工程材料预成型技术.docx
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工程材料预成型技术
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《工程材料与成型技术》学习包
目 录
课程的任务和学习方法………………………………………………………………21.金属材料的性能……………………………………………………………1习题 ………………………………………………………………………………22.金属与合金的晶体结构与结晶……………………………………………3习题 ………………………………………………………………………………53.铁碳合金……………………………………………………………………6习题 ………………………………………………………………………………74.钢的热处理…………………………………………………………………8习题 ………………………………………………………………………………105.常用工程材料………………………………………………………………11习题 ………………………………………………………………………………136.铸造成形……………………………………………………………………14习题 ………………………………………………………………………………157.锻压成形……………………………………………………………………16习题 ………………………………………………………………………………178.焊接与胶结成形……………………………………………………………18习题 ………………………………………………………………………………219.机械零件材料及毛坯的选择与质量检验…………………………………22习题 ………………………………………………………………………………24习题答案 …………………………………………………………………………36
课程的任务
1
一、本课程的特点
1、本课程是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课。
2、本课程实践性很强，学生应积极认真地参加生产实习和实践，才能更有效地掌握本门课程的知识，以便为后续专业课程的学习和今后生产实践打下较好的基础。
二、本课程的任务
1、了解常用工程材料的种类、性能及改性方法，初步掌握其应用范围和选择原则。
2、掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。
3、了解零件的结构工艺性。
2
1金属材料的性能
一、学习目标
1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。
2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。
二、基本内容1、金属材料的性能1）使用性能
包括：
力学性能、物理性能、化学性能。
2）工艺性能
包括：
铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
2、载荷的概念
1）静载荷：
大小不变或变动很慢的载荷。
2）冲击载荷：
突然增加或消失的载荷。
3）疲劳载荷：
周期性的动载荷。
3、金属材料的力学性能各项指标的概念符号及表示方法应用条件和范围1）强度
概念：
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
符号表示：
屈服强度σs——材料产生屈服时的最小应力。
单位为Mpa。
抗拉强度σb——材料拉断前所承受的最大应力。
单位为Mpa。
应用条件和范围：
设计机械零件和选材的主要依据。
2）塑性
概念：
金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
符号表示：
断后伸长率δ——试样拉断后，标距长度的相对伸长率。
断面收缩率ψ——试样拉断后，试样截面积的相对收缩率。
应用条件和范围：
材料进行压力加工时选材的主要依据。
3）硬度
概念：
材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。
符号表示：
布氏硬度HB
1
洛氏硬度HR
应用条件和范围：
布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质的钢材等材料。
HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。
洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。
HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。
4）冲击韧度
概念：
金属材料抵抗冲击载荷载荷作用而不破坏的能力。
符号表示：
冲击吸收功Ak。
冲击韧度ak。
应用条件和范围：
冲击韧度值一般只作为选材时的参考，不能作为计算依据。
材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量大时，主要取决于强度。
5）疲劳强度
概念：
金属材料在多次重复交变载荷作用下而不发生断裂的最大应力。
符号表示：
疲劳强度δ-1
应用条件和范围：
黑色金属循环周次10的7次方，有色金属和某些高强钢循环周次10的8次方。
三、本章重点
金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
四、习题一、填空题
1、金属的性能包括性能和（）性能。
2、材料的工艺性能包括、、（）、（）和。
3、填写下列力学性能指标的符号：
屈服点、洛氏硬度A标尺、抗拉强度、断后伸长率（）。
二、判断题
1、塑性变形随载荷的去除而消失。
2、当布氏硬度试验条件相同时，压痕直径愈小，金属的硬度愈低。
三、选择题
1、做疲劳实验时，试样承受的载荷是
2
A静载荷 B冲击载荷 C循环载荷2、金属的（）愈好，则其锻造性能愈好。
A强度 B塑性 C硬度四、名词解释
强度 硬度 塑性 冲击韧性 疲劳强度五、简答题
1、为什么疲劳断裂对机械零件危害最大？
如何提高零件的疲劳强度？
2金属与合金的晶体结构与结晶
一、学习目标
1、了解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。
2、掌握金属晶体的三种常见晶格类型：
面心立方、体心立方和密排六方晶格。
3、掌握实际金属点、线、面缺陷与金属力学性能的关系。
4、掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。
5、掌握合金的基本概念，了解固溶体和金属间化合物的概念。
6、了解二元合金相图的建立，了解合金结晶的过程。
二、基本内容
1、金属的晶体结构的基本知识1）晶格、晶胞的概念：
晶格：
用来描述原子在晶体中排列形式的假想的空间格架。
晶胞：
晶格中能代表晶体结构特征的最小组成几何单元。
2）金属晶体结构常见的三种晶格类型：
体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
3）金属的实际晶体结构：
实际金属的晶体结构是多晶体结构；实际金属的晶体结构内部存在晶体缺陷。
晶体缺陷包括：
点缺陷、线缺陷、面缺陷。
点缺陷即空位、间隙原子和置换原子；线缺陷即位错；面缺陷即晶界和亚晶界。
晶体缺陷会使金属内部晶格发生晶格畸变，产生内应力；金属的性能发生变化，强度、硬度增加。
晶
3
体缺陷是强化金属的手段之一
2、金属的结晶：
1）纯金属的结晶过程。
结晶的概念：
凝固时原子在物质内部做有规则排列。
过冷度：
金属实际结晶温度低于理论结晶温度的差值。
结晶过程：
液态金属结晶是不断生成晶核和晶核不断长大，直至完全结晶成固态的过程。
2）金属结晶后的晶粒大小。
晶粒大小对金属力学性能的影响：
细晶粒金属具有较高的强度和韧性。
细化晶粒的措施：
增大形核率，抑制长大速率。
常用方法有：
增加过冷度；变质处理；振动等。
3、合金的晶体结构1）合金的基本概念：
合金：
一种金属元素与其它金属元素和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。
组元：
组成合金的最基本的独立物质。
可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
相：
合金中具有同一聚集状态，同一种结构和性质的均匀组成部分。
组织：
用肉眼或借助显微镜观察到材料晶粒内部组成相的数量、形态、大小和分布状态。
2）合金的组织：
固溶体：
合金液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相。
占主要地位的元素叫溶剂，被溶解的元素叫溶质。
固溶体的晶格类型保持溶剂的晶格类型。
于溶质原子的融入，容剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加，导致金属的强度、硬度提高，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。
金属间化合物：
合金组员间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相，它的晶格类型和性能不同于任一组元。
金属间化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧性有所降低。
机械混合物：
两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质。
通过调整固溶体中容质含量和金属间化合物数量、大小、形态和分布状况，可以改变合金的力
4
学性能。
3）合金的结晶：
二元合金相图的建立：
相图是表示在极其缓慢冷却条件下合金系中各种合金状态与温度、成分之间的关系的简明图解。
它是通过实验方法建立。
二元合金相图的分析：
相图横坐标表示二元合金成分分数，纵坐标表示温度；特性点：
纯金属熔点；特性线：
液相线、固相线。
二元合金结晶过程：
液相线以上温度，合金为液相——到达液相线，合金开始结晶——液相线、固相线之间，合金液相、固相共存——到达固相线及一下，合金为固相。
三、本章重点1、金属的晶体结构。
2、合金的晶体结构。
四、习题一、填空题
1、晶体与非晶体的根本区别在于。
2、金属晶格常见的基本类型有、、三种。
3、实际金属的晶体缺陷有、、三种。
4、金属的晶粒愈细小，其强度，塑性、韧性。
二、判断题
1、无论是纯金属，还是合金，其结晶过程都是恒温过程。
2、金属结晶的过程是晶核形成和晶核长大的过程。
3、一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成的物质叫合金。
三、选择题
1、一般来说，细晶粒金属具有强度和韧性。
A较高的 B较低的 C中等的2、实际金属的结晶温度一般都理论结晶温度。
A高于 B低于 C等于四、名词解释
晶体 晶体缺陷 结晶 合金 固溶体 金属间化合物五、简答题
5
1、实际金属中存在的晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？
2、为什么希望得到细小晶粒组织？
如何细化晶粒？
3、金属的晶粒大小对其力学性能有何影响？
如何控制液态金属的结晶过程，以获得细小晶粒？
3铁碳合金
一、学习目标
1、熟悉铁碳合金的基本组织的特点。
2、熟悉铁碳相图中的相、特性点和特性线。
3、熟悉典型铁碳合金结晶过程和组织转变。
4、掌握含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。
二、基本内容1、铁碳合金基本组织1）纯铁的同素异构转变：
δ-Fe：
1394oС以上固态铁，体心立方晶格。
γ-Fe：
1394oС—912oС固态铁，面心立方晶格，。
α-Fe：
912oС以下固态铁，体心立方晶格。
2）铁碳合金基本组织：
铁素体：
碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。
力学性能：
塑性、韧性较好，强度、硬度低。
奥氏体：
碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。
力学性能：
有良好塑性，强度、硬度较低。
渗碳体：
是铁和碳组成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用符号Fe3C表示。
力学性能：
塑性、韧性几乎为零，硬度很高。
珠光体：
是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。
力学性能：
介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。
莱氏体：
1148oС—727oС时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；727oС及以下时为珠光体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld’表示。
力学性能：
与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。
6
2、铁碳合金相图1）相图分析：
铁碳合金相图中的相：
液相、δ铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体。
铁碳合金相图中的特性点：
C、E、P、S。
铁碳合金相图中的特性线：
ECF线、ES线、PSK线、GS线。
2）典型铁碳合金结晶过程和组织转变：
工业纯铁：
含碳量≤%，室温平衡组织F。
亚共析钢：
含碳量>%——%——%时，焊接性差。
2）碳素结构钢、低合金高强度结构钢的焊接：
低碳钢的焊接:
没有淬硬倾向，冷裂倾向小，，焊接性良好，焊前不需要预热。
手工电弧焊一般选用E4303（结422）和E4315（结427）焊条。
中碳钢的焊接:
淬硬倾向和冷裂倾向较大，焊前必需预热。
手工电弧焊一般选用E5015（结507）焊条。
低合金高强度结构钢的焊接：
淬硬倾向和冷裂倾向较小，焊接性较好，强度级别低的焊前不需要预热，强度级别高的焊前需要预热。
手工电弧焊一般按同强度级别选用焊条。
5、焊接结构工艺性1）焊接接头设计：
接头形式有对接、搭接、角接、T形接四种。
薄板焊接有各种卷边接头形式。
2）焊缝布置：
焊缝布置尽可能分散、应避开应力集中部位、布置应尽可能对称、应便于操作、应尽量减少焊缝长度和数量、应尽量避开机械加工表面。
3）坡口形式设计：
电弧焊常用的基本坡口形式有I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口等四种。
三、本章重点
1、常用焊接方法的过程、特点和应用。
2、结构钢焊条的选用。
四、习题
21
一、填空题
1、焊接的实质是被连接的焊件形成间的结合。
2、按焊接过程特点，可将焊接分为、、三种焊接方法。
3、焊接接头中性能最差的部位是区和区。
4、酸性焊条常应用于焊接结构；碱性焊条常应用于焊接结构。
二、判断题
1、钢中的碳和合金元素对钢的焊接性的影响是不同的，合金元素的影响最大。
2、焊接热裂纹的产生主要跟硫、磷等杂质太多有关。
3、焊接冷裂纹的产生主要跟含氢量的多少有关。
三、选择题
1、下列材料中，的焊接性能最好，的焊接性能最差。
A20 BT10A C45
2、在手工电弧焊中，低碳钢的焊接一般选用焊条，中碳钢的焊接一般选用焊条。
AH08A BE4315（结427） CE5015（结507）3、低碳钢焊前一般预热，低温焊厚板时预热；中碳钢焊前预热。
A需要 B不需要 C必须四、名词解释碳当量五、简答题
1、焊芯的作用是什么？
其化学成分有何特点？
2、焊条药皮有哪些作用？
3、下图中手工电弧焊焊件结构工艺性不好，说明原因，画出正确图形。
22
4、低碳钢焊接接头哪些区域组成？
其中最薄弱环节是那个区域？
组织和性能最好的是那个区域？
为什么？
5、阐述产生焊接应力和变形的原因。
如何防止和减小焊接变形？
9机械零件材料及毛坯的选择
一、学习目标
1、了解机械零件失效的主要形式和原因。
2、了解机械零件材料选择的一般原则。
3、掌握典型零件选材及工艺路线。
4、掌握常用毛坯加工方法的特点及应用。
5、掌握典型零件毛坯的选择。
二、基本内容1、机械零件的失效1）：
零件失效的主要形式：
过量变形失效、断裂失效、表面损伤失效、裂纹失效。
2）零件失效的原因：
结构设计不合理、材料选取不当、加工工艺问题、适用维护不当。
2、机械零件材料选择的一般原则
在满足使用性能要求的前提下，尽量选用工艺性能和经济性良好的材料。
3、典型零件选材及工艺路线1）齿轮类零件选材及工艺路线：
常用齿轮材料：
重要用途中载齿轮用中碳钢或中碳合金钢锻制；高速耐冲击重载齿轮用低碳钢或低碳合金钢锻制；低速无冲击轻载精度底齿轮用铸铁制造；直径大形状复杂齿轮用铸钢制造。
汽车、拖拉机齿轮选材及工艺路线：
材料20CrMnTi；工艺路线为：
下料→锻造→正火→切削加工→渗碳淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→精磨齿
机床齿轮选材及工艺路线：
材料40Cr或45；工艺路线为：
下料→锻造→正火→粗切削加工→调质→半精加工→高频淬火、低温回火→磨削
2）轴类零件选材及工艺路线：
23
常用材料：
重要用途轴一般用中碳钢或中碳合金钢锻制；高速大功率内燃机曲轴用合金调质钢锻制；中、小型内燃机曲轴用球墨铸铁或45刚。
机床主轴选材及工艺路线：
材料40Cr或45；工艺路线为：
下料→锻造→正火→粗切削加工→调质→半精加工→局部淬火、回火→粗磨→铣花键→花键高频淬火、回火→精磨削
球墨铸铁曲轴工艺路线：
铸造→高温正火→高温回火→机械加工→轴颈表面淬火、自热回火→磨削
4、常用毛坯加工方法的特点及应用1）毛坯的种类：
机械零件常用毛坯种类有铸件、锻件、焊接件、冲压件和型材等。
2）常用毛坯加工方法的特点及应用：
常用毛坯加工方法有铸造、锻压、冲压、焊接、型材等。
3）毛坯选择的原则：
在满足使用性能要求的前提下，尽量降低生产成本和提高生产效率。
4）典型机械零件毛坯的选择：
轴杆类零件：
承受弯矩、传递扭矩、要求具有高的力学性能的轴杆类零件，多采用锻件；结构复杂、受力不大的凸轮轴、曲轴等，可采用球墨铸铁铸造；承受弯矩和传递扭矩很小、力学性能要求不高的轴杆类零件，多采用型材；某些情况可采用铸-焊、锻-焊结合方式制造。
盘套类零件：
重要用途的齿轮，选用锻件；直径较大、形状复杂的齿轮，可用碳钢或球墨铸铁铸造；低速轻载、不受冲击的齿轮，可用灰铸铁铸造。
机架、箱体类零件：
箱体类零件大多选用铸铁铸造；承载较大的箱体可用铸钢；要求重量轻、散热好的箱体，可采用铝合金铸造；单件小批生产时，可采用钢材焊接而成。
三、本章重点1、典型零件选材。
2、常用毛坯加工方法的特点及应用。
3、典型零件毛坯的选择。
四、习题一、填空题
24
1、零件失效的主要形式有失效，失效，失效，失效四种类型。
2、机械零件常用毛坯种类有、、、、。
二、判断题
1、齿轮类零件、轴类零件最好用锻钢制作。
2、箱体类零件单件小批生产时，可采用钢材焊接而成。
三、选择题
1、选择下列零件材料：
箱盖，齿轮轴，螺栓。
A45 BQ235 CHT200
2、选择下列零件毛坯类型：
箱体，受冲击齿轮，垫圈。
A铸件 B锻件 C冲压件四、简答题
1、简述汽车齿轮的选材与工艺路线。
2、简述C616机床主轴的选材与工艺路线。
习题答案
第1部分
一、填空题
1、使用 工艺
2、铸造 锻造 焊接 切削加工 热处理3、σs HRA σb δ二、判断题
1、ⅹ 2、ⅹ √
三、选择题1、C 2、B四、名词解释
强度——金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
25
硬度——材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。
塑性——金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
疲劳强度——材料经无数次交变载荷作用而不发生断裂的最大应力。
五、简答题
1、为什么疲劳断裂对机械零件危害最大？
如何提高零件的疲劳强度？
答：
在交变载荷作用下，零件所受应力远低于屈服点，但在长期使用中往往会突然发生断裂，对零件造成最大危害。
金属产生疲劳和材料内部缺陷、表面质量、残余应力及能引起应力集中的因素有关。
为了提高零件的疲劳强度，应改善结构设计，避免应力集中；提高工艺水平，减少内部缺陷；降低表面粗糙度和强化表面，提高表面质量。
第2部分
一、填空题
1、原子是否有序排列
2、体心立方 面心立方 密排六方3、点缺陷 线缺陷 面缺陷4、愈高 愈好二、判断题
1、ⅹ 2、√ 3、ⅹ
三、选择题1、A 2、B四、名词解释
晶体——固态下原子在物质内部作有规则的排列的结构。
晶体缺陷——在金属晶体中，于其他因素影响使原子排列在局部受到破坏的形态。
结晶——物质液态转变为固态的过程是原子有序排列的凝固过程。
合金——一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结
合成具有金属特性的物质。
固溶体——合金液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成一种保持占
主要地位元素的晶格类型的物质。
26
金属间化合物——合金组元间发生相互作用而形成具有金属特性，晶格类型完全不
同于任一组元的物质。
五、简答题
1、实际金属中存在的晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？
答：
实际金属中存在的晶体缺陷中的点缺陷使晶格发生畸变，使金属内产生内应力，晶体性能发生变化，强度、硬度增加；线缺陷表现为位错密度增加，使强度得到提高；面缺陷指晶界和亚晶界原子无规则排列，能量较高，常温下有较高的强度和硬度。
2、为什么希望得到细小晶粒组织？
如何细化晶粒？
答：
金属结晶后晶粒大小对金属的力学性能有重大影响，一般来说细晶粒金属具有较高的强度和韧性，所以希望得到细小晶粒。
凡能促进形核率，抑制长大速率，均能细化晶粒。
常用以下方法：
增大过冷度；变质处理；都能增加形核率。
此外，震动、搅拌等使枝晶破碎，也可增加形核数量，达到细化晶粒。
第3部分
一、填空题
1、F A Fe3C P2、工业纯铁 钢 白口铸铁
3、含碳%～% 含碳% 含碳%～%二、判断题
1、ⅹ 2、√ 3、√
三、选择题
1、A 2、B 3、A四、名词解释
同素异构转变——金属在固态下晶格类型随温度或压力变化的特性。
铁素体——碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体。
奥氏体——碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体。
渗碳体——铁和碳组成的具有复杂斜方晶格结构的间隙化合物。
五、简答题
1、简述含碳量对钢的组织和力学性能影响。
27
答：
随着钢中含碳量的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加，于形成条件不同，渗碳体形态和分布有所变化。
于铁素体不断减少，渗碳体不断增加，钢的硬度、强度增加，而塑性和韧性下降。
但当含碳量大于%以后，强度开始明显下降。
第4部分
一、填空题
1、退火 正火 淬火 回火2、加热 保温 冷却
3、单液 双液 马氏体分级 贝氏体等温4、低温 中温 高温5、感应加热 火焰加热二、判断题
1、ⅹ 2、ⅹ 3、√ 4、√ 5、√
三、选择题
1、A 2、B 3、ABC 4、A 5、ABC 6、C四、名词解释
热处理——将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所
需要性能的一种工艺方法。
淬硬性——钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度。
淬透性——在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。
化学热处理——是将工件至于一定温度的活性介质中，将一种或几种元素渗入它的
表层，与改变其表层化学成分、组织、性能的热处理工艺。
五、简答题
1、退火的目的是什么？
答：
细化组织，降低硬度，提高塑性，消除偏析，消除残余应力，组织均匀化。
2、工件淬火后为什么要及时回火？
答：
工件淬火后通常获得马氏体组织，这种组织不稳定，存在很大内应力，会引起工件发生变形甚至开裂，通过回火可以消除应力，稳定尺寸，获得需要的性能。
所以，淬火后必须及时回火。
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3、什么是表面淬火？
其目的是什么？
答：
仅对
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