第一章工程材料基础-机械制造基础分析

《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。

本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。

掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。

Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。

《工程材料与机械制造基础》课程（工程材料及成形部分）学习要点教材：《现代工程材料成形与机械制造基础》（上册）孙康宁、张景德主编，高等教育出版社，第2版工程材料与机械制造基础（课程）是一门重要的工科大平台课，是工科各专业了解本专业以外工程知识的主要来源。

由于涉及知识面宽，基本概念多，各部分内容联系相对松散，有些同学学习初期感觉有一定的难度，为此建议同学们学习时注意掌握以下基本概念、基本要求和知识要点，并深入理解各部分之间的联系，包括材料与成形工艺之间的联系，成分、结构、性能、工艺之间的联系，各成形工艺之间的联系等等。

第一章绪论材料制造材料的发展趋势制造技术发展趋势第二章材料的力学性能基本概念力学性能:强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧性、疲劳强度及其衡量指标材料学基础:材料结构（晶体、非晶体）性能、成分、工艺与结构之间关系晶体点阵、晶胞、晶格常数体心立方晶体结构(bcc)面心立方晶体结构(fcc)密排六方晶体结构(hcp)晶体缺陷结晶：过冷度同素异构转变合金的相与相结构、组织相结构：固溶体、金属化合物铁碳合金的相结构：固溶体（铁素体、奥氏体），金属化合物:（渗碳体）组织（机械混合物）：珠光体、莱氏体冷却曲线！相图！！（点线面、用途）会画会填图，会分析，要背过。

共析钢、亚共析钢、过共析钢共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁工程材料的分类、编号及用途：钢铁、有色金属选材的基本原则第三章热处理与表面工程技术材料改性、目的、方法；什么是热处理？分析共析钢在加热和冷却时的组织及性能转变；最常用的热处理工艺（退火、正火、淬火、回火）特点及选用。

什么是马氏体？什么是过冷奥氏体？什么是表面淬火与化学热处理,工艺特点？淬火后材料强度硬度一定会增强吗？玻璃钢化机理是什么?什么是表面工程技术，主要技术分类？常见表面工程技术有哪些？第四章液态成形弄懂以下基本概念及基础知识:什么是液态成形？液态成形的特点？何为金属铸造(砂型铸造, 特种铸造)？一、砂型铸造(弄清楚零件、铸件、毛坯、木模、混砂、芯子、造型、型腔、分型面、合箱、浇注、清砂之间的关系)1. 充型能力流动性螺旋试样影响流动性因素: 成分浇注条件(温度压力) 铸型特性(铸型材料结构)2. 凝固逐层凝固体积凝固中间凝固影响凝固因素: 合金成分、组织、冷却方式（温度梯度）3 合金收缩性液态收缩凝固收缩固态收缩影响因素：成分、温度、铸型条件等收缩造成缺陷：（1）缩孔缩松顺序凝固冒口冷铁逐层凝固体积凝固（2）铸造应力、变形和裂纹热应力、机械应力，同时凝固原则（3）合金的吸气性及气孔、析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔4．常用铸造合金的铸造性能特点（铸铁铸钢有色金属）5.砂型铸造常见缺陷（缩孔缩松浇不足冷隔应力变形气孔等）二、特种铸造1．金属型铸造工艺特点2．溶模铸造及工艺特点3．压力铸造及工艺特点4．低压铸造及工艺特点5．离心铸造及工艺特点6．消失模铸造及工艺特点铸造方法选择三、铸件结构工艺性（要求：根据图纸会判断结构设计是否合理！）1．铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷2．铸件结构应利于简化铸造工艺3．铸件结构要便于后续加工第五章塑性成形技术1.弄懂以下基本概念及基础知识:什么是塑性成形,基本要素是什么？与液态成形相比有何不同?常见塑性成形方法: 锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔压力加工（挤压、轧制、拉拔）: 靠孔型获得所需截面型材塑性变形的机制(晶内变形+晶间变形)晶内变形(滑移+孪生) 晶间变形(滑移+转动)（1）变形引起的性能变化及相关概念:加工硬化: 强度、硬度提高，但塑性、韧性下降回复（及特点）: T回=(0.25-0.3)T熔（K）再结晶（及特点）: T再=0.4T熔(K)冷变形、热变形、温变形（2）变形引起的组织变化及相关概念:晶粒细化、锻造流线(锻造纤维组织)、变形程度、锻造比变形程度、锻造比、锻造流线关系(锻造比衡量变形程度大小,变形程度越大,锻造流线越显著)锻造流线对性能的影响，锻造流线如何利用？（3）最小阻力定律及应用体积不变条件（定律）及应用（4）材料的塑性成形性（可锻性）衡量可锻性指标：变形抗力、塑性影响因素：成分、组织、温度、变形速度、应力状态2．金属塑性成形方法基本概念与基础知识锻造？自由锻？模锻？板料冲压？冲裁？落料？冲孔？变形工序？拉伸？弯曲？翻边？胀型？（1）自由锻基本工序：镦粗、拔长、冲孔各有何特点？自由锻工艺规程：锻件图（加工余量、锻造公差、余块）、锻造成形工艺方案、计算毛坯重量和尺寸、确定锻造温度范围、制订自由锻工艺规程卡。

第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。

2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。

3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。

4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。

5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。

6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。

7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。

8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。

9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。

10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。

11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。

12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。

13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。

14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。

15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。

16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。

17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。

18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。

20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。

21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。

22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。

工程材料与机械制造基础课程学习要点课程概述本课程主要介绍工程材料和机械制造基础知识，包括工程材料的基本性质、制备方式和应用，机械制造的基本工艺以及基础性能评价方法等。

工程材料基础工程材料基本性质工程材料的基本性质包括力学性能、物理性能、化学性能和其他性能等。

其中，力学性能包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等；物理性能包括热膨胀系数、热导率、电学性能等；化学性能包括腐蚀性、氧化性等；其他性能包括防腐性、耐磨性等。

工程材料制备方式工程材料的制备方式主要有铸造、轧制、锻造、粉末冶金、热喷涂、电化学沉积、半导体制备等。

其中，铸造是指将熔融金属或合金倒入模具中，在冷却固化后得到工件的过程；轧制是指用金属材料通过轧辊进行加工，制造成所需形状和尺寸的过程；锻造是指通过降低金属材料的临界变形温度，通过重复的变形操作来制造所需形状和尺寸的过程；粉末冶金则是指将金属粉末或非金属粉末的混合物通过压缩成型和高温烧结等过程制备成所需形状和尺寸的过程。

工程材料应用工程材料的应用非常广泛，包括航空航天、汽车制造、机械制造、建筑材料等领域。

目前，随着新材料、新工艺和新技术的出现，工程材料的应用范围越来越广泛。

机械制造基础机械加工基本工艺机械加工的基本工艺包括车削、钻削、铣削、磨削、锯割、切割、焊接、表面处理等。

其中，车削是指利用车床旋转切削工件，在不断移动的过程中加工出所需的形状和尺寸；钻削是指利用钻床旋转切削工件，在钻头不断向下穿过的过程中加工出所需孔径和深度；铣削是指将旋转的铣刀放置在工件上进行切削，加工出所需的形状和尺寸；磨削是指利用磨粒对工件进行切削和磨削，实现高精度的加工；锯割是指利用锯条对工件进行切割；切割是指利用激光、等离子等工艺对工件进行切割；焊接则是将两个或多个工件通过热能和压力连接在一起；表面处理则是对工件表面进行各种处理，包括喷涂、镀层、抛光等。

机械制造基础性能评价机械制造基础性能评价包括工件的精度、表面质量、尺寸稳定性等基本性能指标。

《工程材料及机械制造基础》第一篇工程材料第一章金属力学性能与结构１、什么是金属材料的力学性能？包括那些内容？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

２、拉伸实验可以测定那些性能？1、弹性强度（弹性极限）2、屈服强度（屈服极限）3、抗拉强度（强度极限）4、伸长率5、断面收缩率３、解释下列力学性能指标的含义：σb、σ、σ0.2、σ-1、δ、ψ、HBS、HBW、HBC。

sσb抗拉强度：指材料抗拉伸时断裂前承受的最大应力。

σs屈服强度：指材料产生屈服现象时的应力。

σ0.2：条件屈服强度。

σ-1疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。

δ伸长率：试样拉断后标距增长量ΔL与原长L。

ψ断面收缩率：试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。

HBS：用淬火钢球测量的布氏硬。

HBW：用硬质合金球测量的布氏硬。

HBC：使用顶角为120°的金刚石圆锥体试验的压头测量的洛氏硬度。

４、什么叫冲击韧性？冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

５、什么叫疲劳强度？疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。

６、有一紧固螺栓使用后发现有塑性变形，试分析材料的哪些性能指标达不到要求？σs屈服强度７、用含碳量0.45%的碳钢制造一种轴，零件图要求热处理后硬度达到220HBS~250HBS，实际热处理后测得硬度为22HRC，是否符合要求？８、选择下列材料的硬度测试方法？（1）调质钢；（2）手用钢锯条；（3）硬质合金刀片；（4）非铁金属；（5）铸铁件（1）调质钢——HRC；（2）手用钢锯条——HRA；（3）硬质合金刀片——HRA；（4）非铁金属——HRB、HBS；（5）铸铁件——HRS９、下列硬度标注方法是否正确？如何改正？（1）HBS210~HBS240；（2）450HBS~480HBS；（3）180HRC~210HRC；(4)HRC20~HRC25；(5)HBW150~HBW200 （1）210HBS~240HBS；（2）450HBS~480HBS；（3）180HBS~210HBS；(4) 20HRC~25HRC；(5) 150HBS~200HBS１０、断裂韧度与其他常规力学性能指标的根本区别是什么？断裂韧度是衡量材料中存在缺陷时的力学性能指标，而其他常规力学性能指标是将材料内部看成处处均匀时衡量材料力学性能的指标。

第一章机械加工基础一、名词解释：1．工艺过程：生产过程中为改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。

（P3）2．机械加工工艺过程：采用机械加工方法来改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。

（P3）3．工序：是一个或一组工人，在一个工作地点对同一个或同时对几个工件进行加工，所连续完成的那一部分工艺过程。

（P4）4．安装：工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。

（P4）5．工位：为了完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起，相对于刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置称为工位。

（P4）6．工步：在加工表面和加工工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序。

（P5）7．复合工步：用几件刀具或者用复合刀具同时加工同一工件上的几个表面，称为复合工步。

（P5）8．进给：在加工过程中，有些工步需要对同一表面进行多次切削，从被加工表面上每切下一层金属即称为一次进给。

(P5)9．生产纲领：企业在计划期内应生产的产品产量和进度计划称为生产纲领。

(P6)10．工艺规程：规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。

（P8）11．零件的结构工艺性：是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。

（P11）12．基准：用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。

（P14）13．设计基准：在设计图样上所采用的基准。

（P14）14．工艺基准：在工艺过程中所采用的基准称为工艺基准。

按照用途的不同可分为定位基准、测量基准、装配基准和工序基准。

15．工序基准：在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准。

（P15）16．定位基准：在加工时，为了保证工件被加工表面相对于机床和刀具之间的正确位置所使用的基准称为定位基准。

（P15）17．测量基准：测量时所采用的基准。

（P15）18．装配基准：装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。

⼯程材料及机械制造基础习题答案《⼯程材料及机械制造基础》习题参考答案第⼀章材料的种类与性能（P7）１、⾦属材料的使⽤性能包括哪些？⼒学性能、物理性能、化学性能等。

２、什么是⾦属的⼒学性能？它包括那些主要⼒学指标？⾦属材料的⼒学性能：⾦属材料在外⼒作⽤下所表现出来的与弹性和⾮弹性反应相关或涉及⼒与应变关系的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

３、⼀根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最⼤载荷为多少？断⾯收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛⽒硬度的测试原理。

以压头压⼊⾦属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

5、什么是蠕变和应⼒松弛？蠕变：⾦属在长时间恒温、恒应⼒作⽤下，发⽣缓慢塑性变形的现象。

应⼒松弛：承受弹性变形的零件，在⼯作过程中总变形量不变，但随时间的延长，⼯作应⼒逐渐衰减的现象。

6、⾦属腐蚀的⽅式主要有哪⼏种？⾦属防腐的⽅法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。

防腐⽅法：1）改变⾦属的化学成分；2）通过覆盖法将⾦属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。

第⼆章材料的组织结构（P26）1、简述⾦属三种典型结构的特点。

体⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的中⼼和每个顶⾓各有⼀个原⼦。

每个体⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：2个。

塑性较好。

⾯⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的8个顶⾓和6个⾯的中⼼各有⼀个原⼦。

每个⾯⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：4个。

塑性优于体⼼⽴⽅晶格的⾦属。

密排六⽅晶格：晶格属于六⽅棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项⾓上各有⼀个原⼦，两个端⾯的中⼼各有⼀个原⼦，晶胞内部有三个原⼦。

每个密排六⽅晶胞原⼦数为：6个，较脆2、⾦属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和⾯缺陷。

使⾦属抵抗塑性变形的能⼒提⾼，从⽽使⾦属强度、硬度提⾼，但防腐蚀能⼒下降。

3、合⾦元素在⾦属中存在的形式有哪⼏种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和⾦属化合物两种。