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1、1.1 制造工艺我们如今所享受到的文明的好处从本质上来说是源于我们所能利用的产品质量的提高。产品质量的提高可以通过包括功能和制造方面的需求的合理设计来获得。设计过程会合理的考虑使用同样理想的制造工艺。这可以保证产品在经济的成本下制得。制造就是将未加工的材料转变为为某种目的而使用的成品。以往我们对材料的一些外部性能如耐高温，耐高速，和高负荷的要求不断提高这反过来也需要一系列的新材料和与之关联的工艺过程。而且，现代工业操作所需要的外部环境也对制造工业有很大要求。而且制造过程的经济性是一个很重要的考量，为了在现代环境侠可行，一件产品必须在出功能与美学要求外完全定价。所以对一个工程师来说考虑到制造的各
2、个方面是必须的。制造工艺是一个很基础的课题，因为他不仅涉及到制造工程师的利益，事实上也关乎几乎所有工程学科的利益。之所以如此是因为工程是一个为人类消费提供各种材料的整体。对许多如化学工业，文职，电力，电气，纺织等需要的工业机器制造工艺都是至关重要的部分、因此对制造工艺的详尽的了解对每一个工程师来说都是必要的。这可以帮组他来判别各种制造工艺的性能，优缺点。这反过来也对他对所需产品的合理设计有所帮助。首先他能够从它的设计来评估制造的可行性。他也可以找到不止一种制造过程来生产一件特殊的产品，从而对能以最低的制造成本来造出所需质量的产品的工艺做出合理的选择。他也可以轻微地修改它的设计部来适应他所选择的
3、制造工艺。制造被韦伯词典定义为：制造出可供使用的产品。直到18世纪末的第一次工业革命制造仍然被定义为生产小体积，低价格的产品的手工工艺。个别的部件的生产和整体装配需要高度熟练的手工艺。在任何机器都没有的情况下，缓慢而昂贵是唯一可能发生的情况，蒸汽机和燃煤火炉的使用使大量蒸汽驱动的机器被发明，从而极大增加制造能力。这一时期出现了大量与机器有关的发明，并持续至19世纪末。至19世纪末随着电力和更好的工程材料的发明，机器操作变得更具生产力。二十世纪初，汽车制造业的发展，对制造方法和生产实践的发展有极大的帮助。1.1.1铸造工艺这是唯一一个用到液态金属的工艺，铸造也是已知的最古老的生产工艺之一，需要极
4、其类似于最终制造产品外形的型腔。熔化的金属被注入难熔的型腔，然后凝固，再把凝固后的零件重新加工取出，铸造工艺被广泛应用于广泛系列产品的制造中，原始的铸造工艺是砂模铸造，这一过程中砂模被用作难熔型腔，砂模铸造适用于小批量生产同样也适用于大批量生产。1.1.2成型工艺这些固态制造过程包含最少的材料损耗和最快的生产速度，在成型过程中，材料被加热到稍低于固相线的温度，然后，施加一个很大的压力使材料流动从而形成所需外形，所需外形通过一套叫做模具的工具来控制，在制造过程中，模具可能是全封闭的也可能是部分封闭的，这些生产过程通常被用于大规模生产，通常这些生产过程是经济的，而且可以在很多方面提高机械性能。1.
5、1.3装配工艺这是制造工艺的第二步，在这一步中，原材料是先前所描述的制造工艺的任意一种。从本质上装配工艺包括连接，无论是永久性连接还是暂时连接，以使他们可以表现出必须的功能，这种连接可以通过加热或加压或两着兼具或使用一种连接材料来获得。我们所见到很多钢结构都是先被粗制然后通过一种装配工艺连接起来。1.1.4材料移除工艺有一种第二步的制造工艺，在这一步中额外的不需要的材料被坚硬的工具从单一材料中移除，形成一个缺口来获得最终所需的形状，材料移除工艺通常是最昂贵的制造过程，以为它消耗了更多的能量，同时也产生了巨大的材料浪费，但是它仍然被广泛应用因为他可以形成精确的空间尺寸和良好的外形及精确的轮廓。材
6、料移除工艺也叫做机加工。所有这些制造工艺，都在持续不断的发展，以获得低成本的良好产品。计算机及其在制造工艺中的影响对制造工艺有莫大的好处，计算机的出现对绝大部分制造工艺产生了显著的影响也极大的促进了自动化和设计过程。1.2经济可行性分析工程师的一个重要职责是选择一个以尽可能低的成本制造出所需质量的产品的制造过程。为了实现这两方面的目标，工程师必须针对给定的目标对不同的制造过程做出适当的盈亏平衡分析，在盈亏平衡分析中要考虑两方面的成本，固定成本与制造过程相关联的所有设备和工具的投资是固定成本，固定成本是固定的，不以产量而异，另一方面是可变成本，因实际产量不同而有差别。可变成本计算进的所需原材料消
7、耗、能量消耗劳动力成本、特殊工具成本和其他的行政管理费用，这些通常和产量是成比例的。如果一位工程师必须制造同一产品的两种不同工艺做出选择，他必须首先估计两种工艺的总的固定成本和可变成本，然后绘制总成本曲线，这些曲线的交点叫做盈亏平衡点，这意味着如果产量比盈亏平衡点低第一种工艺是经济的，如果产量超过该点那么，第二种是经济的。2.1工程性质元件的制造通常被工程材料的机械性能和热学性能所影响，而且材料的机械性能也会被所采用的工艺所影响。无论如何，对工程材料的机械性能的了解对制造工程师是重要的。2.1.1应力外力作用在材料商所产生的变形叫做应力。根据所施加负荷的不同应力可分为拉力、压力、或剪切应力。施
8、加负荷后材料产生弹性变形叫做张力，张力可以被定义为尺寸变化量与原始尺寸之比。在材料中引起的变形可以分为两种类型，弹性变形和塑性变形，弹性变形是指材料上所施加的载荷被移除后能恢复原来形状的变形。塑性变形是另一方面，永久的不可回复的变形。拉应力通过在一种通用的测试机上实施的测试实验测得。包括图2.1所示作为标准的样本的准备。样本可以是矩形的也可以是圆柱形的，矩形的通常被用于板式样本，必须保证样本的表面是平滑的、没有任何裂缝或刻痕。拉伸试验机由一个带有一个较低的横梁和一个在样本上施加拉力的联杆器的巨大测试机架组成。样本只能装在两个抓爪间，一个附加在横梁上，另一个附加在连杆器上，当施加负载时一个伸长仪
9、被加到样品上来测量测试样本的伸长量。然后一个均匀增加的载荷被施加到样本上，连杆器和横梁的相对运动在样本上形成张力和一个相应的载荷。随着载荷的增加，样本首先产生弹性变形，如图2.1所示，相比之下中心部分比引人瞩目的区域要小。继续加载荷，当材料超过弹性范围样本在一些点处会变窄。在载荷的作用下样本减少的宽度会减少，当测试结束时样本会最终断裂。如果断裂没有在标准刻度内发生，测试需要用不同的样本重新做。在测试中应持续记载载荷和相应的伸长量。应力和张力可以由上述数据计算并被绘制成图2.3所示图标。可以观察到所施加的力和诱发的张力直接成比例，这一点可以有延伸到A点的线性曲线表示，A点叫做比例极限。线性部分的
10、终点叫做屈服点，在屈服点以上材料开始弹性变形，拱形曲线表明在弹性范围内，应力与张力之间没有明显的线性关系。最终样本在所施加载荷超过材料所能承受的极限时发生断裂。比例极限通常难以计算，因此，两种特殊的测量方法，补偿屈服应力和延伸屈服被发展用于近似代替比例极限。点b通过在弹性范围内构造一条平行线x-b表示补偿屈服应力。X-B线补偿了拉伸长度O-X所表示的的应力的0.2%。点C通过在在载荷下的拉伸量并构成曲线Y-C来表示屈服应力。Y-C线补偿拉伸长度O-Y所表示的应力的0.5%。最终的拉伸应力或顶点应力由点D表示。总伸长量，包括弹性变形和塑性变形，是断裂时的单轴应变，由Z点的应变表示。断裂点的单一伸
11、长量由移动抓爪间的断裂样本决定。他和断裂点相配合来测量定位刻度间的距离。2.1.2硬度硬度是非常重要的性能，因为制造在很大程度上依赖与他，硬度是材料对压力的抵抗力莫氏硬度测量基于表2.1所示的十种标准矿物。通常可以由一种坚硬的材料造成的压痕来测量。压痕取决于所施加负载，压痕的清晰度取决于负载应用的时间。同场还有许多硬度测试方法来测量材料的硬度。这些测试方法通常是在指定的负载下把由坚硬的材料制成的团块、圆锥体或球椎体压入材料，偶测量这些所产生的永久压痕来在测试给定的范围内对材料的硬度做出指示。2.1.3延展性延展性是对一种材料在拉力作用下不断裂所能承受的弹性变形量的估量。材料到断裂时的伸长量与原
12、始长度的比例定量地表示成一种百分关系。材料在拉伸试验中突然断裂时的拉伸估计值可以被做延展性。因为伸长量取决于拉伸试验选择的标距长度，所以标距长度须由伸长估计值规定。二者选一的，他也可以被表示为断裂样本的代表性区域与原始区域的延伸比率。也可以表示为材料被拉成线状的能力，因为只有延展性材料才可以在不断裂的情况下被拉成线状。除了拉伸试验外，特殊的基于所期望功能的实验可以用弯曲试验，杯状测试来测试薄片材料的延展性。2.1.4韧性这是表示材料在冲击载荷下断裂时吸收能量数量的性能。简言之，就是抵抗冲击载荷的能力。韧性可以被看做应力应变曲线下方的整体区域，因为韧性是不引起断裂情况下作用与材料的功的总量。因此
13、韧性可以被看做是应力和延展性的组成参数。一种材料的韧性可以通过冲击试验来测得，在这个实验中，一个有测试材料做成的有凹口的棒被老虎钳夹住，然后一个重物沿棒的轨道从已知高度摆下并击断他，因为材料在断裂时吸收了能量，所以摆动物块失去了一部分能量故而无法达到他的起始高度。高度损失随样品吸收的能量的增加而增加，这可以在实验中用显示计直接测量。在沙皮尔冲击实验中，试样被夹在两个手柄中，然而在悬臂冲击实验中，试样的一段被夹住，就像悬臂一样，如图2.4沙皮尔悬臂测试法中，标准试样是由截面边长为10mm的正方形的试样组成，细节如图2.5.抗冲击性主要是由材料的组成物和热处理工艺决定，退火材料的韧性一般比相对标准
14、化的和淬火材料高，粗糙晶粒结构的材料比细晶粒结构的材料更倾向于拥有搞得塑性和韧性。2.2.含铁材料日常生活中，我们使用不同种类的金属，非金属和它们的化合物，例如汽车中就含有下列材料：依据它们的基本和化合材料，材料可大致分为如图2.6所示那样在材料中，由于多变的机械性能和低成本，含铁材料到现仍是应用最广泛的。2.2.1铁所有铁和刚的基本来源都是铁矿，这些铁矿石混合有铝，硅，磷，硫和其它材料的氧化物，这些铁矿主要为赤铁矿和磁铁矿，约占铁量的55%生铁，这种作为所有钢熔炉的基本材料，是爆炸炉产生的产品，生铁包含（约4%）的碳。1%硅，1%的镁和少量百分比的磷和硫；生铁硬而脆，缺少钢所拥有的较好的强度
15、，塑性和抗震性。绝对纯铁是很获得的，在这种情况下，它是一种有轻灰色和具有重量为7.86额柔软和较高塑性的金属。纯铁的唯一应用是基于它的高导磁性，用它来做成磁铁，另外的铁的广泛应用是它含有大量的合金，他可以和其它元素化合在一起，铁碳合金在工程材料中被广泛使用，它含有一定的硅，镁，铬，嗫和其它元素。在进行铁碳合金学习前，对材料结构的简单了解将有助于我们更好地理解这个科目。2.2.2.材料结构在原子排列和它们的组成质点中的所有结晶固体都能获得一定的几何排列，这些质点在固体中以集合体的方式聚集，它们构成空间或晶体晶格这些任何固体的空间点阵组成了原子排列有序的晶胞单元结合，整个材料在三维空间仍保持有序的
16、原子排列则成为晶胞，这是整个填满空间点阵最为简单的体积单元，它有着完整晶体的所有特性。图2.7展示了被称为体积立方体的一个晶胞8个原子位于立方体 8个角，中心也有一个原子，这种晶胞并不是独立的，在它的周围都分布着与其相似的晶胞，这样，角上的原子就会被相邻的8个晶胞所分享与其相似的是面心和密排六方体，常温下铁是棱边边境点际常数为0.24924的体心立方体结构，下面是一些金属和它们晶胞结构一些材料依据温度的不同存在不止一种形式，下面列出一些同素异形体，与合金相相比纯金属很少被用到，合金在组成上是复杂的金属固态，它们的形成是由两种或两种以上的元素的熔化液体凝固形成的。合金拥有一种组成物或这些组成物的性能，甚至拥有优胜于而且不同于这些组成物的性能合金使用不同的方法将不同的金属结合在一起，一个主要的组成就是固溶体，固溶体是由溶质溶于溶剂而形成的，和熟知的溶液相类似，获得固溶体
