3纯金属与合金的基本知识.docx
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3纯金属与合金的基本知识
《工程材料及机械制造基础》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程代码：
03210102
课程名称：
工程材料及机械制造基础
课程英文名称：
MaterialsforMachineEngineering&FundamentalofMechanicalManufacture
课程所属单位：
机械工程系工训中心教研室
课程面向专业：
机械类本科生（机械设计制造及自动化、包装工程和过程控制及装备专业）
课程类型：
必修课
先修课程：
机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计和金工实习等课程。
学分：
4
总学时：
64（其中理论学时：
56实验学时：
8）
二、课程性质与目的
1．课程性质
工程材料及机械制造基础是研究机器零件常用材料和加工方法，即从选择材料、制造毛坯、直到加工出零件的综合性课程。
它是高等学校机械类专业必修的技术基础课。
2．课程目的
学生在金工实习的基础上，通过本课程的学习，获得常用工程材料及零件加工工艺的知识，培养工艺分析的初步能力，并为学习其它有关课程及以后从事机械设计和加工制造工作奠定必要的基础。
3．课程任务
（1）掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法，具有选用工程材料的初步能力。
（2）掌握主要加工方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯、零件加工方法及工艺分析的初步能力。
（3）具有综合运用工艺知识、分析零件结构工艺性的初步能力。
（4）了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术及其发展趋势。
三、课程教学内容与要求
第一章材料的机械性能
1．教学内容与要求
通过本章的学习，了解工程材料的主要力学性能。
掌握材料的各种机械性能指标（强度、塑性、冲击韧性、硬度HB，HRC，HV、疲劳强度和断裂韧性）的物理意义和单位，了解材料的工艺性能和物理化学性能以及零件失效分析的一般方法。
1.1强度
1.2塑性
1.3硬度
1.4韧性
1.5疲劳强度
2．教学重难点：
金属材料的机械性能：
单向静拉伸图及屈服、颈缩现象；掌握强度（抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、疲劳强度）、塑性（延伸率、断面收缩率）、冲击韧性、硬度的符号及表示方法、单位、物理意义、工程技术意义。
第二章金属与合金的晶体结构
1．教学内容与要求
通过本章的学习，掌握有关晶体结构的基本概念（金属键、晶面、晶向、晶体、晶格、晶粒、单晶体）和三种常见的金属晶格以及合金相（固溶体、化合物及混合物）结构与性能。
晶体缺陷及其对性能的影响。
2.1金属的晶体结构
2.2实际金属的的晶体缺陷
2.3金属中的扩散
2．教学重难点：
（1）金属的晶体结构（晶体学基础）：
晶体结构的描述、晶胞的概念和三种典型金属晶胞（BCC、FCC、HCP）。
（2）合金的晶体结构（合金相结构）：
相和组织的概念、固溶体的概念、分类、特点；固溶强化；化合物、机械混合物等概念。
第三章金属和合金的结晶
1．教学内容与要求
了解纯金属和合金结晶过程，了解合金相与组织的概念，熟悉二元合金状态图和铁碳合金状态图及其应用。
3.1金属和合金的结晶的概念
3.2金属和合金的结晶的过程
3.3铁碳合金相图及平衡结晶过程
3.4铁碳合金相图的应用
2．教学重难点：
（1）纯金属的结晶与组织：
过冷度与冷却曲线；结晶过程；变质处理；过冷度对结晶过程的影响；晶粒度概念及细化晶粒的途径
（2）二元合金相图：
相图的建立方法；二元匀晶、共晶相图的概念、相图分析、相组成物、相相对量、杠杆原理，相图与机械性能的关系；相图与工艺性能的关系。
（3）Fe-Fe3C相图：
Fe的同素异构现象；Fe-Fe3C相图的组元；Fe-Fe3C相图中的基本相；Fe-Fe3C相图的重要点线。
（4）典型Fe－C合金的平衡结晶过程：
工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的平衡结晶过程。
第四章钢的热处理原理
1．教学内容与要求
通过本章的学习，熟悉钢在热处理过程中的组织转变及转变产物的形态和性能。
掌握退火、正火、淬火、回火及表面热处理的工艺特点和应用。
了解常见热处理缺陷、产生原因及预防措施。
4.1钢在加热时的转变
4.2钢在冷却时的转变
4.3钢的退火和火
4.3钢的退火和火
4.4钢的淬火
4.5钢的回火
4.6钢的淬透性
4.7钢的表面处理
2．教学重难点
（1）钢在加热过程中的组织转变：
钢的临界点；A化的转变温度；共析钢A化的过程；影响A化的因素；
（2）过冷A等温转变曲线（TTT图）；共析钢过冷A等温转变以及产物组织特征、性能特点；马氏体转变的实质和马氏体转变的特征；影响“C”曲线的因素；过冷A的连续冷却转变（CCT图）；“C”曲线的应用。
（3）钢的退火和正火：
完全退火、不完全退火（球化退火）、扩散退火（均匀化退火）、再结晶退火、去应力退火（低温退火）的温度、组织和目的；正火的温度、组织和目的；正火与完全退火的比较。
（4）钢的淬火和回火：
淬透性和淬硬性的概念影响淬透性的因素及淬透性的应用；回火的温度与组织、性能的关系；调质与正火的区别。
第五章金属的塑性变形与再结晶
1．教学内容与要求
熟悉金属塑性变形的实质及对金属组织和性能的影响。
5.1金属的塑性变形
5.2塑性变形对金属组织和性能的影响
5.3塑性变形对金属在加热时组织和性能的变化
5.4金属的热加工
5.5提高材料塑性变形抗力的方法
2．教学重难点
（1）冷塑性变形对金属组织、性能的影响：
纤维组织的概念；加工硬化的概念、实际意义；
（2）回复与再结晶：
回复、再结晶、晶粒长大的概念、结果；再结晶退火及再
结晶温度；冷、热加工的区别。
第六章碳素钢及合金钢
1．教学内容与要求
通过本章的学习，掌握碳素钢、合金钢和铸铁的种类、牌号、性能及应用。
6.1钢的分类
6.2碳素钢
6.3合金钢
6.4特殊性能钢
6.5铸钢
2．教学重难点：
（1）钢中主要元素；钢中杂质及热脆、冷脆、兰脆（氮的失效）、氢脆（白点）；金属元素在钢中的存在方式（扩大γ相区元素、扩大α相区元素、强碳化物形成元素）；金属元素对热处理的影响；金属元素对铁碳相图的影响；
（2）合金结构钢、合金工具钢：
低合金高强钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢、低合金刃具钢和高速钢的成分特点与合金化原则、性能特点、使用态组织、典型钢号及其应用、热处理特点。
（3）特殊性能钢：
金属腐蚀的方法（化学腐蚀、电化学腐蚀）；金属腐蚀破坏的方式；金属抗腐蚀的原理及合金化；不锈钢的分类和用途；耐热钢及合金简介。
第七章铸铁
1．教学内容与要求
通过本章的学习，了解铸铁的石墨化原理，石墨的形态，大小对铸铁性能的影响，铸铁的性能特点及应用范围以及各类铸铁的成份，组织和性能特点及牌号识别；了解铸铁的常用热处理的方法和目的。
7.1铸铁的石墨化
7.2灰口铸铁
7.3球墨铸铁
7.4可锻铸铁
7.5特殊性能铸铁
2．教学重难点：
（1）铁石墨相图及石墨化：
石墨化的过程；影响G化的因素；铸铁的组织与分类；铸铁的性能特点。
（2）常用铸铁材料：
灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的石墨形态、成分特点、典型牌号、热处理特点、性能特点、主要应用。
第八章有色金属及其合金
1．教学内容与要求
通过本章的学习，掌握有色金属的性能特点、牌号和强化方法，了解有色金属的加工工艺及应用范围。
8.1铝及铝合金
8.2铜及铜合金
8.3轴承合金
2．教学重难点：
（1）铝及铝合金：
铝合金的分类及牌号；铝合金的热处理强化；形变铝合金的应用；Al-Si铸造铝合金的变质处理及其应用。
（2）铜及铜合金：
黄铜（单相黄铜、双相黄铜）的特点及应用；青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜等）特点及应用；
第九章非金属材料
1．教学内容与要求
通过本章的学习，了解常用工程塑料的种类、结构特点、性能和应用。
了解橡胶、陶瓷、复合材料等的特点及应用。
9.1高分子材料基本性能及特点
9.2常用高分子材料
9.3陶瓷组织和结构
9.4常用陶瓷材料
9.5复合材料性能特点及应用
9.6常用复合材料
2．教学重难点：
（1）高分子材料的性能特点；高分子材料的老化；塑料的基本组成及分类；常用高分子材料简介。
（2）陶瓷材料的性能；常用陶瓷材料简介。
（3）复合材料的分类；复合材料的复合法则和复合原则；复合材料的性能特点；复合材料的主要应用简介。
第十章机械设计与选材
1．教学内容与要求
通过本章的学习，了解机械零件的主要失效形式。
熟悉选用工程材料的基本原则，根据零件的使用要求，材料工艺性及经济性，能合理地选用材料及相应的处理方法。
10.1零件失效与选材原则
10.2典型零件的选材与制造工序
2．教学重难点：
（1）失效的概念；机械零件的失效的主要方式和原因。
（2）选材使用性能原则（首要原则）；选材的工艺性能原则；金属材料的加工工艺路线；选材的经济性原则（根本原则）。
（3）典型零件的选材分析：
齿轮的选材分析；主轴类零件的选材分析。
第十一章 铸造
1．教学内容与要求
（1）.熟悉合金的铸造性能及其对铸件质量的影响。
（2）掌握砂型铸造和常用特种铸造方法的特点，对典型铸件具有较合理地选用铸造方法的能力。
（3）熟悉砂型铸造浇注位置、分型面及铸造工艺参数的选择，能绘制典型铸件的铸造工艺简图。
（4）了解铸铁的石墨化及其对铸件组织和性能的影响，了解常用铸造合金的获得方法及铸造特点。
（5）具有分析零件铸造结构工艺性的初步能力。
（6）了解铸造新工艺、新技术及其发展趋势。
11．1铸造工艺基础
11．2砂型铸造
11．3常用合金铸件的生产
11．4铸造结构设计
11．5特种铸造
2．教学重难点：
（1）液态合金充型的概念、充型能力对铸件质量的影响及影响充型能力的因素
（2）铸件的凝固方式及收缩的概念与影响收缩的主要因素；铸件缺陷的形成原因及其防止措施。
（3）砂型铸造造型方法，铸造工艺图的绘制
（4）铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构设计的要求。
第十二章 锻造
1．教学内容与要求
（1）熟悉金属塑性变形及对金属组织和性能的影响，金属的锻造性能及其影响因素。
（2）掌握自由锻和锤上模锻的特点及工艺过程，能绘制简单锻件图。
了解其它模锻方法的特点，对典型锻件具有较合理地选用锻造方法的能力。
（3）熟悉板料冲压的特点、工艺过程及应用。
（4）具有分析中小型零件锻造和冲压结构工艺性的初步能力。
（5）了解精密模锻、零件的轧制、挤压和精密冲压等加工方法的特点和应用。
（6）了解锻压新工艺、新技术及其发展趋势。
12．1金属的锻造性能。
12．2自由锻造
12．3模锻
12．4板料冲压
12．5其他锻压加工方法
2．教学重难点：
（1）自由锻件的结构工艺性。
（2）锤上模锻，胎模模锻其它设备上的模锻加工方法的特点和应用
（3）板料冲压件结构工艺性，冲模结构
第十三章 焊接
1．教学内容与要求
（1）熟悉焊接冶金过程和热过程及其对焊接接头组织、性能和焊件焊接应力、变形的影响，获得优质焊件的措施。
（2）掌握常用焊接方法的特点，具有较合理选用焊接方法及相关焊接材料的能力。
（3）了解金属的焊接性能，熟悉常用金属的焊接特点。
（4）熟悉常用焊接接头型式和坡口型式，确定焊缝布置的主要原则。
具有分析焊件结构工艺性的初步能力。
（5）了解焊接新工艺、新技术及其发展趋势。
13．1电弧焊
13．2其它焊接方法
13．3常用金属材料的焊接
13．4焊接结构工艺设计
2．教学重难点：
（1）焊接电弧、手工电弧焊的焊接过程、电弧焊的冶金特点
（2）电焊条选择原则、焊接组织性能的变化及对焊缝质量的影响；焊接应力与变形的产生原因及减少应力与变形的方法；
（3）埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、电阻焊、摩擦焊、等离子弧焊的焊接原理、特点及应用范围。
（4）金属材料的可焊性；碳钢、合金钢、铸铁、有色金属的焊接性能及防止焊接缺陷的方法。
（5）焊接工艺设计的内容、步骤。
第十四章 常用毛坯的制造与选择
1．教学内容与要求
熟悉各类毛坯的特点和选择毛坯的原则，具有选择毛坯材料和制造方法的能力。
14．1选择毛坯制造方法的原则
14．2典型机械零件毛坯制造方法
2．教学重难点：
毛坯制造方法的选择
第十五章切削加工
1．教学内容与要求
（1）了解切削加工的基本原理。
（2）了解常用刀具的结构特点，熟悉车刀的主要角度。
（3）掌握常用加工方法的工艺特点，通过对各种表面加工的分析，具有较合理地选用加工方法的能力。
（4）了解机械加工工艺过程的基本内容，了解制订加工工艺的原则和方法，具有制订典型零件加工工艺的初步能力。
（5）具有分析零件机械加工结构工艺性的初步能力。
15．1金属切削加工基本知识
15．2车床
15．3车刀
15．4车削、铣削、刨削和磨削
15．5.切削加工件结构工艺性。
2．教学重难点：
（1）车床的组成、运动、用途及传动系统。
通用车床的型号。
（2）常用车刀的组成和结构，车刀的主要角度及其作用。
（3）车削、铣削、刨削和磨削的加工方法特点及应用范围。
（4）切削加工件结构工艺性。
四、学时分配
学时分配表
序
号
教学内容（按章填写）
学时
课堂讲授
实验课
习题课
讨论课
其它
1
第一章材料的机械性能
2
1
2
第二章金属与合金的晶体结构
3
1
3
第三章金属和合金的结晶
5
2
4
第四章钢的热处理
4
2
5
第五章金属的塑性变形与再结晶
1
6
第六章碳素钢及合金钢
4
2
7
第七章铸铁
1
8
第八章有色金属及其合金
1
9
第九章非金属材料
3
10
第十章机械设计与选材
2
（1）
11
第十一章 铸造
8
12
第十二章 锻造
7
13
第十三章 焊接
7
2
14
第十四章 常用毛坯的制造与选择
2
（1）
15
第十五章切削加工
6
小计
56
8
（2）
比例
合计
56
五、教学环节与教学要求：
在教学过程中要充实与加强以下教学环节：
1．积极创造条件开设实验。
2．安排课堂讨论、作业练习或工艺设计等。
3．充分运用影视教学手段、教具模型和计算机辅助教学等。
六、课程考核办法：
1、作业/实验:
25％
2、课堂参与:
5％
3、考试:
笔试70％
七、教材与主要参考书：
1.陈仪先、王国顺《机械制造基础》中国水利水电出版社。
2005年
2.郑晓等.金属工艺学实习教材.北京航天航空出版社2005年
3.刘国勋章《金属学原理》，冶金工业出版社，1979年
4.SIDNEYH.AVNER.INTRODUCTIONTOPHYSICALMETALLURGY,SecondEdition,PrintedandboundbyKingsportPress,INC.
5.Karl-ErikThelning.Steelanditsheattreatment-2nded[M].London:
PrintedinGreatBritainbyMackaysofChathamLtd,1984
6..MerrillG.Floydetal.MATERIALSSCIENCEANDENGINEERING,PublishedbyJOHNWILEY&SONS,INC.1985.
7.余宗森田中卓《金属物理》，冶金工业出版社，1981年
8.张万昌，工程材料及机械制造基础（Ⅱ）
9.邓文英,金属工艺学（上下册）（第三版）
10.司乃均等，热加工工艺基础。
11．张力真等，金属工艺学实习教材（第二版）
八、说明
1．本课程与生产实际联系密切，对学生的实践基础要求较高，为了达到课程的教学基本要求，学习本课程之前必须先完成金工实习。
2．在教学基本要求中有关认知层次提法的说明：
了解：
指对知识有初步和一般的认识。
熟悉：
指对知识有较深入的认识，具有初步运用的能力。
掌握：
指对知识有具体和深入的认识，具有一定的分析和运用能力。
执笔人：
陈仪先
二○○五年三月
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