机械制造基础课件第一章

机械制造根底绪论1本课程的性质和研究内容2机械制造业在国民经济中的作用3本课程的任务和要求一、本课程的性质和内容1、本课程的性质

2、本课程的内容

生产准备毛坯制造机械加工装配调试〔车铣，刨，磨，钻，镗等〕〔组装，部装，总装〕〔铸造，锻造，焊接，冲压等〕数控、机械、模具类专业的主干专业根底课机械制造：将原材料制成零件的毛坯，将毛坯加工成机械零件，再将零件装配成机器的整个过程。〔市场调查，购置原材料〕1、作用：〔1〕人类社会的划分是以材料为依据的〔2〕我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就

三、本课程的学习目的和学习方法1、目的2、学习方法1、金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。2、金属材料力学性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。第一章工程材料1.1金属材料的力学性能第一节强度与塑性一、材料的拉伸曲线1、oe段：弹性变形阶段2、es段：塑性变形阶段3、S点：屈服点4、b点：出现缩颈现象，拉伸力到达最大值，试样即将断裂。强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。二、强度2、屈服强度

σs材料产生屈服现象时的最小应力Fs：试样屈服时所承受的拉伸力A0

：试样原始横截面积1、弹性极限Fe：试样产生弹性变形所承受的最大拉伸力A0

：试样原始横截面积σe=Fe/A0

σe金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值3、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。试样在拉断前所承受的最大载荷σb试样原始截面积条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产生0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限。

零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用抗拉强度。

三、塑性塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是伸长率和断面收缩率。1、伸长率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%2、断面收缩率指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。Ψ=(A0-A1)/A0x100%硬度指金属材料抵抗外物压入其外表的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1、硬度**用钢球为压头：HBS,常用范围HBS﹤450优缺点〔1〕测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料〔铸铁〕〔2〕可测的硬度值不高〔3〕不测试成品与薄件〔4〕测量费时，效率低**用硬质合金为压头：HBW表示，较少用。第二节硬度与韧性优缺点〔1〕试验简单、方便、迅速〔2〕压痕小，可测成品，薄件〔3〕数据不够准确，应测三点取平均值〔4〕不应测组织不均匀材料，如铸铁。

指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。2、冲击韧度摆锤冲击试样试样底座h1指针图1-6冲击试验原理冲击韧度（J/cm2）

冲击吸收功（J）；摆锤重量（N）；摆锤抬升高度（m）；摆锤冲击后的高度（m）；试样缺口底部处横截面积（cm2）。3、疲劳强度疲劳强度—机械零件在周期性或非周期性动载荷〔称为疲劳载荷〕的作用下工作发生断裂时的应力，用表示。1.2金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构

1〕晶体。其内部原子在空间作有规那么的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2〕非晶体。其内部原子杂乱无章地不规那么的堆积，如玻璃、沥青等。晶体的特点是：①原子在三维空间呈有规那么的周期性重复排列。②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。1、晶体与非晶体非晶体的特点是：①原子在三维空间呈不规那么的排列。②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。③各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2、晶格与晶胞1〕晶格。把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格。2〕晶胞。晶格的最小几何组成单元。3、常见金属的晶格类型4、金属的实际晶体结构①单晶体与多晶体单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。②金属的晶体缺陷Ⅰ、点缺陷Ⅱ、线缺陷

Ⅲ、面缺陷二、金属的结晶

ºCT0LabS0a：结晶开始点b：结晶终了点

纯金属的冷却曲线〔理想状态〕ºCLT0T1S0

T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）纯金属的冷却曲线〔实际〕1、纯金属的结晶ºCabLsL+s0

a：结晶开始点b：结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成。合金的冷却曲线2、金属的结晶过程

原子团

形核

晶核长大

小晶粒

晶粒〔外形不规那么的小晶体〕①增加过冷度②进行变质处理③附加振动3、细化晶粒的方法金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性、韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。〔细晶强化〕三、纯铁的同素异构转变

纯铁固态下,在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为同素异晶转变。

〔液体〕1538℃(体心)1394℃(面心)912℃(体心)金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而到达改善材料性能的目的。1.3铁碳合金一、合金的根本概念1、合金

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。2、组元

组成合金的根本的物质称为组元。3、合金系给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。4、相

相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。5、组织组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。二、合金的相

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。*置换固溶体—溶质原子代替了一局部溶剂原子，占据了溶剂的某些节点。*间隙固溶体—溶质的原子进入溶剂晶格空隙局部，不占据节点的位置。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。铁碳合金都是间隙固溶体。碳的溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。固溶强化—形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶强化。2、金属化合物金属化合物—各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属单相组织，金属化合物一般具有复杂的晶格，且和各组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。例如渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。渗碳体在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C石墨3、机械混合物.机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。三、铁碳合金的根本组织1.铁素体（F）

碳溶于中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。溶解度（0.008%∼0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。

铁素体的显微组织力学性能：σb=250MPa；

δ=45%~50%；

HBS=80。

2.奥氏体（A）

碳溶于中的固溶体，保持面心立方晶格结构。溶解度（0.77%∼2.11%），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。

图1-16奥氏体的显微组织力学性能：σb=250~350MPa；

HBS=160~200；

δ=40%~45%。3.渗碳体〔Fe3C〕铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。4.珠光体P〔F+Fe3C〕珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。良好的力学性能：σb=750MPa；δ=20%－25%；αk=30-40〔J/cm2〕。727℃以上为高温Ld〔A+Fe3C〕

727℃以下为低温Ld’〔P+Fe3C〕

力学性能与Fe3C相似，硬而脆5.莱氏体Ld图1-19铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI四、铁碳合金相图相图上的特性线和点如下：

2〕AECF线〔固相线〕。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。1〕ACD线〔液相线〕。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。3〕A点。纯铁的熔点〔1538℃〕。4〕D点。渗碳体的熔点〔1227℃〕。5〕C点。共晶点，温度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的条件(温度、成分)下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。即6〕ECF线〔共晶线〕。含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金，冷却到此线时〔1148度〕，将发生共晶反响，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。7）ES线。是碳在中的溶解度曲线，E点表示在11480C时碳在中的最大溶解度为2.11%。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为Acm线8〕GS线。是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为A3线。10〕PSK线〔共析线〕。含碳量在0.02%～6.69%的铁碳合金，冷却到此线时〔7270C〕，将发生共析反响，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A1线。9〕S点。共析点，温度7270C，成分0.77%。共析转变：指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。即：根据含碳量的不同，铁碳合金可分为钢和铸铁两大类：第一类钢含碳量小于2.11％的铁碳合金，按室温组织不同又可分为三类，以0.77％为界：*亚共析钢——含碳量＜0.77％*共析钢——含碳量＝0.77％*过共析钢——含碳量＞0.77％第二类铸铁即生铁含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金，安室温组织的不同，分为三类：*亚共晶铸铁——含碳量＜4.3％*共晶铸铁——含碳量＝4.3％*过共晶铸铁——含碳量＞4.3％五、铁碳合金分类(据C%不同分)六、铁碳合金的组织转变

1.钢的结晶过程1〕共析钢〔T8钢〕1点以上L1～2L＋A2～3A3点A→P3点以下P亚共析钢的结晶过程

室温组织:P

室温组织：F+P亚共析钢的结晶过程

1点以上L1～2L＋δ2～3A+L3～4A4~5A+F5点A→P5点以下P+F2〕亚共析钢(45钢〕室温组织：P+Fe3C〔网状〕过共析钢的结晶过程

1点以上L1~2L+A2~3A3~4A+Fe3CII4点A→P4点以下P+Fe3CII3〕过共析钢〔T10)

2.白口铸铁的结晶过程过共晶白口铁的室温组织七、铁碳相图的应用1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定适宜的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度1.4钢的热处理热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或外表组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。如图1-29所示是最根本的热处理工艺曲线。温度加热保温冷却时间热处理工艺曲线一、热处理过程中的组织转变1.加热和冷却时的转变温度要使钢的组织发生变化，必须加热到相变温度以上，相变温度可由Fe--C相图来确定。但在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。加热和冷却速度越快，偏离越严重。常用Ac1、Ac3、Accm表示加热时偏离的相变温度。用Ar1、Ar3、Arcm表示冷却时偏离的相变温度。2.钢在加热时的组织转变

奥氏体化：为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。

奥氏体的形成：

以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（F+Fe3C），当加热到以上时，珠光体转变为奥氏体。其过程如下：1〕奥氏体晶核形成。首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核，因为相界面的原子排列紊乱，晶体缺陷较多，易于形核。2〕奥氏体晶核长大。通过原子扩散，使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格。3〕剩余渗碳体的溶解。铁素体先消失，渗碳体继续向奥氏体溶解完；4〕奥氏体均匀化。剩余渗碳体溶解完后，碳的浓度并不均匀，在原来渗碳体的地方碳含量高，铁素体处低，保温一定时间，碳原子扩散，得到均匀的奥氏体组织。亚共析钢和过共析钢，加热到时，只有珠光体转变为奥氏体，随着加热温度升高，铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变，到加热温度超过或时，才全部转变成奥氏体。珠光体组织比较细密，形成奥氏体的晶核较多，因而珠光体刚转变成奥氏体时，其晶粒比较细小。但若升高温度或保温时间过长，晶粒将长大。

影响奥氏体化因素共析钢1〕加热温度和加热速度。加热温度高，转变较快加热速度快，转变起始温度高，终了温度也高2〕含碳量含碳量高，渗碳体也较多，F与Fe3C的界面也多，利于A形成3〕钢原始组织原始组织愈细愈有利于A的形成3.钢在冷却时的组织转变

钢经奥氏体化后，冷却条件不同，转变产物的组织结构、性能均不同。

热处理工艺中常用的冷却方式：连续冷却、等温冷却。1〕连续冷却。将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。2〕等温冷却。将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度，进行保温，使过冷奥氏体在该温度下恒温转变。二、钢的热处理工艺1〕降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；2〕消除钢中的剩余内应力，以防工件变形和开裂；3〕改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。1〕对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；2〕对低碳钢或低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；3〕淬透性和淬硬性。2〕稳定工件尺寸，防止变形和开裂；3〕获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。1〕化学热处理。将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入它的外表，改变其外表的化学成分、组织和性能的热处理。使外表具有耐磨、耐腐蚀、耐热等性能。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗〔氰化〕、渗硼、渗铬等金属、多元共渗等。火焰加热表面淬火示意图1.5常用工程材料一、常用工程材料的分类

工程材料金属材料碳素钢合金钢碳素结构钢碳素工具钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁有色金属：铜合金、铝合金等非金属材料高分子材料：塑料、橡胶、复合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷钢1、碳素钢分类1）按钢的含碳量分类：

低碳钢中碳钢高碳钢2）按钢的质量分类：有害杂质硫、磷的含量普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢二、常用金属材料杂质对钢的性能的影响：*磷—是有害杂质，使钢的塑性韧性下降，具有冷脆性。*硫—是有害杂质，可造成钢的热脆，原因是硫在晶界处形成低熔点的共晶体。*硅—是有益元素，可提高钢的强度和硬度，是作为脱氧剂进入钢的。*锰—是有益元素，可提高钢的强度和硬度，可抵消硫的有害作用，是作为脱氧剂进入钢的。3〕按用途分为：A.★碳素结构钢*含碳量小于0.38％，常用小于0.25％，即以低碳钢为主。*结构钢的牌号：Q+三位数字表示，例：Q215—A·FQ—屈服点的首字母215—屈服点的数值，MpaA—质量等级，分为A、B、C、D，其中A是普通级，D是优等级别，硫磷含量较低F—脱氧程度，F是沸腾钢，Z是镇静钢。Z可不标*常见的牌号有： Q195AQ195B Q215AQ215B Q235AQ235BQ235CQ235D Q255AQ255B Q275*Q235是用途最广的碳素结构钢,属低碳钢,通常经热轧成钢板、型钢、钢管、棒材等供给,因铁素体较多故塑性和韧性优良,常用于建筑构件,不重要的轴类,螺钉,螺母,冲压件,焊接件锻件等。*Q235—C及Q235—D还可用于重要的焊接件。4〕按冶炼时脱氧程度的不同分类沸腾钢：不脱氧的钢；镇静钢：完全脱氧钢；半镇静钢：半脱氧钢。5〕按金相组织分亚共析钢、共析钢、过共析钢。二、合金钢分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢建筑及工程用钢或构件用钢机器制造用钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢磁钢1〕按用途分:2〕按合金元素含量〔质量分数〕分：3〕按所含合金元素种类分为：铬钢、锰钢、镍钢、铬锰钢、硅锰钢等。4〕按金相组织分为：珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。低合金钢（合金元素总含量<5%）中合金钢（合金元素总含量5%-10%）高合金钢（合金元素总含量>10%）合金钢典型牌号3〕特殊性能钢

包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：2Cr13，1Cr18Ni9，0Cr18Ni11Ti等2〕合金工具钢

9SiCr，9Mn2V，W18Cr4V(高碳，高合金)1〕合金结构钢

16Mn，20Cr，40MnB，30CrMnSi1.铸铁

铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金，一般含碳量2.5%∼4.0%，含有较多的硅、锰、硫、磷等杂质。

根据碳在铸铁中的存在形态可分为：

1〕白口铸铁。即生铁,碳除少量溶于铁素体外，绝大局部以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。特点是硬和脆，难以加工，但耐磨。一般不直接用来制造机器零件，常用作炼钢原料或制造可锻铸铁件。2〕灰铸铁。碳主要以自由状态的片状石墨形态存在，如图，断口为暗灰色。强度低，塑性差，但易切削，减摩消振性好，且铸造性能好，应用最广泛。三、铸铁和铸钢

F+片状石墨〔