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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。
机械工程中的热处理和表面处理规范要求机械工程是应用物理学、材料科学、机械设计与制造工艺等多学科知识的综合学科，热处理和表面处理作为其中重要的工艺环节，在确保机械零件性能和使用寿命方面起着至关重要的作用。
本文将介绍机械工程中的热处理和表面处理规范要求，以确保产品质量和工程安全。
一、热处理规范要求热处理是通过改变材料的组织结构和性能来满足特定需求的工艺过程。
机械工程中的热处理规范要求包括以下几个方面：1. 温度控制要求：热处理过程中需要严格控制加热和冷却温度。
对于不同的材料和零件，根据其热处理规范要求，在加热和冷却过程中需要准确控制温度的升降速度、保温时间等参数。
2. 等温规范要求：在进行淬火和回火等热处理过程中，需要根据材料的特性和工程要求，制定合适的等温保持时间和温度范围，以确保材料的显微组织达到预期的效果。
3. 淬透性规范要求：淬透性是指材料在淬火过程中的硬化能力。
根据材料的成分和淬火性能要求，制定适当的淬火介质、冷却速度和冷却介质温度等规范，以确保材料的淬透性满足工程要求。
4. 工艺检测要求：热处理过程中需要进行工艺检测，以验证热处理的效果和质量。
常用的工艺检测方法包括金相显微镜观察、硬度测试、冲击试验等，需要根据热处理规范要求进行定期检测和记录。
二、表面处理规范要求表面处理是通过改变材料表面的化学成分和物理性质来提高其耐腐蚀性、耐磨性和美观性等工程要求。
机械工程中的表面处理规范要求主要包括以下几个方面：1. 表面清洁要求：在进行表面处理之前，需要对材料表面进行彻底的清洁，清除表面的油污、氧化皮、锈蚀等杂质，以确保处理后的质量和效果。
2. 处理方法规范要求：根据不同的工程要求和材料特性，选择合适的表面处理方法。
常见的表面处理方法包括电镀、喷涂、阳极氧化、热喷涂等，需要根据规范要求选择材料、工艺参数和处理时间等。
3. 厚度控制要求：表面处理后的涂层或镀层的厚度要符合规范要求。
需要使用合适的测量方法和仪器，对处理后的材料进行厚度测量和检测，以确保涂层或镀层的质量和性能。
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。
机械工程中的热处理技术
机械工程中的热处理技术是用于改变金属材料的物理和化学性质，以达到改善材料性能、提高机械零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性和韧性等目的。
热处理技术包括多种不同的工艺，如表面淬火、化学热处理、接触电阻加热淬火、电子束热处理等。
其中，表面淬火是将金属表面快速加热到相变点以上，然后迅速冷却，使表面达到淬火目的。
化学热处理是通过改变金属表面的化学成分来改变其性能。
接触电阻加热淬火则是利用电极与工件间的接触电阻加热工件表面，然后借助自身热传导实现快速冷却而淬火。
电子束热处理则是利用电子束技术对金属进行加热处理。
在热处理过程中，加热、保温和冷却三个环节是必不可少的。
加热温度的选择和控制是非常重要的，因为它直接影响到材料的组织和性能。
保温时间也是需要考虑的因素，它决定了材料内部和表面的温度是否能够达到平衡。
冷却方法的选择也是至关重要的，因为它决定了最终材料的组织和性能。
总的来说，热处理技术在机械工程中扮演着重要的角色，它可以提高材料的性能和机械零件的使用寿命。
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）。
3 当共析成分的奥氏体在冷却过程中发生珠光体转变时，温度越低，其转变产物越（薄），根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、（索氏体）和（屈氏体）。
4奥氏体向珠光体的转变是( 扩散)型转变，向贝氏体的转变是( 半扩散)型转变，,向马氏体的转变是( 无扩散性)型转变。
5分析共析钢过冷奥氏体在各温度区间等温转变组织。
1、要制造直径25mm的螺栓，要求整个截面上具有良好的综合力学性能，应选用( 40Cr 经调质处理)，钳工用锯条应选用( T12经淬火加低温回火)。
A．T12经淬火加低温回火 B.20钢渗碳淬火后低温回火C. 40Cr经调质处理D.45钢经正火处理1、0Cr13含碳量为( <0.08% )，GCr15钢中Cr的平均含量为( 1.5% )表示。
2. T8钢比T12和40号钢有更好的淬透性和淬硬性。
（x ）1. 所有元素都能提高钢的淬透性。
（x ）1. ZCuZn16Si4表示含铜量为( 80% )，有“炮弹黄铜”之称的是( H70 )。
2. 纯铝没有同素异晶转变，一般用( 固溶强化)或( 冷变形强化)提高其强度。
3.根据铝合金的成分及生产工艺特点，可分为( 形变)铝合金和( 铸造)铝合金2大类。
1. 冲压的基本工序包括变形和分离。
;2.金属的塑性变形根据变形温度的不同，可分为冷变形和;热变形两种。
1. 锻压可用于生产形状复杂、尤其是内腔复杂的零件毛坯。
（×）2. 汽车外壳、仪表、电器及日用品生产主要采用薄板的冲压成形。
( √)1.加热时奥氏体形成是由（奥氏体晶核的形成）、（奥氏体晶核的长大）、（残余fe3c 溶解）、（奥氏体成分均匀化）四个过程组成。
2.分析奥氏体晶粒大小的影响因素。
加热温度和保温时间；加热速度；含碳量；化学成分；原始组织。
1. 高速钢的二次硬化属于( 固溶强化)。
A．固溶强化 B.细晶强化 C.位错强化 D.第二相强化1、高速钢的红硬性取决于( 淬火加热时渗入奥氏体中碳化物的量)。
1. 可锻铸铁在高温时可以进行锻造。
（x ）2. 球墨铸铁可通过调质处理和等温淬火工艺提高其力学性能。
( x )四、简答题1.什么是钢铁材料？钢有哪几种分类方法？钢铁材料是钢和铸铁的总称，钢是指以铁为主要元素，含碳量一般在2%一下并含有其它元素的材料；铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅,锰，硫，磷等元素的多元铁基合金。
一般可以按化学成分分类，按质量分类，按冶炼方法分类，按用途分类。
2.杂质元素对钢性能的影响？合金元素在钢中有哪些作用？答：锰元素和硅元素能溶于铁素体中起到固溶强化作用；硫元素容易使钢材发生开裂；磷元素使钢在常温下硬度提高，塑性.韧性急剧下降；氮，氢，氧等气体元素均对钢的性能产生不好的影响。
合金元素对钢的影响主要表现在对钢中基本相的影响，对铁碳相图的影响，对热处理及性能的影响。
1.分析用45号钢制造C6132车床主轴的工艺路线和各热处理目的。
答：工艺路线为：下料—锻造——正火——粗加工——调质——精车——表面淬火，低温回火——磨削——成品。
正火的目的是为了得到合适的硬度，以便于切削加工，改善组织，为调质处理做好准备。
调质是为了使主轴得到高的综合力学性能和疲劳强度。
表面淬火，低温回火是为了提高硬度，增加耐磨性，提高主轴的寿命。
2.分析用20CrMnTi制造汽车变速箱齿轮的工艺路线和各热处理目的。
答：工艺路线：下料—锻造——正火——机加工——局部镀铜——渗碳，预冷淬火，低温回火——喷丸——精磨——成品。
正火的目的是为了均匀和细化晶粒，消除内应力，便于切削加工。
渗碳：得到高的强度和足够的冲击韧性的组织。
低温回火：为了消除淬火应力，减少齿轮的脆性。
1．工程材料的力学性能有哪些？分别怎么定义的？力学性能：弹性，塑性，刚度，强度，硬度，冲击韧性，疲劳强度，断裂韧性。
弹性：指标为弹性极限σe，即材料承受最大弹性变形时的应力。
刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。
指标为弹性模量E。
（在弹性变形范围内应力与应力的比值称为材料的弹性模量，工程上称为刚度）。
屈服强度σs：是材料开始产生塑性变形时的最低应力，有些材料（高碳钢，铝，铜合金）没有明显的屈服点s，因此规定以式样产生0.2%残余变形时的应力值作为该材料的屈服强度σ0.2表示。
抗拉强度σb：是材料在破断前所承受的最大应力值。
塑性：指金属材料咋静力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力，伸长率σ和断面和断面收缩率是表示材料塑性好坏的指标。
疲劳强度：材料在无数次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。
硬度：材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力，常用硬度指标：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度。
冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
断裂韧性：是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量，是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数。
4、冷加工与热加工的区别金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的，低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
2．一般回火过程分为哪四个阶段？分别得到什么组织？一：马氏体分解（80-200）得到回火马氏体二：残余奥氏体分解（200-300）得到下贝氏体三：E碳化物转变（350~500）得到回火屈氏体四：渗碳体的聚集长大和a相再结晶（500~650）得到回火索氏体表面淬火是使表层获得硬而耐磨的（马氏体）组织，而心部仍保持着原来较好的（塑韧性）退火、正火或调质状态的组织。
钢的淬透性：钢在淬火时能获得淬硬深度的能力，它是钢材本身固有的属性。
1分析常用的退火方法、加热温度与应用范围。
退火的种类很多常用的有完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火，去应力退火，再结晶退火。
完全退火：将工件加热至Ac3+30-50保温后缓冷的退火工艺。
主要用于亚共析钢。
等温退火：亚共析钢加热到Ac3以上30-50，共析，过共析钢加热到Ac130-50保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。
等温退火可缩短工件在炉内停留时间。
扩散退火（又称均匀退火）：将工件加热到Ac3以上150-200（1050-1150），长时间保温（10-15h）随炉缓冷。
适用于合金钢大型铸，锻件；目的是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。
去应力退火又称低温退火，其工艺是将工件缓慢加热至500-650再结晶退火：将工件加热至最低结晶温度以上100-200，再结晶的目的是消除加工硬化。
再结晶退火主要用于经冷变形而产生加工硬化的材料或零件。
什么叫正火，目的是什么？答将钢加热到Ac3或Accm以上30-50摄氏度，保温后在空气中冷却得到珠光体基体组织的热处理工艺，称正火。
主要目的：1细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性。
（避免粘刀现象）2对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备。
3.取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢，含碳较低的中碳钢可达到消除内应力。
4.可作为淬火前的预热处理，也可用于也可以用于普通零件的最终热处理。
淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪些？淬火的目的是为了得到马氏体或下贝氏体。
常用的淬火方法有：单介质淬火法，.双介质淬火法，分级淬火法，等温淬火法。
2.何谓合金的收缩？合金收缩过程包括哪几个阶段？影响因素有哪些？答：合金液浇入铸型后，在液态、凝固态和固态冷却过程中所发生的体积减少现象称为收缩。
合金的收缩过程包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。
影响因素有：有金属本身的化学成分、浇注温度以及铸型条件和铸件结构等。
