制造工程工艺基础一篇

1、第一篇 工程材料1 金属材料2 非金属材料和复合材料3 功能材料 金属材料的分为：黑色金属材料、有色金属材料及粉末冶金材料等。 金属是一种具有光泽（也就是对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。1 金属材料1.2 金属热处理方法1.3 钢铁材料1.4 有色金属材料与粉末合金1.1 金属材料的性能返回目录金属材料性能（properties of metal materials）包括：物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能。1.1 金属材料的性能1.1.1 金属材料的力学性能 金属的力学性能（mechanical property）：是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性，性

2、能指标：强度、塑形、硬度、韧性等。 强度（strength）：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。1. 拉伸试样（GB6397-86）强 度2. 力伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段播放暂停3 概念1）弹性极限（elastic limit） 在拉伸试验过程中，金属材料在外力作用下开始产生塑性变形时的应力，用符号e表示。2）屈服点（yield point） 在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号s表示。FeA0e=FsA0s=3 概念3）抗拉强度（tensile strength）材料在断裂前所能承受的最大应

3、力，用符号b表示。b=FbA0 金属材料强度在机械设计中的意义。 塑性（plasticity）：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。塑 性l1-l0l0100%=S0-S1S0=100%1）伸长率（ ）2）断面收缩率（ ）断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。l1试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距,mm。S0试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积,mm2 。硬 度 硬度（hardness）：金属材料抵抗集中载荷作用的能力。1）布氏硬度布氏硬度= F A凹=0.1022FDD-（D-d

4、 ）2）洛氏硬度20671500N120金刚石圆锥体HRC251001000N1.588mm钢球HRB7085600N120金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围冲击韧度 冲击韧度（impact toughness）：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。1.1.2 金属材料的其它性能 1）金属材料物理性能（physical property）包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 2）金属材料的化学性能（chemical property）：是指金属 在化学作用下所表现的性能。 3）金属材料工艺性能（technological property）：指材料承受各种加工、处理

5、的能力的那些性能。返 回热处理（heat treatment）：是将金属在固态下通过加热、保温和冷却，改变金属的组织，从而改变金属性能的一种工艺方法。1.2 金属热处理方法零件预备热处理最终热处理去应力处理退 火 概念：将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火（annealing）。 目的： 是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力； 同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。概念：正火（normalizing）是将工件加热到临界温度以上，保温之后从炉中取出，然后在空气中自然冷却的热处理方法。目的：正火目的与退火相似，是为

6、了提高零件的综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的，可以作为最终热处理工艺。概念：淬火（quech hardening）是将工件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后快速冷却下来的一种热处理方法。淬火处理之后，再进行回火处理。目的：是改善零件的使用性能和延长使用寿命。 正 火淬 火注意：工件淬火之后应该立即进行回火处理才能使用。 概念：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火（termpring）。目的：是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。分类： 低温回火：150 C 250 C 中温回火：350 C 500 C 高温回火：50

7、0 C 650 C 回火多与淬火、正火配合使用。回 火 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理。 1.表面淬火（surface hardening）：指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺，而零件心部组织和性能并不发生变化。 种类： 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火表面热处理感应加热表面淬火 2.化学热处理(thermo-chemical treatment):将钢置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 分类： （1）渗碳(carburizing):将钢放入渗碳的介质中加热并保

8、温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 （2）渗氮(nitriding)：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。 化学热处理 返 回 习惯上把碳含量2.11%的归类于铁，碳含量2.11%的归类于钢。 1.3 钢铁材料 钢是用生铁（炼钢生铁）或生铁加一部分废钢炼成的钢中含碳量低于2.11%，并使其杂质（主要指S、P）含量降低到规定标准。1.3.1 钢1、钢的分类按化学成份分类一、碳素钢（carbon steel） 指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金。 二、合金钢 （alloy steel） 为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一

9、些合金元素而炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按冶炼质量分类一、根据钢在冶炼过程中，硫、磷的去除程度，可以分为： a.普通钢 b.优质钢 c.高级优质钢 二、根据钢在冶炼过程中脱氧方法的使用，可以分为： a.沸腾钢 b.镇静钢 c.半镇静钢 按钢的用途分类 根据钢的用途可以分为： a.结构钢 b.工具钢 c.特殊性能钢2、钢的编号与用途一、碳素结构钢 由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。 它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是Mpa。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F 表示沸腾钢；b 表示半镇静钢：Z 表示镇静钢。 例如：Q235

10、-AF，表示屈服点s为235MPa的A级碳素结构钢，且为沸腾钢。 二、优质碳素结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示。 例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45 号钢；锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。三、合金结构钢 钢号由开头的两位数字表示钢的含碳量，以平均碳含量的万分之几表示，随后的元素符号表示钢中的合金元素，以百分之即表示。 当平均合金含量1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，当合金元素平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4 等。例如

11、18Cr2Ni4WA。 四、工具钢钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。 碳素工具钢，例如“T8”表示平均碳含量为0.8% 合金工具钢，当平均碳含量1.0%时，不标出碳含量；当平均碳含量1.0%时，以千分之几表示，合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。 例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。 五、特殊性能钢 具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。 例如， 能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢常用的有“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%； 耐热钢在高温下不易氧化并有较好的高温强度，常用的有高温抗氧化钢1Cr13Si

12、3，高温热强钢15CrMo等； 耐磨钢在强烈摩擦条件下抗磨损能力强。常用的耐磨钢有ZGMn13、 ZG30Mn2Si等。 1.3.2 铸 铁 铸铁是碳质量分数2.11 % W c 6.69% 、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁的性能： 强度、塑性、韧性较低，不能进行锻造。但铸造性能好；切削加工性良好；减摩性好；减震性好；低的缺口敏感性。 根据碳在铸铁中存在形式不同，可分四大类：白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁一、白口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。 性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。 C的存在形式：石墨，断口为灰

13、黑色。 灰铸铁抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。灰口铸铁的牌号，HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。如，HT200表示b200N/mm2的灰口铸铁。二、灰口铸铁三、可锻铸铁先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行高温石墨化退火,使渗碳体分解得到团絮状石墨。可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁不可锻。 可锻铸铁以“KT”表示，黑心可锻铸铁用“KTH”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。 如：KTH350-10、KTZ600-3可锻铸铁的牌号和机械性能 四、球墨铸铁在浇注前向铁水中加入一定量的球化

14、剂而直接获得球状石墨,得到球墨铸铁。球墨铸铁具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢使用。用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。如:QT420-10、QT600-2、QT800-2球墨可锻铸铁的牌号和机械性能 机械性能牌号基体bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB应 用 举 例QT400-17铁素体40025017600179 汽车、拖拉机床底盘零件；16-64大气压阀门的阀体、阀盖QT420-10铁素体42027010300207QT500-5铁素体+球光体5003505147241 机油泵齿轮QT600-2球光体60042022297302 柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣

15、床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套QT700-2球光体70049022297302QT800-2球光体80056022417321返 回 1.4 有色金属材料与粉末合金有色金属材料(non-ferrous metal materials)：除黑色金属 ( 钢、铁 ) 以外的所有金属。性能特点:具有独特的物理、化学性能。 1.4.1 有色金属材料1、铝及其合金 铝及其合金是航空工业中的主要结构材料，是有色金属中应用最广泛的结构材料。 纯铝呈银白色，具有优良的加工工艺性能、电导性、热导性和耐大气腐蚀能力。 铝通过添加硅、铜、镁等合金元素制成铝合金，使得力学性能得到提高。 分为形变铝合金和铸造

16、铝合金两大类。 (1)形变铝合金牌号。采用四位字符牌号，第一位数字表示铝合金的组别； 第二位字母：原始合金的改型情况，最后两位数字：表示铝合金的强度值。例：LY12。形变铝合金 防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 铸造铝合金Al-Si系铸造铝合金(硅铝明) Al-Cu系铸造铝合金 Al-Mg系铸造铝合金 Al-Zn系铸造铝合金 (2)铸造铝合金牌号。用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是主加合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。2、铜及其合金 纯铜呈紫红色，具有良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。 纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。 铜中添加其他合金

17、元素称为铜合金，可以分为黄铜、青铜和白铜。 （1）白铜是铜镍合金，主要用来制作精密机械和仪表中的耐蚀零件、热电偶等，价格高。（2）黄铜是铜锌合金，以改善切削加工性、提高耐蚀性、铸造性能和力学性能等。（3）青铜是以锡为主要添加元素的铜基合金，锡青铜的耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹簧等弹性元件。粉未合金（powder metal）:是将金属粉未(或掺入部分非金属粉未)经过成形和烧结，制成金属材料或机械零件的一种加工工艺方法。1 粉末合金结构材料一般采用铁基粉末制备机械零件。优点：尺寸准确，无需切削加工；缺点：塑性、韧性相对较差。 只适宜加工形状简单的小尺寸零件。1.

18、4.2 粉末合金硬质合金（hard metal）:将一些难熔金属化合物粉未和粘结剂混合，加压成形，再经烧结而成的一种粉未冶金材料。优点：硬度高、耐磨性好、热硬性好，抗压强度和弹性模量高；缺点：脆性大，强度不高。应用较多的为碳化钨合金、碳化钛硬质合金和钢结硬质合金。2 硬质合金返回主页 除了金属材料以外，工业制造还广泛采用非金属材料和复合材料。2 非金属材料与复合材料 2.1 非金属材料 高分子材料和陶瓷材料是常用的非金属材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。机械工程中用的高分子材料主要是各种人工合成有机高分子化合物。2.1

19、.1 高分子材料（1）塑料的分类 按树脂在加热和冷却时所表现的性能分热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围分通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。 一、工程塑料 塑料是以树脂为主要组分，加入一些能改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的一种高分子材料。（2）塑料的性能特点 优点：质轻、比强度高；化学稳定性好；良好的电绝缘性能；优良的减摩性、耐磨性和自润滑性；消声、减振性好；成形加工性好、方法简单、成本低、生产率高。缺点：塑料的强度、硬度不及金属材料高，耐热性和热导性差、膨胀变形大、蠕变大、易老化等。（3）常用塑料聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、ABS等。（1）橡胶的分类 按生胶来源分为天然橡胶和合成橡胶。按应

20、用范围分为通用橡胶和特种橡胶。二、橡胶 橡胶是一种高弹性的高分子化合物（分子量一般在10万以上）,因而具有其它材料所没有的高弹性.因而也称为弹性体。（2）橡胶的性能特点 优点：高弹性；一定的强度；耐磨性好；还具有良好的绝缘性、隔音性和吸振能力、一定的耐蚀性，缺点：老化。（3）常用的橡胶 天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等。（1）陶瓷的分类 按使用原料分为普通陶瓷和特种陶瓷。按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。工业陶瓷又分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。 陶瓷是以天然硅酸盐或人工合成的无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。 2.1.2 陶 瓷（2）陶瓷的性能特点优

21、点：硬度大，抗压强度高；熔点高，耐高温、热硬性高；结构稳定，耐腐蚀；绝缘性能好。缺点：抗拉强度低、脆性大；抗热振性能比较差，热膨胀系数和导热系数差。（3）常用的陶瓷材料 普通瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。 复合材料（composite materials）是指用人工的方法将一种或几种材料均匀地与另一种材料结合而成的多相材料。人工合成的复合材料是由基体材料（高韧性和低强度）和增强材料（硬度高和脆性大）组成。性能特点：比强度和比模量高；抗疲劳性能好；减振性能好；高温性能好和断裂安全性能高。常用复合材料：纤维增强复合材料、层叠复合材料和颗粒复合材料等。 2.2 复合材料纤维增强复合材料是指以各种金属

22、和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。它的性能取决于纤维的特性、含量和排布方式。2.2.1 纤维增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动和分子链运动。2.2.2 粒子增强复合材料层叠增强复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强复合物的复合材料。2.2.3 层叠增强复合材料返回主页 磁性材料（magnetic materials）已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。 而通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。 磁性材料按使用分为软磁材料、永磁材料和超导磁材料等。第3章 功能材料 3.1 磁性材料3.1.1 软磁材料 软磁材料是矫顽力小于0.8 KA/m的磁性材料，也就是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。 典型的软磁材料就是可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。 软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工和电子设备。 软磁材料按成分分类：软磁金属材料、铁氧体软磁材料和非晶态磁性合金。3.1.2 硬磁材料 硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一