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1、机械制造基础,主讲：王凤良,绪 论,一、本课程的性质和内容,二、机械制造技术的发展及其作用,三、本课程的学习目的和学习方法,南山学院,一、本课程的性质和内容,1、本课程的性质,2、本课程的内容,生产准备,毛坯制造,机械加工,装配调试,（车，铣，刨，磨，钻，镗等）,（组装，部装，总装）,（铸造，锻造，焊接，冲压等）,机电类专业的主干专业基础课,机械制造：,将原材料制成零件的毛坯，将毛坯加工成机械零件，再将零件装配成机器的整个过程。,（市场调查，购买原材料）,南山学院,二、机械制造技术的发展及其作用,南山学院,1、作用：,机械制造技术是国民经济的支柱产业，是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一。,
2、2、机械制造技术的发展史,（1）人类社会的划分是以材料为依据的,（2）我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就,三、本课程的学习目的和学习方法,南山学院,1、目的,（1）了解和掌握常用的工程材料；（2）了解和掌握铸造、锻造、焊接、切削加工和特种加工；（3）熟悉机械制造全过程，并了解现代机械制造技术。,2、学习方法,第一章 金属材料的力学性能,南山学院,引言：,1、金属材料的性能,使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性能：,指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,2、金属材料力学性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲
3、压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,第一节 强度与塑性,南山学院,一、材料的拉伸曲线,1、oe段：直线、弹性变性,2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形,5、b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，试样即将断裂。,3、s s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、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形,第一章 金属的力学性能,南山学院,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。,一、强度的指标,2、抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力
4、。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,1、屈服点,b = Fb/S0,当材料的内应力b时，材料将产生断裂。 b常用作脆性材料的选材和设计的依据。,符号： s 材料产生屈服现象时的最小应力,s = Fs/S0,Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm）,1-1 强度与塑性,南山学院,二、塑性指标,塑性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,2、断面收缩率,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。,=(L1-L)/L x 100%
5、,L:标距（本实验L=100） L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。,=(A0-A1)/A0 x 100%,A0:试件原横截面积。 A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。,1-1 强度与塑性,第二节 硬度,南山学院,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（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度,第一章 金属的力学性能,南山学院,1、布氏硬度试验（布氏硬度计）,原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）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
6、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：120HBS 500HBW,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.,一、布氏硬度,3、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低,1-2 硬度,南山学院,1、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
7、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.,二、洛氏硬度,3、优缺点 （1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。,1-2 硬度,南山学院,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。,三、维氏硬度,3、优缺点 （1）测量准确，应用范围广（硬
8、度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。,1-2 硬度,第二章 金属的晶体结构与结晶,第一节 金属的晶体结构,一、晶体结构的基本知识,1、晶体与非晶体,晶体的特点是：,原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。,具有一定的熔点，如铁的熔点为1538，铜的熔点为1083。,晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。,非晶体的特点是：,原子在三维空间呈不规则的排列。,没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。,各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。,2、晶格与晶胞,2-1 金属的晶体结构,二、常见金
9、属的晶格类型,体心立方晶格,每个晶胞原子数n=81/8+1=2(个),属于体心立方晶格类型的金属有-Fe（912以下的钝铁）、铬、钼、钨等,面心立方晶格,每个晶胞中的原子数为n=81/8+61/2=4(个),属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912的钝铁）、铝、铜、银等。,密排六方晶格,密排六方晶胞中的原子数n=121/6+21/23=6(个),2-1 金属的晶体结构,三、金属的实际晶体结构, 单晶体与多晶体,单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。, 金属的晶体缺陷,、点缺陷,、线缺陷,、面缺
10、陷,2-1 金属的晶体结构,第二节 金属的结晶,物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固,如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。,1、冷却曲线与过冷现象,2、金属的结晶过程,3、晶粒大小对金属力学性能的影响,4、细化晶粒的方法, 增加过冷度, 进行变质处理, 附加振动,2-2 金属的结晶,第三节 合金的晶体结构与结晶,一、合金的基本概念,1、合金,合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,2、组元,组成合金的基本的物质称为组元。,3、合金系,给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。,4、相,相是指
11、在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。,5、组织,组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。,2-3 合金的晶体结构与结晶,二、合金的相,根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。,1、固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。,2、金属化合物,金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相,3、机械混合物,机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。,2-3 合金的晶体结构与结晶,2-3 合金的晶体结构与结晶,第一节
12、铁碳合金的基本组织,1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。 2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、 轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。 3、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。性能-硬度高，脆性大。 4、珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混合物。性能-力学性能介于两者之间。 5、莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。性能-硬度高，塑性差。,第3章 铁碳合金,第二节 铁碳相图分析,引言： 关于铁碳合金状态图1、概念：表示铁碳合金在不同成分和
13、温度下 的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。,第3章 铁碳合金,第3章 铁碳合金,一、铁碳相图分析,1、相图的坐标 纵坐标：代表温度。 横坐标：代表含碳量。 2、几个概念纯铁 钢 铸铁共析钢 亚共析钢 过共析钢共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁,第3章 铁碳合金,3、特性点A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148D点：渗碳体的熔点 1227S点：共析点 727G点：纯铁的同素异晶转变点 912E点：C在-Fe中最大溶解度 1148P
14、点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度,第3章 铁碳合金,4、特性线ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。ECF：共晶线，含C量2.11 % -6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。PSK：共析线，含C量在0.0218 % -6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。,第3章 铁碳合金,第三节 铁碳相
15、图的应用,1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。 2、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。,第3章 铁碳合金,第四章 钢的热处理,引言：,1、热处理的概念,2、热处理的目的,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与性能的工艺。,（1）提高钢的力学性能 （2）改善钢的工艺性能,第一节 钢的热处理原理,根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：,1、整体热处理,2、表面热处理,表面淬火、气相沉积,3、化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗,退火、正火、淬火、回火,第4章 钢的热处理,热处理的理论依据,第4章 钢的热处理,
