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)
(建筑工程管理)工程材料及热处理
工程材料及热处理授课教师：李静研究内容科学性a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、 结构与性能的关系b. 从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各物性之间的关系c. 材料的制备工艺技术性d. 材料的性能表征e. 材料的应用(3) 材料工程 Materials Engineering对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系使用性能Performance合成与制备过程 Synthesis and Processing 组成与结构Compositionsand Structures性质Properties（工程）（化学） （物理学）第二节合金及相结构一基本知识：1.合金：有2种或2种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质。
2.组元：组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。
3.相：成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。
二、合金中的相结构固溶体：形成合金时，如果一种组元的晶格中可以包含其他组元，即新相的晶格结构与某一组元的晶格相同，这种新相称为固溶体。
晶格与固溶体相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。
化合物：形成合金时，新相的晶格结构不同于任一组元的晶格，则新相是组元间形成的一种新的物质，这种新相称为化合物。
（一）固溶体1.分类：置换固溶体和间隙固溶体2.特征：造成晶格畸变，固溶体的强度及硬度升高，物理性能也会发生变化。
——固溶强化（二）化合物1.分类：正常价化合物，电子价化合物及间隙化合物2.各种化合物的比较第四节二元合金相图1.合金系：由给定的的组元可以配制成不同成分的合金，这些合金组成的合金系统称为合金系。
2.（相）平衡：在一定条件下，合金中参与结晶或相变过程中的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变的状态。
3.相图：不同温度及成分下，合金中的合金相的构成及相之间的平衡关系的图形。
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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第2章 工程材料及热处理
HBS P 0.102 P N / mm2
F
DH
式中： P——试验力（kgf）； F——表面积（mm2）； H——压痕深度（mm）； D——压头直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于压痕深度H的测量比较困难， 而测量压痕直 径d比较方便， 因此上式中H可换算成压痕直径d。 即：
第2章 工程材料及热处理
表2-1 布氏硬度试验规范
第2章 工程材料及热处理
2. 洛氏硬度 洛氏硬度试验法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压 入金属表面， 如图2-4所示。 用一定直径（D）的淬火 钢球或硬质合金球在初载荷与初、 主载荷的先后作用 下， 将压头压入试件表面。 经规定的保持时间后卸除 主载荷， 根据压痕深度确定金属硬度值。 根据所用压头种类和所加试验力， 洛氏硬度分为 HRA、 HRB及HRC等。 表2-2所列为有关洛氏硬度指 标的规定。
式中： σe——应力（MPa）； Pe——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2） 屈服强度
试棒屈服时的应力为材料的屈服点， 称为屈服强
度， 用σS表示。 σS表示金属抵抗小量塑性变形的应力。 即：
式中：
S
PS F0
σS——屈服强度（MPa）; PS——试样屈服时载荷（N）; F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
3） 抗拉强度
抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力。
即：
b
Pb F0
式中： σb——抗拉强度（MPa）； Pb——试样在断裂前的最大载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2. 刚度 在外力作用下， 材料抵抗弹性变形的能力称为刚 度。 衡量刚度大小的指标是弹性模量。 弹性模量是材 料在弹性变形范围内， 应力与应变（即试样的相对伸 长量Δl/l0）的比值， 即：
第2章 工程材料及热处理
2.1.2 硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力， 是反
映材料软硬程度的力学性能指标。 硬度是材料的一个 重要指标， 其测试方法简便、 迅速， 不需要专门试样， 也不损坏试样， 设备也很简单。 而且对大多数金属材 料， 可以从硬度值估算出它的抗拉强度。 硬度值是通 过试验测得的。
第2章 工程材料及热处理
加 载P
卸载
D d
图2-3 布氏硬度试验原理示意图
第2章 工程材料及热处理
1. 布氏硬度 布氏硬度试验原理如图2-3所示。 用一规定直径 （D为10.5 mm和2.5 mm）的淬火钢球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测表面， 保持一定时间后卸除试 验力， 随即在金属表面出现一个压坑（压痕）。 以压 痕单位面积上所承受试验力的大小确定被测材料的硬 度值， 用符号HBS（淬火钢球压头）或HBW（硬质合 金钢球压头）表示， 如45钢调质后其硬度为220～240 HBS。
E
弹
式中： E——弹性模量（Pa）； σ ——在弹性范围内的应力（Pa）； ε弹——在弹性范围内的应变（%）。
第2章 工程材料及热处理
3. 塑性 金属材料在载荷作用下， 在断裂前产生塑性变形 的能力称为塑性。 常用的塑性指标有伸长率δ和断面收 缩率ψ两种。 1） 伸长率 伸长率是试样被拉断时的标距长度的伸长量与原 始标距长度的百分比， 用符号δ表示。 即：
第2章 工程材料及热处理
l
0
图2-1 钢的拉伸试棒
d0
第2章 工程材料及热处理
Pb Pe s Pg e PБайду номын сангаас p
载 荷P
b k
o 伸 长 量l
图2-2 退火低碳钢拉伸曲线
第2章 工程材料及热处理
无论何种材料， 其内部原子之间都具有平衡的原子 力相互作用， 以使其保持其固定的形状。 材料在外力 作用下， 其内部会产生相应的作用力以抵抗变形， 这 种作用力称为内力。 材料单位截面上承受的内力称为应 力， 用σ表示。 金属材料的强度是用应力来表示的。
性变形、 塑性变形和断裂。 弹性变形是指材料在载荷 卸除后能恢复到原形的变形， 而塑性变形是载荷卸除 后永久保留下来的变形。 对于不同类型的载荷， 这三 个过程的发生和发展是不同的。
第2章 工程材料及热处理
使用中一般多用静拉伸试验法来测定金属材料的强度 和塑性指标。 低碳钢试棒的拉伸过程具有典型意义。 将拉伸试棒按GB 6397—86的规定， 制成如图2-1所示 的试棒， 在拉伸试验机上缓慢增加载荷， 记录载荷与 变形量的数值， 直至试样拉断为止， 便可获得如图22所示的载荷与变形量之间的关系曲线， 即拉伸曲线。
第2章 工程材料及热处理
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能 2.2 铁碳合金相图 2.3 钢的热处理 2.4 碳钢与合金钢 2.5 铸铁 2.6 非金属及新型材料 习题2
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能
2.1.1 强度和塑性 1. 强度 材料在受载荷过程中一般会出现三个过程， 即弹
P
F0
第2章 工程材料及热处理
式中： σ——应力（MPa）； P——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。 常用的强度指标有弹性极限、 屈服强度和抗拉强度。
第2章 工程材料及热处理
1） 弹性极限 弹性极限是试样在弹性变形范围内承受的最大拉 应力， 用符号σe表示。 即：
e
Pe F0
L1 L0 100 %
L0
式中： L0——试样原始标距长度（mm）； L1——试样拉断时的标距长度（mm）。
第2章 工程材料及热处理
2） 断面收缩率 断面收缩率是指试样被拉断时， 缩颈处横截面积 的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 用符号ψ表 示。 即：
F0 Fk 100 %
F0
式中： Fk——试样被拉断时缩颈处最小横截面积（mm2）； F0——原始截面面积（mm2）。
HBS 0.102
2F
D(D D2 d 2 )
式中： d——压痕直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于金属材料有软有硬， 工件有薄有厚、 有大有 小， 如果仅采用一种标准的试验力P和钢球直径D， 就会出现如下现象： 如果对硬的材料适合， 对软的材 料就会发生钢球陷入金属内部； 若对厚的材料适合， 对薄的材料就会产生压透现象等等。 因此在生产中进 行布氏硬度试验时， 要求使用不同大小的试验力和不 同直径的钢球或硬质合金球。 因此在进行布氏硬度试 验时， 钢球直径D、 试验力P与力保持时间应根据所 测试金属的种类和试样厚度， 按表2-1所示布氏硬度试 验规范， 正确进行选择。