上材料组成， 其性能是它的组成材料所不 具备的。复合材料可以有非 同寻常的刚度、强度、高温 性能和耐蚀性。按基本材料 分类，它可分为金属基复合 材料、陶瓷基复合材料和聚 合物基复合材料等。复合材 料具有极其优异性能，质轻， 强度高，韧性好，可制作运 动器材，而在航空航天领域 更是无可替代。
材料的发展
• 高分子材料 • 又称聚合物，包括天然高
分子材料（木材、棉、麻等） 和合成高分子材料（塑料， 合成橡胶等）。其主要组分 高分子化合物是有许多结构 相同的结构单元相互连接而 成。它具有较高的强度、良 好的塑性、较强的耐腐蚀性、 绝缘性和低密度等优良性能。 高分子材料发明虽晚，但异 军突起，因其物美价廉，在 工程材料中应用越来越广。
《工程材料与热加工基础》
课程概论
机械制造基础 Ⅰ--工程材料 机械制造基础 Ⅱ--热加工工艺基础 Ⅲ--机械加工工艺基础
课程的性质和任务
• 工程材料与热加工基础是机械类、近机械类各专 业学生必修的一门技术基础课。
• 本课程的任务是: • l）工程材料的性能：以力学性能为主，还要考虑
物理性能、化学性能及工艺性能； • 2）金属学基本理论：使学生获得有关工程材料
零件的毛坯
• 焊接结构
• 焊接的实质是使两个分离的物体 通过加热或加压，或两者并用， 在用或不用填充材料的条件下借 助于原子间或分子间的联系与质 点的扩散作用形成一个整体的过 程。
汽车一厂车身车间POLO底盘焊接
材料的发展
• 金属材料
• 金属具有正的电阻温度系数，通常 有良好的导电性、导热性、延展性、 高的密度和高的光泽。包括纯金属 和以金属元素为主的合金。在工程 领域有把金属及其合金分为两类： （1）黑色金属，即铁和铁基合金 （钢铁及合金钢）；（2）有色金 属，黑色金属以外的所有金属及其 合金，常见有铝及铝合金，铜及铜 合金等。金属材料一般有良好的综 合机械性能（强度、塑性和韧性 等），是工程领域应用最广的材料。 金属材料是当今工程领域应用最广 的材料
机械制造基础工程材料及热加工工艺基础绝密
绝对最全！！！！！！！工程材料与热加工拒绝盗版！第1章材料的力学性能一、选择题1．金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力称为__C____。
A. 塑性B. 硬度C. 强度D. 弹性2．在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是___C___。
A. HBSB. HRCC. HVD. HBW3．做疲劳试验时，试样承受的载荷为__B_____。
A. 静载荷B. 交变载荷C. 冲击载荷D. 动载荷二、填空题1．金属塑性的指标主要有断后伸长率和断面收缩率两种。
2．金属的性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能。
3．常用测定硬度的方法有压入法、刻划法和回跳法测试法。
4．材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理性等。
5．零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬时断裂三个阶段。
三、判断题1．用布氏硬度测试法测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。
( √)2．材料的断裂韧度大于材料的应力场强度因子的，材料的宏观裂纹就会扩展而导致材料的断裂。
( ×)四、概念及思考题1．硬度，硬度的表示方法。
答：（1）硬度：材料在表面局部体积内抵抗变形（特别是塑性变形）、压痕或刻痕的能力；（2）硬度的表示方法：①布氏硬度：HBS(钢头：淬火钢球)或HBW （钢头：硬质合金球）②洛氏硬度：HR ③维氏硬度:HV2．韧性，冲击韧性。
3．疲劳断裂4．提高疲劳强度的途径。
第2章金属的晶体结构与结晶一、名词解释晶体：是指原子（离子、分子）在三维空间有规则地周期性重复排列的物体；晶格：是指原子（离子、分子）在空间无规则排列的物体；晶胞：通常只从晶格中选取一个能完全反应晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元成为晶胞；晶粒：多晶体中每个外形不规则的小晶体；晶界：晶粒与晶粒间的界面；共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程；结晶：原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。
工程材料与热加工基础
球化退火
Ac1+30~50℃
经充分保温后，随炉 冷却到600℃出炉空冷
软化（P球）
具有共析或过共析成分的碳钢 或合金钢
扩散退火
固相线以下 100~200℃
长时间（10-15h）保 温后，随炉冷却
均匀化
质量要求高的合金钢铸锭或铸 件
去应力 退火
Ac1以下（一般 随炉冷却到 为500~650℃） 200~300℃出炉空冷
第3章 钢的热处理
3.3 钢的退火和正火 ——钢的退火
退火：把钢加热到适当温度，保温一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
缓慢冷却：随炉冷却、埋砂冷却或灰冷
钢的退火
P
2020年1月15日星期三
600℃ 第3章 钢的热处理
3.3 钢的退火和正火 ——钢的退火
退火分类：
① 完全退火（等温退火） ② 等温退火 ③ 球化退火 ④ 扩散退火（均匀化退火） ⑤ 去应力退火
第3章 钢的热处理
3.3 钢的退火和正火
① 完全退火
退火后组织：P+F
——钢的退火
AC3+30 ～50 ℃
目的：
➢ 降低硬度，改善切削加工性能 ➢ 细化晶粒 ➢ 消除应力 ➢ 均匀成份、组织 ➢ 提高塑性
2020年1月15日星期三
第3章 钢的热处理
中碳钢：珠光体+铁素体
3.3 钢的退火和正火 ——钢的退火
问题：P、S、T有何异同 ？
珠光体(P) 3800× 2020年1月15日星期三
索氏体 (S) 8000× 第3章 钢的热处理
托氏体(T) 8000×
➢共析钢过冷A等温转变产物的组织形态和性能
2）贝氏体转变
温产度物：：贝55氏0℃体~—M—s含过饱和碳的铁素体和碳化物
《工程材料与热加工基础》综合训练题及参考答案
一、名词解释
1.相2.组织3.固溶强化4.弥散强化5.过冷度6.铁素体7.奥氏体8.珠光体
二、填空题
1.常见的金属晶格类型有晶格、晶格和晶格三种类型。
2.根据缺陷的几何形态特征，实际金属的晶体缺陷分为、和。
3.过冷度不是一个恒定值，它与液态金属的冷却速度有关。冷却速度越大，金属的实际结晶温度越，过冷度越。
A．F B．P C．Fe3C
四、判断题
1.纯铁在950℃时为体心立方晶格的α-Fe。（）
2.实际金属的晶体结构不仅是一个多晶体，而且还存在有很多缺陷。（）
3.固溶体的晶格类型与溶剂相同。（）
4.增大过冷度可以细化晶粒。（）
5.室温下铁素体的最大溶碳量是0.0218%。（）
6.一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共析渗碳体、共晶渗碳体是五种不同的相。（）
5.实际生产中，金属冷却速度越快，其实际结晶温度（）。
A．越高B．越低C．越接近理论结晶温度
6.铁素体为（）晶格，奥氏体为（）晶格，渗碳体为（）晶格。
A．体心立方B．面心立方C．复杂斜方
7.铁碳相图上的PSK线是（），ES线是（），GS线是（），。
A．A1B．A3C．Acm
8.下面所列组织中，脆性最大的是（），塑性最好的是（）。
4.下列零件用什么硬度测试方法测定其硬度？
（1）钳工用锉刀、手锤（2）供应态碳钢型材（3）渗氮层
5.什么是冲击韧性？可以用什么符号表示？
6.什么叫金属的疲劳？疲劳强度用什么符号表示？为什么疲劳断裂对机械零件危害较大？如何提高和改善机械零件的疲劳强度？
7.有一标准低碳钢拉伸试样，直径为10㎜，标距长度为100㎜，在载荷为21000N时屈服，拉断试样前的最大载荷为30000N，拉断后的标距长度为133㎜，断裂处最小直径为6㎜，试计算其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。
工程材料及热加工工艺基础
工程材料及热加工工艺基础引言工程材料及热加工工艺是现代工程领域中至关重要的一部分。
了解材料的特性以及如何通过热加工工艺将材料加工成所需的形状和性能是工程师们必备的知识。
本文将介绍工程材料的分类以及常用的热加工工艺，帮助读者对这一重要领域有一个基础的了解。
工程材料的分类工程材料是指用于制造机械、结构件以及其他工程产品的材料。
根据其组成和性能，工程材料可以分为金属材料、聚合物材料和陶瓷材料。
金属材料金属材料是指有着优良导电性和导热性的材料，常见的金属材料包括铁、钢、铝、铜等。
金属材料通常具有良好的可塑性、可焊性和可加工性，使其成为工程中最常用的材料之一。
聚合物材料聚合物材料是一类由多个单体分子通过化学键结合而成的大分子化合物。
常见的聚合物材料包括塑料、橡胶等。
聚合物材料具有较低的密度和良好的绝缘性能，适用于制造轻型结构件和绝缘材料。
陶瓷材料陶瓷材料是一类由非金属元素通过化学键结合而成的材料，具有良好的耐高温、耐腐蚀和绝缘性能。
常见的陶瓷材料包括瓷器、砖瓦等，适用于制造耐火材料和陶瓷制品。
热加工工艺的分类热加工工艺是指通过加热和控制温度来改变材料的形状和性能的过程。
常见的热加工工艺包括锻造、热轧、热处理等。
锻造锻造是通过将金属材料加热至可锻温度，然后在压力的作用下使其发生塑性变形，从而改变材料的形状和性能的过程。
锻造可以分为冷锻和热锻两种方式，适用于制造各种型号和形状的金属零件。
热轧热轧是指将金属坯料加热至较高温度，然后通过辊轧机械将其压延成所需的板材、型材等形状的过程。
热轧可以提高材料的密度和机械性能，适用于制造高强度的金属制品。
热处理热处理是指将材料加热至一定温度，然后在控制的气氛或介质中冷却，以改变材料的组织结构和性能的过程。
常见的热处理工艺包括退火、淬火、回火等，可以提高材料的硬度、强度和韧性。
结论工程材料的选择和热加工工艺的应用对于确保工程产品的质量和性能至关重要。
通过了解工程材料的分类以及常用的热加工工艺，工程师们可以更好地选择合适的材料，并通过热加工工艺将其加工成所需的形状和性能。
工程材料及热加工工艺基础课件
拉伸试样的颈缩现象
指标
塑性—断裂前材料发生不可逆永久变形的能力
断后延伸率 d (L-L0)/ L0 断面收缩率y (A0-A)/A0
d 和y越高 材料的塑性越好
说明：
① 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。
② 直径d0 相同时，l0，d。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用d 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用d5 表示。显然d5>
刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能 力。指标为弹性模量E。 E tg （MPa） 材料的E越大，刚度越大；
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐 降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等 对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形 状来提高零件的刚度。
二、强度与塑性
强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
当承受拉力时，主要是屈服强度和抗拉强度。
屈服强度s：材料发生微量塑性变 形时的应力值。即在拉伸试验过程 中，载荷不增加，试样仍能继续伸 长时的应力。
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服 点，国家标准规定以残余变形量为 0.2%时的应力值作为它的条件屈服 强度，以σ0.2来表示。 抗拉强度σb：试样在断裂前所能承受的最大应力，表示材 料抵抗断裂的能力。
▪金属基复合材料 ▪陶瓷基复合材料 ▪树脂基复合材料
Space
复合材料的应用领域
Commercial
Military
Helicopters
根据材料的性能分类
结构材料 是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构
不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材 料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、 桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包 括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料 等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶 瓷等高级结构材料。
工程材料与热加工基础
contents
目录
• 工程材料概述 • 金属材料 • 非金属材料 • 材料的新发展 • 材料的应用 • 材料与环境
工程材料概述
01
材料的定义与分类
定义
材料是用于制造有用物品的物质 。
分类
金属材料、非金属材料、复合材 料等。
材料的基本性质
耐腐蚀性、抗氧化性等。
硬度、韧性、强度Biblioteka 。特点，在光学仪器、电子设备和建筑装饰等领域有广泛应用。
智能材料与仿生材料
智能材料
如形状记忆合金和压电陶瓷，具有感知、响应和自适应等特 性，能够根据外界环境变化自动调整自身性能，在智能传感 器、执行器和结构健康监测等领域有广泛应用。
仿生材料
模仿生物材料的特性，如骨组织的自修复能力、蜘蛛丝的强 度和弹性等，通过仿生结构设计制备出具有优异性能的新型 材料，在生物医学、航空航天和机器人等领域有广泛应用。
高强度轻质金属
如钛合金和铝合金，广泛应用于 航空、航天和汽车制造等领域， 因其具有高强度、轻质和耐腐蚀
等优点。
超导金属
如铌钛合金和汞合金，在电力输送、 磁悬浮列车和核聚变等领域有广泛 应用，利用其超导特性实现高效能 源传输和磁场控制。
金属基复合材料
如铝基复合材料和钛基复合材料， 通过在金属基体中加入增强体（如 碳纤维、陶瓷颗粒等），提高材料 的强度、刚度和耐热性。
热加工工艺在建筑领域的应用相 对较少，但仍然涉及到一些如焊 接、热处理等工艺，以确保结构
的安全性和稳定性。
材料与环境
06
材料的环境影响
资源消耗
工程材料的生产和使用过程中需要消耗大量的自然资源，如矿石、金属、木材等，这些资 源的开采和加工会对环境造成破坏。
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5
▪ 通过加热或加压，或两者并用， 在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质 点的扩散作用形成一个整体的过程。
• 1. 焊接电弧
• 由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气 体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。电弧燃烧 后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。 焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。如图3-1所示。阴 极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为0.1um-0.01um， 温度约为2400K。阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳极区较阴 极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。电弧阳极区和阴极区 之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。焊接 电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离称为弧长。
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• (二)焊缝区的金属组织与性能
• 1. 焊缝金属区 焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属 的区域。熔焊时，是指由焊缝表面和熔合线所包围的区域；电阻 焊时，是指焊后形成的熔核部分。
• 焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，母材金属和填 充金属熔化后共同形成液态熔池。冷却结晶是以熔池和母材交界 处半熔化状态的母材金属晶粒为结晶核心，沿着垂直于散热面的 反方向生长，成为柱状晶的铸态组织。
《工程材料与热加工基础》 第十一章 焊接
• 机械工程系
• 金工教研室
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1
第十一章 焊 接
• 引言 • 第一节 焊接的基本原理 • 第二节 焊条电弧焊 • 第三节 其它焊接方法 • 第四节 压焊与钎焊 • 第五节 堆焊与热喷涂 • 第六节 常用金属材料的焊接 • 第七节 焊接结构设计 • 参考资料
• 2. 熔合区 焊缝与母材交接的过渡区，即熔合线处微观显示的母材 半熔化区。此区是焊缝和母材金属的交界区，温度在固相线和液 相线之间，焊接过程中母材金属部分熔化，故亦称半熔化区。熔 化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成过热 粗晶，其塑性和韧性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏。虽然 此区只有0.1mm-0.4mm，但它对焊接接头的性能影响很大，是焊 接接头的危险区域之一。
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图11-1 焊接电弧示意图
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• 2. 焊接的冶金特点
▪ 1）熔池中冶金反应不充分，化学成分有较大的不均 匀性，常常发生偏析、夹杂等缺陷。
▪ 2）在高温电弧作用下，氧、氢、氮等气体分子吸收 电弧热量而分解成化学性质十分活泼的原子或离子状 态，它们很容易溶解在液体金属之中，造成气孔、氧 化、脆化和其它缺陷。
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金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶 化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。
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2、焊接分类
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▪ 第一节 焊接的基本原理
• 一、 焊接的实质 • 二、 焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响 • 三、 焊接应力与变形
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• 3. 热影响区 是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为 以下四个区域： （1） 过热区 指焊接热影响区中，具有过热组织 或晶粒显著粗大的区域。此区的温度范围为固相线至1100℃，因 加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其 是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热 影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件，此区容易产生 裂纹。 （2） 细晶区 此区温度范围为Ac3以上，而尚未达到过热 温度。由于焊后为空冷，相当于热处理后的正火组织，亦称正火 区。此区的力学性能优于母材金属。
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图11-2 低碳钢焊接热影响区的组织变化
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▪ 二、 焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响
• （一） 焊接热循环 • 焊接时，电弧沿焊件逐渐移动并对焊件进行局部加热。
焊件经焊接后所形成的结合部分称为焊缝。焊缝及其 邻近区域的总称叫焊缝区。 • 在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度， 然后再逐渐冷却到常温。由于焊件上各点所处的位置 不同，其被加热的最高温度亦不相同；而热量的传递 需要一定的时间，故各点达到其最高温度的时间亦不 相同。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间 变化的过程称为焊接热循环。
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▪ 引言
• 1、何为焊接？ • 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，
使工件达到结合的一种方法。 • 1）.熔焊 将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。 • 2）.压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或加热），以完
成焊接的方法称为压焊。 • 3）.钎焊 钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属熔点低的
▪ 3）在熔剂或药皮中加入比铁氧化能力强的硅铁、锰 铁等物质，除起到渗入合金作用、补充烧损元素外， 亦可起到脱氧作用。
▪ 4）焊缝中硫或磷的质量分数超过0.04%时，极易产生 裂纹。因此，应选用含硫、磷低的焊接原材料，并通 过在焊剂或药皮中加石灰石、氟石等脱硫脱磷，以保 证焊缝质量。
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• （3） 不完全重结晶区 此区温度范围为Ac3至Ac1之间。在此区间 珠光体已转变为奥氏体，部分铁素体深入奥氏体，尚未溶入奥氏 体的铁素体晶粒不断长大。空冷时，奥氏体又折出较细的铁素体， 到Ar1线时，残余奥氏体直接转变为共析组织珠光体，未深入奥 氏体的铁素体却将粗大晶粒保持下来，亦称部分相变区。该区金 相组织很不均匀，力学性能较差。 （4） 再结晶区 此区温度范围 在Ac1至500℃-450℃之间。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母 材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复 及再结晶而细化，其力学性能提高。焊前未经冷加工变形的焊件 不存在再结晶区。s