机械工程材料基础第三章钢的热处理
《机械工程材料(第4版)》课程大纲
“工程材料基础”课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Engineering Materials课程编号：MATL300102（10位）学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：课外学时：（课外学时不计入总学时））学分：3适用对象：本科生先修课程：大学物理、材料力学使用教材及参考书：[1] 沈莲，范群成，王红洁.《机械工程材料》.北京：机械工业出版社，2007.[2] 席生岐等。
《工程材料基础实验指导书》.西安：西安交通大学出版社.2014[3] 朱张校等。
《工程材料》.北京：清华大学出版社.2009一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：为机械、能动、航天、化工等学院本科生讲解材料的基础理论和工程应用，使学生了解材料的成分-组织-结构-性能的内在关系，培养学生根据零构件设计的性能指标选择合适材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。
二、课程内容简介（200字左右）工程材料基础是面向机类、近机类及口腔医学专业开设的材料基础理论课程。
课程主要向学生讲授典型零件的失效方式及抗力指标、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的基本知识，使学生掌握材料成分-工艺-组织-性能的内在关系，掌握工程材料实际应用的原则，培养学生“知理论、懂性能、会选材”的基本能力和素质。
课程实验主要包括金相试样制备和显微镜使用、铁碳合金组织的观察与分析、碳钢热处理与性能综合实验。
一、教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。
(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及工程应用的基本知识。
(3) 掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 学生具有根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及编写冷热加工工艺路线的基本能力。
(5) 了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
《工程材料及机械制造基础》教学大纲
《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。
本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。
掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。
Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。
机械工程材料-3章 钢的热处理
珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
西安交大复试机械工程材料
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
机械工程材料案例分析钢的热处理案例分析
机械工程材料钢的热处理案例分析姓名：学号：专业：年级：学院：指导教师：青海民族大学2020年12 月27 日摘要钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是:只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。
对45钢的热处理时45钢淬火处理后最高可以达到HRC55，当然要求热处理工艺和材质成分要对。
但要达到HRC55的硬度，45钢就只能进行低温回火，得到的回火马氏体较粗大，材料硬而脆，使用意义不在，所以一般45钢淬火后的硬度控制在HRC50左右。
如果没有耐磨性的要求，更常用的是调质处理。
目录第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状，1.2碳钢的应用、优点及缺点...1.3钢的热处理工艺1.4本论文研究内容第二章普通热处理工艺对45钢组织和硬度的影响2.1普通热处理工艺对45钢组织的影响2.2普通热处理工艺对45钢硬度的影响第三章结论参考文献.第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状中国1949年全国产钢只有16万吨，新中国成立，我国钢铁工业进入-一个崭新的历史时期。
1996年钢产量超过1亿吨，2005年的钢产量达到了创纪录的3.5亿吨，2007年我国生产粗钢近4.9亿吨，总体星较快增长态势。
60多年来中国的产钢量增长1000多倍，成为世界钢铁发展史上的大奇迹。
当前钢铁生产的发展得益于钢铁科技发展为钢铁行业的清洁生产奠定了良好的基础，使钢铁生产不断降低消耗与成本，不断优化钢铁材料的性能，成为各行业协调发展，优化环境的重要支撑条件。
钢铁科技的自身优化与完善，还有赖于信息、环境、装备、加工等学科技术进步的推动。
可以肯定，今后直到2020年的10~15年内，钢铁工业作为国民经济重要基础产业与支柱产业的地位不会改变。
目前，我国钢铁产业的生产力布局相对比较分散，产业布局方式既不适应铁矿资源结构的变化，也有悖于市场选择和环保优先的原则。
20115第三章热处理储运传
在电镜下，亚结构主要是孪晶， 又称孪晶马氏体。
电镜下
2020/5/11
光镜下 电镜下
材料科学与工程学院
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第三章 钢的热处理 马氏体形态与含碳量的关系
马氏体的形态主要取决 于其含碳量
✓ C%小于0.2%时，组织几 乎全部是板条马氏体。
✓ C%大于1.0%C时几乎全 部是针状马氏体.
✓ C%在0.2~1.0%之间为板 条与针状的混合组织。
中温转变：550 ℃～Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有 一定的扩散能力。 转变产物：贝氏体，即Fe3C或碳化物分布在含碳 过饱和的铁素体上的两相混合物。
上贝氏体： 550 ～ 350℃，呈羽毛状,小片状 Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。
下贝氏体： 350 ℃～Ms点，呈针状,韧性高，综 合力学性能好。
之一。
2020/5/11
材料科学与工程学院
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第三章 钢的热处理
三、 钢在冷却时的转变
冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定 了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时 间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因 为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏 体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？
5.热处理的分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
机械工程材料第三章复习题(合金的结晶和合金化原理)-选择和判断
第三章复习题（合金的结晶和合金化原理）1、由于物质中热能（Q）或成分(C)不均匀所引起的宏观和微观迁移现象统称为扩散现象。
2、在研究空间内温度或浓度不随时间而变化的扩散称为稳态扩散。
3、在研究空间内温度或浓度随时间而变化的扩散称为非稳态扩散。
4、单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量与温度或浓度梯度成正比，这一规律称为扩散第一定律。
5、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。
6、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。
7、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。
8、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。
9、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。
10、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。
11、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。
12、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。
13、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。
14、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。
15、在只有固态下发生的相变称为固态相变。
16、固溶体随温度降低，溶解度减小，多余的溶质原子形成另一种固溶体或化合物的过程称为脱溶沉淀。
17、由一个固相同时转变成两种成分不同但晶体结构相同且与母相晶体结构也相同的转变称为调幅分解。
18、由一个固相同时转变成两种固相的转变称为共析转变。
19、由两个固相转变成一种固相的转变称为包析转变。
20、原子扩散的结果使成分更均匀或形成新的相。
我的答案：√21、温度越高，扩散系数越小，扩散速度越慢。
我的答案：×22、渗碳温度越高，渗碳速度越快。
我的答案：√23、气氛碳势小于工件表面含碳量时气氛中的碳原子向工件内扩散。
我的答案：×24、工件表面与介质之间的换热系数越大，则工件加热或冷却速度越快，工件内的温度梯度也越大。
机械工程材料及热处理问题常见知识
机械工程材料及热处理问题常见知识1、碳钢的分类？答：1)按钢的含碳量分类：低碳钢≦0.25%C中碳钢0.30-0.55%C高碳钢≥0.60%C 2) 按钢的质量分类：普通碳素钢：S、P 含量分别≦0.055%和0.045%；油质碳素钢：S、P 含量均应≦0.040%；高级油质碳素钢：S、P 含量分别≦0.030%和0.035%；3)按通途分类：碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构和机器零件。
一般属于低碳钢和中碳钢。
碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具。
一般属于高碳钢。
2、优质碳素结构钢的表示方法？答：1)正常含锰量的优质碳素结构钢：对于含碳量小于0.25%的碳素结构钢，含锰量为0.35-0.65%；而对于含碳量大于0.25%的碳素结构钢，含锰量为0.5-0.8%，这类钢的平均含碳量用两位数字表示，以0.01%为单位。
如钢号20，表示平均含碳量为0.20%。
2)较高含锰量的优质碳素结构钢：对于含碳量为0.15-0.60%的碳素结构钢，锰含量为0.7-1.0%；含碳量大于0.60%的碳素结构钢，锰含量为0.9-1.2%。
这类钢的表示方法是在含碳量的两位数字后面副以汉字锰或化学符合“Mn”。
例如20Mn表示平均含碳量为0.2%，含锰量为0.7-1.0%。
3、什么是钢的热处理？答：所谓钢的热处理就是通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。
钢的热处理最基本类型为：1)普通热处理。
包括退火、正火、淬火和回火。
2)表面热处理。
包括表面淬火（火焰加热、感应加热（高频、中频、工频））和化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗及其他）。
4、简述正火与退火的区别？答：1）正火冷却速度比退火稍快，正火后的组织比退火细，硬度和强度有所提高。
2）正火用于亚共析钢和共析钢时，可作为预先热处理，使材料获得合适的硬度，便于切削加工；用于过共析钢时，可抑制或消除二次渗碳体的形成，以便其球体化。
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3.1.1钢在加热时的转变
1)钢在实际加热时的转变点 2)奥氏体的形成过程及影响因素 3)奥氏体晶粒的长大及影响因素
第三章 钢的热处理 1) 钢在实际加热时的转变点
第三章 钢的热处理 2)奥氏体的形成过程及影响因素
1.奥氏体的形成过程
2.奥氏体形成的影响因素 • 加热温度和加热速度
第三章 钢的热处理
热处理分类
• 普通热处理:退火、正火、淬火、回火 • 表面热处理：
1）表面淬火:感应加热表面淬火、火焰加热淬火 2）化学热处理:渗碳、渗氮、渗金属 • 其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理
保温
临界温度
热处理工艺曲线
时间
第三章 钢的热处理
3.2.1退火与正火
3.2.1.1退火 1.完全退火 2.球化退火 3.扩散退火(均匀化退火) 定义、应用范围、后处理 4.去应力退火 定义、应用范围、目的
属化学成分不均匀 柱状晶组织 2) 热影响区内的组织变化
0__焊缝
1__熔合区
热
2__过热区
影
3__重结晶区 响
4__部分相变区 区
5__基体金属
低碳钢焊接时热影响区内的组织变化
第三章 钢的热处理
3.2钢的普通热处理
3.2.1退火与正火 3.2.2钢的淬火 3.2.3钢的表面淬火 3.2.4钢的回火 3.2.5钢的淬透性 3.2.6固溶处理与时效强化
3.2.2.2正火
第三章 钢的热处理
• 完全退火与等温退火
定义： 应用范围： 目的： 工艺： 等温退火
高速钢等温退火与完全退火的比较
第三章 钢的热处理
• 球化退火
定义： 应用范围： 目的： 工艺：
T10钢球化退火
第三章 钢的热处理
正火
定义：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上 30~50℃，保温适当的时间后在静止空气中冷却的热处理叫正火。 应用范围： 目的： （1）要求不高的结构件，可作为最终热处理。 （2）改善低碳钢的切削加工性（以防粘刀）。
相变可在恒 温下进行到 底
恒温下相变的完全程度 与转变温度有关。温度 越低，转变越不充分， 有A 存在。
马氏体转变 低温转变 MS~Mf 无扩散
单相:F(C)
合金元素不扩散
主要在连续冷却过 程中进行，相变不 彻底，有A残存在。
第三章 钢的热处理 3.1.3焊接接头的相变
1) 焊缝缺陷 气孔 非金属夹杂物 裂纹 未焊透 咬边 焊缝金
共析钢连续冷却转变图
时间
45钢的CCT图
第三章 钢的热处理
3) 过冷奥氏体的转变产物及性能
A`的转变产物类型:珠光体(P)、马氏体(M)、贝氏体(B)
1.珠光体类型组织
珠光体转变
A
0.77%
面心立方
F
0.0218%
体心立方
+
Fe3C
6.69%
复杂斜方
2.马氏体类型组织
马氏体中固溶碳引起的晶格畸变
马氏体正方度与含碳量的关系
• 原始组织 • 合金元素
第三章 钢的热处理 3) 奥氏体晶粒的长大及影响因素
•Hell-Petch公式:
s
0
kd
1 2
•奥氏体晶粒尺寸对冷却后 钢的性能的影响
加热温度对晶粒尺寸的影响
本质粗晶粒钢
晶粒尺寸 d
本质细晶粒钢 加热温度
第三章 钢的热处理
3.1.2钢在冷却时的转变 1）过冷奥氏体等温转变图 2）过冷奥氏体的连续转变图 3）过冷奥氏体的转变产物及性能
第三章 钢的热处理
感应加热表面淬火 示意图 (500 ~ 600) / f
高频 100~500kHz 0.5~2.0mm 中频 2.5~8kHz 2~10mm 工频 50Hz 10~15mm
特点：加热速度快、时间短、 氧化脱碳少、变形小、晶粒细 小、硬度高，表面层具有较大 的残余压应力，可提高疲劳强 度。但设备昂贵。淬火前调质 或正火，淬后需低温回火。
第三章 钢的热处理 3·2·2.2淬火冷却介质
第三章 钢的热处理 3.2.2.3淬火冷却方法
各种淬火方法示意图
1—单介质淬火法 2—双介质淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法 5—冷处理
第三章 钢的热处理
3.2.3钢的表面淬火
3.2.3.1感应加热表面淬火 3.2.3.2火焰加热表面淬火 3.2·3·3激光加热表面淬火
珠光体转变 贝氏体转变
转变温度范围 高温转变
中温转变
扩散性
Ar1~550ºC 550ºC~MS
C、Fe原子均 C原子扩散
扩散
Fe原子不扩散
组成相
两相：F、 Fe3C
合金元素的分布 合金元素扩 散，重新分 布
两相：F(C)、Fe3C （>350ºC) 或F、FeXC(<350ºC) 合金元素不扩散
相变的完全性
（3）共析钢、过共析钢正火后可消除网状二次渗碳体，为球 化退火作组织准备。
各种退火及正火的加热温度范围
第三章 钢的热处理
第三章 钢的热处理
各种退火及正火的加热温度范围
第三章 钢的热处理
3.2.2钢的淬火
定义、目的 3.2.2.1淬火加热温度和加热时间 3.2.2.2淬火冷却介质 3.2.2.3淬火冷却方法
碳钢含碳量与马氏体硬度的关系
3.贝氏体类型组织
第三章 钢的热处理 马氏体的晶格畸变
第三章 钢的热处理
马氏体正方度与含碳量的关系
马氏体组织
板条马氏体
片状马氏体
第三章 钢的热处理 碳钢含碳量与马氏体硬度的关系
第三章 钢的热处理 贝氏体组织
上贝氏体
下贝氏体
第三章 钢的热处理
P、B、M转变的异同点
第三章 钢的热处理 1) 过冷奥氏体等温转变图
共析碳钢的C曲线
第三章 钢的热处理
C曲线的位置和形状的影响因素
1.含碳量的影响 2.合金元素的影响 3.奥氏体化温度和保温时间的影响
第三章 钢的热处理 1.含碳量的影响
第三章 钢的热处理 2.合金元素的影响
第三章 钢的热处理 2) 过冷奥氏体连续冷却转变曲线
1.单介质淬火法 2.双介质淬火法 3.分级淬火法 4.等温淬火法 5.冷处理
第三章 钢的热处理Байду номын сангаас
3·2·2.1淬火加热温度和加热时间
合金钢的淬火加热温度稍 微高一些，是临界点以上 50~100℃。 加热时间： 箱式炉：1~2min/mm 盐浴炉：0·4~1min/mm 合金钢适当延长
碳钢的淬火加热温度范围
第三章 钢的热处理 火焰加热表面淬火示意图
第三章 钢的热处理
3.2.4钢的回火
3.2.4.1回火目的 3.2.4.2回火组织转变及性能变化 4.2.4.3回火工艺及应用 3.2.4.4回火脆性