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1、机械制造基础,绪论,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）,数控、机械、模具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）,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、本课程
2、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、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。,第一章 工程材料,1.1金属材料的力学性能,第一
3、节 强度与塑性,一、材料的拉伸曲线,1、oe段：弹性变形阶段 2、es段：塑性变形阶段 3、S点： 屈服点 4、b点：出现缩颈现象， 拉伸力达到最大值， 试样即将断裂。,强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。,二、强度,2、屈服强度,s 材料产生屈服现象时的最小应力,F s：试样屈服时所承受的拉伸力 A 0 ：试样原始横截面积,1、弹性极限,F e：试样产生弹性变形所承受的最大拉伸力 A 0 ：试样原始横截面积,e=Fe/ A 0,e,金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值,3、抗拉强度,指试样拉断前所承受的最大拉应力。,试样在拉断前所承受的最大载荷,b,试样原始截面积,条件屈服极限：有
4、些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限 。,零件设计时对塑性材料采用屈服强度； 脆性材料采用抗拉强度。,三、塑性,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。评定指标是伸长率和断面收缩率。,1、伸长率,指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。,=(L1-L)/L x 100%,2、断面收缩率,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。,=(A0-A1)/A0 x 100%,硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料
5、软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,1、硬度,*用钢球为压头： HBS,常用范围HBS450 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 *用硬质合金为压头： HBW表示，较少用。,第二节 硬度与韧性,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。,指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。,2、冲击韧度,3、疲劳强
6、度 疲劳强度机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用 表示。,1.2金属的晶体结构与结晶,一、金属的晶体结构,1）晶体。 其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。,2）非晶体。 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。,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。,1、晶体与非晶体,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
7、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,1）晶格。把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格。,2）晶胞。晶格的最小几何组成单元。,3、常见金属的晶格类型,4、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,、面缺陷,二、金属的结晶,纯金属的冷却曲线（理想状态）,纯金属的冷却曲线（实际）,1、纯金属的结晶,合金的
8、冷却曲线,2、金属的结晶过程,原子团,形核,晶核长大,小晶粒,晶粒（外形不规则的小晶体）, 增加过冷度, 进行变质处理, 附加振动,3、细化晶粒的方法,金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分 的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性、韧性也越好。 晶核越多，晶粒越细。（细晶强化）,三、纯铁的同素异构转变,纯铁固态下, 在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。,（液体） 1538 ( 体心) 1394 (面心 ) 912 ( 体心),金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。,1
9、.3铁碳合金,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。,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。,固溶体可分为置换
10、固溶体和间隙固溶体。 *置换固溶体溶质原子代替了一部分溶剂原子，占据了 溶剂的某些节点。 *间隙固溶体溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分，不占 据节点的位置。 例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。 铁碳合金都是间隙固溶体。碳的溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类 型，并随温度的升高而增加。,固溶强化形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶强化。,2、金属化合物 金属化合物各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属单相组织，金属化合物一般具有复杂的晶格，且和各
11、组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。 例如渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。 渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。 渗碳体在一定条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C石墨,3、机械混合物. 机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。,三、铁碳合金的基本组织,1.铁素体（F） 碳溶于 中的固溶体，它保持体心
12、立方晶格结构。溶解度（0.008%0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。,铁素体的显微组织,力学性能： b = 250MPa； = 45%50%； HBS = 80。,2.奥氏体（A） 碳溶于 中的固溶体，保持面心立方晶格结构。溶解度（0.77%2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。,图1-16奥氏体的显微组织,力学性能： b = 250 350MPa； HBS= 160200； = 40%45%。,3.渗碳体（Fe3C） 铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。,
13、4.珠光体P （F+Fe 3C） 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,良好的力学性能： b = 750MPa ； =20 %25% ； k = 30-40（J/cm2）。,727以上为高温Ld （A+ Fe 3C） 727以下为低温Ld（ P+ Fe 3C） 力学性能与 Fe 3C 相似，硬而脆,5.莱氏体Ld,图1-19 铁碳合金相图,L,L+A,A,F+A,F,F+P,P,P+Fe3CII,P+Fe3CII+Ld,A+Fe3CII,A+Fe3CII+Ld,Ld,Ld,L+Fe3CI,Ld+Fe3CI,Ld+Fe3CI,四、
14、铁碳合金相图,相图上的特性线和点如下：,2）AECF线（固相线）。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。,1）ACD线（液相线）。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。,3）A点。纯铁的熔点（1538）。,4）D点。渗碳体的熔点（1227 ）。,5）C点。共晶点，温度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的条件(温度、成分)下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。即,6）ECF线（共晶线）。含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（1148度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物
15、莱氏体。,7）ES线。是碳在 中的溶解度曲线，E点表示在11480C时碳在 中的最大溶解度为2.11%。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为Acm线,8）GS线。 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为A3线。,10）PSK线（共析线）。 含碳量在0.02%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（7270C），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A1线。,9）S点。共析点，温度7270C，成分0.77%。共析转变：指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物
16、的过程。 即：,根据含碳量的不同，铁碳合金可分为钢和铸铁两大类： 第一类 钢 含碳量小于2.11的铁碳合金，按室温组织不同又可分为三类，以0.77为界： *亚共析钢含碳量0.77 * 共析钢含碳量0.77 *过共析钢含碳量0.77 第二类 铸铁 即生铁 含碳量为2.116.69的铁碳合金，安室温组织的不同，分为三类： *亚共晶铸铁含碳量4.3 * 共晶铸铁含碳量4.3 *过共晶铸铁含碳量4.3,五、 铁碳合金分类(据C%不同分),六、 铁碳合金的组织转变,1. 钢的结晶过程,1）共析钢（T8钢） 1点以上 L 12 LA 23 A 3点 AP 3点以下 P,亚共析钢的结晶过程,室温组织: P,室温组织：F+P,亚共析钢的结晶过程,1点以上 L 12 L 23
