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1、工程材料及机械制造基础,朱世根 2014.2,绪 论,一、课程的性质本课程是一门综合性的技术基础课，主要研究工程材料（主要是金属材料）的组织、结构与性能，及其加工工艺的一门学科。*承前启后：既应用到以前基础课的知识，又为以后专业课打基础。*课程实践性强，理论上还很不成熟。,1、材 料,1.1 材料性能 * 不同的材料有不同的性能。* 同种金属材料也具有不同的性能。为什么？如：软、硬、变形、磨损等。* 材料性能成分组织热处理工艺,1、材 料,1.1 材料的重要性 * 科学和工业技术发展的基础。 * 反映人类社会文明程度的主要标志。按制成工具的材料不同，可分为：石器时代青铜器时代铁器时代,1、材
2、料,1.1 材料的分类按属性分：黑色金属：钢、铁金属材料有色金属：铜、铝、镁、钛等及其合金陶瓷无机非金属材料 玻璃混凝土塑料 有机高分子（高分子聚合物）材料 橡胶纤维金属基复合材料纤维基,1、材 料,1.1 材料的分类按性能分： 结构材料：利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷，主要起支撑作用。功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感受、计划、输运、屏蔽、绝缘、吸收、控制、记忆、存储、显示、发射、转化和变换的目的。,2、加工工艺 产品制造过程如下：,2、加工工艺,热加工：铸造、锻造、焊接等，（热处理）冷加工：切
3、削加工（机加工、钳工）,铸、锻、焊、切削加工是以改变形状为主。热处理 是以改变性能为主。,二、内容1、材料及热处理。2、铸造、锻造、焊接、切削加工。 三、要求1、了解常用金属材料的性能及选用。2、了解各种成型方法的工艺特点。3、 零件的结构工艺性。,四、学习方法1、课堂上认真听讲2、课堂后归纳总结3、课堂外多查资料要适当记忆、联系实际、反复运用 五、考核重在平时小测验、作业、质疑、考试、上课提问。注意避免：一听就懂、一放就忘、一做就错、 一考就砸,第一章 合金材料及热处理,1 金属及合金的性能,一、金属材料的机械性能,L,力学性能 受外力作用时反映出来的性能 弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击
4、韧性、疲劳强度、断裂韧性等。,低碳钢的拉伸试验 P Pb Ps,L,1、强度（金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力）,屈服强度 金属发生屈服现象时的屈服极限，材料在载荷保持不变而变形继续续增加。抵抗微量塑性变形的应力抗拉强度材料在断裂前能承受的最大应力,其中：PS 试样产生屈服现象时的载荷(N) Pb 试样在断裂前的最大载荷(N)F0 试样原来的横截面积(mm2),屈服强度和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义：金属材料不能在超过屈服极限的条件下工作，否则，机件会塑性变形。 金属材料不能在超过抗拉强度的条件下工作，否则，机件会破坏。 断裂大多数量的零件设计的依据以S。,
5、2、弹性与塑性-金属材料在外力作用 下产生变形的性能,弹性-金属材料在外力作用下产生变形,外力去除后恢复其原来形状的性能.所产生的随外力消失而消失的变形,称为弹性变形.弹性变形大小与外力成正比. 塑性-金属材料在外力作用下产生永久变形而不至于引起破坏的性能. 外力去除后留下来的这部分不可恢复的变形,称为塑性变形.塑性变形大小与外力不成正比.,2、塑性（金属材料在外力作用下，产生永久变形而不被破坏的性能）,（1）延伸率 =(L1-L0)/L0100% （2）断面收缩率 =(F0-F1)/F0 100%工程上一般: 5%的材料称为塑性材料，如低碳钢。5%的材料称为脆性材料，如铸铁。,3、硬度（金属
6、材料抵抗硬物压入的能力）,布氏硬度：以压痕单位球面积上所承受载荷的大小，作硬度值。（HB） 洛氏硬度：以压痕的深度来确定其的硬度值。 （HRC）,HBS 压头为淬火钢球，用于测定较软金属材料（450HBW）。 洛氏硬度 20-67 HRC。压头为金刚石圆锥体。HRC1/10HBS,4、冲击韧性（材料抵抗冲击力的能力）,ak =AK/F (J/cm2),其中：AK冲断试样所需的冲击功（单位为J）,F试样断口处截面积（单位为cm2）,二、物理性能和化学性能,如：比重、熔点、耐腐蚀性等。,三、工艺性能,（材料适应成型加工工艺的能力，反映对材料成型加工的难易程度）铸造性能压力加工性能焊接性能切削加工性
7、能热处理工艺性能,思考：,1、金属材料的机械性能中哪个性能最好？ 2、已知某钢材的S =240 MPa，b =400 MPa，在20mm的拉杆上分别承受以下的拉力：F1=5104N；F2=1103N；F3=1.5105N。试问会产生什么现象？,作业：,P22,(1),(2),2 铁碳合金和状态图,一、碳钢碳钢铁碳合金。C0.9%时， Si： Si、HB，、ak。 但Si含量少，故影响不大。 Mn： Mn、HB，并减少S的危害。也Mn含量少，故影响不大。 S: 生成FeS，FeS与Fe形成晶体（985熔点），易热脆(高温加工时容易产生裂纹)。 P： P、HB，、ak。易冷脆(钢在低温时的脆性急剧
8、增加)。,1、碳及杂质对碳钢性能的影响,2、碳钢的分类,（1）按钢的含碳量不同分： 低碳钢 Wc0.25% 中碳钢 Wc=0.25%0.60% 高碳钢 Wc0.60%,（2）按钢的质量（根据钢中S、P含量）分: 普通碳素钢 S0.055%,P0.045% 优质碳素钢 S0.04%，P0.04% 高级优质碳素钢 S0.03%，P0.035%,（3）按用途不同分：碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构（如桥梁、船舶、建筑等）、机器零件（如齿轮、螺栓等）。 这类钢一般为低碳钢和中碳钢。碳素工具钢：主要用于各种刀具、量具和模具。大多为高碳钢。,3、碳钢的编号和用途,（1）碳素结构钢 如：Q235。 其中
9、：Q 屈服强度的“屈”汉字拼音字首，235 屈服强度的数值（MPa）此类钢一般在供应状态下不热处理使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其机械强度。（用途见书中表格:薄板、钢管、钢筋、冲压件、焊接件等）,（2）优质碳素结构钢 如：45（08，10，15，20，55，60） 用两个数字表示其牌号。（钢中平均含碳量）。 优质碳素结构钢中的S、P含量较少，一般用于较重要的零件，常进行热处理提高其力学性能后使用。供货时既保证其力学性能又保证其化学性能。,低碳钢：、HB较低，、ak较好。可焊性、可锻性良好。主要用于制作冲压件、焊接件、渗碳件及强度要求不高的零件。 中碳钢： 、HB、ak
10、 适中。经热处理后有较好的综合力学性能。常用于齿轮、轴、连杆、丝杆等受力较大的零件。,高碳钢：、HB、弹性较高，、ak 较差。常用于制造要求具有较高强度，耐磨性和弹性的零件。如弹簧（板、螺旋、垫圈弹簧等）、轧辊、钢丝绳等。,（3）碳素工具钢如：T12,T12A其中：T 汉字“碳”或汉字拼音字母“T”，12 含碳量的的千分之几，A 高级优质钢。*碳素工具钢都是高碳钢、优质钢。*碳素工具钢的热硬性差（200），故只能作低速切削工具。,问:从Q235、45、T8A三种钢的牌号上判断其含S、P量的大小？,二、金属的晶体结构和结晶过程,一切固体物质按其原子排列的特征可分为晶体和非晶体： 晶体 原子规则排
11、列的物体。如食盐、金刚石、石墨、合金等。 非晶体 原子不具有规则排列的物体。如塑料、玻璃、沥青等。晶体和非晶体的内部结构不同，两者的性能也不同。晶体通常具有一定的凝固点和熔点,非晶体则没有;晶体具有各向异性,非晶体则各向同性。,晶格(crystal lattice):用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架(原子按一定的规则排列的几何图形)。,1、纯金属的晶体结构,晶胞是晶格的一个基本单元。代表整个晶格的 原子排列规律。 各种金属晶体结构的主要差别，就在于晶格类型 和晶格常数不同。纯金属最典型的三种晶格类型：,体心立方晶格 Fe、Cr、W等。强度大、塑性好。 面心立方晶格 Fe、Cu、Al、A
12、u、Ag等。塑性很好。 密排六方晶格 Mg、Zn等,由于排列方式不同，原子间的距离不同，作用力也不同，故呈现的性能也不同。（如体心立方晶格强度大、塑性好，面心立方晶格塑性好。）,常见的三种金属晶格,(1)体心立方 (b.c.c) Body-center cubic lattice,配位数 ( N ) ：在晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目 致密度：晶胞中的实际原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示,常见金属 -Fe, Cr, Mo, W, V等,(2)面心立方 Face-center cubic lattice(f.c.c),常见的金属有：-Fe, Cu, Al, Ni, P
13、b等,(3)密排六方 Close-packed hexagonal lattice(c.p.h),常见的金属有：Mg, Zn, Be, Cd, -Ni等,a = b c = = 90 = 120 c/a = 1.633,铁的单晶体及在其各方向上的弹性模量,单晶体内部晶格方位完全一致的晶体 单晶体各向异性单晶体在各个晶向上具有不同的物理、化学和机械性能 原因：不同方位（位向）上原子间距不同,单晶体的各向异性,2、纯金属的结晶过程,液态金属,固态金属,结晶,结晶：液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态转变为有序的排列，金属的这种由液体转变为晶体的现象叫结晶。结晶在一定温度下进行。 结晶（凝固）过
14、程分两个阶段：形核 长大。晶核 结晶的中心。（自发晶核和外来晶核）,过冷 液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象。 过冷度 T=T0Tn,问：一种金属的熔点恒定吗？过冷度恒定吗？,晶粒 每个晶核长成的晶体。晶体缺陷按几何形状分为点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子）。 晶界 晶粒之间的接触面。（特点：原子排列不规则；有杂质原子；强度高。） 晶粒细，晶界多，机械性能好。 晶粒粗细-晶核数目、长大速度。变质处理、金属型铸造、热处理、压力加工等。,晶格缺陷,在实际晶体中,或多或少存在偏离理想结构的区域,称为晶体缺陷。 点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子） 线缺陷（晶体中呈连续线状分布的位错
15、） 面缺陷（晶界、亚晶界）晶界、亚晶界愈多，位错密度越大，金属强度越大。,点缺陷与线缺陷,刃型位错 Edge Dislocation,点缺陷,线缺陷,面缺陷：晶界和亚晶界,金属同素异构转变,同素异构转变 在固态下由于温度的变化（改变）而发生晶格改变的现象。重结晶。铁的同素异构转变曲线：,1. 总结以下概念晶体，晶格(晶胞)，晶格常数，结晶，单(多)晶体，晶粒，变质处理，过冷，同素异晶现象(转变) 2. 对晶体缺陷进行分类。 3. 结晶必须那些条件？如何细化晶粒？ 4. 画出金属常见的三种晶体结构，举出相应的2-3种金属。,复习题,1. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特 点？ Fe、Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？ 2已知Fe的晶格常数（a3.63A）要大于Fe的晶格常数（a2.89A ），但为什么Fe冷却到912转变为Fe时，体积反而增大？ 3. 比较凝固组织的粗细（其它条件相同）：1) 砂型与金属型铸造； 2) 厚与薄铸件3) 有无变质处理； 4) 铸型是否预热5) 浇注时有无振动 6) 浇注温度高与低,
