工程材料及热处理
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工程材料及热处理一、引言工程材料是现代工业和科技领域中不可或缺的一部分，广泛应用于建筑、机械、电子、航空航天、交通运输等领域。
热处理是工程材料加工过程中的重要环节，通过改变材料的内部结构，提高其力学性能、物理性能和化学性能。
本文将详细介绍工程材料的分类、性能与特点、热处理原理、常见热处理工艺、材料选用原则、材料检测与评估、热处理设备与工艺优化以及工程材料应用领域。
二、工程材料分类工程材料可分为金属材料和非金属材料两大类。
金属材料包括钢铁材料、有色金属材料和合金等；非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等。
这些材料在性能上各有特点，适用于不同的工程领域。
三、材料性能与特点1.金属材料：具有较高的强度、塑性和韧性，具有良好的导电性和导热性。
不同的金属材料在耐磨性、耐腐蚀性等方面也表现出不同的特点。
2.非金属材料：具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，且具有良好的绝缘性能。
非金属材料在加工过程中具有较好的可塑性和可加工性。
四、热处理原理热处理是通过加热、保温和冷却等工艺手段，改变材料的内部结构，从而提高其力学性能和物理性能。
热处理过程中，材料的内部原子或离子重新排列，形成新的晶体结构，从而改变材料的性质。
五、常见热处理工艺1.退火：将材料加热到一定温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温。
退火可以消除材料的内应力，改善其组织和性能。
2.淬火：将材料加热到一定温度后迅速冷却，使材料表面硬化而内部保持韧性。
淬火可以提高材料的硬度和耐磨性。
3.回火：将淬火后的材料加热到一定温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温。
回火可以消除材料的内应力，改善其组织和性能。
4.表面处理：通过化学或电化学方法对材料表面进行处理，提高其耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性等性能。
六、材料选用原则1.根据工程要求选择合适的材料类型和牌号；2.考虑材料的性能参数，如强度、硬度、韧性等；3.考虑材料的耐腐蚀性、耐磨性等特殊要求；4.考虑材料的加工工艺和经济性等因素。
《工程材料与热处理》(适用中职生源)
《工程材料与热处理》课程标准课程名称：工程材料与热处理课程性质：专业基础课学分：3.5计划学时：60适用专业：机械设计与制造1.前言1.1课程性质工程材料与热处理机制专业学生必修的一门专业基础课。
是一门应用性和综合性很强的课程，使学生通过理论教学，获得常用机械工程材料、金属热加工和热处理的基本知识，为学习后续课程及形成综合职业能力打下必要的基础。
1.2设计思路本课程根据机械行业技术专业发展需要和完成职业岗位实际工作任务所需要的知识、能力、素质要求选择课程内容，从“任务与职业能力”分析出发，设定职业能力培养目标。
通过绪论\金属材料力学性能、纯金属与合金的晶体结构与结晶、铁碳合金相图、钢的热处理、常用钢材及选用、铸铁、非铁金属材料、非金属材料、铸造成型工艺、锻压成形工艺、焊接成形工艺、机械零件的毛坯成形综合选材等十三个任务的学习，让学生在了解金属材料特性，各毛培成形工艺过程的基础上，初步形成合理选择零件材料及毛坯加工成形方法的能力，培养学生解决实际问题的能力。
在课程实施过程中，充分利用课程特征，加大学生工程体验的教学设计，激发学生的主体意识和学习兴趣。
2.课程目标2.1总体目标学习并掌握常用材料特性和用途、掌握常用材料的热处理方法与作用和用途，使学生能合理选择材料和进行合理的热处理，从而培养适合专业发展需要的专门人才。
2.2具体目标2.2.1能力目标：1.具有根据零件的使用要求选择零件材料的能力；2.初步具有选择钢材热处理方法的能力；3.初步具有选择零件毛坯成形方法的能力。
2.2.2知识目标：1.以铁碳合金的成分组织温度性能为主线，了解四者的相互关系和变化规律的基础知识，初步具有根据零件的使用要求选择零件材料的能力;2.了解钢材在实际加热和冷却时内部组织的变化及其对钢材性能的影响，了解各种热处理方法的目的、工艺和应用，初步具有选择钢材热处理方法的能力；3.了解毛坯的成形方法和基本工艺过程，初步具有选择零件毛坯成形方法的能力。
工程材料及金属热处理知识
工程材料及金属热处理知识工程材料是指用于机械、建筑、电气等领域的材料。
它们通常需要具有高强度、耐腐蚀、耐磨损等特性。
工程材料可以分为金属材料、非金属材料和复合材料。
金属材料是最常见的工程材料，包括铁、钢、铜、铝、镁等金属以及它们的合金。
金属材料具有良好的导电性、导热性、高强度和塑性。
常见的金属材料处理方法有退火、淬火、回火、冷作等。
其中，淬火是加热金属到一定温度后迅速冷却，目的是增加材料的硬度和强度；回火则是通过再次加热金属来减轻淬火后的内应力，使得金属具有更好的韧性。
非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷等。
它们通常具有较低的密度、化学稳定性、耐腐蚀和绝缘性。
热处理方法主要包括退火、烧结和化学处理。
复合材料是将不同材料组合在一起形成的新材料，如碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料等。
这种材料结合了各种材料的优点，因此在许多领域都有广泛的应用。
金属的热处理是一种改变金属结构和性质的方法。
经过热处理，金属可以获得更高的硬度、强度和耐蚀性。
以下是一些金属热处理方法的描述：退火：将金属加热到适当温度，保持一段时间后缓慢冷却。
该方法可使金属软化、去除内部应力，并提高延展性和冲击性能。
淬火：将金属加热到一定温度，然后迅速冷却。
这会使金属的组织产生变化，从而提高硬度和强度。
回火：通过在较低的温度下将金属加热一段时间，以达到减轻淬火后产生的内部应力的目的。
正火：将金属加热到适当的温度，然后在空气中自然冷却。
这样的过程可以增加材料的硬度和强度。
淬化：使用醇类或水溶液使淬火后的金属变脆，然后在热水中浸泡一段时间来恢复其硬度和强度。
热处理对于工程材料的重要性不言而喻。
能够正确选择和使用热处理方法将有助于确保材料能够耐用、稳定地运行，并具有所需的物理和化学性质。
工程材料及热处理复习资料
一．名词解释题间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。
再结晶：金属发生重新形核和长大而不改变其晶格类型的结晶过程。
淬透性：钢淬火时获得马氏体的能力。
枝晶偏析：金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象。
时效强化：固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间变化而发生显著提高的现象。
同素异构性：同一金属在不同温度下具有不同晶格类型的现象。
临界冷却速度：钢淬火时获得完全马氏体的最低冷却速度。
热硬性：指金属材料在高温下保持高硬度的能力。
二次硬化：淬火钢在回火时硬度提高的现象。
共晶转变：指具有一定成分的液态合金,在一定温度下,同时结晶出两种不同的固相的转变。
比重偏析：因初晶相与剩余液相比重不同而造成的成分偏析。
置换固溶体：溶质原子溶入溶质晶格并占据溶质晶格位置所形成的固溶体。
变质处理：在金属浇注前添加变质剂来改变晶粒的形状或大小的处理方法。
晶体的各向异性：晶体在不同方向具有不同性能的现象。
固溶强化：因溶质原子溶入而使固溶体的强度和硬度升高的现象。
形变强化：随着塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。
残余奥氏体：指淬火后尚未转变，被迫保留下来的奥氏体。
调质处理：指淬火及高温回火的热处理工艺。
淬硬性：钢淬火时的硬化能力。
过冷奥氏体：将钢奥氏体化后冷却至A1温度之下尚未分解的奥氏体。
本质晶粒度：指奥氏体晶粒的长大倾向。
C曲线：过冷奥氏体的等温冷却转变曲线。
CCT曲线：过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。
马氏体：含碳过饱和的α固溶体。
热塑性塑料：加热时软化融融，冷却又变硬，并可反复进行的塑料。
热固性塑料：首次加热时软化并发生交连反应形成网状结构，再加热时不软化的塑料。
回火稳定性：钢在回火时抵抗硬度下降的能力。
可逆回火脆性：又称第二类回火脆性，发生的温度在400～650℃，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。
过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。
工程材料及热处理——材料的力学性能和工艺性能
第三节 材料的工艺性能
材料的成型 铸造、拉、拔、挤、压、锻 车、钳、铣、刨、磨
材 料 加 工
材料的切削
材料的改性
材料的联接
合金化、热处理
焊接、粘接
工程材料的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、 焊接性能、切削加工性能、热处理性能。
具体实验条件及应用范围参见表1-2
优点：操作简便，直接读数，压痕小，应用范围最广。 缺点：需在试样不同部位测定，取平均值。
3.维氏硬度 (HV)
维氏硬度计
顶角为136°的金刚石正四棱锥压头 压痕两条对角线的平均长度d
维氏硬度值不需要计算，一般是根据d查表得出。
优点：压痕浅，轮廓清晰，数值准确，硬度范围广，广泛 应用于测量金属镀层、薄片材料、化学热处理后的 表面硬度和显微硬度。 缺点：不适合成批生产的检验，测量效率低于洛氏硬度。
Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果比较
Titanic
近代船用钢板
六、疲劳极限
1.疲劳现象
材料在交变载荷作用下，尽管零件所受的应力低于屈服点, 但经过较长时间的工作后,在一处或几处产生局部永久性累积损 伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象 称为疲劳。
2.疲劳极限σ-1
四、硬度（Hardness）
材料的软硬程度，表征抵抗局部变形或破坏的能力。 压入法测量硬度常用的方法有： 压入法 弹性回跳法
肖氏 布氏、洛氏、维氏
划痕法
莫氏
1.布氏硬度 (HBS/HBW)
布氏硬度计
数值一般不需计算，而用带有刻度盘的 放大镜测量出压痕的直径，直接由表查得硬 度值大小，一般只标大小而不标单位。
摆锤式冲击试验
AK mgH mgh mg( H h)
工程材料及热处理(完整版)
工程材料及热处理一、名词解释（20分）8个名词解释1.过冷度：金属实际结晶温度T和理论结晶温度、Tm之差称为过冷度△T，△T=Tm-T。
2.固溶体：溶质原子溶入金属溶剂中形成的合金相称为固溶体。
3.固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，而塑、韧性稍有下降，这种现象称为固溶强化。
4.匀晶转变：从液相中结晶出单相的固溶体的结晶过程称匀晶转变。
5.共晶转变：从一个液相中同时结晶出两种不同的固相6.包晶转变：由一种液相和固相相互作用生成另一种固相的转变过程，称为包晶转变。
7.高温铁素体：碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
铁素体：碳溶于α－Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。
奥氏体：碳溶于γ-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或F表示。
8.热脆（红脆）：含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工，分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。
这种现象称为钢的热脆。
冷脆：较高的含磷量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧性并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性很低，脆性很大，这种现象称为冷脆。
氢脆：氢在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑韧性增大钢的脆性，这种现象称为氢脆。
9.再结晶：将变形金属继续加热到足够高的温度，就会在金属中发生新晶粒的形核和长大，最终无应变的新等轴晶粒全部取代了旧的变形晶粒，这个过程就称为再结晶。
10.马氏体：马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变，转变产物称为马氏体。
含碳量低于0.2%，板条状马氏体；含碳量高于1.0%，针片状马氏体；含碳量介于0.2%-1.0%之间，马氏体为板条状和针片状的混合组织。
11.退火：钢加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织提高加工性能的一种热处理工艺。
12.正火：将钢加热到3c A或ccmA以上30-50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。
工程材料及热处理
目 录
• 工程材料概述 • 金属材料 • 非金属材料 • 材料的选择与加工工艺 • 材料性能的检测与评价
工程材料概述
01
定义与分类
定义
工程材料是指在工业生产和工程建设 中使用的各种金属、非金属和复合材 料。
分类
根据材料的组成、结构和性能特点， 工程材料可分为金属材料、非金属材 料和复合材料等。
材料的物理与机械性能
物理性能
包括密度、热膨胀系数、热导率、电导 率等，这些性能决定了材料在不同环境 下的表现。
VS
机械性能
包括硬度、强度、韧性、耐磨性等，这些 性能决定了材料在受力或受冲击时的表现 。
材料的应用领域
航空航天
需要高强度、轻质、耐 高温的材料，如钛合金
和铝合金。
汽车制造
需要高强度、耐腐蚀、 轻质的材料，如高强度
国家标准
行业标准
根据国家制定的相关标准，对材料的性能 进行评估和比较。
根据行业制定的相关标准，对材料的性能 进行评估和比较。
企业标准
客户要求
根据企业制定的相关标准，对材料的性能 进行评估和比较。
根据客户提出的具体要求，对材料的性能 进行评估和比较。
材料性能的优化与改进
材料成分优化
通过调整材料的化学成分，改善其性能， 如提高强度、韧性、耐腐蚀性等。
钢和铝合金。
建筑领域
需要耐久性、防火性能 好的材料，如混凝土和
钢材。
电子产品
需要导电、导热性能好 的材料，如铜和铝。
金属材料
02
钢铁材料
碳钢
碳钢是一种以铁为主要元素，碳 含量一般在2.0%以下的铁碳合金。
根据碳含量的不同，碳钢的性能 和用途也有所不同。
工程材料及热处理
工程材料及热处理工程材料是指在工程设计和制造中所使用的材料，其性能和特性直接影响着工程产品的质量和使用寿命。
而热处理则是指通过加热、保温和冷却等工艺，改变材料的组织结构和性能，以达到提高材料硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性的目的。
本文将对工程材料及其热处理进行介绍和分析。
首先，工程材料包括金属材料、非金属材料和复合材料。
金属材料是工程中使用最广泛的材料，包括钢、铝、铜、镍等，具有优良的导热性、导电性和机械性能，常用于制造结构件、零部件和工具。
非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷等，具有轻质、绝缘、耐腐蚀等特点，常用于制造绝缘材料、密封件和化工设备。
复合材料是由两种或两种以上的材料组成，具有综合性能优异的特点，如碳纤维复合材料、玻璃钢复合材料等，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
其次，热处理是对金属材料进行加热、保温和冷却等工艺处理，以改变其组织结构和性能。
常见的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火等。
退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却，以减少内部应力、改善塑性和韧性。
正火是将金属材料加热至一定温度，然后在油或水中急冷，以提高硬度和强度。
淬火是将金属材料加热至一定温度，然后在油或水中急冷，使其获得高硬度和强度。
回火是将经过淬火处理的金属材料加热至一定温度，然后冷却，以降低脆性和提高韧性。
最后，工程材料的选择和热处理工艺的应用是工程设计和制造中至关重要的环节。
在选择工程材料时，需要考虑其力学性能、耐磨性、耐腐蚀性、导热性、导电性等因素，以满足工程产品的使用要求。
在应用热处理工艺时，需要根据材料的种类和要求，选择合适的加热温度、保温时间和冷却方法，以获得理想的组织结构和性能。
同时，还需要注意控制热处理过程中的各项参数，以确保产品质量和稳定性。
综上所述，工程材料及热处理是工程设计和制造中不可或缺的重要内容，对工程产品的质量和性能有着直接的影响。
因此，工程技术人员需要对工程材料的性能和特性有深入的了解，熟悉各种热处理工艺和方法，以保证工程产品的质量和可靠性。
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1973年竣工，110层、411m 主体钢架结构(用钢7.8万吨) 墙面由铝板和玻璃砖组成
用自发光材料
2、科学驱动
固体物理、无机化学 有机化学、物理化学 冶金学、金属学、陶瓷 学、高分子学等 物资结构和物性 材料本身的研究 大大加强
材
金属材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成体系； 复合材料的学科体系正在形成
热处理
定义： 固态金属材料 加热 保温 冷却
箱式电阻炉
获得所需要的组织和性能 目的及重要性： 改善组织结构 提高性能
提高使用寿命 减低成本
大型铸钢件热处理炉 真空淬火炉
本课程内容、任务及要求
课程性质：机械类各专业本科生技术基础课 开设目的及内容：
建立材料科学与工程的基本概念，了解其在经济社会发展中的作用；
航 空 航 天 材 料
电 子 材 料
生 物 医 … … 学 … 材 料
二、材料的地位与作用
材料是人类文明的里程碑
材料是人类文明的里程碑
青铜器时代
石器时代 （石器、陶器 、瓷器)
铁器时代
信息时代 （新材料时代）
材料是经济和社会发展的先导
1763年
蒸 气 机
第一次工业革命
������ 制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应 用奠定了物质基础������
Engineering Materials
������
绪
论
材料的定义与分类 材料的地位和作用
材料科学与工程的形成和发展
与工程材料有关的基本概念
一、材料的定义与分类
定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料 有用的、并能用来制造物品（件）的物质
一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料
作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件 或物品的人造物质
工程材料的性能要求： 使用性能：机械性能、物理性能、化学性能等
加工工艺性能: 铸、锻、焊、热处理、机械加工等
矿藏丰富 金属材料的性能特点 ①良好的导电性和导热性。 ②正的电阻温度系数。 ③不透明并呈现特有的金属光泽。 ④良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
三、与工程材料有关的基本概念
什么是材料科学与工程（MSE）？
是研究有关材料的组织、结构、制备工艺、流程与材料 性能和用途的关系，以及其知识的产生和应用的学科。
材料科学与工程（MSE）的兴起
1、需求牵引
不同时期航空发动机的工作温度
汽车
利用新材料和材料改进 减轻
自重
节约能源 保护环境
1、需求牵引 “9.11”事件与材料
塔楼坍塌原因: 高温下材料强度迅速降低 9.11之后大楼怎么建材结实？ 采用高强、轻质材料 如何对付有毒烟雾？ 用环保防火材料 如何有利逃生？ 纽约世贸大厦
发 电 机
第二次工业革命
������ 合金钢、铝合金及其他非金属材料的 发展是此次工业革命的支撑
182�� 航空材料不断进步；塑料、合成橡 胶、合成纤维的相继问世；单晶硅材料对 电子技术的发明和应用起到了核心的作用 ������
材料是现代文明的基石
三、材料科学与工程的形成和发展
各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处
料
科 学
许多不同类型的材料可以相互代替和补充； 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合
材料科学与工程的组成要素
使用性能（效能）
合成/制备 结构/成分
性质（性能）
三、与工程材料有关的基本概念
工程材料：用于制造工程构件、机械零件、工具等
机械工程材料：机械工程中常用的材料
1 资源 2 3 4 5 能源 环保 质量
物质≠材料
材料 的 判据
经济
材料的定义与分类
材料的分类
按成分 按来源 按用途 按使用领域
金 属 材 料
无 机 非 金 属 材 料
有 机 高 分 子 材 料
复 合 材 料
天 然 材 料
人 工 材 料
结 构 材 料
功 能 材 料
信 息 材 料
能 源 材 料
建 筑 材 料
掌握工程材料的共性规律与特点，建立从材料设计、组织控制、制备 加工到性能评价与工程应用的概念体系；
掌握工程材料的基本分类方法及常用工程材料的性能和用途；对典型
机械零件能够合理选材、正确制定热处理工艺
进度与安排：共40学时（1——18周） 考核方式：平时（考勤、课堂检测、实验、作业）30%、结课考试 70%