第2章 工程材料及热处理

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。

一．名词解释题间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。

再结晶：金属发生重新形核和长大而不改变其晶格类型的结晶过程。

淬透性：钢淬火时获得马氏体的能力。

枝晶偏析：金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象。

时效强化：固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间变化而发生显著提高的现象。

同素异构性：同一金属在不同温度下具有不同晶格类型的现象。

临界冷却速度：钢淬火时获得完全马氏体的最低冷却速度。

热硬性：指金属材料在高温下保持高硬度的能力。

二次硬化：淬火钢在回火时硬度提高的现象。

共晶转变：指具有一定成分的液态合金,在一定温度下,同时结晶出两种不同的固相的转变。

比重偏析：因初晶相与剩余液相比重不同而造成的成分偏析。

置换固溶体：溶质原子溶入溶质晶格并占据溶质晶格位置所形成的固溶体。

变质处理：在金属浇注前添加变质剂来改变晶粒的形状或大小的处理方法。

晶体的各向异性：晶体在不同方向具有不同性能的现象。

固溶强化：因溶质原子溶入而使固溶体的强度和硬度升高的现象。

形变强化：随着塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

残余奥氏体：指淬火后尚未转变，被迫保留下来的奥氏体。

调质处理：指淬火及高温回火的热处理工艺。

淬硬性：钢淬火时的硬化能力。

过冷奥氏体：将钢奥氏体化后冷却至A1温度之下尚未分解的奥氏体。

本质晶粒度：指奥氏体晶粒的长大倾向。

C曲线：过冷奥氏体的等温冷却转变曲线。

CCT曲线：过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。

马氏体：含碳过饱和的α固溶体。

热塑性塑料：加热时软化融融，冷却又变硬，并可反复进行的塑料。

热固性塑料：首次加热时软化并发生交连反应形成网状结构，再加热时不软化的塑料。

回火稳定性：钢在回火时抵抗硬度下降的能力。

可逆回火脆性：又称第二类回火脆性，发生的温度在400～650℃，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。

过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。

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
工程材料是指用于各种工程和制造领域的材料，包括金属材料、聚合物材料、
复合材料等。

而热处理是指通过加热和冷却过程来改变材料的性能和结构。

工程材料的选择和热处理工艺对于产品的质量和性能具有至关重要的影响。

首先，工程材料的选择是工程设计中的重要环节。

不同的工程应用需要不同的
材料，比如在机械制造领域，需要具有良好机械性能和耐磨性的金属材料；在建筑领域，需要具有良好耐候性和耐腐蚀性的材料。

因此，工程师需要根据不同的工程要求选择合适的材料，以确保产品的性能和可靠性。

其次，热处理是改善材料性能的重要手段。

热处理可以通过改变材料的晶粒结构、组织形态和化学成分来提高材料的硬度、强度、韧性和耐磨性。

常见的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火等，每种工艺都有其特定的应用领域和效果。

通过合理的热处理工艺，可以使材料达到最佳的性能状态，满足工程设计的要求。

此外，工程材料的热处理还可以改善材料的加工性能。

在金属加工过程中，材
料的硬度和韧性对于加工工艺和工具的选择具有重要影响。

通过热处理可以调节材料的硬度和韧性，提高其加工性能，降低加工难度，提高加工效率。

总的来说，工程材料及热处理是工程设计和制造过程中不可或缺的环节。

工程
师需要充分了解不同材料的性能和特点，选择合适的材料，并通过合理的热处理工艺来改善材料的性能，以确保产品的质量和可靠性。

只有在工程材料的选择和热处理工艺的合理应用下，才能生产出性能优良的工程产品，满足不同工程领域的需求。

工程材料及热处理工程材料及热处理是现代工程领域中极其重要的一部分。

随着工程发展的日益迅速，对材料的要求也日益提高。

在此背景下，工程材料及热处理的研究变得尤为关键。

本篇文档将探讨工程材料及热处理的定义、分类、特性、热处理方法以及其在实际应用中的重要性和限制。

1. 工程材料的定义与分类工程材料是指设计、制造和使用机器、结构、设备和其他物品所必需的材料。

包括金属、塑料、丝绸、琉璃、橡胶、陶瓷等一系列材料。

而从材料的特性来看，工程材料基本上可归为六大类：① 金属材料：如钢、铁、铝、铜等;② 非金属无机材料：如玻璃、陶瓷、水泥等;③ 硅酸盐纤维及纺织品：如玻璃纤维、石棉、铬绿石等;④ 聚合物材料：如塑料、橡胶、纤维素等;⑤ 复合材料：如碳纤维复合材料、铝基复合材料、玻璃钢等;⑥ 其他材料：如木材、纸张等。

2. 工程材料特性工程材料的特性包括机械特性、物理特性、化学特性、热特性、电特性及防腐蚀特性等。

其中，机械特性是指材料的强度、韧性、硬度、弹性模量、屈服点等方面的特性。

而物理特性则是指材料的密度、热膨胀系数、热导率、热容等方面的特性。

化学特性是指材料的化学成分组成、耐腐蚀性、易溶性等方面的特性。

热特性是指材料的热膨胀系数、热导率、热容等方面的特性。

电特性则是指材料的电阻率、导电率等方面的特性。

防腐蚀特性是材料的长期使用时所表现出的耐腐蚀性能。

3. 热处理方法热处理是通过控制工程材料的加热、冷却、温度保持等过程来改善或调整其力学性能和硬度等特性的方法。

常见的热处理方法包括：① 硬化：将工程材料加热到高温，再通过淬火、油淬、水淬等方式进行快速冷却，使工程材料获得更高的硬度和强度；② 回火：对硬化处理过的工程材料进行低温加热处理，通过缓慢冷却来降低材料的硬度，增加其韧性；③ 退火：将工程材料加热至一定温度并保持一定时间，然后缓慢冷却，从而降低材料的硬度和强度，并达到改善材料塑性和加工性能的目的；④ 淬火：将工程材料加热至一定温度，并在保持一定时间后迅速冷却，以增加材料的硬度和强度；⑤ 等温淬火：将工程材料加热到一定温度，然后在该温度下保持一定时间，再通过快速冷却获得更为均匀的组织结构和高强度。

工程材料及热处理?实验指导书机械与能源工程系实验6铁碳合金平衡状态的显微组织分析一、实验目的1、熟悉铁碳合金平衡组织的特征，初步识不各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

2、分析和熟悉碳钢的含碳量与其平衡组织的关系。

3、进一步熟悉对平衡状态下碳钢的成分、组织、性能间的关系。

二、实验原理碳钢和铸铁是工业上最重要、最根基、应用最广的金属材料，通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，他们的性能与组织有着紧密的关系，因此熟悉并掌握它们的组织，关于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义，也是对钢铁材料使用者最根基的要求。

1、碳钢和白口铸铁的平衡组织平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下〔如退火状态〕所得到的组织。

铁碳合金在平衡状态下的显微组织能够依据Fe-Fe3C相图来分析。

由相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体〔F〕和渗碳体〔Fe3C〕组成。

然而，由于碳质量分数的不同、结晶条件的区不，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布的混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

2、各种相组分或组织组分的特征碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其平衡组织中各种相组分或组织组分的形态特征和性能如下所述。

铁素体：铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。

经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色多边形晶粒。

在亚共析钢中，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体因此呈断续的网状分布于珠光体四面。

铁素体具有良好的塑性及磁性，硬度较低，一般为80HBS～120HBS。

渗碳体：抗浸蚀能力较强，经3%～5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下瞧瞧同样呈白亮色。

一次渗碳体呈长白条状分布在莱氏体之间；二次渗碳体呈网状分布于珠光体的边界上；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状。

另外，经不同的热处理后，渗碳体能够呈片状、粒状或断续网状。

渗碳体的硬度特别高，可达800HV以上，但其强度、塑性都特别差，是一种硬而脆的相。