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——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
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。
工程材料及热处理计划方案
工程材料及热处理计划方案一、引言工程材料的选择和热处理方案的制定是工程设计中非常重要的一环，直接影响着工程产品的质量、性能和寿命。
在实际工程中，我们常常面对着众多材料选型和热处理方案选择的困难，而且这其中涉及到了许多复杂的技术问题。
因此，本文将结合实际工程案例，阐述工程材料及热处理计划方案的重要性，以及在实际工程中应该如何进行选择和制定。
二、工程材料的选择1. 材料选型的影响因素在工程设计中，对于材料的选择往往是一个非常复杂的过程，需要综合考虑许多因素。
其中，最主要的影响因素包括：工程产品的使用环境、使用要求和要求的性能指标。
例如，对于需要承受高温、高压的零部件，应选择具有较高耐热、抗压和耐腐蚀性能的材料；对于需要有较高强度、硬度和耐磨性的部件，应选择具有这些性能的材料。
此外，材料的可加工性、可焊接性、成本等也是影响材料选型的重要因素。
在选择材料时，必须综合考虑这些因素，使得所选材料既能够满足工程产品的使用要求，又能够满足生产加工的要求，并且成本合理。
2. 材料种类及特点根据不同的使用要求和要求的性能指标，工程材料可以分为金属材料、塑料材料、陶瓷材料、复合材料等几种。
其中，金属材料是应用最广泛的一类工程材料，主要包括铁、钢、铜、铝、镁、钛、镍、锌、锡等金属及其合金。
金属材料的特点是：具有良好的导电、导热和强度性能；可塑性、可焊性和可加工性强；一般具有较高的强度、硬度和耐磨性；易于回收再利用；但也存在一定的腐蚀、磨损和高温变形等问题。
另外，金属材料的选择和使用需要根据不同的要求，选择不同种类、牌号和热处理状态的材料。
比如，对于需要高强度、硬度和耐磨性的零部件，应选择高强度钢、合金钢、特种钢等材料，并通过热处理提高其性能。
三、热处理的基本概念1. 热处理的定义热处理是通过对金属材料进行加热、保温和冷却等一系列工艺过程，改善其组织结构和性能的工艺。
热处理工艺可以改变金属材料的组织组成、提高其强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和韧性等性能。
工程材料-普通热处理与表面热处理)
螺杆表面的 淬火裂纹
一、回火的目的
1、减少或消除淬火内 应力, 防止变形或开裂。
2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆 性大，回火可调整硬度、韧性。
3、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发 向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平 衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间, 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。
聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.
三、淬火方法
1、单液淬火法 加热工件在一种介质
中连续冷却到室温的 淬火方法。 操作简单，易实现自 动化。 采用不同的淬火方法 可弥补介质的不足。
1—单液淬火法 2—双液淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法
淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。 D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比
较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
马氏体
马氏体 索氏体
五、淬透性的应用
1、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系 曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为预 测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布.
2、利用淬透性曲线进行选材。如要求厚60mm汽 车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，3/4半径处 为HRC45。可按下图箭头所示程序进行选材分析.
3、利用淬透性可控制淬硬 层深度。
– 对于截面承载均匀的重要件, 要全部淬透。如螺栓、连杆、 模具等。对于承受弯曲、扭转 的零件可不必淬透(淬硬层深 度一般为半径的1/2~1/3)，如 轴类、齿轮等。
火焰加热 感
应 加 热
表面淬火目的： ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有
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《工程材料及热处理》实验教学大纲
课程代码：
课程名称：工程材料及热处理
英文名称：Engineering Materials and Heat Treatment
课程总学时：40 学分：2.0
理论学时：34 实验学时：6
课程类型：必修课
课程性质：专业课
设置类别：非独立设实验课
先修课程：高等数学12201-12202、大学物理、画法几何与机械制图12214-12215、工程力学、金工实习
适用专业：车辆工程、机械设计与制造
开课单位：材料工程学院
一、实验教学的性质地位和任务
工程材料及热处理是机械类、及其他近机类各专业学生必修的一门综合性的专业基础课，是研究工程材料及加工方法的一门学科。
主要内容包括：机械工程材料与热处理、铸造、塑性成型和焊接四大部分的基础知识，涉及工程材料及其材料加工工艺的各个方面。
通过课程的学习，可以为后续课程的学习及毕业后从事相关工作打下坚实的基础。
实验课程是本课程的重要教学环节。
通过实验课可以使学生了解有关硬度测定的基本知识、测定方法、常用测定设备的使用和数据处理方法。
了解金相试样的制备过程及金相显微镜的正确使用，初步掌握钢的热处理工艺特点及操作方法，初步掌握热处理工艺中，加热时间、保温时间、冷却方法的确定原则及对性能的影响，掌握成分、组织、性能之间的关系。
同时巩固学生在课堂所学内容，培养学生的实验技能和综合研究能力。
二、实验内容与要求
项目一、金属材料硬度测定
（1）实验目标
了解不同种类硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。
学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计并掌握相应硬度的测试方法。
（2）具体内容
金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。
硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。
由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、塑性变形强化能力以及大量变形抗力。
硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。
另外，硬度与其他力学性能（如强度、塑性）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于材料的使用寿命具有决定性的作用。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于测量铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。
洛氏硬度试验——主要用于测量成品零件。
维氏硬度试验——主要用于测定较薄材料和硬材料。
显微硬度试验——主要用于测定显微组织组分或相组分的硬度。
（3）主要仪器设备与工具
1.硬度计；
2.读书显微镜：最小分度值为0.01mm。
3.标准硬度块：不同硬度试验方法的标准硬度块。
4.材料：20、45、T8、T12钢退火态、正火态、淬火态及回火态试样，尺寸为Φ10×10mm。