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1、机 械 制 造 基 础,参考书目,金属工艺学（上、下册） 邓文英 主编 高等教育出版社 机械工程与技术 Serope Kalpakjian/ Steven R.Schmid 机械工业出版社 Manufacturing Engineering and Technology Hot processes Manufacturing Engineering and Technology Machining 制造技术 P N Rao 机械工业出版社 Manufacturing Technology Foundry, Forming and Welding Manufacturing Engineerin
2、g and Technology Metal Cutting & Machine Tools,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,一、本课程的性质和内容,1、本课程的性质,2、本课程的内容,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。,二、机械制造技术的发展及其作用,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、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
3、、本课程的学习目的和学习方法,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,1 工程材料导论,1.1工程材料的性能,1、工程材料的性能,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、工程材料力学性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、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。,
4、1 强度与塑性,拉伸试验： F Fb：载荷下降，变形增加 Fk：断裂，强度极限载荷。,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。 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。,1、屈服强度,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。,s 材料产生屈服现象时的最小应力,Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） A0 ：试样原始横截面积（mm）,1 强度与塑性,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
5、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%,L:标距 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 强度与塑性,2 硬度,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,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
6、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：120HBS,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,2 硬度,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
7、硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。根据所用压头计载荷的不同，分为HRA、HRB、HRC，其中HRC最为常用。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。,2 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
8、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。,2 硬度,3 韧性,定义：金属材料断裂前吸收的变形能量。,冲击韧度：缺口处单位截面积上所吸收的冲击功 式中： ak冲击韧度; Ak冲断试样所消耗的冲击功; A试样缺口处的截面积 cm,冲击韧度,4 疲劳强度,疲劳强度曲线,实验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前应力循环次数 N 有如图1-6所示的规律。由图所知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。 用1表示光滑试样对称弯 曲疲劳强度。一般钢的循环次
9、数为107，有色金属为108。,思考题：,1.将钟表发条拉成一条直线，这是弹性变形还是塑性变形？ 2.缩颈发生在拉伸图上那一点？如果式样没有出现缩颈现象，是否表示该式样没有塑性变形？ 3.下列情况应采用那种硬度法来检查其硬度？ 库存钢材 硬质合金刀头 锻件 台虎钳钳口 4.下列符号所表示的力学性能指标的名称和含义是什么？ b s r0.2 -1 k HRC HBS HBW 5. 硬度和抗拉强度之间有没有一定的关系？为什么？,金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程。 金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基
10、本过程组成的。,1.2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,1.2 铁碳合金,1.金属的结晶,金属的结晶,1.2.1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,2.纯铁的晶体结构,将晶体中的每一个原子看成是一个点，再把相邻原子中心用假想的直线联接起来，使之形成晶格。从晶格中取出一个最基本的几何单元，这个单元称作晶胞。,体心立方晶格,属于体心立方晶格类型的金属有-Fe（912以下的纯铁）、铬、钼、钨等,面心立方晶格,属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912的纯铁）、铝、铜、银等。,2.纯铁的晶体结构,3.纯铁的同素异晶转变,1.2.2 铁碳合金的基本组织,a 、合金的基本概念,1、合金,合金是指
11、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、相,相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。,4、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。,b 、合金的组织,根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物。,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，称为固溶体。,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
12、提高塑性，易于加工。,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。,铁素体,奥氏体,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组织。,渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。,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。,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。,莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。,珠光体,1.2.3 铁碳相图分析,1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度
13、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。,3.铁碳合金相图,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,3、特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q
14、点：室温时C在-Fe中最大溶解度,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。,亚共析钢结晶过程,4 铁碳相图的应用,1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中
15、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、判断切削加工性能： 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。,思考题：,1.如果结晶时晶核不多而生长速度较快，则凝固后的
16、晶粒是粗还是细？为什么？ 2.晶粒的粗细对金属的机械性能有什么影响？ 3.什么是同素异晶转变？室温和1100时的纯铁晶格有什么不同？ 4.什么叫做铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？它们各有什么特点？ 5.A1.A3和Acm各表示什么意义？ 6.试描述在缓慢冷却的条件下,液态的0.3碳素钢从开始凝固到温室之间的组织变化。,1.3 金属材料,A typical automobile may contain the following materials:,1.3.1 钢,1. 钢的分类 (1) 按化学成分 碳素钢 合金钢 (2) 按用途 结构钢 工具钢 特殊性能钢 (3) 按质量 普通钢 S0.055% P0.045% 优质
