工程材料及热加工工艺

热加工的对象是各种工程材料，包括金属材料、非金属材料和复合材料等。

将改变制造对象的形状尺寸、相应对象位置和性质等，使其成为成品和半成品的过程称为工艺过程。

砂型铸造工艺过程包括三个基本阶段：准备铸型、浇注金属、落砂清理。

整模造型是将铸件的最大截面在端部并作为一个平面，即分型面，且模样全部放在一个砂箱内造型。

分模造型是将铸件最大截面在中部或空心轴线上，需以最大截面为分型面，将模样分成两半并分别造型、造芯，然后再合箱成铸型。

挖砂及假箱造型挖砂铸件的最大截面一般在端部并为一个曲面，且模样有不便分成两半，造型时常需要将下半型中阻碍起模的型砂挖掉，以便取出模样。

活块与三箱造型活块造型铸件侧面有小凸台而影响起模，可将凸起部分作成可嵌卸的活块，先取出主模样后取出活块；三箱造型铸件两头大而中间截面小，用一个分型面取不出模样需要从小截面处分开模样，用两个分型面、三个砂箱造型。

铸造成形的质量不仅与铸造成形的方法有关，还与金属熔炼与浇注、金属冷凝、型腔条件及模样等工艺相关，影响铸件质量的关键因素是液态金属的充型能力及凝固收缩性能。

液态金属充满铸型型腔，获得形状完整及轮廓清晰铸件的能力，充型能力的强弱取决于液态金属的自身的流动性、浇注温度及填充条件。

液态金属的流动性是指液态金属自身的流动能力。

灰铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。

共晶成分的合金和金属铸件，在恒温条件下由表及里、呈依次逐层结晶。

亚共晶成分的合金随含碳量高低有两种形式。

当含碳量降低结晶温度范围大呈糊状结晶，结晶温度适中则介于逐层和糊状结晶之间。

浇注温度过低会出现浇注不足和冷隔等缺陷。

适当提高浇注温度可以改善合金的流动性，温度过高时会使铸件夹杂、缩孔、缩松和粘砂等缺陷。

在保证充型能力足够的前提下，尽可能的降低浇注温度。

湿砂型含水量高，透气性不好，大量水蒸气与液态金属形成对流，阻碍充型并降低流动性，从而使铸件产生大量的气孔、夹杂、冷隔及浇不足等缺陷，故采用烘干铸型和热铸型。

一、名词解释：１、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。

２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。

２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。

５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。

二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：下料锻造正火机加工调质机加工（精）轴颈表面淬火低温回火磨加工指出：1、主轴应用的材料：45钢2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。

去除表面淬火热应力，表面M＋A’心部S回四、选择填空（20分）１．合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是（d）（a）均强烈阻止奥氏体晶粒长大（b）均强烈促进奥氏体晶粒长大（c）无影响（d）上述说法都不全面２．适合制造渗碳零件的钢有（c）。

（a）16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A （b）45、40Cr、65Mn、T12（c）15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi３．要制造直径16mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合机械性能，应选用（c ）（a）45钢经正火处理（b）60Si2Mn经淬火和中温回火（c）40Cr钢经调质处理4．制造手用锯条应当选用（a ）（a）T12钢经淬火和低温回火（b）Cr12Mo钢经淬火和低温回火（c）65钢淬火后中温回火5．高速钢的红硬性取决于（b ）（a）马氏体的多少（b）淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量（c）钢中的碳含量6．汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性，中心有良好的强韧性，应选用（c ）（a）60钢渗碳淬火后低温回火（b）40Cr淬火后高温回火（c）20CrMnTi渗碳淬火后低温回火7．65、65Mn、50CrV等属于哪类钢，其热处理特点是（c ）（a）工具钢，淬火+低温回火（b）轴承钢，渗碳+淬火+低温回火（c）弹簧钢，淬火+中温回火8. 二次硬化属于（d）（a）固溶强化（b）细晶强化（c）位错强化（d）第二相强化9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢，进行固溶处理的目的是（b）（a）获得单一的马氏体组织，提高硬度和耐磨性（b）获得单一的奥氏体组织，提高抗腐蚀性，防止晶间腐蚀（c）降低硬度，便于切削加工１０.推土机铲和坦克履带板受到严重的磨损及强烈冲击，应选择用（b ）（a）20Cr渗碳淬火后低温回火（b）ZGMn13—3经水韧处理（c）W18Cr4V淬火后低温回火五、填空题(20分)1、马氏体是碳在a-相中的过饱和固溶体，其形态主要有板条马氏体、片状马氏体。

机械工程材料与热加工工艺摘要：本文主要阐述了机械工程材料的主要性能及其应用，同时说明机械工程材料热加工工艺，其中包括钢铁生产与质量、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及有色金属及其合金等。

关键词：机械工程；工程材料；热加工工艺引言：机械工程材料种类繁多，其中最为常见就是有色金属材料，要根据有色金属材料特点，采用正确的制造技术和加热工艺，有效增强有色金属强度和耐腐蚀性等，确保所制作出的零部件，其质量和性能都有显著增强。

1机械工程材料的主要性能及其应用机械工程各类产品多数都是由种类繁多、性能各异的金属材料和非金属，通过正确加工所制作出的零部件共同构成的。

金属材料的机械性能主要是指金属材料在各种形式的外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，判断金属机械性指标包括金属材料强度、塑性和硬度等。

金属材料在受力时抵抗产生弹性的能力则称为刚度。

金属材料的硬度主要是指材料抵抗外物压力的能力，硬度越高，金属材料抵抗局部塑性变形的能力就越大。

通常材料的硬度越高，其耐磨性就越强，强度和硬度间存在着内部联系。

金属冲击韧性是材料在冲击荷载作用下，抵抗断裂的能力，现阶段机械工程技术常用一次摆锤冲击弯曲试验，测定材料受冲击荷载能力。

机械工程所用零件种类较多，如发动机设备中的曲轴、连轴等，该类零件常在交变荷载下工作。

此外，转动轴等零件虽然受到的荷载无法随时间交替变化，但零件本身是能够旋转的。

以该两种情况为背景，零部件中都会产生随时间变化的应力，该种应力即称为“交变应力”。

此外，以此种情况为背景工作的零部件，其最大应力要低于材料在静荷载小的极限，但经过长期工作的磨损，难免会出现断裂等情况，引发断裂事故。

所以，要采取有效措施避免断裂事故发生。

制造零部件和选用工艺时，要充分考虑所选材料的工艺性能，如低碳钢有着较强的塑性成形性能和可焊性，所以常被用作制造量器和刀具等[1]。

2机械工程材料表面处理方法机械工程材料表面处理方法主要包括强化处理法、表面防护处理法、涂料涂装法和氧化处理法，其中，强化处理法即可分为表面覆盖层强化法、表面表型强化法两种，表面覆盖层强化法指的是在材料表面，获得特殊性能的覆盖膜，以此增强材料表面的刚度、硬度和耐疲劳性，增强材料质量。

材料工程及热工艺（陈培里版）课后习题答案第二章2、金属具有哪些特性？请用金属键结合的特点予以说明。

答案要点：特性：好的导电、导热性能，好的塑性；强度、硬度有高有低，熔点有高有低，但机械行业常用那些好的综合力学性能（强度、硬度、塑性、韧性）、好的工艺性能的材料；金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。

在金属晶格中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。

在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流，即导电。

这种结构，很容易温度变化时，金属原子与电子的振动很容易一个接一个传递，即导热。

当金属晶体受外力作用而变形时，尽管原子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，金属没有被破坏，故金属晶体有较好的塑性、韧性。

因为金属键的结合强度有高有低，故金属的强度、硬度、熔点有高有低。

6、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对力学性能有何影响？答案要点：存在着点缺陷（空位、间隙原子、置换原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界、亚晶界）。

点缺陷引起晶格畸变，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。

线缺陷很少时引起各项力学性能均下降，当位错密度达一定值后，随位错密度升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，机械制造用材中位错密度基本均大于这一值。

面缺陷的影响力：晶界越多(即晶粒越细)，四种机能均升高。

7、晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？答案要点：因为理想晶体中原子作规则排列，不同方向的晶面与晶向的原子密度不同，导致不同方向的原子面的面间距、原子列的列间距不同，即不同方向的原子间的作用力不同，也就体现出各向异性。

实际晶体常为多晶体，各种晶面、晶向沿各个方向的分布机率均等，所以各向同性。

第三章1、从滑移的角度阐述为什么面心立方金属比体心立方和密排六方金属的塑性好？答案要点：塑性变形的实质是滑移面上的位错沿滑移方向滑移造成的，而滑移面是晶体中的密排面，滑移方向是密排方向。

1、常用金属的晶格有（体心立方晶格）、（面心立方晶格）和（密排六方晶格）三种。

2、实际金属的晶体缺陷有（点缺陷）、（面缺陷）和（线缺陷）三种。

3、点缺陷包括（空位）、（置换原子）和（间隙原子）等；线缺陷有（刃型位错）和（螺型位错）两种；面缺陷通常指金属中的（晶界）和（亚晶界）。

4、在固态合金中的基本相结构为（固溶体）和（金属化合物）两种。

5、固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同,又可以分为（置换）固溶体和（间隙）固溶体。

1、金属结晶过程包括两个阶段：即（晶核的形成）和（晶核的长大）。

（过冷）是结晶的必要条件。

细化晶粒的方法有（增大过冷度）、（变质处理）、（机械振动）、（超声振动）、（电磁振动）等。

2、晶核的形成主要有（自发形核）和（非自发形核）两种形式3、合金状态图都是用实验的方法绘制的，常用（热分析法）来测定。

4、若结晶冷却速度较快，则须通过（扩散）退火来消除偏析。

5、一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个不同成分固相的过程称（共晶反应），反应式为（r=a+b ）；一个固相同时转变为两种不同的新固相的转变（反应）称（共析反应），反应式为（l=a+b ）1.影响晶粒度的因素主要有过冷度和异质晶核两个方面。

2.合金化强化主要途径有固溶强化和第二相强化（又称弥散强化）两种。

3.细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度 .硬度. 塑性和韧性的方法称细晶强化。

1、单晶体塑性变形的基本形式有（滑移）和（孪生），其中（滑移）是金属中最主要的一种塑性变形方式。

2、加工硬化:材料的强度，硬度上升，而塑性韧性下降的现象，称为加工硬化。

3、随着加热温度的提高，变形后的金属将相继发生（回复）、（再结晶）和（晶粒长大）三个过程。

3.钢经正火后获得的组织是( 索氏体)，经调质处理后获得的组织是( 回火索氏体)。

1 用光学显微镜观察，上贝氏体组织呈（羽毛）状，下贝氏体呈（针）状。

2马氏体的硬度主要取决于其（含碳量）。

工程材料及热加工实验指导书湖北文理学院机械与汽车工程学院机械基础教研室实验一 硬度实验一、实验目的1、了解布氏硬度计、洛氏硬度计、里氏硬度计的主要构造及操作方法。

2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的测定方法。

3、初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概念。

二、实验概述硬度试验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。

因此，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。

此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。

目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。

其中以布氏硬度和洛氏硬度应用最广。

它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。

1、布氏硬度布氏硬度试验方法是将一直径为D 的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F 的作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径为d 的压痕。

计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。

但实际试验时都是用读数显微镜测出压痕直径d ，再根据d 值，查对照表得出所测的硬度值。

当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS ，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW ，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料。

在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D 、施加载荷F 和载荷保持时间。

布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。

但因压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。

2、洛氏硬度洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm )161(in 的钢球为压头，在先后两次截荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸除主截荷，在保留初载荷情况下，测出由主截荷引起的塑性变形的压力深度h ，再由h 值确定洛氏硬度值。

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。

第一篇工程材料一、判断题（对的在题前的括号中打“√”，错的打“×”）（）1. 金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越细。

（）2. 碳溶解在α-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体。

（）3. 奥氏体的晶粒大小除了与加热温度和保温时间有关外，还与奥氏体中碳的质量分数及合金元素的质量分数有关。

（）4. 马氏体的硬度主要取决于马氏体中的碳的质量分数。

（）5. 固溶强化是指因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象。

（）6. 奥氏体中碳的质量分数愈高，淬火后残余奥氏体的量愈多。

（）7. 同一钢材在相同加热条件下水淬比油淬的淬透性好。

（）8. 感应加热时的淬硬层深度主要取决于电流频率。

频率愈高，则淬硬层愈浅。

（）9. 钢的表面淬火和表面化学热处理，本质上都是为了改变表面的成分和组织，从而提高其表面性能。

（）10. 钢的含碳量越高，则其淬火加热温度越高。

（）11. 金属多晶体是由许多内部晶格位向相同，而相互间位向不同的小晶体组成的。

（）12. 因为单晶体具有各向异性的特征，所以实际应用的金属晶体在各个方向上的性能也是不相同的。

（）13. 在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细。

（）14. 在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。

（）15. 在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。

（）16. 在其它条件相同时，浇注时采用振动的铸件晶粒比不采用振动的铸件晶粒更细（）17. 铸造合金常用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常用具有单相固溶体成分的合金。

（）18. 合金中的固溶体一般来说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。

（）19. 过冷奥氏体的冷却速度越快，钢冷却后的硬度越高。

（）20. 第一类回火脆性是可逆的，第二类回火脆性是不可逆的。

（）21. 随奥氏体中碳的质量分数的增高，马氏体转变后，其中片状马氏体增加，板条状马氏体减少。

（）22. 孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁明显提高。

《工程材料及热加工工艺基础》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号Z5903B001 课程名称工程材料及热加工工艺基础课程英文名称Basic Engineering Materials Termal Machining总学时数56授课学时50实践学时实验学时6习题课学时设计学时学分 3开课单位机电工程学院适用专业机械设计制造及自动化专业先修课程工程制图（Ⅰ）、工程训练（Ⅰ）、公差与技术测量课程类别专业主干课选用教材或参考资料教材：1. 工程材料及机械制造基础——工程材料（第二版）东南大学戴枝荣、张远明主编高等教育出版社2. 《金属工艺学》（上册、第五版）高等教育出版社邓文英主编参考书：1. 《机械制造基础》（上）清华大学出版社京玉海、罗丽萍主编2. 《机械制造基础学习指导与习题》重庆大学出版社京玉海主编本课程任务和目的本课程是一门实践性很强的技术基础课，其任务和目的是使学生获得常用工程材料及热加工工艺的基础知识，培养工艺实践的初步能力，为学习其他有关课程，并为以后从事涉及机械设计和加工制造方面的工作奠定必要的基础。

制订单位机电工程学院工程训练中心制订时间2008年课程组成员罗丽萍、京玉海、郑志强、郭烈恩、朱政强审核人批准人二、课程内容及基本要求㈠绪论1、了解机械制造的一般概念2、了解机械零件加工过程3、了解工程材料及热加工基础的任务、目的和要求4、了解课程的性质、特点和学习方法5、了解机械制造的发展趋势㈡工程材料1、工程材料概述⑴了解材料发展概况和工程材料的分类；⑵熟悉金属材料各项力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）的具体指标的物理意义及表示符号等；⒀一般了解金属材料的物理性能、化学性能、工艺性能的含义。

2、晶体结构与结晶⑴了解晶体的三大特点，熟悉三种常见金属晶体结构的分类、原子数、致密度、原子半径；⑵理解结晶的基本概念，清楚金属结晶的一般规律；⑶熟悉晶粒大小对金属性能的影响和控制晶粒大小的措施；⑷了解金属同素异晶转变的概念与结晶的区别，熟悉纯铁在不同温度下的晶体结构；⑸熟悉三种合金的结构，含分类、晶格类型特点及力学性能特点；⑹了解相图、相、合金及组元的概念。

一章、力学性能一、填空：1.材料的硬度分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度，其符号分别是HBW 、HR和HV。

2.金属抗拉强度的符号是Rm ，塑性的指标主要有断后伸长率和断面收缩率。

3.大小、方向或大小和方向都随时发生周期性变化的载荷称为交变载荷。

（考证真题）二、选择：1.500HBW5/750表示直径为 5 mm的硬质合金压头、在750Kgf 载荷作用下、保持1~15 S测的硬度值为500。

（考证真题）2.拉伸试验可测定材料的AC。

A.强度B.硬度C.塑性D.韧性3.下列力学性能中，C适于成品零件的检验，可不破坏试样。

A.B.A kC.HRCb4.疲劳实验时，试样承受的载荷为 B 。

（考证真题）A.静载荷B.交变载荷C.冲击载荷D.动载荷5.常用塑性的判断依据是 A 。

（考证真题）A.断后伸长率和断面收缩率B.塑性和韧性C.断面收缩率和塑性D.断后伸长率和塑性6.适于测试硬质合金、表面淬火钢及薄片金属硬度的方法是C。

（考证真题）A.布氏硬度B.洛氏硬度C.维氏硬度D.以上都可以7.不适于成品与表面薄片层硬度测量的方法是A。

（考证真题）A.布氏硬度B.洛氏硬度C.维氏硬度D.以上都不宜8.用金刚石圆锥体作为压头可以用来测试B。

（考证真题）A.布氏硬度B.洛氏硬度C.维氏硬度D.以上都可以9.表示金属抗拉强度的符号是C。

A.R eLB.R sC.R mD.1-σ10.金属在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力称为C。

A.塑性B.硬度C.强度D.弹性三、判断1.塑性变形能随载荷的去除而消失。

（错）2.所有金属在拉伸实验时都会出现屈服现象。

（错）3.一般情况下，硬度高的材料耐磨性好。

（对）4.硬度测试时，压痕越大（深）,材料硬度越高。

（错）5.材料在受力时，抵抗弹性变形的能力成为刚度。

（对）四、计算某厂购入一批40钢，按标准规定其力学性能指标为：R eL≥340MPa，Rm≥540MPa，A≥19%，Z≥45%。