《工程材料及成型》模块1 工程材料性能及选用-项目3 金属材料的热处理

《工程材料及成型》课程导论模块一

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工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

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增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块一工程材料性能及选用1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1工程材料性能及检测3项目2铁碳合金相图分析4项目3金属材料的热处理项目5非金属材料及其选用5项目4金属材料及其选用67目

录CONTENTS8项目6机械零件的失效分析9项目7材料及成型工艺选择10【延伸学习】【课后习题】11【内容小结】【学习导览】工程材料堪称经济社会前行的根基，犹如装备制造业的“养分”。装备制造业作为我国经济高质量发展的关键支撑，是推进中国式现代化和制造强国建设的坚实力量。1.工程材料概述工程材料是指用于机械工程、土木工程或其他工程项目中的材料，通常是具有一定强度、硬度、刚度、塑性或其他性能与功能的材料。2.工程材料的发展随着装备制造业的升级换代和结构调整，工程材料今后的发展趋势是传统材料不断扩大品种规模、不断提高质量并降低成本，新材料特别是人工合成材料等将得到快速发展，从而形成传统材料与新材料竞相发展的格局。本模块的教学目标和主要内容目标了解工程材料的力学性能以及其他性能；掌握金属材料的性能与其化学成分、显微组织及加工工艺之间的变化规律；掌握金相试样的制备流程与金相显微镜的基本操作；熟悉金属材料的热处理工艺及其应用领域；掌握毛坯选用方法；能根据零件用途选择合适的材料及成型工艺。内容工程材料的性能及检测；铁碳合金相图分析；金属材料的热处理；金属材料及其选用；非金属材料及其选用；机械零件的失效分析；材料及成型工艺选择。项目3金属材料的热处理金属材料的热处理是指将金属或合金工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，以不同速度在不同介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。金属材料的热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）及特殊热处理（形变热处理和磁场热处理）。任务1退火与正火退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。例如，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力，硬度偏高或偏低，组织粗大，存在成分偏析等缺陷，这样的工件其力学性能低劣，不利于切削加工成形，淬火时也容易造成变形和开裂。经过适当的退火或正火处理可使工件的内应力消除，调整硬度以改善切削加工性能，组织细化，成分均匀，从而改善工件的力学性能并为随后的淬火做准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可作最终热处理。1.钢的退火退火的种类很多，根据加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等。（1）完全退火完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃～30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，加热温度在Accm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。（2）等温退火等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，是将钢件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保温适当时间后，较快地冷却到Ar1以下珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变成珠光体，然后缓慢冷却的热处理工艺。等温退火的目的与完全退火相同，能获得均匀的预期组织，对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间。（3）球化退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。（4）扩散退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。其目的是为了消除晶内偏析，使成分均匀化。实质是使钢中各元素的原子在奥氏体中进行充分扩散。（5）再结晶退火再结晶退火是将经过冷变形加工的工件加热至再结晶温度以上（一般100℃～200℃），保温一定时间（一般为1h～3h）后冷却，使工件发生再结晶，从而消除加工硬化的工艺。（6）去应力退火为消除铸造、锻造、焊接和切削、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度（一般为500℃～650℃），保温后随炉冷却，这种处理可以消除约50%～80%的内应力，不引起组织变化。2.钢的正火钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30℃～50℃，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在自由流动的空气中均匀冷却，以得到珠光体类型组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以S（索氏体）为主。各种退火和正火的加热温度范围，如图1-3-1所示。正火工艺是比较简单经济的热处理方法，在生产中应用较广泛，其作用主要表现在以下几个方面。①消除网状二次渗碳体。②消除中碳钢热加工缺陷。③作为最终热处理。④改善切削加工性能。任务2淬火淬火工艺的实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），此外，还有少量的残余奥氏体及未溶的第二相。1.淬火温度的确定淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。它的选择应以获得均匀细小的奥氏体组织为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，其加热温度一般限制在临界点以上30℃～50℃范围。碳钢的淬火温度范围见图1-3-2。2.保温时间的确定为了使工件各部分均完成组织转变，需要在淬火加热温度保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，而统称为加热时间。影响加热时间的因素很多，如加热介质、钢的成分、炉温、工件的形状及尺寸、装炉方式及装炉量等。通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。3.淬火冷却介质的确定冷却是淬火的关键工序，关系到淬火质量的好坏；同时，冷却也是淬火工艺中最容易出现问题的一道工序。淬火是冷却非常快的过程，为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vc。但是，在冷却速度快的情况下必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。理想的淬火冷却曲线，如图1-3-3所示。4.常用淬火方法由于淬火介质不能完全满足淬火质量的要求，所以应选择适当的淬火方法。同选用淬火介质一样，在保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。（1）单液淬火（2）双液淬火（3）分级淬火（4）等温淬火（5）局部淬火法5.钢的淬透性淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。淬火时往往遇到两种情况：一种是从工件表面到中心都获得马氏体组织，称之为“淬透了”；另一种是工件表面获得马氏体组织，而心部是非马氏体组织，称之为“未淬透”。（如图1-3-6）。任务3回火将淬火后的钢加热到Ac1线以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。淬火钢一般不直接使用，必须进行回火，主要有以下原因：一是经淬火后得到的马氏体性能很脆，存在组织应力，容易产生变形和开裂，可利用回火降低脆性，消除或减少内应力；二是淬火后得到的组织是淬火马氏体和少量的残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化。在随后的回火过程中，不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为较稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。1.淬火钢的回火转变淬火钢的回火组织转变主要发生在加热阶段，随回火温度的升高，淬火钢组织变化大致分为以下四个阶段。（1）马氏体中碳的偏聚（2）马氏体的分解（3）残余奥氏体的转变（4）碳化物类型的变化（5）渗碳体聚集长大和α相回复、再结晶2.回火种类淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为3类。（1）低温回火；（2）中温回火；（3）高温回火3.淬火钢回火时力学性能的变化淬火钢回火时，总的变化趋势是随着回火温度的升高，碳钢的硬度、强度降低；塑性提高，但回火温度太高，塑性会有所下降；冲击韧度随着回火温度升高而增大，但在250℃～400℃和450℃～650℃温度区间回火，可能出现冲击韧度显著降低的现象，称钢的回火脆性。（1）第一类回火脆性（2）第二类回火脆性任务4表面淬火表面淬火是钢表面强化的方法之一，具有工艺简单、变形小、生产率高等优点。表面淬火是通过快速加热，在零件表面很快奥氏体化而内部还没有达到临界温度时迅速冷却，使零件表面获得马氏体组织而心部仍保持塑性韧性较好的原始组织的局部淬火方法，它不改变工件表面的化学成分。表面淬火后一般需要进行低温回火，以便降低淬火应力和提高韧性。根据加热方法不同，可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以前两种方法应用最广。1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用在交变电磁场中工件表面产生的感应电流将工件表面快速加热，并淬火冷却的一种热处理工艺。（1）感应加热的基本原理感应淬火法的原理如图1-3-8a所示，涡流在工件截面上的分布如图1-3-8b所示。（2）感应加热表面淬火的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点。1）高频感应加热时，加热时间短、速度快，形成的晶核较多，且不易长大。因此表面淬火后表面得到细小的隐晶马氏体。工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，而且工件变形也小。2）淬火后可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体，使工件表层硬度较普通淬火的硬度高出2～3HRC，且具有较低的脆性。能部分抵消在变动载荷作用下产生的拉应力，从而提高了疲劳极限。3）加热温度和淬硬层厚度容易控制，便于实现机械化和自动化。但感应加热设备较贵，维修、调整比较困难。形状复杂零件的感应器不易制造，且不适用于单件生产。（3）感应加热的频率感应加热深度主要取决于电流频率，频率越高，加热深度就越浅，为了获得不同的加热深度可选择不同的电流频率，目前工业上常采用的电流频率有以下三种。1）高频感应加热。常用频率为200kHz～300kHz，淬硬层深度为0.5mm～2mm，适用于中小模数齿轮及中小尺寸的轴类零件等。2）中频感应加热。常用频率为2500Hz～8000Hz，淬硬层深度为2mm～10mm，适用于直径较大的轴类和大中型模数的齿轮。3）工频感应加热。电流频率为50Hz，淬硬层深度10mm～20mm，适用于大直径零件，如轧辊、火车车轮等的表面淬火。2.其他表（1）火焰加热表面淬火面加热淬火方法;（2）激光加热表面淬火;（3）电接触加热表面淬火任务5化学热处理化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。化学热处理后，再配合常规热处理，可使同一工件的表面与心部获得不同的组织和性能。1.钢的渗碳2.钢的渗氮渗氮也称氮化，是在一定温度下（一般在Ac1温度以下）将活性氮原子渗人工件表面，以形成富氮硬化层的化学热处理工艺。其目的在于更大地提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。3.钢的碳、氮共渗碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，最早碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行，故也称氰化。碳氮共渗是以渗碳为主的化学热处理工艺。4.其他化学热处理金属表面渗入不同元素后，根据元素在金属中的作用，可获得不同的性能。因此，除了渗碳、渗氮，还可渗硼。渗硼是用活性硼原子渗入钢件表面，在钢表面形成几百微米厚以上的Fe2B或FeB化合物层，优点是硬度较氮化的还要高（一般为1300HV以上，有的高达1800HV），抗磨损能力很高，又具有良好的耐热性、热硬性和耐蚀性；缺点是脆，尤其FeB层最易剥落，因而希望渗硼层由脆性小的Fe2B组成。任务6热处理工序位置的安排热处理工序在工艺路线中的位置，主要取决于工件的材料及热处理的目的和种类。1.预先热处理的工序位置预先热处理包括退火、正火、调质等。（1）退火、正火零件的加