机械工程材料与热处理

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》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。

机械工程中的热处理技术与应用介绍机械工程是一个广泛的领域，热处理技术是其中一个关键的组成部分。

热处理技术可以改善金属材料的性能和特性，提高机械零件的耐磨性、强度和寿命。

在机械工程中，热处理技术的应用非常重要，本文将探讨热处理技术在机械工程中的应用。

铁素体相变理论热处理技术的核心在于了解材料的相变规律。

在机械工程中，特别是钢铁材料的加工过程中，铁素体相变是一个非常重要的环节。

铁的晶体结构可以以多种形式存在，其中最常见的就是铁素体和马氏体。

热处理技术可以通过控制铁素体相变的方式来改善材料的性能。

常见的热处理技术热处理技术在机械工程中有多种应用方法，其中包括淬火、回火、正火和等离子渗碳等。

淬火是最常见的热处理技术之一，通过快速冷却来使材料达到高强度和硬度。

回火是将淬火后的材料进行加热处理，以减轻材料的脆性和提高其韧性。

正火是通过缓慢冷却来控制材料的硬度和强度。

等离子渗碳是将材料表面暴露于含有碳元素的等离子体中，以提高表面的硬度和耐磨性。

应用举例热处理技术在机械工程中的应用非常广泛。

以汽车工业为例，发动机的活塞和曲轴等零件经常需要经过热处理以提高其耐磨性和强度。

在航空航天领域，发动机叶片和涡轮等零件也需要经过热处理，以确保其在高温和高压环境下的可靠性。

在制造业中，工具的刀锋、模具和切割设备也需要经过热处理，以增加其使用寿命和耐磨性。

热处理技术的优势与挑战尽管热处理技术在机械工程中有着广泛的应用，但也存在一些挑战。

首先，热处理过程中的温度和冷却速度控制是非常关键的，不恰当的处理参数可能导致材料性能的下降甚至失效。

其次，热处理后的材料常常会产生应力和变形，需要经过后续的机械加工或热处理来解决。

此外，热处理技术的成本和能源消耗也需要考虑。

结论热处理技术在机械工程中扮演着重要的角色。

了解和应用热处理技术可以提高机械零件的性能和特性，增加其使用寿命。

然而，热处理技术的应用也面临着一些挑战，需要在工程实践中不断改进。

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）。

第一章金属材料的力学性能•工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。

•强度是指金属材料在静力作用下，抵抗永久变形和断裂的性能。

•抗拉强度。

b是材料在破断前所承受的最大应力值。

•塑性是指金属材料在静力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。

•塑性指标：伸长率和断面收缩率。

•硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。

•硬度包括：布氏硬度（HBW）、维氏硬度（HV）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）第二章金属与合金的晶体结构•在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。

•这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。

•能够完全反应晶格特征的、最小的几何单元称为晶胞。

•原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距地一半。

•配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。

•致密度：K二箸（n为原子个数）V照•晶面指数确定方法：（工）设坐标（2）求截距（3）取倒数（4）化整数（5）列括□•晶向指数确定方法：（1）设坐标（2）求坐标值（3）化整数（5）列括号•晶体缺陷包括：点缺陷（空位、间隙、置换）、线缺陷（刃型位错、螺型位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）第三章金属与合金的结晶•金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T。

的现象，称为过冷现象。

理论结晶温度与实际结晶温度的差4T称为过冷度，过冷度△!'二To・Tn•实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，过冷是结晶的必要条件。

同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。

•纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。

它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。

•细化晶粒的方法：在增加过冷度②变质处理③附加振动•共晶反应和a+B相互转化（恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的固相）⑦渗碳体+奥氏体一莱氏体•共析反应：、和a+B相互转化（恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的固相）/铁素体+渗碳体一珠光体•包晶反应：L+a和B相互转化（恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相）•过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？答：过冷度和冷却速度是两个不同的概念。

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。

试验一金属力学性能测定一、实验目的1、了解金属常用力学性能的测试方法；2、了解洛氏硬度计结构；3、理解洛氏硬度测试原理；4、掌握洛氏硬度测试方法。

二、实验说明金属力学性能测定试验旨在训练学生，并使之掌握力学性能硬度和冲击韧性的测试方法。

其中，冲击韧性测试为实验演示；洛氏硬度测试为实验演示+独立练习+自主操作。

针对不同硬度的金属材料，洛氏硬度测试法可采用HRA、HRB和HRC三种标尺，各标尺对应的实验条件及应用范围见表1.1。

其中，HRC最为常用。

表1.1洛氏硬度实验条件及应用范围符号压头类型总试验力/N有效值范围应用HRA120°金钢石圆锥体60×9.870～85HRA硬质合金，表面淬硬层，渗碳淬硬层HRBΦ1.588mm钢球100×9.825～100HRB有色金属，退火、正火钢HRC120°金钢石圆锥体150×9.820～67RHC淬硬钢，调质钢1、洛氏硬度测试原理洛氏硬度测试法是以金钢石或淬硬钢球为压头，在初、主载荷作用下，将压头压入试件表面，卸除主载荷后，以压痕残留深度衡量试件软硬程度。

洛氏硬度测试原理如图1.1所示。

1）未加载荷时，压头与试件表面未接触，处于“0-0位”，尚未工作。

图1.1洛氏硬度测试原理示意图2）加初载荷，使压头从试件表面a位置处压入至b位置处，处于“1-1位”，并将b点作为压痕残留深度测量的起点。

3）加主载荷，使压头由b位置处压入至c位置处，处于“2-2位”。

4）卸除主载荷，因试件弹性变形的恢复，压头回升至d位置处，处于“3-3位”。

至此，就用压痕残留深度bd值反映试件的软硬程度。

bd值愈大，试件硬度愈低；反之，试件硬度愈高。

规定：每0.002mm残留压痕深度为一个硬度单位。

为适应“数值愈大则硬度愈高”的惯性思维习惯，引进常数K，令洛氏硬度为：HR=K-bd/0.002K—常数（金刚石压头，K取100；淬硬钢球压头，K取130）。

机械工程材料习题金属材料及热处理工程材料试题答案复习思考题11．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。

Akv、ψ、δ5 、σb 、σ0.2 、σs 、σe、σ 500、HRC、HV、σ-1、σ、HBS、HBW、E。

2．钢的刚度为20.7×104MPa，铝的刚度为6.9×104MPa。

问直径为2.5mm，长12cm 的钢丝在承受450N的拉力作用时产生的弹性变形量(Δl)是多少?若是将钢丝改成同样长度的铝丝，在承受作用力不变、产生的弹性变形量(Δl)也不变的情况下，铝丝的直径应是多少?3．某钢棒需承受14000N的轴向拉力，加上安全系数允许承受的最大应力为140MPa。

问钢棒最小直径应是多少?若钢棒长度为60mm、E=210000MPa，则钢棒的弹性变形量(Δl)是多少?4．试比较布氏、洛氏、维氏硬度的特点，指出各自最适用的范围。

下列几种工件的硬度适宜哪种硬度法测量：淬硬的钢件、灰铸铁毛坯件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度。

5．若工件刚度太低易出现什么问题?若是刚度可以而弹性极限太低易出现什么问题?6．指出下列硬度值表示方法上的错误。

12HRC～15HRC、800HBS、58HRC～62HRC、550N／mm2HBW、70HRC～75HRC、200N／mm2HBS。

7．判断下列说法是否正确，并说出理由。

(1)材料塑性、韧性愈差则材料脆性愈大。

(2)屈强比大的材料作零件安全可靠性高。

(3)材料愈易产生弹性变形其刚度愈小。

(4)伸长率的测值与试样长短有关，δ5>δ10(5)冲击韧度与试验温度无关。

(6)材料综合性能好，是指各力学性能指标都是最大的。

(7)材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。

复习思考题21．解释下列名词：晶格、晶胞、晶粒、晶界、晶面、晶向、合金、相、固溶体、金属化合物、固溶强化、第二相弥散强化、组元。

2．金属的常见晶格有哪三种?说出名称并画图示之。