工程材料及热处理
课程的重要地位与作用
进入21世纪，能源、信息和新材料已成为现代科 学技术和现代文明的三大支柱．而新材料又是最 重要的基础。历史证明，每一次重大新技术的发 现．往往都依赖于新材料的发展。
材料的种类、数量和质量已是衡量一个国家科学 技术、国民经济水平以及社会文明的重要标志之 一。我国把新材料的研究开发放在了优先发展的 地位。
(2)有色金属 除铁基合金之外的所有金属及其合金材料。它可
分为轻金属(如铝、镁、钛)，重金属(如铅、锡)，贵金 属(如金、银、镍、铂)和稀有金属（钨、钼、锂、铌、 镓、铟）等，其中以铝、铜及其合金用途最广。
2．非金属材料
非金属材料主要包括：高分子材料和无机非金属 材料和复合材料。
(1)高分子材料 高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。
用途：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加 工性能，去除内应力；性能要求不高的机械零件的最终热 处理。
温度
加热
保温 淬火
退火(炉冷)
正火(空冷) 回火
时间
淬 火 (Quenching)
把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体 状态， 然后快速冷至室温（油冷或水冷），从而获得马 氏体组织
包括：
强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等。 材料的力学性能不仅取决于材料本身的化学成分，而且还和材料的微 观组织结构有关。
材料的力学性能是衡量工程材料性能优劣的主要指标，也是机械 设计人员在设计过程中选用材料的主要依据。材料的力学性能可以从 设计手册中查到，也可以用力学性能试验方法获得。了解材料力学性 能的测试条件、实验方法和性能指标的意义将有助于了解工程材料的 本性。
在这个阶段，材料内部的原子之间距离只发生弹性伸长，所以应力与
应变呈直线关系，遵从虎克定律，此时如果卸掉载荷，试样就能恢复 到原来的长度。
2．塑性变形阶段(b-d) 此时，σ与ε的关系偏离直线关系。在dc段，应力几乎不变，但应变却 不断增大。超过c点之后，因材料发生加工硬化，若要试样继续变形就 必须加大载荷，当应力达到最大值(c点)后，试样的某一部分截面急剧
缩小，产生“缩颈”现象。在塑性变形阶段即使卸掉载荷，试样也不 能恢复到原来的长度。
3、断裂(e点) 在E点以后，试样的变形主要集中在缩颈部分，最终导致试样在缩颈处
发生断裂。拉伸曲线所显示出的材料本性主要是由于材料内部微观结 构的变化引起的，所以不同的材料在拉伸过程中会出现不同形式的σ-ε 曲线。
拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
汽车万向节
合金调质钢 连杆
合金弹簧钢
55Si2Mn、 60Si2Mn：具有高屈强比，高疲劳 强度，高弹性极限和韧性，用于弹簧等零件。
滚珠轴承钢 滚珠
滚珠轴承
合金刃具钢
合金模具钢
铣刀
模具
量具用钢 螺纹规
游标卡尺
千分尺
耐热钢 燃气轮机
耐磨钢 履带
铁轨分道叉
破碎机颚板
挖掘机斗齿
铸钢
特点与应用： 由于铸造特性，一般用于制造形状复杂，难
2.1.1 强度与塑性
材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材 料的强度。根据外力的作用方式，材料的强度分 为抗拉强度，抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。 材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材 料的塑性。 材料的强度和塑性是材料最重要的力学性能指标 之一，它可以通过拉伸试验获得、一次完整的拉 伸试验记录还可以获得许多其他有关该材料性能 的有用数据，如材料的弹性、屈服极限和材料破 坏所需的功等。所以拉伸试验是材料性能试验中 最为常用的一种试验方法。
工程材料与成型技术是机械制造过程的重要部分。 使学生建立生产过程的基本知识，了解新材料， 掌握现代制造工艺和方法，培养工程素质、实践 能力和创新设计能力。
常用
工程 材料
优质碳素结构钢的应用
齿轮
螺栓
30—55钢：强度较高，有一定的塑性和韧度，经 热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件。
锉刀
碳素工具钢
1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧 化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱 克获得多种金属光亮热处理的专利。
二十世纪以来
金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理
工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生 产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉 内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧 探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术 运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度， 淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑 和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影 响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传 是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质 的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西 汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15～ 0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但 当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
注意听好课，课前预习，课后复习；注意观察和了解平时 接触到的机械装置。
二、学习态度--积极进取、掌握主动.
主动完成一定量的作业和思考题（不仅是老师布置的）。
三、学习内容--夯实基础、学好专业、加大知识 面
四、相信自己、挖掘潜能--什么都有可能 因为有难度，所以更应引起我们的重视。
世上无难事，只怕有心人。
人类最早使用的工具是石头（石器时代）；原始社 会末期开始用火烧制陶器，由此发展为以后的瓷器（中 国古代文化的象征）， 随后发展起来的青铜冶炼技术把 人类带入青铜器时代；青铜器过渡到铁器（时代）生产 工具大发展—人类进入农业社会。
18世纪世界工业迅速发展（钢铁工业迅猛发展）， 造就了工业社会文明。
1863年光学显微镜问世，使人们开始步入材料的 微观世界。
本课程的主要内容(三部分)
一、材料科学基础理论 材料性能、材料结构与结晶、铁碳合金及 相图、塑性变形
二、热处理理论与实践 热处理原理、工艺、设备及基本操作
三、常用的工程材料 金属材料、高分子材料、陶瓷材料
第一章 绪论
1-1 材料科学的发展与工程材料
材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是 日常生活中不可分割的一个组成部分。 自从地球上有了人类至今，材料的利用和发展构成了人 类文明发展史的里程碑 ：
提高钢的硬度和耐磨性。
温度
调质：淬火+高温回火。 适用于各种重要的零件。
保温 加热
淬火
退火(炉冷)
正火(空冷) 回火
时间
（3）淬 火 (Quenching)
（4）回 火 (Tempering)
将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段 时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态。
硬度下降，但韧性有较大改善。
1912年X射线衍射技术和1932年电子显微分析技术 及后来出现的各种先进的显微分析技术，把人们带到 了微观世界的更深层次。人们开始了对晶体微观结构 的研究，大大推动了材料学的研究与发展。
新材料更是层出不穷，出现了功能材料、高分子 材料、半导体材料、陶瓷材料、复合材料、人工合成 材料、纳米材料。
按使用范围材料可分为：
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的 六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组 织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人 奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁
碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研 究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中 金属的氧化和脱碳等。
工程材料和功能材料
工程材料的种类：
1．金属材料
金属材料是用量最大、用途最广的机械工程材料。它包 含两大类型；黑色金属和有色金属。
(1)黑色金属 黑色金属是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料，它
占金属材料总量的95％以上。由于钢铁材料力学性能优良 和低廉的价格，所以在工程材料中一直占据着不可替代的 主导地位。
根据σ-ε曲线可以计算出材料的强度、塑性等 力学性能指标。
1．弹性模量E 2．屈服点σS 3．抗拉强度(强度极限) σb 4. 伸长率δ 5．断面收缩率ψ (psi)
1.弹性模量（刚度）E
Eσ ε
式中
σ—应力； ε —应变。
电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热 处理方法。
第二章 材料的性能
材料的主要性能是指:
｛ 1.使用性能
（1）力学性能 （2）物理性能
（3）化学性能
2.工艺性能：加工成形的性能
2.1 材料的力学性能
材料的力学性能
工程材料制成的机械零部件在使用过程中要受到各种形式的力， 材料在这些力的作用下所表现出的特性。
按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶 粘剂等几大类型。 (2)无机非金属材料主要指：
水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。
3．复合材料
复合材料是把两种或两种以上的不同性质或不同组 织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。 它不仅保留了组成材料各自的优点，而且具有单一材料
所没有的优异性能。复合材料通常分为三大类：树脂基 复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
单向拉伸试验及拉伸曲线
拉伸试样
L0=10d0 ，
L0=5d0
低碳钢试样拉伸时的各阶段特征 弹性 屈服 强化 局部变形 断裂
在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动记录系统同