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1、,工程材料及 机械制造基础,内容（简介）,本书共有17章，包括材料的种类与性能、材料的组织结构、金属热处理及材料改性、钢铁材料及其用途、非铁材料、机械零件的失效及选材、铸造、压力加工、焊接、非金属材料及复合材料成型方法、毛坯成形方法选择及质量控制、现代成形技术及发展趋势、切削加工基础知识、零件表面的加工方法、机械零件的结构工艺性、现代制造技术及发展趋势等。,第1章 材料的种类与性能,1.1 材料的种类 图 1.2 材料的性能 1.2.1 静载时材料的力学性能 1.2.2 其他载荷作用下材料的机械性能 1.2.3 材料的高温和低温性能 1.2.4 材料的物理性能 1.2.5 材料的化学性能 1.
2、2.6 材料的工艺性能,1.2.1 静载时材料的力学性能,1.强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。 拉伸试验演示 图,(1) oe段：直线、弹性变性,(2) eH段：曲线、弹性变形+塑性变形,(3) L段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,(4) Lm曲线：弹性变形+均匀塑性变形,(5) m点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样产生不均匀塑性变形,试样即将断裂。,(6) k点：试样在缩颈处断裂。,1.强度,(3) 抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,
3、(2) 下屈服强度,当材料的内应力 Rm 时，材料将产生断裂。 Rm 常用作脆性材料的选材和设计的依据。,符号： FeH 试样发生屈服而力首次下降前承受的最大载荷， N FeL 材料产生屈服现象时的最小载荷， N,ReL= FeL/S0 （旧标准s）,S0 ：试样原始横截面积（mm2）,(1) 弹性极限,Re= Fe /S0,弹性模量（刚度）E= R/,上屈服强度,ReH= FeH /S0,Rm= Fm/S0 （旧标准b）,1.强度,是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。,1.断后伸长率A11.3 （旧标准10 ），A5.65（写成A，旧标准5 ）,
4、2.断面收缩率Z （旧标准），,指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。,指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,A=(Lu-L0)/L0100%,L0:试样原始标距（当L0=10d0时, A11.3 ；当L0=5d0时, A5.65 ）Lu:拉断后的试样标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。,Z =(S0-Su)/S0100%,S0:试件原横截面积。Su:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。,2. 塑性,引言：,(1)定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,(2)硬度的测试方法 （1）布氏硬度
5、（2）洛氏硬度 （3）维氏硬度 （4）肖氏硬度,3. 硬度,(1)布氏硬度试验（布氏硬度计）,原理:用一定直径的硬质合金球体以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,(2)布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如： 500HBW5/750/20 （7509.80665）,(4)测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,布氏硬度,(3)优缺点 测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）;可测的硬度值不高;不测试成品与薄件;测量费时，效率低。,布氏硬度实验演示,(1)
6、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）,原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,(2)洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC,(4)测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,洛氏硬度,(3)优缺点 试验简单、方便、迅速;压痕小，可测成品，薄件;数据不够准确，应测三点取平均值;不应测组织不均匀材料，如铸铁。,洛氏硬度实验演示,符号 试验力 压头 测量范围 应用 （9.8N） （HR） HRA 60 金刚石圆锥 2088 碳化物硬质合金，淬火工具 （67HRC） 钢，浅层表
7、面硬化钢 HRB 100 1/16“ 即 25100 软钢，铜铝合金，可锻铸铁 1.588钢球 （ 20HRC） HRC 150 金刚石圆锥 2067 淬火钢，调质钢， 深层表面硬钢,洛氏硬度,(1)维氏硬度试验,原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,(2)维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。,(4)测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,3. 维氏硬度,(3)优缺点 测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）;可测成品与薄件;试样表面要求高，费工。,1.1.3 硬度,1.2.2
8、其他载荷作用下材料的机械性能,1.冲击韧度 冲击试验演示 2.断裂韧度 3.疲劳强度 4. 磨损：黏粒及磨粒磨损、腐蚀、接触磨损,1.2.3 材料的高温和低温性能,1.高温性能： 蠕变材料在长时间的恒温、恒压力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。 2.低温性能,1.2.4 材料的物理性能,1. 密度 2. 熔点 3. 热膨胀性 4. 磁性 5. 导热性 6. 导电性 表,1.2.5 材料的化学性能,化学性能:材料在室温或高温时抵抗各种 介质化学侵蚀的能力。 1.金属腐蚀的基本过程：化学腐蚀和电化学 腐蚀。 2.防止金属腐蚀途径,第 一 章 小 结,静载时的力学性能 使用性能：力学性能 其他载荷下力
9、学性能 物理性能 材料的性能 化学性能 工艺性能：锻造性能 铸造性能 焊接性能 切削性能等,第2章 材料的组织结构,2.1 金属的晶体结构 2.2 非金属材料的结构 2.3 金属的结晶与细晶强化 2.4 材料的同素异构现象 2.5 铁碳合金相图,2.1 金属的晶体结构与结晶,2.1.1 金属的晶体结构 图 体心立方结构 常见的金属晶体结构有三种 面心立方结构 密排六方结构 图 2.1.2 金属的实际晶体结构 图 2.1.3 金属材料的结构特点,2.1.2 金属的实际晶体结构,点缺陷 晶体缺陷有三种类型 线缺陷 面缺陷。 1. 点缺陷：空位和间隙原子 图 2. 线缺陷：位错 图 3. 面缺陷：晶
10、界 图 4. 缺陷与性能的关系,2.1.3 金属材料的结构特点,合金:是由两种或两种以上的金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 图 常见的合金中存在的相,固溶体,金属间化合物 图,2.2 非金属材料的结构,2.2.1 陶瓷材料的结构特点 1. 陶瓷材料的键合类型 2. 陶瓷材料的组织 图 （1）晶体相 （2）玻璃相 （3）气相：陶瓷组织中的气孔。 2.2.2 高分子材料的结构特点,2.2.2 高分子材料的结构特点,1. 大分子链的形态 图 2. 大分子的聚集态结构 图 3. 高聚物的物理、力学状态 图 4. 高分子材料的老化,2.3 金属的结晶与细晶强化,1. 结晶过程
11、图 2. 结晶温度 图 晶粒大小：金属晶粒的大小对其性 能有很大的影响。在生产过程中常采取细化晶粒的措施以改善力学性能。 （1） 增加冷却速度 （2） 变质处理,2.4 材料的同素异构现象,2.4.1 晶体的同素异构 铁的同素异构转变。 2.4.2 同分异构 化学成分相同，而组 成原子排列成不同的 分子结构的现象。,2.5 铁碳合金相图 2.5.1 二元合金相图,相图的建立 图 匀晶系：两组元在液态无限互溶的 合金系 匀晶相图：匀晶系的相图。图 共晶相图： 共析相图 图 形成稳定化合物的相图 图,2.5.2 Fe-Fe3c 相图,相图分析 图 1.组元 2.相 3.点、线 4.相区 5. 共晶
12、体,2.5.2 Fe-Fe3c 相图,1. 铁碳合金的基本相 图 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 2. 相图分析 表 表 珠光体 莱氏体,3. 典型合金的结晶过程分析,（1）铁碳合金的分类 （2） 典型合金的结晶 1） 合金（共晶合金）的结晶过程 图 2） 合金（亚共晶合金）的结晶过程 图 3） 合金（过共晶合金）的结晶过程 4） 合金的结晶过程 图 图 图 图 图,4. 铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律,（1）相的变化规律 （2） 组织的变化 图 （3）性能的变化 1）力学性能 2）工艺性能,小 结 陡峭光滑两山间 高低不同水平面 落水瀑布紧相连 逾越凌空双飞燕,第 2 章 小
13、 结,材料的结构、凝固、变形与再结晶 铁碳合金相图 单晶体 塑性变形 多晶体 合金 对组织影响 结晶 金属的晶体结构 理想 体心 面心 密排六方 实际的多晶体结构,第3章 金属热处理及表面改性,3.1 钢的热处理原理 3.2 钢的普通热处理工艺 钢的退火与正火 钢的淬火 钢的回火 3.3 钢的表面热处理 3.4 金属材料的表面改性,3.1 钢的热处理原理,3.1.1 钢在加热时 的转变 1.奥氏体的形成 图 2.影响奥氏体晶 粒尺寸的因素 3.1.2 钢在冷却 时的转变,3.1.2 钢在冷却时的转变,1 . 共析钢等温转变曲线（TTT曲线）图 2. 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 图 图
14、图 图 图 3. 影响C曲线的因素 图 4. 过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 图 5. 过冷奥氏体的等温冷却转变曲线在连续 冷却中的应用 图,3.2 钢的普通热处理工艺,3.2.1 钢的退火与正火 1.工艺 2.应用,退火,1.完全退火 2.等温退火 3.球化退火 4.扩散退火 5.去应力退火 6.再结晶退火,3.2.2 钢的淬火与回火,1. 淬火 （1） 淬火温度 图,(2) 淬火冷却,理想冷却速度 图 淬火冷却介质 表 (3)淬透性与淬硬性 淬透性的概念 ：指钢在淬火时获得马氏体的能力。 图 影响淬透性的因素 淬透性的实际意义 钢的淬火变形和开裂,2. 钢的回火,(1) 低温回火 (2) 中
15、温回火 (3) 高温回火,3.3 钢的表面热处理,3.3.1 表面淬火 图 表面淬火是将钢件表面进行快速加热，使 其表面组织转变为奥氏体，然后快速冷却， 表面层转变为马氏体 的一种局部淬火方法。 1. 电感应加热淬火 2. 火焰加热 3. 激光加热 3.3.2 化学热处理,3.3.2 化学热处理,根据渗入的元素不同，化学热处理分为以下四种： 图 1. 渗碳 2. 渗氮 3. 碳氮共渗 4. 渗硫,3.4 金属材料的表面改性,1. 钢铁的氧化、磷化与镀层 钝化 （1）钢铁的氧化 （2）钢铁的磷化 2. 非金属覆层 表,第 3 章 小 结,普通热处理 退火、正火 淬火、回火 表面淬火 热处理 表面热处理 化学热处理 形变热处理 其它热处理 真空热处
