机械工程材料及成型工艺第十一章(3)

《工程材料及成型工艺》实验指导书二零一零年九月实验须知1. 实验前应仔细阅读实验指导书和有关教材，认真做好预习。

教师发现无充分准备者，可停止其进行实验。

2. 学生应准时进入实验室，在教师讲解实验内容之前不得擅自操作实验仪器等。

各项实验内容应有始有终独立完成。

3. 实验过程保持严肃、安静、整洁、遵守操作规程、注意安全、例行节约。

若发现故障，应立即报告教师酌情处理，不要擅自拆修。

4. 实验用的一切物品（如试样、图片、试剂和工具等）不准带出实验室。

5. 实验完毕将仪器物品收拾整齐，恢复原状并作好室内外卫生工作。

6. 每次实验后须完成书面实验报告，于下次实验前交给老师，实验报告成绩作为课程考核总评成绩的一部分。

7. 实验报告统一用报告纸撰写，字迹清楚。

8. 进入实验室应遵守实验室的一切规章制度。

实验一 硬度计的结构原理及使用方法一、实验目的1、了解布氏硬度计、洛氏硬度计及维氏硬度计的基本原理及其结构；2、熟悉并掌握洛氏硬度计的使用方法； 二、实验原理概述金属材料的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。

硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。

由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同；因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性，微量塑变抗力，形变强化能力以及大量形变抗力。

由于硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。

硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

(一)、布氏硬度1、基本原理及结构根据 GB231-84规定，布氏硬度试验法是用直径为D 的淬火钢球（或硬质合金球），以相应的试验力F 压入被测材料的表面，保持规定的时间后，卸掉试验力，用读数显微镜测出材料表面的压痕直径d 。

计算压痕单位面积上所受的力，即为被测金属的布氏硬度值HBS （或HBW ）。

工程材料与技术成型基础课后习题答案第一章1-1由拉伸试验可以得出哪些力学性能指标?在工程上这些指标是如何定义的?答:强度和韧性.强度(σb)材料抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度;塑性(δ)材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力.强度指标里主要测的是:弹性极限,屈服点,抗拉强度等.塑性指标里主要测的是:伸长率,断面收缩率.1-21-3锉刀:HRC 黄铜轴套:HB 供应状态的各种非合金钢钢材：HB硬质合金刀片：HRA,HV 耐磨工件的表面硬化层：HV调质态的机床主轴：HRC 铸铁机床床身：HB 铝合金半成品：HB1-4公式HRC=10HBS,90HRB=210HBS,HV=HBS800HV>45HRC>240HBS>90HRB1-7材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度。

包括铸造性，锻造性，切削加工性，热处理性。

第二章2-2 答:因为γ-Fe为面心立方晶格,一个晶胞含4个原子,致密度为0.74;γ-Fe冷却到912°C后转变为α-Fe后，变成体心立方晶格，一个晶胞含2个原子，致密度为0.68，尽管γ-Fe的晶格常数大于α-Fe的晶格常数，但多的体积部分抵不上因原子排列不同γ-Fe变成α-Fe体积增大的部分，故γ-Fe冷却到912℃后转变为α-Fe时体积反而增大。

2-3.答：（1）过冷度理论结晶温度与实际结晶温度只差。

（2）冷速越快则过冷度越大，同理，冷速越小则过冷度越小（3）过冷度越大则晶粒越小，同理，过冷度越小则晶粒越大。

过冷度增大，结晶驱动力越大，形核率和长大速度都大，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。

2-4：答：（1）在一般情况下，晶粒越小，其强度塑性韧性也越高。

（2）因为晶粒越小则晶界形成就越多，产生晶体缺陷，在晶界处晶格处于畸变状态，故晶界能量高因此晶粒的大小对金属的力学性能有影响。

（3）在凝固阶段晶粒细化的途径有下列三种：①提高结晶时的冷却速度增加过冷度②进行变质处理处理：在液态金属浇筑前人工后加入少量的变质剂，从而形成大量非自发结晶核心而得到细晶粒组织。

92第十一章 机械工程材料的选择及应用掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。

为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。

许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。

当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。

这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。

所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。

掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。

方法。

掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。

在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。

一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。

而对机械零件起主导作用的机械性能指标，时，大多以使用性能指标作为主要依据。

而对机械零件起主导作用的机械性能指标， 则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。

则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。

§11.1 零件的失效形式与提高材料性能的途径一、零件的失效与失效分析零件在工作过程中最终都要发生失效。

所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。

只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。

课程名称：材料加工和成型工艺课程代码：00699第一部分课程性质与目标一、课程性质与特点《材料加工及成型工艺》是一门研究制造机器零件选材及毛坯成形方法的综合性技术学科。

它是高等学校机械类专业一门重要的技术基础课。

二、课程目标与基本要求本课程的目标是：通过本课程的学习，使学生获得常用工程材料及成形工艺方法的基础知识，培养学生综合运用材料及成形工艺知识进行选择材料与改性方法、选择毛坯生产方法以及工艺路线分析的初步能力，并为学习其他有关课程和从事工业工程生产第一线技术工作奠定必要的基础。

本课程基本要求如下：1、理解必需的材料科学及有关成形技术的理论基础；建立对材料成分、结构组织、加工使用、性能行为之间关系及规律的认识。

2、熟识各类常用结构工程材料的成分、结构、性能、应用特点及牌号的表示方法；识记各类结构工程材料的强化、改性及表面技术的知识。

3、熟识常用成形工艺方法的工艺特点及应用范围；基本掌握机械设计中对零件结构工艺性的要求。

4、掌握选择零件材料及成形工艺的基本原则和方法步骤，初步具备合理选择材料、成形工艺（毛坯类型）及强化（或改性、表面技术应用等）方法并正确安排工艺路线（工序位置）的能力。

三、本课程与本专业其他课程的关系学习本课程前，考生应具有机械制图、力学等基础知识，课前或课中应进行金工实习或金工参观实践，以便考生更好地掌握本课程的基础知识。

第二部分考核内容与考核目标第一章材料的力学行为和性能一、学习目的与要求通过本章的学习，理解结构工程材料在载荷作用下的力学行为，识记在不同的服役条件下的失效形式；熟识各种力学性能指标的含义及其测试方法。

二、考核知识点与考核目标（一）重点识记：弹性变形、塑性变形、应力、应变、冲击韧性与疲劳强度的概念，。

理解：抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率概念。

应用：各种硬度的测试方法及其应用范围、断后伸长率及断面收缩率的计算。

（二）次重点识记：材料的高温力学性能、材料的低温力学性能的概念。

机械工程材料与成型技术工程材料：金属材料有机高分子材料陶瓷材料复合材料。

过冷现象：实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象。

过冷度：实际结晶温度Tn与理论结晶温度To之间的温度差。

退火：是将钢加热到Ac3以上的一定温度，或Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后随炉温冷却，或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600ºC以下，在空气中冷却至室温的热处理工艺。

正火：是把钢件加热到Ac3以上的一定温度，经适当保温，使钢全部奥氏体化后再空气中冷却，得到较细珠光体组织的热处理工艺。

淬火：是将工件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

回火：将淬火零件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的工艺。

（8分)细化铸态金属晶粒措施：1)增大金属的过冷度2)变质处理3）振动4）电磁搅拌铸铁的性能特点：1）优良的铸造能力2）良好的切削加工性3)较好的耐磨性和减震性4）较低的缺口敏感性浇注位置的确定：1）主见的重要加工面应朝下2）铸件的大平面应朝下3）将面积较大的薄壁部分至于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置4）对容易产生的缩孔的铸件，使厚的部分放在铸型分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固。

分型的选择：1）简化工艺原则2）方便操作原则3）保证精度原则砂型铸造工艺对铸件结构的要求：1）铸件具有最少的分型面且分型面尽量平直；避免铸件外形侧凹凸台和筋条结构应便于起模；铸件应有合适的结构斜度；2）空腔：尽量不用或少用型芯；便于型芯固定，排气和清理。

（12分）合金铸造性能对铸件结构的要求：1）铸件的壁厚应合理均匀2）壁的转角处应有结构圆角；应避免壁的交叉和锐角连接；壁厚与薄壁间的连接应铸件过渡；3）筋的分置受力尺寸应合理4）铸件结构应能自由收缩和采用对称结构有利于减小应力和防止变形5）铸件结构应符合合金的凝固原则和合理增设补缩通道结构有利于防止缩孔和缩松6）铸件结构应尽量避免过大水平面。

《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。

即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。

复习思考题第一章：1.试述铸造成型的实质及其优点。

2.合金的流动性决定于哪些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？3.何谓合金的收缩？影响合金收缩的因素有哪些？4.冒口补缩的原理是什么？冷铁是否可以补缩？其作用与冒口有何不同？某厂铸造一批哑铃，常出现如图1－22所示的明缩孔，你有什么措施可以防止，并使铸件的清理工作量最小？5.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对图1－23所示阶梯形试块铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。

第二章：1、影响铸件中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？2、什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？3、可锻铸铁是如何获得的？为什么它只宜制作薄壁小铸件？4、球墨铸铁是如何获得的？为什么球墨铸铁是“以铁代钢”的好材料？球墨铸铁可否全部代替可锻铸铁？5、识别下列牌号的材料名称，并说明其各组成部分的含义：ZL107，ZCuSn3Zn11pb4，ZCuA19Mn2，ZCuZn38.第三章：1、壳型铸造与普通砂型铸造有何区别？它适合于什么零件的生产？2、金属型铸造有何优越性及局限性？3、试述熔模铸造的主要工序，在不同批量下，其压型的制造方法有何不同？4、试确定图3－29所示零件在单件、小批生产条件下的造型方法。

5、试比较气化模铸造与熔模铸造的异同点及应用范围。

6、低压铸造的工作原理与压力铸造有何不同？为何铝合金常采用低压铸造？第四章：1、试确定图4－25所示铸件的浇注位置及分型面。

2、何谓铸件的浇注位置？它是否就是指铸件上的内浇道位置？3、试述分型面与分模面的概念。

分模两箱造型时，其分型面是否就是其分模面？4、浇注系统一般由哪几个基本组元组成？各组元的作用是什么？5、冒口的作用是什么？冒口尺寸是怎样确定的？6、何谓封闭式、开放式、底注式及阶梯式浇注系统？他们各有什么优点？第五章：1、试述结构斜度与起模斜度的异同点。

2、在方便铸造和易于获得合格铸件的条件下，图5－22所示铸件结构有何值得改进之处？怎样改进？3、铸造一个直径为1500mm的铸铁顶盖，有如图5－23所示的两个设计方案，试问哪个便于铸造，并简述理由。

第一章材料的力学行为和性能思考题1.解释下列力学性能指标。

(1) HB (2) HRC (3) HV2.解释下列名词。

（1）蠕变（2）低应力脆断（3）疲劳（4）断裂韧度3.下列工件应采用何种硬度试验方法来测定其硬度？（1）锉刀（2）黄铜轴套（3）供应状态的各种碳钢钢材（4）硬质合金刀片（5）耐磨工件的表面硬化层4.下列硬度表示方法是否正确，为什么？(1)HBW250~300 (2)5~10HRC (3)HRC70~75 (4)HV800~850 (5)800~850H5.比较铸铁与低碳钢拉伸应力-应变曲线的不同，并分析其原因。

6.一根两端固定的低碳钢丝，承受拉应力为20Mpa，当温度从30摄氏度突然下降到10摄氏度时，钢丝内新产生的应力为多少？7.现有原始直径为10mm圆形长、短试样各一根，经拉伸试验测得的伸长率均为25%，求两试样拉断后的标距长度。

两试样中哪一根塑性好？为什么？8.甲乙丙丁四种材料的硬度分别为45HRC、90HRB、800HV、240HBW,试比较这四种材料硬度的高低。

第二章材料的结构思考题1.为何单晶体具有各向异性？而多晶体在一般情况下却显示各向同性？2.解释下列基本概念；晶体与非晶体；晶体的各向异性；同素异晶转变；位错；晶界；固溶体；金属化合物。

3.试述高分子链的结合力、分子链结构、聚集态结构对高聚物的性能的影响。

4.何为高分子材料的老化？如何防止？5.试计算面心立方晶格的致密度。

6.说明结晶对高聚物性能的影响。

第三章1.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？2.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？3.如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：（1）.金属模浇注与砂模浇注；（2）.高温浇注宇与低温浇注；（3）.铸成薄件与铸成厚件；（4）.浇注时采用振动和不振动。

4.二元匀晶相图、共晶相图与合金的力学性能和工艺性能之间存在什么关系？5.画出Fe-Fe3C相图，指出图中各点及线的意义，并标出个相区的相组成物和组织组成物。