機械制造根底緒論1本課程的性質和研究內容2機械制造業在國民經濟中的作用3本課程的任務和要求一、本課程的性質和內容1、本課程的性質

2、本課程的內容

生產準備毛坯制造機械加工裝配調試〔車銑，刨，磨，鉆，鏜等〕〔組裝，部裝，總裝〕〔鑄造，鍛造，焊接，沖壓等〕數控、機械、模具類專業的主干專業根底課機械制造：將原材料制成零件的毛坯，將毛坯加工成機械零件，再將零件裝配成機器的整個過程。〔市場調查，購置原材料〕1、作用：〔1〕人類社會的劃分是以材料為依據的〔2〕我國古代在材料和機械制造方面的輝煌成就

三、本課程的學習目的和學習方法1、目的2、學習方法1、金屬材料的性能使用性能：指材料在使用過程中所表現的性能，主要包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和熱處理的性能。2、金屬材料力學性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。指材料在外力作用下表現出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。第一章工程材料1.1金屬材料的力學性能第一節強度與塑性一、材料的拉伸曲線1、oe段：彈性變形階段2、es段：塑性變形階段3、S點：屈服點4、b點：出現縮頸現象，拉伸力到達最大值，試樣即將斷裂。強度指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。二、強度2、屈服強度

σs材料產生屈服現象時的最小應力Fs：試樣屈服時所承受的拉伸力A0

：試樣原始橫截面積1、彈性極限Fe：試樣產生彈性變形所承受的最大拉伸力A0

：試樣原始橫截面積σe=Fe/A0

σe金屬材料產生完全彈性變形時所能承受的最大應力值3、抗拉強度指試樣拉斷前所承受的最大拉應力。試樣在拉斷前所承受的最大載荷σb試樣原始截面積條件屈服極限：有些塑性較低的材料沒有明顯的屈服點，難于確定產生塑性變形的最小應力。故規定當試樣產生0.2%的塑性變形時所對應的應力作為材料開始產生明顯塑性變形時的屈服強度，稱為條件屈服極限。

零件設計時對塑性材料采用屈服強度；脆性材料采用抗拉強度。

三、塑性塑性是材料在靜載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力。評定指標是伸長率和斷面收縮率。1、伸長率指試樣拉斷后標距的伸長量與原標距長度的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%2、斷面收縮率指試樣拉斷后縮項處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。Ψ=(A0-A1)/A0x100%硬度指金屬材料抵抗外物壓入其外表的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1、硬度**用鋼球為壓頭：HBS,常用范圍HBS﹤450優缺點〔1〕測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料〔鑄鐵〕〔2〕可測的硬度值不高〔3〕不測試成品與薄件〔4〕測量費時，效率低**用硬質合金為壓頭：HBW表示，較少用。第二節硬度與韌性優缺點〔1〕試驗簡單、方便、迅速〔2〕壓痕小，可測成品，薄件〔3〕數據不夠準確，應測三點取平均值〔4〕不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。

指金屬材料抵抗沖擊負荷的能力，可用擺錘沖擊試驗機來測定金屬材料的沖擊值。沖擊韌度值可用下式計算。2、沖擊韌度擺錘沖擊試樣試樣底座h1指針圖1-6沖擊試驗原理沖擊韌度（J/cm2）

沖擊吸收功（J）；擺錘重量（N）；擺錘抬升高度（m）；擺錘沖擊后的高度（m）；試樣缺口底部處橫截面積（cm2）。3、疲勞強度疲勞強度—機械零件在周期性或非周期性動載荷〔稱為疲勞載荷〕的作用下工作發生斷裂時的應力，用表示。1.2金屬的晶體結構與結晶一、金屬的晶體結構

1〕晶體。其內部原子在空間作有規那么的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。2〕非晶體。其內部原子雜亂無章地不規那么的堆積，如玻璃、瀝青等。晶體的特點是：①原子在三維空間呈有規那么的周期性重復排列。②具有一定的熔點，如鐵的熔點為1538℃，銅的熔點為1083℃。③晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。1、晶體與非晶體非晶體的特點是：①原子在三維空間呈不規那么的排列。②沒有固定熔點，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變為有明顯流動性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。③各個方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2、晶格與晶胞1〕晶格。把晶體內的每一個原子看成一個小球，把這些小球用線條連接起來，形成一個空間格架，這種空間格架叫晶格。2〕晶胞。晶格的最小幾何組成單元。3、常見金屬的晶格類型4、金屬的實際晶體結構①單晶體與多晶體單晶體即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無任何缺陷存在。多晶體即由許多位向不同的晶體組成，且其內部還存在著多種晶體缺陷。②金屬的晶體缺陷Ⅰ、點缺陷Ⅱ、線缺陷

Ⅲ、面缺陷二、金屬的結晶

oCT0LabS0a：結晶開始點b：結晶終了點

純金屬的冷卻曲線〔理想狀態〕oCLT0T1S0

T0：理論結晶溫度T1：實際結晶溫度ΔT=T0--T1（過冷度）純金屬的冷卻曲線〔實際〕1、純金屬的結晶oCabLsL+s0

a：結晶開始點b：結晶終了點合金的結晶是在一個溫度范圍內完成。合金的冷卻曲線2、金屬的結晶過程

原子團

形核

晶核長大

小晶粒

晶粒〔外形不規那么的小晶體〕①增加過冷度②進行變質處理③附加振動3、細化晶粒的方法金屬晶粒的粗細對金屬力學性能影響很大，一般說，同一成分的金屬晶粒越細，其強度越高，硬度也越高，塑性、韌性也越好。晶核越多，晶粒越細。〔細晶強化〕三、純鐵的同素異構轉變

純鐵固態下,在不同溫度范圍內將呈現出不同的晶格形態，這種現象稱為同素異晶轉變。

〔液體〕1538℃(體心)1394℃(面心)912℃(體心)金屬的同素異構轉變的意義可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而到達改善材料性能的目的。1.3鐵碳合金一、合金的根本概念1、合金

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。2、組元

組成合金的根本的物質稱為組元。3、合金系給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構成一個合金系。4、相

相是指在金屬組織中化學成分、晶體結構和物理性能相同的組分。5、組織組織泛指用金相觀察方法看到的由形態、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構成的總體。二、合金的相

根據構成合金各組元之間相互作用的不同，固態合金的相可分為固溶體和金屬化合物兩大類。1、固溶體溶質原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，稱為固溶體。固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。*置換固溶體—溶質原子代替了一局部溶劑原子，占據了溶劑的某些節點。*間隙固溶體—溶質的原子進入溶劑晶格空隙局部，不占據節點的位置。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的鐵素體、奧氏體。鐵碳合金都是間隙固溶體。碳的溶解度是有限的，屬于有限固溶體，碳在鐵中的溶解度主要取決于鐵的晶格類型，并隨溫度的升高而增加。固溶強化—形成固溶體時，溶劑的晶格產生不同程度的畸變，這種畸變使塑性變形阻力增加，表現為固溶體的強度、硬度增加，這種現象稱為固溶強化。2、金屬化合物金屬化合物—各組元按一定的整數比結合而成、并具有金屬性質的均勻物質，屬單相組織，金屬化合物一般具有復雜的晶格，且和各組元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。例如滲碳體Fe3C是金屬化合物，硬度極高800HBS可以劃玻璃，塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性近于零。滲碳體是強化相，其組織呈片狀、球狀、網狀等不同形狀，滲碳體的數量、形態、和分布對鋼的性能影響很大。滲碳體在一定條件下可發生分解：Fe3C→3Fe+C石墨3、機械混合物.機械混合物是在結晶過程中形成的兩相組織，例如可以是純金屬、固溶體、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組成相之間，和各相的形狀、大小、和分布有關。鐵碳合金中的機械混合物有珠光體和萊氏體。三、鐵碳合金的根本組織1.鐵素體（F）

碳溶于中的固溶體，它保持體心立方晶格結構。溶解度（0.008%～0.02%），故性質接近純鐵，強度、硬度低，塑性、韌性好。

鐵素體的顯微組織力學性能：σb=250MPa；

δ=45%~50%；

HBS=80。

2.奧氏體（A）

碳溶于中的固溶體，保持面心立方晶格結構。溶解度（0.77%～2.11%），其強度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。

圖1-16奧氏體的顯微組織力學性能：σb=250~350MPa；

HBS=160~200；

δ=40%~45%。3.滲碳體〔Fe3C〕鐵和碳組成的金屬化合物，復雜斜方晶體結構。含碳量為6.69%，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。4.珠光體P〔F+Fe3C〕珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物。其顯微組織珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。良好的力學性能：σb=750MPa；δ=20%－25%；αk=30-40〔J/cm2〕。727℃以上為高溫Ld〔A+Fe3C〕

727℃以下為低溫Ld’〔P+Fe3C〕

力學性能與Fe3C相似，硬而脆5.萊氏體Ld圖1-19鐵碳合金相圖LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’A+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLd’L+Fe3CILd+Fe3CILd’+Fe3CI四、鐵碳合金相圖相圖上的特性線和點如下：

2〕AECF線〔固相線〕。當合金冷卻到此線時，金屬液全部結晶為固相，在此線以下區域為固相。1〕ACD線〔液相線〕。當金屬液冷卻到此線時開始結晶，在此線以上區域為液相。3〕A點。純鐵的熔點〔1538℃〕。4〕D點。滲碳體的熔點〔1227℃〕。5〕C點。共晶點，溫度11480C，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的條件(溫度、成分)下，由液體合金中同時結晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉變。即6〕ECF線〔共晶線〕。含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時〔1148度〕，將發生共晶反響，同時結晶出奧氏體和滲碳體的共晶混合物萊氏體。7）ES線。是碳在中的溶解度曲線，E點表示在11480C時碳在中的最大溶解度為2.11%。隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奧氏體冷卻過程中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為Acm線8〕GS線。是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的轉變線，常稱為A3線。10〕PSK線〔共析線〕。含碳量在0.02%～6.69%的鐵碳合金，冷卻到此線時〔7270C〕，將發生共析反響，從奧氏體中同時結晶出鐵素體和滲碳體的共析混合物珠光體。即A1線。9〕S點。共析點，溫度7270C，成分0.77%。共析轉變：指合金在一定條件下，由一種固相轉變成兩個固相的機械混合物的過程。即：根據含碳量的不同，鐵碳合金可分為鋼和鑄鐵兩大類：第一類鋼含碳量小于2.11％的鐵碳合金，按室溫組織不同又可分為三類，以0.77％為界：*亞共析鋼——含碳量＜0.77％*共析鋼——含碳量＝0.77％*過共析鋼——含碳量＞0.77％第二類鑄鐵即生鐵含碳量為2.11％～6.69％的鐵碳合金，安室溫組織的不同，分為三類：*亞共晶鑄鐵——含碳量＜4.3％*共晶鑄鐵——含碳量＝4.3％*過共晶鑄鐵——含碳量＞4.3％五、鐵碳合金分類(據C%不同分)六、鐵碳合金的組織轉變

1.鋼的結晶過程1〕共析鋼〔T8鋼〕1點以上L1～2L＋A2～3A3點A→P3點以下P亞共析鋼的結晶過程

室溫組織:P

室溫組織：F+P亞共析鋼的結晶過程

1點以上L1～2L＋δ2～3A+L3～4A4~5A+F5點A→P5點以下P+F2〕亞共析鋼(45鋼〕室溫組織：P+Fe3C〔網狀〕過共析鋼的結晶過程

1點以上L1~2L+A2~3A3~4A+Fe3CII4點A→P4點以下P+Fe3CII3〕過共析鋼〔T10)

2.白口鑄鐵的結晶過程過共晶白口鐵的室溫組織七、鐵碳相圖的應用1、選用材料：由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，其組織各不相同，從而導致其力學性能不同。因此，我們就可以根據機器零件所要求的性能來選擇不同含碳量的材料。2、叛斷切削加性能：低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中碳鋼中鐵素體含量比例適當，鋼的硬度適當，易于加工。3、制定熱加工工藝：在鑄造工藝方面，根據相圖可以確定適宜的熔化溫度和澆注溫度，含碳量為4.3%的鑄鐵鑄造性最好；在鍛造工藝方面，可以選擇鋼材的軋制和鍛造的溫度范圍應在奧氏體區。4、應用于熱處理生產：由相圖可知合金在固態加熱和冷卻過程中均有組織的變化，可以進行熱處理。并且可以正確選擇加熱溫度1.4鋼的熱處理熱處理：將固態金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或外表組織，從而獲得所需性能的工藝方法。熱處理的三個階段：加熱、保溫、冷卻。如圖1-29所示是最根本的熱處理工藝曲線。溫度加熱保溫冷卻時間熱處理工藝曲線一、熱處理過程中的組織轉變1.加熱和冷卻時的轉變溫度要使鋼的組織發生變化，必須加熱到相變溫度以上，相變溫度可由Fe--C相圖來確定。但在實際加熱和冷卻時，合金有過冷和過熱現象，加熱時實際相變溫度偏高，冷卻時偏低。加熱和冷卻速度越快，偏離越嚴重。常用Ac1、Ac3、Accm表示加熱時偏離的相變溫度。用Ar1、Ar3、Arcm表示冷卻時偏離的相變溫度。2.鋼在加熱時的組織轉變

奧氏體化：為使熱處理獲得所需的性能，將鋼加熱到臨界溫度以上，使室溫組織轉變為均勻的奧氏體的過程。

奧氏體的形成：

以共析鋼為例，共析鋼的組織室溫時為珠光體（F+Fe3C），當加熱到以上時，珠光體轉變為奧氏體。其過程如下：1〕奧氏體晶核形成。首先在鐵素體和滲碳體的晶界上出現奧氏體晶核，因為相界面的原子排列紊亂，晶體缺陷較多，易于形核。2〕奧氏體晶核長大。通過原子擴散，使滲碳體不斷溶解和鐵素體晶格由體心立方晶格改組為面心立方晶格。3〕剩余滲碳體的溶解。鐵素體先消失，滲碳體繼續向奧氏體溶解完；4〕奧氏體均勻化。剩余滲碳體溶解完后，碳的濃度并不均勻，在原來滲碳體的地方碳含量高，鐵素體處低，保溫一定時間，碳原子擴散，得到均勻的奧氏體組織。亞共析鋼和過共析鋼，加熱到時，只有珠光體轉變為奧氏體，隨著加熱溫度升高，鐵素體和二次滲碳體才不斷向奧氏體轉變，到加熱溫度超過或時，才全部轉變成奧氏體。珠光體組織比較細密，形成奧氏體的晶核較多，因而珠光體剛轉變成奧氏體時，其晶粒比較細小。但若升高溫度或保溫時間過長，晶粒將長大。

影響奧氏體化因素共析鋼1〕加熱溫度和加熱速度。加熱溫度高，轉變較快加熱速度快，轉變起始溫度高，終了溫度也高2〕含碳量含碳量高，滲碳體也較多，F與Fe3C的界面也多，利于A形成3〕鋼原始組織原始組織愈細愈有利于A的形成3.鋼在冷卻時的組織轉變

鋼經奧氏體化后，冷卻條件不同，轉變產物的組織結構、性能均不同。

熱處理工藝中常用的冷卻方式：連續冷卻、等溫冷卻。1〕連續冷卻。將已奧氏體化的鋼以某種速度連續冷卻，使其在臨界點以下變溫連續轉變。2〕等溫冷卻。將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到相變點以下的某個溫度，進行保溫，使過冷奧氏體在該溫度下恒溫轉變。二、鋼的熱處理工藝1〕降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；2〕消除鋼中的剩余內應力，以防工件變形和開裂；3〕改善組織，細化晶粒，改變鋼的性能或為以后熱處理做準備。1〕對不太重要的零件，可細化晶粒，組織均勻，提高機械性能，作為最終熱處理；2〕對低碳鋼或低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性；3〕淬透性和淬硬性。2〕穩定工件尺寸，防止變形和開裂；3〕獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強度、硬度和韌性。1〕化學熱處理。將工件置于一定溫度的活性介質中加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入它的外表，改變其外表的化學成分、組織和性能的熱處理。使外表具有耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲〔氰化〕、滲硼、滲鉻等金屬、多元共滲等。火焰加熱表面淬火示意圖1.5常用工程材料一、常用工程材料的分類

工程材料金屬材料碳素鋼合金鋼碳素結構鋼碳素工具鋼合金結構鋼合金工具鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等非金屬材料高分子材料：塑料、橡膠、復合材料等陶瓷材料：普通瓷、氧化鋁陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷鋼1、碳素鋼分類1）按鋼的含碳量分類：

低碳鋼中碳鋼高碳鋼2）按鋼的質量分類：有害雜質硫、磷的含量普通碳素鋼優質碳素鋼高級優質碳素鋼二、常用金屬材料雜質對鋼的性能的影響：*磷—是有害雜質，使鋼的塑性韌性下降，具有冷脆性。*硫—是有害雜質，可造成鋼的熱脆，原因是硫在晶界處形成低熔點的共晶體。*硅—是有益元素，可提高鋼的強度和硬度，是作為脫氧劑進入鋼的。*錳—是有益元素，可提高鋼的強度和硬度，可抵消硫的有害作用，是作為脫氧劑進入鋼的。3〕按用途分為：A.★碳素結構鋼*含碳量小于0.38％，常用小于0.25％，即以低碳鋼為主。*結構鋼的牌號：Q+三位數字表示，例：Q215—A·FQ—屈服點的首字母215—屈服點的數值，MpaA—質量等級，分為A、B、C、D，其中A是普通級，D是優等級別，硫磷含量較低F—脫氧程度，F是沸騰鋼，Z是鎮靜鋼。Z可不標*常見的牌號有： Q195AQ195B Q215AQ215B Q235AQ235BQ235CQ235D Q255AQ255B Q275*Q235是用途最廣的碳素結構鋼,屬低碳鋼,通常經熱軋成鋼板、型鋼、鋼管、棒材等供給,因鐵素體較多故塑性和韌性優良,常用于建筑構件,不重要的軸類,螺釘,螺母,沖壓件,焊接件鍛件等。*Q235—C及Q235—D還可用于重要的焊接件。4〕按冶煉時脫氧程度的不同分類沸騰鋼：不脫氧的鋼；鎮靜鋼：完全脫氧鋼；半鎮靜鋼：半脫氧鋼。5〕按金相組織分亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。二、合金鋼分類合金結構鋼合金工具鋼特殊性能鋼建筑及工程用鋼或構件用鋼機器制造用鋼滲碳鋼調質鋼彈簧鋼滾動軸承鋼刃具鋼模具鋼量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼磁鋼1〕按用途分:2〕按合金元素含量〔質量分數〕分：3〕按所含合金元素種類分為：鉻鋼、錳鋼、鎳鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼等。4〕按金相組織分為：珠光體鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼。低合金鋼（合金元素總含量<5%）中合金鋼（合金元素總含量5%-10%）高合金鋼（合金元素總含量>10%）合金鋼典型牌號3〕特殊性能鋼

包括不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼，磁鋼等。如：2Cr13，1Cr18Ni9，0Cr18Ni11Ti等2〕合金工具鋼

9SiCr，9Mn2V，W18Cr4V(高碳，高合金)1〕合金結構鋼

16Mn，20Cr，40MnB，30CrMnSi1.鑄鐵

鑄鐵含碳量大于2.11%的鐵碳合金，一般含碳量2.5%～4.0%，含有較多的硅、錳、硫、磷等雜質。

根據碳在鑄鐵中的存在形態可分為：

1〕白口鑄鐵。即生鐵,碳除少量溶于鐵素體外，絕大局部以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色。特點是硬和脆，難以加工，但耐磨。一般不直接用來制造機器零件，常用作煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵件。2〕灰鑄鐵。碳主要以自由狀態的片狀石墨形態存在，如圖，斷口為暗灰色。強度低，塑性差，但易切削，減摩消振性好，且鑄造性能好，應用最廣泛。三、鑄鐵和鑄鋼

F+片狀石墨〔