《金属工艺学》学习包

1、金属工艺学学习包目录课程的任务和学习方法 2第一章金属材料的性能 1习题 2第二章金属与合金的晶体结构与结晶 3习题 5第三章铁碳合金 6习题 7第四章钢的热处理 8习题 10第五章钢铁材料的表面热处理习题 第六章常用工程材料 11习题 13第七章铸造成形 14习题 15第八章锻压成形 16习题 17第九章焊接与胶结成形 18习题 21第十章机械零件材料及毛坯的选择与质量检验 22习题 24第十一章金属切削加工的基础知识 25习题 28第十二章切削加工方法 29习题 31第十三章机械加工工艺过程的基础知识 32习题 34第十四章零件的结构工艺性 35习题 35第十五章先进制造技术习题 习题答案

2、 36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

3、， 首先阅读自学指导书， 了解本章学习目标中的主要内容， 以及重点、 难点所在，而后阅读教材和自学指导书中本章基本内容的阅读指导。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 加强实践训练，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。四、阅读教材选用和删减内容1、本课程

4、采用中国机械工业教育协会组编，刘会霞主编的金属工艺学教材。2、教材中带的第五章钢铁材料的表面热处理、第十五章先进制造技术为加宽内容， 为非必读内容，读者可根据需要学习，但不计入规定学时内和考试范围。第 1 章 金属材料的性能、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

5、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C s材料产生屈服时的最小应力。单位为 Mpa。 抗拉强度cb 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 S 试样拉断后，标距长度的相对伸长率。断面收缩率书一一试样拉断后，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 概念：

6、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

7、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S -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

8、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。（ ）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

9、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 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

10、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：

11、 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

12、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 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

13、； 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

14、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（）理论结晶温度。A 高于 B低于C等于四、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

15、、铁碳合金基本组织1）纯铁的同素异构转变：汗e : 1394o C以上固态铁，体心立方晶格。Fe : 1394o C为12o C固态铁，面心立方晶格，。aFe : 912 o C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a-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：碳溶于丫-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

16、能：介于铁 素体和渗碳体之间，即综合性能良好。莱氏体:1148o CT27o C时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；727 o C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、S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w 0.0218%，室温平衡组织F。亚共析钢：含碳量 0.0218%0.77%2.11%,室温平衡组织F+F&C

17、u。亚共晶白口铸铁：含碳量2.11%4.3%,室温平衡组织P+ FesCn + 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% 0.6%时， 焊接性差。2）碳素结构钢、低合金高强度结构钢的焊接：低碳钢的焊接 : 没有淬硬倾向，冷裂倾向小， ，焊接性良好，焊前不需要预热。手工电弧焊一般选用E4303（结422）和E4315（结427）焊条。中碳钢的焊接 : 淬硬倾向和冷裂倾向较大， 焊前必需预热。 手工电弧焊一般选用E5015 （ 结 507） 焊条低合金高强度结构钢的焊接：淬硬倾向和冷裂倾向较小，焊接性较好，强度级 别低的焊前不需要预热，强度级别高的焊

18、前需要预热。手工电弧焊一般按同强度级 别选用焊条。5、焊接结构工艺性1）焊接接头设计：接头形式有对接、搭接、角接、 T 形接四种。薄板焊接有各种卷边接头形式。2）焊缝布置： 焊缝布置尽可能分散、应避开应力集中部位、布置应尽可能对称、应便于操作、 应尽量减少焊缝长度和数量、应尽量避开机械加工表面。3）坡口形式设计：电弧焊常用的基本坡口形式有 I 形坡口、 V 形坡口、 X 形坡 口、U形坡口等四种。三、本章重点1、常用焊接方法的过程、特点和应用。2、结构钢焊条的选用。四、习题一、填空题1、焊接的实质是被连接的焊件形成（ ）间的结合。2、按焊接过程特点，可将焊接分为（ ）、（ ）、（ ）三种焊接方

19、法。3、焊接接头中性能最差的部位是（ ）区和（ ）区。4、酸性焊条常应用于（ ）焊接结构；碱性焊条常应用于（ ）焊接结构。二、判断题1、钢中的碳和合金元素对钢的焊接性的影响是不同的，合金元素的影响最大。 （）2、焊接热裂纹的产生主要跟硫、磷等杂质太多有关。 （ ）3、焊接冷裂纹的产生主要跟含氢量的多少有关。 （ ）三、选择题1、下列材料中，（ ）的焊接性能最好，（ ）的焊接性能最差。 。A 20 B T10A C 452、在手工电弧焊中，低碳钢的焊接一般选用（）焊条，中碳钢的焊接一般选A H08ABE4315(结 427)C E5015(结 507)3、低碳钢焊前般（,）预热,低温焊厚板时（）

20、预热；中碳钢焊前（热。A曲需要B不需要C必须用（）焊条四、名词解释）预五、简答题1、焊芯的作用是什么？其化学成分有何特点？2、焊条药皮有哪些作用？3、下图中手工电弧焊焊件结构工艺性不好，说明原因，画出正确图形第10章机械零件材料及毛坯的选择一、学习目标1、了解机械零件失效的主要形式和原因。2、了解机械零件材料选择的一般原则。3、掌握典型零件选材及工艺路线。4、掌握常用毛坯加工方法的特点及应用。5、掌握典型零件毛坯的选择。二、基本内容1、机械零件的失效1）：零件失效的主要形式：过量变形失效、断裂失效、表面损伤失效、裂纹失效 2）零件失效的原因： 结构设计不合理、材料选取不当、加工工艺问题、适用维

21、护不当。 2、机械零件材料选择的一般原则 在满足使用性能要求的前提下，尽量选用工艺性能和经济性良好的材料。3、典型零件选材及工艺路线1）齿轮类零件选材及工艺路线： 常用齿轮材料：重要用途中载齿轮用中碳钢或中碳合金钢锻制；高速耐冲击重 载齿轮用低碳钢或低碳合金钢锻制；低速无冲击轻载精度底齿轮用铸铁制造；直径 大形状复杂齿轮用铸钢制造。汽车、拖拉机齿轮选材及工艺路线：材料 20CrMnT；工艺路线为：下料一锻造 一正火一切削加工一渗碳（孔防渗）淬火、低温回火一喷丸一校正花键孔一精磨齿 机床齿轮选材及工艺路线：材料 40Cr或45;工艺路线为：下料一锻造一正火 -粗切削加工一调质一半精加工一高频淬火

22、、低温回火一磨削2）轴类零件选材及工艺路线： 常用材料：重要用途轴一般用中碳钢或中碳合金钢锻制；高速大功率内燃机曲轴用合金调质钢锻制；中、小型内燃机曲轴用球墨铸铁或45刚。机床主轴选材及工艺路线：材料 40Cr 或 45；工艺路线为：下料-锻造-正火 -粗切削加工-调质-半精加工（花键除外）-局部淬火、回火（锥孔及外锥体） -粗磨（外圆、外锥体、锥空）-铣花键-花键高频淬火、回火-精磨削 球墨铸铁曲轴工艺路线：铸造-高温正火-高温回火-机械加工-轴颈表面淬 火、自热回火-磨削4、常用毛坯加工方法的特点及应用1）毛坯的种类： 机械零件常用毛坯种类有铸件、锻件、焊接件、冲压件和型材等。2）常用毛坯

23、加工方法的特点及应用：常用毛坯加工方法有铸造、锻压、冲压、 焊接、型材等。其特点及应用见表 10-1 。3）毛坯选择的原则： 在满足使用性能要求的前提下，尽量降低生产成本和提高生产效率。4）典型机械零件毛坯的选择： 轴杆类零件：承受弯矩、传递扭矩、要求具有高的力学性能的轴杆类零件，多 采用锻件；结构复杂、受力不大的凸轮轴、曲轴等，可采用球墨铸铁铸造；承受弯 矩和传递扭矩很小、力学性能要求不高的轴杆类零件，多采用型材；某些情况可采 用铸- 焊、锻- 焊结合方式制造。盘套类零件：重要用途的齿轮，选用锻件；直径较大、形状复杂的齿轮，可用 碳钢或球墨铸铁铸造；低速轻载、不受冲击的齿轮，可用灰铸铁铸造。

24、机架、箱体类零件：箱体类零件大多选用铸铁铸造；承载较大的箱体可用铸钢； 要求重量轻、散热好的箱体，可采用铝合金铸造；单件小批生产时，可采用钢材焊 接而成。三、本章重点1、典型零件选材。2、常用毛坯加工方法的特点及应用。3、典型零件毛坯的选择。四、习题一、填空题1、零件失效的主要形式有（ ）失效，（ ）失效，（ ）失效，（ ）失效四种类 型。2、机械零件常用毛坯种类有（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）。二、判断题1、齿轮类零件、轴类零件最好用锻钢制作。 （ ）2、箱体类零件单件小批生产时，可采用钢材焊接而成。 （ ）三、选择题1、选择下列零件材料：箱盖（ ），齿轮轴（ ），螺栓（ ）。A 4

25、5 B Q235 C HT2002、选择下列零件毛坯类型：箱体（ ），受冲击齿轮（ ），垫圈（ ）。A 铸件 B 锻件 C 冲压件四、简答题1、简述汽车齿轮的选材与工艺路线。2、简述C616机床主轴的选材与工艺路线。第 11 章 金属切削加工的基础知识一、学习目标1、掌握切削运动和切削要素。2、掌握金属切削刀具材料。3、熟悉车刀切削部分的几何参数。4、熟悉金属切削过程中的物理现象。5、了解工件的切削加工性，了解影响已加工表面质量的因素。6、掌握切削液、刀具几何角度及切削用量的合理选择。二、基本内容1、切削运动和切削要素1）切削运动：切削运动：为了切除工件上多余的金属，刀具与工件之间所作的相对运

26、动。按 切削运动在切削过程中起的作用不同，可分为主运动和进给运动。主运动：切下切屑所必需的最基本的运动，也是切削加工中速度最高、消耗功 率最多的运动。切削加工中只有一个主运动。进给运动：是使工件切削层不断投入切削而加工出完整表面的运动。切削加工 中可以有一个主运动，也可以有几个主运动。2）切削要素：切削用量要素：切削速度、进给量、背吃刀量。 切削层平面尺寸要素：切削层厚度、切削层宽度、切削层截面面积。2、金属切削刀具：1）刀具常用材料： 碳素工具钢：用于制造简单手工刀具。常用钢牌号有 T10A、 T12A。 量具刃具钢：用于制造形状复杂手工刀具。常用钢牌号有 CrWMn、 9SiCr。 高速钢

27、：用于制造形状复杂机动刀具。常用钢牌号有 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。硬质合金： 多制成各种形状刀片， 机动加工各种金属材料。 常用钢牌号有 YG3、YG5、YG8、YT5、YT15、YT30。2）车刀切削部分的几何参数： 外圆车刀切削部分的组成：前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖。3）车刀标注角度参考系：基面Pr：过切削刃上任一点的水平面。切削平面Ps：通过切削刃上任一点与切削刃相切，垂直于基面的平面。正交平面Po：通过切削刃上任一点，并同时与垂直于基面和切削平面的平面。3）车刀正交平面参考系内的标注角度：主偏角莎：基面内主切削刃与进给方向的夹角。其主要作用是影响

28、背向力的大 小和刀具寿命。副偏角K：基平面内副切削刃与进给反方向的夹角。其主要作用是影响工件以 加工表面粗糙度。前角Y。：正交平面内前刀面与基面之间的夹角。其主要作用是使刃口锋利。后角a。：正交平面内后刀面与切削平面之间的夹角。其主要作用是减少主后刀 面与工件过渡表面之间的摩擦。刃倾角As：切削平面内主切削刃与基面间的夹角。其主要作用是控制切屑流向4、金属切削过程中的物理现象1）金属切削过程的实质： 就是通过刀具把金属层变为切屑的过程，其实质是一个挤压变形的过程，塑性金属在切削过程中一般要经历弹性变形、塑性变形、挤裂破坏和切离四个阶段。2）切削变形区：第I变形区：又称基本变形区。切削力、切削热

29、主要来自这个区域。第U变形区：是切屑于前刀面间的摩擦变形区。该区域对积屑瘤的形成和前刀 面磨损有直接影响。第川变形区：是工件已加工表面与刀具后刀面的摩擦区。该区域对工件已加工 表面的变形强化和残余应力及后刀面的磨损有很大影响。3）积屑瘤：产生条件：切削塑性金属；切削速度在 560m/min 。对切削加工的影响：粗加工时有好处，保护刀刃，增大前角。精加工时不利， 影响表面质量和尺寸精度， 因此精加工时避免产生积屑瘤， 故常采用高速 （ v100m/min ）或低速（ v5m/min ）精加工。4）切削力：总切削力F:三个变形区的变形抗力和切屑、工件与刀具间的摩擦力的合力。 通常将总切削力分解成三个相互垂直的奋力：主切削力Fc、进给力Ff （轴向力）、背向力Fp （径向力）。影响因素：有工件材料、刀具角度和切削用量。增大刀具前角，减小切削深度， 施加切削液，均可使切削力减小。增大主偏角，可明显减小背向力，减小工件弯曲 变形和振动。5）切削热：切削热的产生：有切削变形功和摩擦功形成。 切削热的传出：在切削过程中有切屑、工件和周围介质传出。减少切削热不利 影响的措施主要有：合理选择切削用量和刀具角度，合理施加切削液。5、切削加工质量与切削效率1