机械工程材料-3章 钢的热处理
工程材料与机械制造基础课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
第3章 钢的淬火与回火
第3章 钢的淬火与回火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。
淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。
淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。
所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。
淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。
3.1 钢的淬火与分类淬火是将钢加热至临界点（A c1或A c3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。
图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。
v c 、v c '分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。
以v >v c 的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以v c >v >v c '的速度冷却（曲线2），可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。
钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。
w c ≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。
中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。
奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体 时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温 和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称 为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不 是强化合金，而是抑制第二相析出。
高锰钢的水韧处理 是为了达到韧化的目的。
奥氏体不锈钢固溶处理是为了 提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处 理，则是时效硬化前的预处理过程。
本章讨论钢的一般淬火强化问题，其淬火工艺分类见表3-1。
表3-1 钢的淬火工艺分类图3-1 共析钢的淬火冷却工艺热处理工艺及设备3.2 钢的淬透性一、淬透性的基本概念1．淬硬层与淬透性由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢（见图3-2a ）。
机械设备常用工程材料
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• 回火：将淬火后的零件再重新加热到 一定温度（低于淬火温度），保温一 段时间后，置于空气或油中冷却至室 温的处理过程。可以消除零件淬火时 产生的内应力，提高材料的综合力学 性能。高温回火又称调质。
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二、材料的基本性能特点 1、材料的机械性能 强度：屈服强度s、抗拉强度b、 屈强比s/ b。 对于常温用钢，静载时，考虑常温强度； 变载时，考虑持久极限D。对于温度超过 400℃的用钢，还应考虑蠕变极限n。
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塑性：延伸率、断面收缩率。 韧性：材料的冲击韧性(ak值）与冷脆性、 断裂韧性。 硬度：布氏硬度HBS、洛氏硬度HRC。
碳钢、合金钢、铸铁、有色金属 及其合金、非金属。 一、碳钢（碳素钢） 1、普通碳素钢 如：Q235-A、Q235-A· F
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2、优质碳素钢 低碳钢：含碳量≤0.25%。常用钢有08、 10、15、20、25号。 如：20R、20g 中碳钢：含碳量0.25～0.6%。常用钢有30、 35、40、45、50、55号。 高碳钢：含碳量≥0.6%。常用钢有60、 65、70号。
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三、铸铁 碳含量在2.5%～4.0%的铁碳合金 称为铸铁。 有：灰口铸铁，以HT表示； 球墨铸铁，以QT表示。
铸钢，用ZG表示。
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四、有色金属及其合金 1、铜：纯铜又称紫铜，塑性好；铜与锌 的合金叫黃铜，强度、耐腐蚀性高于 纯铜；铜与银、铝、铅等的合金称为 青铜，有极高的耐腐蚀性和耐磨性。 2、铝：纯铝，塑性好；硬铝是铝、铜、 镁的合金，强度高，耐腐蚀性好。
西安交大复试机械工程材料
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
《机械工程材料》-机械工业出版社-第3版内容总结
《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。
机械工程材料案例分析钢的热处理案例分析
机械工程材料钢的热处理案例分析姓名：学号：专业：年级：学院：指导教师：青海民族大学2020年12 月27 日摘要钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是:只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。
对45钢的热处理时45钢淬火处理后最高可以达到HRC55，当然要求热处理工艺和材质成分要对。
但要达到HRC55的硬度，45钢就只能进行低温回火，得到的回火马氏体较粗大，材料硬而脆，使用意义不在，所以一般45钢淬火后的硬度控制在HRC50左右。
如果没有耐磨性的要求，更常用的是调质处理。
目录第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状，1.2碳钢的应用、优点及缺点...1.3钢的热处理工艺1.4本论文研究内容第二章普通热处理工艺对45钢组织和硬度的影响2.1普通热处理工艺对45钢组织的影响2.2普通热处理工艺对45钢硬度的影响第三章结论参考文献.第一章绪论1.1中国钢铁产业的现状中国1949年全国产钢只有16万吨，新中国成立，我国钢铁工业进入-一个崭新的历史时期。
1996年钢产量超过1亿吨，2005年的钢产量达到了创纪录的3.5亿吨，2007年我国生产粗钢近4.9亿吨，总体星较快增长态势。
60多年来中国的产钢量增长1000多倍，成为世界钢铁发展史上的大奇迹。
当前钢铁生产的发展得益于钢铁科技发展为钢铁行业的清洁生产奠定了良好的基础，使钢铁生产不断降低消耗与成本，不断优化钢铁材料的性能，成为各行业协调发展，优化环境的重要支撑条件。
钢铁科技的自身优化与完善，还有赖于信息、环境、装备、加工等学科技术进步的推动。
可以肯定，今后直到2020年的10~15年内，钢铁工业作为国民经济重要基础产业与支柱产业的地位不会改变。
目前，我国钢铁产业的生产力布局相对比较分散，产业布局方式既不适应铁矿资源结构的变化，也有悖于市场选择和环保优先的原则。
20115第三章热处理储运传
在电镜下，亚结构主要是孪晶， 又称孪晶马氏体。
电镜下
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光镜下 电镜下
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第三章 钢的热处理 马氏体形态与含碳量的关系
马氏体的形态主要取决 于其含碳量
✓ C%小于0.2%时，组织几 乎全部是板条马氏体。
✓ C%大于1.0%C时几乎全 部是针状马氏体.
✓ C%在0.2~1.0%之间为板 条与针状的混合组织。
中温转变：550 ℃～Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有 一定的扩散能力。 转变产物：贝氏体，即Fe3C或碳化物分布在含碳 过饱和的铁素体上的两相混合物。
上贝氏体： 550 ～ 350℃，呈羽毛状,小片状 Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。
下贝氏体： 350 ℃～Ms点，呈针状,韧性高，综 合力学性能好。
之一。
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第三章 钢的热处理
三、 钢在冷却时的转变
冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定 了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时 间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因 为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏 体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？
5.热处理的分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
机械工程材料及热处理实验
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）。
3章 钢的热处理(1)
第三章钢的热处理检测卷一、填空题(共10小题，每小题2分，共20分)1.钢的热处理一般由、和三个阶段组成。
2.退火按工艺不同可分为去应力退火、完全退火、、均匀化退火和等温退火。
3.根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为、和,其中应用最广。
4.化学热处理通常由、和三个基本过程组成。
5.热处理的工艺过程可用来表示。
6. 频感应淬火主要用于处理中小型轴、销、套等圆柱形零件。
7.热处理一般不改变工件的形状，而是通过改变工件内部的或改变工件表面的来改善工件的工艺性能或使用性能。
8. 是将工件加热到适当温度,保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
9.钢不发生相变是退火。
10.正火是指工件加热奥氏体化后在中冷却的热处理工艺。
二、判断题(共20小题，每小题2分,共40分)（）1.渗碳钢零件经过渗碳以后,表面就有很高的硬度，不必再进行淬火处理。
（）2.退火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。
（）3.本质粗晶粒钢渗碳后，应采用直接淬火进行热处理。
（）4.利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力,稳定工件的形状和尺寸。
（）5.钢的碳质量分数越高，其淬火加热温度越高。
（）6.完全退火可用于过共析钢,降低硬度，便于切削加工。
（）7.正火与退火的主要区别是前者冷却速度快，得到的组织晶粒较细，强度和硬度也较高。
（）8.钢热处理时，工件淬火后中温回火的复合热处理工艺称为调质。
（）9.制订钢热处理工艺的依据是铁碳合金状态图。
（）10.对钢件进行加热的处理工艺简称热处理。
（）11.淬火后的钢一般需要及时进行回火。
（）12.渗氮工艺适合于要求表面耐磨的高精度零件。
（）13.回火的主要目的是消除淬火造成的残余应力，故回火与去应力退火无本质区别。
（）14.球化退火是碳素工具钢、合金工具钢、高速钢或轴承钢等淬火前必须进行的预处理。
（）15.一些复杂、截面不大、变形要求严的工件,用分级淬火比用双介质淬火能更有效地减少变形及开裂。
第三章金属材料和热处理-pdf
第三章金属材料及热处理金属材料是现代机械工业使用最广泛的材料，品类繁多，性能各不相同，合理选用金属材料和正确运用热处理方法，可以充分发挥金属材料的机械性能，提高产品的质量。
金属可以分为黑色金属和有色金属，黑色金属主要是指钢和铸铁，以铁和碳为基本组成元素形成铁碳合金，即碳素钢。
在铁碳合金中加入一定量的合金元素，如铬、锰、镍、钴等成为合金钢。
有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。
一、碳素钢的分类、编号和用途碳素钢简称碳钢，是含碳量小于 2．11％的铁碳合金，具有较好的机械性能、良好的锻压性能、焊接性能和切削加]：性能，价格比合金钢低，在机械工业中得到广泛使用。
(一)碳素钢的分类1．按钢的含碳量分类低碳钢——含碳量≤0．25％；中碳钢——含碳量：0．30％-0．55％；高碳钢——含碳量≥0．60％。
2．按钢的质量分类普通碳素钢：硫、磷含量分别≤O．055％和 O．045％优质碳素钢：硫、磷含量均≤0．040％；高级优质碳素钢：S、P含量 0．030％-0．035％。
3．按钢的用途分类碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器件，这类钢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，这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。
(二)碳素钢牌号和用途1．普通碳素结构钢甲类钢：这类钢出厂时按保证机械性能供应，除硫、磷外不保征化学成分。
甲类钢的牌号以“甲”或“A”字加上阿拉伯序数表示，共 1-7级，即甲 l、甲 2、…、甲 7(或 A1、A2、…、A7)，数字越大，强度越高，塑性越差，主要用来制造钢板、角钢、圆钢和工字钢等。
乙类钢：这类钢出厂时按化学成分供应，不保证机械性能。
乙类钢的牌号用“乙”或“旷加上阿拉伯数字表示，也分为 1-7级，即乙 1、乙 1、…、乙 7(或 Dl、u2、…、B7)，数字越大，含碳量越高，主要用于制造不重要的零件，一般须经热处理。
2．优质碳素结构钢优质碳素结构钢既要保证钢的化学成分，还要保证机械性能其机械性能，用于制造比较重要的零什。
钢的热处理ppt课件
滚动轴承
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3.1 概述
3.1.1 热处理的概念
为什么热处理后材料性能会改变？
热处理后材料内部的微观结构（组织）发生变化，使材料性能 改变。
问题1：
加热、冷却时材料内部的微观结构如何变化（热处理原理）？
问题2：
热处理工艺有哪些？工程实际中有何应用？
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3.1 概述
3.1.1 热处理的概念
20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织
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第3章 钢的热处理
3.适用范围 3.1.3 热处理分类 3.1.4 临界温度与实际转变温度
3.2 钢在加热时的组织转变 3.3 钢在冷却时的组织转变 3.4 钢的基本热处理工艺 3.5 钢的表面热处理 3.6 钢的其它热处理
钢加热时的实际转变温度分别用 Ac1、Ac3、Accm表示。
冷却时的实际转变温度分别用 Ar1、Ar3、Arcm表示。
因加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数 据是以30-50℃/h的速度加热或冷却时测得的。
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第3章 钢的热处理
3.1 概述 3.2 钢在加热时的组织转变
目录
第0章：绪论 第1章：工程材料的结构与性能 第2章：金属材料的结晶与二元相图 第3章：钢的热处理 第4章：工程材料 第5章：金属的液态成形 第6章：金属的塑性成形 第7章：金属的焊接成形 第8章：非金属材料成形 第9章：新材料及其新工艺 第10章：机械零件材料及成形工艺的选用
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第3章 钢的热处理
改善钢的性能，主要有 两条途径： 一是合金化，这是 第4章研究的内容。 二是热处理，这是 本章要研究的内 容。
供应窄带钢行业热处理设备
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第3章 钢的热处理
机械工程常用材料及钢的热处理(1)
应力 (σ)：单位横截面积的内力
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2. 硬度
材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念
硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料 的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，
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断口宏观鉴别法
若断口呈纤维状，无金属光泽，颜色发暗，无结晶颗粒，且断 口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性， 含碳量较低。若断口齐平，呈银灰色，且具有明显的金属光泽和结 晶颗粒，则表明属脆性材料。而过共析钢或合金经淬火后，断口呈 亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口特征。低碳钢不易敲断， 断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒；中碳钢的断口边缘 的塑性变形特征没有低碳钢明显，断口颗粒较细、较多；高碳钢的 断口边缘无明显塑性变形特征，断口颗粒很细密；铸铁极易敲断， 断口无塑性变形，晶粒粗大，呈暗灰色。
主要用于大直径零件。
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(2)感应淬火加热的特点
①加热速度极快； ②工件表层获得极细小的马氏体组织； ③工件表面质量好，变形小； ④生产效率高
2.火焰淬火
火焰淬火是利用氧-乙炔(或其他可燃气体)火焰对工件表层 加热，并快速冷却的淬火工艺。淬硬层深度一般为2～6mm。 用于单件、小批生产 。
需性能的工艺方法。
热处理工艺
加热、保温、冷却
热处理的原理 组织转变规律
热处理的实质 改变组织结构 性能
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人民邮电出版社
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钢的整体热处理
机械基础：第03章机械工程材料
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.1 碳素钢
3.碳素工具钢 由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳质量分数都在0.7%以上，都是优 质钢和高级优质钢。 牌号：以汉语拼音字母“T”后面加阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳质量分数 的 千分之几。 例如T8表示含碳质量分数为0.80%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后 面标以字母A，如T12A表示平均含碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢 。 用途：主要用于制造刃具、模具、量具以及其他工具
12 高合金钢 合金元素总含量＞10%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
2.合金结构钢 合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。 （1）合金结构钢牌号表示方法： 合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中 含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量＜1.5%时不标出；如果平 均含量为1.5～2.5%时，则标为2；如果平均含量为2.5～3.5%时标为3；以此类推）。 （2）低合金结构钢 低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具 有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。
普通碳素钢 Ws≤0.035%，Wp≤0.035%
优质钢
Ws≤0.030%，Wp≤0.030%
7
高级优质钢 Ws≤0.020%，Wp≤0.025%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.1 碳素钢
碳素钢：含碳质量分数小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。 1.碳素钢的分类
机械工程材料及热加工工艺试题及答案
机械工程材料及热加工工艺试题及答案一、名词解释：１、固溶强化：固溶体溶入溶质后强度、硬度提高，塑性韧性下降现象。
２、加工硬化：金属塑性变形后，强度硬度提高的现象。
２、合金强化：在钢液中有选择地加入合金元素，提高材料强度和硬度４、热处理：钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。
５、细晶强化：晶粒尺寸通过细化处理，使得金属强度提高的方法。
二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法名称机床床身汽车后桥齿轮候选材料T10A,KTZ450-06,HT20040Cr,20CrMnTi,60Si2Mn选用材料HT20020CrMnTi热处理方法时效渗碳＋淬火＋低温回火最终组织P＋F＋G片表面Cm＋M＋A’心部F＋MCm＋M＋A’Cm＋M＋A’T回Cm＋M＋A’F＋Pa+SnSbAS回＋G球滚动轴承GCr15,Cr12,QT600-2GCr15球化退火＋淬火＋低温回火锉刀9SiCr,T12,W18Cr4VT12球化退火＋淬火＋低温回火汽车板簧钻头桥梁滑动轴承耐酸容器发动机曲轴45,60Si2Mn,T10W18Cr4V，65Mn,201Cr13,16Mn,Q195H70,ZSnSb11Cu6,T860Si2MnW18Cr4V16Mn,ZSnSb1 1Cu6淬火＋中温回火淬火＋低温回火不热处理不热处理固溶处理等温淬火＋高温回火Q235,1Cr18Ni9Ti,ZGMn131Cr18Ni9TiQT600-3,45,ZL101QT600-3三、（20分）车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58，其余地方为HRC20—25，其加工路线为：下料锻造正火机加工调质机加工（精）轴颈表面淬火低温回火磨加工指出：1、主轴应用的材料：45钢2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒，消除应力；加热到Ac3＋50℃保温一段时间空冷3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火＋高温回火4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度5．低温回火目的和轴颈表面和心部组织。
简述钢的普通热处理
钢的普通热处理方法：
1.正火：将钢加热到适当温度，保温一段时间后取出在空气中
冷却。
正火的主要应用范围有：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理；用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理；用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能；用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。
2.淬火：将钢加热至高温后快速冷却，使其硬化。
淬火的主要
目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。
3.回火：将淬火后的钢加热到一定温度并保温一段时间，然后
冷却。
回火的主要目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。
4.退火：将钢加热至适当温度并保温一段时间后缓慢冷却。
退
火的主要目的是调整硬度以方便切削加工，消除内应力，稳定尺寸，防止加工中变形。
退火还能细化晶粒，改善组织。
5.表面热处理：包括表面淬火和火焰加热表面淬火等。
表面热
处理的主要目的是提高材料表面的硬度和耐磨性。
6.化学热处理：包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
化学热处理的
主要目的是改变材料表面的化学成分，以提高其耐腐蚀性和耐磨性。
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珠光体型转变，在A1～550℃等温； 贝氏体型转变，在550℃～Ms等温； 马氏体型转变，冷却至MS以下。
共析钢等温冷却转变曲线
随着过冷度的增大，奥氏体转 变温度降低，生成的珠光体片层间 距变小。依据片层间距的大小，将 其分别称为珠光体、索氏体、屈氏 体。珠光体片越细，HB↑，Rm↑。
珠光体 符 号：P 等温温度： A1 ~ 650℃ 层片间距：>0.4μm
①钢加热温度由冷却前希望得到的组 织决定。如果希望得到单相奥氏体组织， 需要在Ac3和Accm以上温度加热，过共析钢 如果不希望二次渗碳体全部溶解到奥氏体 中，需要在Ac1和Accm之间温度加热。 ②加热温度越高，保温时间越长，奥 氏体成分均匀，但晶粒越粗大。 ③加热速度越快，相变的过热度增大， 奥氏体实际形成温度越高，生成的奥氏体 晶粒度愈小。 ④生成的奥氏体晶粒大小也与钢的化 学成分和原始组织有关，有的钢晶粒长大 倾向小。
表 面 热处理 化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗金属等
3.1 钢的热处理原理
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1 钢的组织转变温度
对不同成分和组织的钢，在 进行加热或冷却时，如果加热或 冷却速度非常缓慢，钢的组织变 化规律和铁碳相图一致。
经过PSK线（A1）时，发生 A P 转变 经过GS线（A3）时，发生 A F 转变 经过ES线（Acm）时，发生 A A+Fe3CⅡ
则A1、A3、Acm被称为碳钢固 态平衡组织转变临界温度。
铁碳相图
由于实际加热或冷却不可能非常 缓慢，加热时相变需要具有一定的过 热度，冷却时相变需要具有一定的过 冷度，组织转变才能进行。 习惯上，将碳钢加热时的相变温 度分别标记为Ac1、Ac3、Accm，其冷却 时的相变温度分别标记为Ar1、Ar3、 Arcm。 例如：对亚共析钢，当加热到 Ac1时发生P→A，加热到Ac3时才全部 转变为A；对共析钢当加热到Ac1时发 生P→A；对过共析钢加热到Ac1时发 生P→A，加热到Accm以上时渗碳体才 全部转变为A。
3.2.1 正火和退火
1 正火
将钢加热到至完全奥 氏体化温度，保温一定时 间，然后从炉中取出，使 其在空气中冷却的热处理 工艺，称为正火。
亚共析钢Ac3 以上30～50℃ 过共析钢Accm以上30～50℃ 碳钢的各种退火和正火工艺规范 钢奥氏体化后，空冷比炉冷冷却速度快，具有较大的过冷度，过冷 奥氏体转变为索氏体组织。 亚共析钢空冷后的组织为铁素体+索氏体；共析钢空冷后的为索氏 体；过共析钢空冷时，二次渗碳体来不及充分析出，空冷后的组织也为 索氏体，也就是说空冷能消除过共析钢缓冷时生成的网状渗碳体。
粒状Ｐ(F+球பைடு நூலகம்Fe3C)
4 其它退火
均匀化退火（扩散退火）
为消除钢锭、铸件、锻件等的晶 内偏析，将钢加热到固相线之下100 ～ 200 ℃保温10～15h，炉冷。 扩散退火零件晶粒粗大，还须通 过正火或完全退火来细化晶粒。
去应力退火
铸、锻、焊件及特种加工、切削 加工的零件中均存在内应力。为消除 内应力，稳定尺寸，将钢加热到 500 ～ 650 ℃，保温后炉冷到200℃ 出炉空冷，这一热处理过程可消除零 件50 ～ 80%的内应力，称为去应力 退火。
奥氏体不同冷却方式示意图
2 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线
等温冷却转变曲线描述了 过冷奥氏体在不同等温温度下会 转变为哪种产物，并揭示了转变 数量及转变时间的关系。 A1线之上钢具有稳定的奥氏 体组织，A1线之下开始转变线之 左为过冷奥氏体区，转变终了线 之右为转变产物区。 在230℃之上，C曲线由两 条线组成，左边的一条线表示过 冷奥氏体转变为其它组织的转变 开始线，右边的一条线表示过冷 奥氏体完全转变为其它组织的转 变终了线。两条线之间是正在转 变的时间区域。
3.2 钢的整体热处理
通过对零件整体进行加热、保温和冷却的工艺过程来改变零件组 织和性能的热处理工艺，称为整体热处理。钢的整体热处理主要包括 退火、正火、淬火和回火。它们通常均是先奥氏体化，再通过不同的 冷却方式进行冷却，使过冷奥氏体发生转变，从而获得具有不同的组 织和性能的材料。
整 体 热 处 理 的 分 类
减少退火时间的原理
3 球化退火
球化退火工艺为：将过共析钢零件加 热到Ac1以上20～30℃长时间保温；然后 随炉缓慢冷却至600℃以下，出炉空冷。 在保温时珠光体转变为奥氏体，仍有 部分渗碳体未固溶到奥氏体中，它们在 长时间保温时自发球化；在随炉缓慢冷 却过程中，未溶渗碳体作为渗碳体形核 核心而进行共析转变，从而得到粒状渗 碳体分布于铁素体基体上的组织。 球化退火使碳素工具钢、高碳合金钢 中的渗碳体全部转变为粒状，消除了珠 光体的层片组织，使钢的韧性升高，硬 度降低，切削加工性能升高。 若原始组织中存在网状渗碳体，在进 行球化退火前，则须先用正火来消除渗 碳体网。
过共析钢炉冷组织
过共析钢空冷组织
2 完全退火
将亚共析钢加热到Ac3以上30～ 50℃进行完全奥氏体化，保温后停 止加热，在关闭炉门的情况下随炉缓 冷，使过冷奥氏体发生珠光体转变的 热处理工艺，称为完全退火。
完全退火原子扩散充分，使零件 成分均匀、内应力基本消除，由于重 新结晶而使晶粒细化。 它主要用于亚共析钢的铸件、锻 件、焊坯件、轧材等的预备热处理， 可以细化晶粒，消除过热组织，充分 消除内应力、降低硬度和改善切削加 工性能。
1 什么是热处理
热处理是将固态金属材料加热到 预定温度，并保温一定时间之后，以 需要的冷却速度冷却下来的一种热加 工工艺方法。 热处理不能改变零件的形状和尺 寸，但能改变材料的内部组织，从而 改善材料使用性能和加工性能。
热处理工艺曲线
2 热处理分类
整 体 热处理
退火 正火 淬火 回火
表面淬火
热 处 理
碳钢的等温冷却转变曲线
4 连续冷却转变曲线 （CCT曲线）
CCT曲线上，在温度较高时 过冷奥氏体转变为珠光体。
在转变开始线上开始发生由 A→P的转变，在转变终了线上完 全转变为珠光体。
在转变开始线和转变终了线 的下端，存在着转变中止线。如 过冷奥氏体以v2的速度冷却，转 变中止线上时只部分转变为珠光 体，剩余的过冷奥氏体在低温下 发生马氏体转变，室温下得到 P+M+A′的混合组织。 在CCT曲线上没有贝氏体转 变区。 共析钢的CCT曲线
屈氏体 符 号：T 等温温度：600~550℃ 层片间距：<0.2μm
索氏体 符 号：S 等温温度：650~600℃ 层片间距：0.2~0.4μm
贝氏体型转变
转变温度：550～230℃，半扩散
上贝氏体：B上；等温温度550~350℃；断续 Fe3C颗粒+粗大F板条，呈羽毛状。
下贝氏体：B下；等温温度350℃ ~ Ms；微细Fe3C 颗粒+针状F，呈针状，其强度硬度高，塑性韧性 好。
共析钢等温冷却转变曲线
3 过冷奥氏体等温冷却转变过程及转变产物
当过冷奥氏体在较高温度等温 时，由于铁原子和碳原子都能发生 扩散，得到平衡组织珠光体或先析 出相+珠光体。 当过冷奥氏体在较低温度等温 时，随着铁原子和碳原子扩散能力 下降，使奥氏体转变成非平衡组织 贝氏体或马氏体。 根据转变温度及产物的不同， 分为三种类型。
简称C曲线。
共析钢等温转变曲线
横坐标表示时间，纵坐标表示等温温度
C曲线分为三个区域： ①A1～550℃温度范围内为 珠光体转变区，钢在此温度区间 保温时，如时间穿过转变开始线 和转变终了线，过冷奥氏体将转 变为珠光体； ②550℃～Ms线之间为贝氏 体转变区域，钢在此温度区间保 温，如保温时间穿过转变开始和 转变终了线，过冷奥氏体将转变 为贝氏体组织； ③Ms以下为马氏体转变区 域，过冷奥氏体冷却过程中通过 该区域，将转变为马氏体组织。
650～750 650～750
2 ～3
12～14
10～12
60～66
16～24
96～112
问题1 在不同冷却过程后，45钢的性能为什么会有如此大的差异？ 问题2 能不能利用这样的加热冷却过程来提高材料的性能？ 问题3 表中淬火+回火后，组织中出现了Fe－Fe3C相图中没有出现过的 新组织---回火马氏体和回火索氏体，这又是怎么回事呢？
碳钢实际相变温度
2 钢加热时奥氏体的转变过程
以共析钢为例，来分析奥氏体转变的过程。 A形核 A长大 残余Fe3C溶 解 A成分均匀化
A形核
A长大
残余Fe3C溶解
A均匀化
共析钢奥氏体化过程
3 加热及保温工艺与奥氏体晶粒大小
钢加热及保温工艺包括：加热速度、加热温度及保温时 间，它们决定了合金冷却前的初始组织。
第3章 钢的热处理
3.1 钢的热处理原理 3.2 钢的整体热处理 3.3 化学热处理 3.4 热处理设备、技术条件及 其工序位置 3.5 其它热处理及表面处理
《机械工程材料》（赵亚忠） 西安电子科技大学出版社
引例
45钢奥氏体化后经不同方式冷却后的组织和性能
组织
铁素体+珠光体
铁素体+珠光体
热处理工艺
如淬火冷却速度小于vc' 时（炉 冷或空冷），发生珠光体转变，室 温得到珠光体。 如冷却速度大于vc 时（水冷或 油冷），冷却曲线不经过珠光体转 变区，发生马氏体转变后，室温下 得到M+A′组织。 冷却速度介于vc 和vc' 之间的情 况，室温下得到P+M+A′组织。 vc是全部获得M的最小冷却速度， 称其为淬火临界冷却速度。 Cr、Mo、W、V、Ti等合金元素， 能增大过冷奥氏体的稳定性，从而 使钢的C曲线和CCT曲线右移，减小 钢的淬火临界冷却速度。
正火的冷却速度比退火快，索 氏体组织细小，强度和硬度比退火高。 正火生产周期比退火大大缩短，见C 曲线，生产成本比退火低。 正火的用途： ①对亚共析钢的铸件或锻件， 用空冷来代替炉冷，可细化晶粒，消 除部分铸造或锻造缺陷，又可节约冷 却时间、降低生产成本； ②对低碳钢正火可提高零件硬 度，改善切削加工性能； ③对过共析钢零件正火可消除 网状二次渗碳体； ④对力学性能要求不高的零件， 可在正火后使用。