机械工程材料及成形基础.docx
《机械工程材料及成形基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料及成形基础.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
机械工程材料及成形基础
1
1
《机械工程基础（工程材料及成形）》教案
目录
目录..........................................................................................................1
课程的任务和学习方法.....................................................................................2
第1章金属材料的性能.................................................................................1
第2章金属与合金的晶体结构与结晶..........................................................3
第3章铁碳合金.............................................................................................6
第4章钢的热处理...........................................................................................8
第6章常用工程材料.....................................................................................12
第7章铸造成形.............................................................................................14
第8章锻压成形...........................................................................................16
第9章焊接与胶接成形...............................................................................19
第10章机械零件材料及毛坯的选择..........................................................23
习题答案..........................................................................................................26
2
课程的任务和学习方法
一、本课程的特点
1、本课程是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课。
2、本课程实践性很强，学生应积极认真地参加生产实习和实践，才能更有效地掌握
本门课程的知识，以便为后续专业课程的学习和今后生产实践打下较好的基础。
二、本课程的任务
1、了解常用工程材料的种类、性能及改性方法，初步掌握其应用范围和选择原则。
2、掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步
能力。
3、掌握各种主要加工方法的实质、工艺特点、基本原理和设备；了解零件的加工工
艺过程，能制定简单的制造工艺过程。
4、了解零件的结构工艺性。
三、本课程的学习方法
1、每章学习时，首先了解本章学习目标中的主要内容，以及重点、难点所在，而后
阅读教材中本章基本内容。
阅读时要注重对基本概念、基本理论的理解，同时要积极开
展理论与实践的结合。
2、每章阅读理解后，要结合复习思考题进行自检，看是否初步掌握基本内容，并要
及时完成习题作业，以求达到较牢固的掌握基本内容。
3、每章学完后，要闭书回忆，循序总结，自测自验。
根据记忆和熟练周期，阶段性
安排复习，恢复和唤起所学过的内容，以求达到深入、全面、牢固地掌握所学内容；并
联系实践训练，多干、多看、勤思考、多积累。
这样才能够良好地完成本课程的学习任
务。
1
第1章金属材料的性能
一、学习目标
1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。
2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。
二、基本内容
1、金属材料的性能
1）使用性能
包括：
力学性能、物理性能、化学性能。
2）工艺性能
包括：
铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
2、载荷的概念
1）静载荷：
大小不变或变动很慢的载荷。
2）冲击载荷：
突然增加或消失的载荷。
3）疲劳载荷：
周期性的动载荷。
3、金属材料的力学性能各项指标的概念符号及表示方法应用条件和范围
1）强度
概念：
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
符号表示：
屈服强度σs——材料产生屈服时的最小应力。
单位为Mpa。
抗拉强度σb——材料拉断前所承受的最大应力。
单位为Mpa。
应用条件和范围：
设计机械零件和选材的主要依据。
2）塑性
概念：
金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
符号表示：
断后伸长率δ——试样拉断后，标距长度的相对伸长率。
断面收缩率ψ——试样拉断后，试样截面积的相对收缩率。
应用条件和范围：
材料进行压力加工时选材的主要依据。
3）硬度
2
概念：
材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。
符号表示：
布氏硬度HB
洛氏硬度HR
应用条件和范围：
布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正
火和调质的钢材等材料。
HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬
度值小于650的材料。
洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。
HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合
金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。
4）冲击韧度
概念：
金属材料抵抗冲击载荷载荷作用而不破坏的能力。
符号表示：
冲击吸收功Ak。
冲击韧度ak。
应用条件和范围：
冲击韧度值一般只作为选材时的参考，不能作为计算依据。
材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量地时，主要取决于强度。
5）疲劳强度
概念：
金属材料在多次重复交变载荷作用下而不发生断裂的最大应力。
符号表示：
疲劳强度δ-1
应用条件和范围：
黑色金属循环周次10的7次方，有色金属和某些高强钢循环
周次10的8次方。
三、本章重点
金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
四、习题
一、填空题
1、金属的性能包括（）性能和（）性能。
2、材料的工艺性能包括（）、（）、（）、（）和（）。
3、填写下列力学性能指标的符号：
屈服点（）、洛氏硬度A标尺（）、抗拉强
度（）、断后伸长率（）。
二、判断题
1、塑性变形随载荷的去除而消失。
（）
2、当布氏硬度试验条件相同时，压痕直径愈小，金属的硬度愈低。
（）
3
三、选择题
1、做疲劳实验时，试样承受的载荷是（）
A静载荷B冲击载荷C循环载荷
2、金属的（）愈好，则其锻造性能愈好。
A强度B塑性C硬度
四、名词解释
强度硬度塑性冲击韧性疲劳强度
五、简答题
1、为什么疲劳断裂对机械零件危害最大？
如何提高零件的疲劳强度？
第2章金属与合金的晶体结构与结晶
一、学习目标
1、了解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。
2、掌握金属晶体的三种常见晶格类型：
面心立方、体心立方和密排六方晶格。
3、掌握实际金属点、线、面缺陷与金属力学性能的关系。
4、掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措
施。
5、掌握合金的基本概念，了解固溶体和金属间化合物的概念。
6、了解二元合金相图的建立，了解合金结晶的过程。
二、基本内容
1、金属的晶体结构的基本知识
1）晶格、晶胞的概念：
晶格一：
用来描述原子在晶体中排列形式的假想的空间格架。
晶胞：
晶格中能代表晶体结构特征的最小组成几何单元。
2）金属晶体结构常见的三种晶格类型：
体心立方晶格、面心立方晶格和密排六
方晶格。
3）金属的实际晶体结构：
实际金属的晶体结构是多晶体结构；实际金属的晶体
4
结构内部存在晶体缺陷。
晶体缺陷包括：
点缺陷、线缺陷、面缺陷。
点缺陷即空位、
间隙原子和置换原子；线缺陷即位错；面缺陷即晶界和亚晶界。
晶体缺陷会使金属
内部晶格发生晶格畸变，产生内应力；金属的性能发生变化，强度、硬度增加。
晶
体缺陷是强化金属的手段之一
2、金属的结晶：
1）纯金属的结晶过程。
结晶的概念：
凝固时原子在物质内部做有规则排列。
过冷度：
金属实际结晶温度低于理论结晶温度的差值。
结晶过程：
液态金属结晶是不断生成晶核和晶核不断长大，直至完全结晶成固
态的过程。
2）金属结晶后的晶粒大小。
晶粒大小对金属力学性能的影响：
细晶粒金属具有较高的强度和韧性。
细化晶粒的措施：
增大形核率，抑制长大速率。
常用方法有：
增加过冷度；变
质处理；振动等。
3、合金的晶体结构
1）合金的基本概念：
合金：
一种金属元素与其它金属元素和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法
结合成具有金属特性的物质。
组元：
组成合金的最基本的独立物质。
可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
相：
合金中具有同一聚集状态，同一种结构和性质的均匀组成部分。
组织：
用肉眼或借助显微镜观察到材料晶粒内部组成相的数量、形态、大小和
分布状态。
2）合金的组织：
固溶体：
合金由液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固
相。
占主要地位的元素叫溶剂，被溶解的元素叫溶质。
固溶体的晶格类型保持溶剂
的晶格类型。
由于溶质原子的融入，容剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加，导
致金属的强度、硬度提高，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。
金属间化合物：
合金组员间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相，它的
晶格类型和性能不同于任一组元。
金属间化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特
点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧
5
性有所降低。
机械混合物：
两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质。
通过调整固
溶体中容质含量和金属间化合物数量、大小、形态和分布状况，可以改变合金的力
学性能。
3）合金的结晶：
二元合金相图的建立：
相图是表示在极其缓慢冷却条件下合金系中各种合金状
态与温度、成分之间的关系的简明图解。
它是通过实验方法建立。
二元合金相图的分析：
相图横坐标表示二元合金成分分数，纵坐标表示温度；
特性点：
纯金属熔点；特性线：
液相线、固相线。
二元合金结晶过程：
液相线以上
温度，合金为液相——到达液相线，合金开始结晶——液相线、固相线之间，合金
液相、固相共存——到达固相线及一下，合金为固相。
三、本章重点
1、金属的晶体结构。
2、合金的晶体结构。
四、习题
一、填空题
1、晶体与非晶体的根本区别在于（）。
2、金属晶格常见的基本类型有（）、（）、（）三种。
3、实际金属的晶体缺陷有（）、（）、（）三种。
4、金属的晶粒愈细小，其强度（），塑性、韧性（）。
二、判断题
1、无论是纯金属，还是合金，其结晶过程都是恒温过程。
（）
2、金属结晶的过程是晶核形成和晶核长大的过程。
（）
3、一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合
成的物质叫合金。
（）
三、选择题
1、一般来说，细晶粒金属具有（）强度和韧性。
A较高的B较低的C中等的
2、实际金属的结晶温度一般都（__¨ˆ¨_°‹¨_）理论结晶温度。
A高于B低于C等于
6
四、名词解释
晶体晶体缺陷结晶合金固溶体金属间化合物
五、简答题
1、实际金属中存在的晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？
2、为什么希望得到细小晶粒组织？
如何细化晶粒？
第3章铁碳合金
一、学习目标
1、熟悉铁碳合金的基本组织的特点。
2、熟悉铁碳相图中的相、特性点和特性线。
3、熟悉典型铁碳合金结晶过程和组织转变。
4、掌握含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。
二、基本内容
1、铁碳合金基本组织
1）纯铁的同素异构转变：
δ-Fe：
1394oС以上固态铁，体心立方晶格。
γ-Fe：
1394oС—912oС固态铁，面心立方晶格，。
α-Fe：
912oС以下固态铁，体心立方晶格。
2）铁碳合金基本组织：
铁素体：
碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。
力学性能：
塑性、
韧性较好，强度、硬度低。
奥氏体：
碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。
力学性能：
有良
好塑性，强度、硬度较低。
渗碳体：
是铁和碳组成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用符号Fe3C表示。
力学性能：
塑性、韧性几乎为零，硬度很高。
珠光体：
是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。
力学性能：
介于铁
素体和渗碳体之间，即综合性能良好。
7
莱氏体：
1148oС—727oС时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；
727oС及以下时为珠光体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld’表示。
力学性能：
与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。
2、铁碳合金相图
1）相图分析：
铁碳合金相图中的相：
液相、δ铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体。
铁碳合金相图中的特性点：
C、E、P、S。
铁碳合金相图中的特性线：
ECF线、ES线、PSK线、GS线。
2）典型铁碳合金结晶过程和组织转变：
工业纯铁：
含碳量≤0.0218%，室温平衡组织F。
亚共析钢：
含碳量>0.0218%——<0.77%，室温平衡组织F+P。
共析钢：
含碳量0.77%，室温平衡组织P。
过共析钢：
含碳量>0.77%——<2.11%，室温平衡组织F+Fe3CⅡ。
亚共晶白口铸铁：
含碳量≥2.11%——<4.3%，室温平衡组织P+Fe3CⅡ+Ld’。
共晶白口铸铁：
含碳量4.3%，室温平衡组织Ld’。
过共晶白口铸铁：
含碳量≥4.3%——<6.69%，室温平衡组织Fe3CⅠ+Ld’。
3）含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响：
对平衡组织的影响：
随着含碳量的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加，
渗碳体的形态和分布有所变化。
对钢力学性能的影响：
：
随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度增加，而塑性、
韧性下降，但当含碳量超过0.9%时，强度明显下降。
三、本章重点
含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。
四、习题
一、填空题
1、写出铁碳合金组织的符号：
铁素体（）、奥氏体（）、渗碳体（）、珠光体
（）。
2、铁碳合金可以分为（）、（）、（）三种。
3、写出三种钢的含碳量：
亚共析钢（）、共析钢（）、过共析钢（）。
二、判断题
8
1、碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。
（）
2、渗碳体的含碳量是6.69%。
（）
3、碳在γ-Fe中的最大溶解度为2.11%。
（）
三、选择题
1、铁素体为（）晶格。
A体心立方B面心立方C密排六方
2、奥氏体为（）晶格。
A体心立方B面心立方C密排六方
3、渗碳体为（）晶格。
A复杂B面心立方C密排六方
四、名词解释
同素异构转变铁素体奥氏体渗碳体
五、简答题
1、简述含碳量对钢的组织和力学性能影响。
第4章钢的热处理
学习目标
1、了解钢在加热和冷却时的组织转变；
2、掌握钢的退火、正火、淬火、回火的工艺特点、主要目的和用途；
3、了解钢的表面热处理。
二、基本内容
1、钢在加热和冷却时的组织转变
1）钢在加热时的组织转变：
钢的奥氏体化：
把钢加热到临界温度以上，由室温下组织转变为奥氏体。
其过
程是：
奥氏体晶核生成、晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。
奥氏体晶粒的长大及其控制：
加热温度愈高和保温度时间愈长，奥氏体晶粒长
9
的愈粗大，冷却后钢的性能愈差，所以要控制奥氏体晶粒的大小。
在加热温度相同
时，加热速度愈快，保温时间愈短，奥氏体晶粒愈小。
2）钢在冷却时的组织转变：
等温冷却转变：
将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的给定温度等温保持，
使过冷奥氏体发生组织转变，待转变完成后再冷却到室温。
共析钢的等温冷却转变产物：
在A1——550oС之间温度等温冷却，转变产物为
珠光体组织，内部铁素体和渗碳体呈片状，间距愈小，性能愈好；在550oС——Ms
之间温度等温冷却，转变产物为贝氏体组织，下贝氏体组织具有较高的强度和硬度、
塑性和韧性；在Ms以下温度等温冷却，转变产物为马氏体组织，低碳板条状马氏体
具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性，高碳针片状马氏体具有很高的硬度、
但塑性和韧性很差，脆性大。
连续冷却转变：
将奥氏体化的钢在温度连续下降过程中使过冷奥氏体发生组织
转变，冷却速度不同，转变产物也不同。
2、钢的退火和正火:
1）钢的退火：
将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却获得接近平
衡组状态组织。
退火目的：
消除偏析、细化组织、降低硬度、提高塑性、消除残余应力。
应用：
完全退火用于铸、锻、焊、轧件及中碳钢和中碳合金钢；球化退火用于
高碳钢锻轧件；去应力退火用于铸、锻、焊、轧件。
2）钢的正火：
将钢加热到Ac3或Acm以上30—50oС温度，保温一定时间，随
后在静止的空气中冷却的热处理工艺。
正火目的：
消除网状渗碳体、细化组织、改善切削加工性能、降低应力。
应用：
用于中、低碳钢提高硬度，改善切削加工性能；用于高碳钢消除网状渗
碳体、为球化退火做准备。
3、钢的淬火和回火
1）钢的淬火：
将钢加热到Ac3或Ac1以上30—50oС温度，保温一定时间，随
后以大于临界冷却速度进行冷却的热处理工艺。
淬火目的：
获得马氏体或贝氏体组织，以提高钢的硬度和耐磨性。
应用：
用于中、高碳钢及中、高碳合金钢提高硬度和耐磨性。
2）淬火钢的回火：
将钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温
10
的热处理工艺。
回火种类和应用：
（1）低温回火（150—250oС）目的是消除淬火应力，保持硬
度和耐磨性，常用于刃、量、冷模具，轴承、表面淬火件。
（2）中温回火（350—500
oС）目的是提高韧性和弹性，保持一定硬度，常用于弹簧、热模具等件。
（1）高温
回火（500—650oС）目的是获得良好综合力学性能，常用于重要构件，如传动轴、
齿轮、曲轴、连杆等件。
淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。
4、钢的表面热处理
1）钢的表面淬火：
仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。
它是利用快速加热使钢件表层
迅速达到淬火温度，不等热量传到心部就立即淬火冷却，从而使表层获得马氏体组
织，心部仍为原始组织。
常用的有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。
感应加热表面淬火一般用于中碳钢或中碳合金钢。
火焰加热表面淬火是用于单件
或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具和零件。
2）钢的化学热处理：
钢的表面热处理是将工件至于一定温度的活性介质中保温，是一种或几种元素
渗入它的表__________层，以海边其化学成分，组织和性能的工艺。
常用的有渗碳、渗氮和碳
氮共渗。
钢的渗碳：
目的是提高表层碳的含量，经过淬火和低温回火，提高工件表面的
硬度、耐磨性和疲劳强度。
常用材料为低碳钢或低碳合金钢。
钢的渗氮：
目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度、耐蚀性及热硬性。
常用材料为含有Al、Cr、Mo的合金钢。
三、本章重点
钢的退火、正火、淬火、回火的工艺特点和应用。
四、习题
一、填空题
1、钢的整体热处理分为（）、（）、（）、（）。
2、热处理工艺过程由（）、（）、（）三个阶段组成。
3、常用的冷却淬火方法有（）淬火、（）淬火、（）淬火、（）淬火。
4、按回火温度不同可将回火分为（）回火、（）回火、（）回火。
5、表面淬火的方法有（）表面淬火、（）表面淬火。
11
二、判断题
1、淬火后的钢，随着回火温度的增高，其强度和硬度也增高。
（）
2、钢中碳的质量分数越高，其淬火加热温度越高。
（）
3、钢的晶粒因过热而粗化时，就有变脆的倾向。
（）
4、低碳钢可用正火代替淬火，以改善其切削加工性能。
（）
5、钢的化学热处理种类很多，通常以渗入元素来命名。
（）
三、选择题
1、调制处理就是（）的热处理。
A淬火+高温回火B淬火+中温回火C淬火+低温回火
2、球化退火用于（）锻轧件。
A亚共析钢B过共析钢C合金钢
3、低温回火的目的是（），中温回火的目的是（），高温回火的目的是（）。
A保持淬火钢高硬度和耐磨性B提高钢的弹性和韧性C是钢具有良好
综合力学性能
4、零件渗碳后，一般需经（）处理，才能达到表面高硬度计耐磨性的目的。
A淬火+低温回火B正火C调质
5、低温回火常用于（），中温回火常用于（），高温回火常用于（）的热处
理。
A刃、量、模具等B弹簧等C重要传动件等
6、化学热处理与其他热处理方法的根本区别是（）。
A加热温度B组织变化C改变表面化学成分
四、名词解释
热处理淬硬性淬透性化学热处理
五、简答题
1、退火的目的是什么？
2、工件淬火后为什么要及时回火？
3、什么是表面淬火？
其目的是什么？
4、渗碳的目的是什么？
为什么渗碳后一定要淬火和低温回火？
12
第6章常用工程材料
学习目标
1、了解钢的分类、牌号和用途。
2、了解铸铁的分类、牌号和用途。
3、了解铜及铜合金、铝及铝合金的分类、牌号和用途。
基本内容
1、工业用钢
1）常存元素对钢性能的影响：
锰和硅存在钢中，大部分溶于铁素体中，能提高钢的强度和硬度，是有益元素。
硫和磷是有害杂质，硫会导致钢在热加工时开裂，磷会引起冷脆。
2）钢的分类、牌号和用途：
钢的分类：
按成分、用途、质量分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、
合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
钢的编号：
（国标规定，书中作了介绍，此处不多作赘述。
）
钢的用途：
（参看教材，要求基本做到从钢的编号可以判断出钢的类别、大致成
分和主要用途。
）
2、铸铁
铸铁的分类、牌号和用途：
铸铁的分类：
根据碳在铸铁中存在的形式和石墨的形态，可将铸铁分为灰铸铁、
球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等。
铸铁的编号：
（国标规定，书中作了介绍，此处不多作赘述。
）
铸铁的用途：
（参看教材，要求基本做到从铸铁的编号可以判断出铸铁的类别、
大致成分和主要用途。
）
2、非铁合金
1）铝合金的分类、牌号和用途：
铝合金的分类：
按成分和工艺特点分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金
有防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝合金；铸造铝合金有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝
13
锌系。
铝合金的牌号：
（国标规定，书中作了介绍，此处不多作赘述。
）
铝合金的用途：
（参看教材，要求基本做到从铝合金的编号可以判断出铝合金的
类别、大致成分和主要用途。
）
2）铜合金的分类、牌号和用途：
铜合金的分类：
按加入合金元素分为黄铜、白铜、青铜。
铜合金的牌号：
（国标规定，书中作了介绍，此处不多作赘述。
）
铝合金的
升级会员 