机械制造基础教案全套.docx

1、机械制造基础教案全套机械制造基础教 案第一讲 绪论课 题：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法课题形式：讲授、两课时教学目的：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法2、讲解机械制造一般过程概述教学要求：1、理解机械制造的一般过程2、明确本课程的研究对象、内容、方法教学重点：1、机械制造的一般过程教学难点：1、机械制造的一般过程教 具：多媒体图片教学方法：多媒体讲解、课堂提问教学过程：一、案例导入：本课程题目为机械制造基础，因此我们研究的内容都是围绕机械制造过程展开的。那么到底机械制造过程有哪些呢？二、教学内容：1.本课程学习意义熟悉各种工程材料性能，合理选择材料；初步掌握和选用毛坯或零件的成形方

2、法及机械零件表面加工方法；选用公差配合了解工艺规程制订的原则与方法扩大知识面（特种加工技术、先进制造技术）2.本课程知识体系“工程材料”部分：以剖析铁碳合金的金相组织为基础，以介绍工程材料的性质和合理选材为重点；热加工工艺基础：“铸造”、“锻压”、“焊接”，认识这些加工方法的用途和实现方法；互换性与测量技术：理解公差配合概念与选用；机械加工工艺基础：“毛坯选择”、“金属切削加工技术”、“机械零件表面加工技术”、“机械加工工艺规程编制”特殊加工与先进制造技术：了解用途与应用场合3.学习方法总结归纳各章节学习目的，形成完整知识体系（宏观）突出各章重点与细节，加深对知识点的深入认识（微观）在相关生产

3、实习过程中，遇到实际问题，结合课本知识，继续自学4.机械制造的概念 将原材料（毛坯）和相关辅料转变成为成品（机械零件）的过程5.机械制造主要过程技术准备 毛坯制造 零件加工 产品检验和装配产品检验和装配（1）技术准备阶段制订工艺规程原材料选则与供应刀具、夹具、量具的配备热处理设备和检测仪器的准备（2）毛坯制造阶段方法多种，常见的有铸造、锻压、焊接和型材铸造：金属液态成形，各种尺寸、形状复杂的毛坯或零件。（适应性广、成本低廉）锻压：用外力对金属坯料施压使其产生塑性变形（锻造与冲压，改善金属的力学性能，生产效率高、节省材料）焊接：相互分离的金属材料借助于原子间的结合力连接起来。（连接性好、省工省材

4、料、结构重要轻）型材：直接从型材厂购买（3）零件加工阶段金属切削加工是主要加工手段。（车、铣、钻、镗、磨、刨、插、拉 ）等特种加工应用日趋广泛（电火花、电解、超声波、激光、电子束、离子束、等离子弧、化学等等）选择原则：零件批量、精度、表面粗糙度、技术实现方式，价格成本等等综合考虑（4）产品检验和装配零件检验目的：使零件加工误差在允许范围内零件检验对象：一般场合，工序、加工过程中的尺寸变化、加工完成后几何形状误差；在要求高的场合（重载、高压、高温、可靠性要求很高）内部性能（缺陷检验、力学性能、金相组织检验）装配：遵守严格的装配规范。三、小结：1、讲解本课程研究的对象、内容、方法2、讲解机械制造一

5、般过程概述a)技术准备 b)毛坯制造 c)零件加工 d)产品检验和装配产品检验和装配四、作业：预习第一章 工程材料第二讲 金属的力学性能1.1金属的力学性能课 题：1、金属的力学性能指标及测量方法课题形式：讲授、两课时教学目的：1、讲解金属的力学性能指标及测量方法教学要求：1、掌握金属的力学性能指标及测量方法教学重点：1、强度指标的定义与分类2、硬度指标的定义与分类教学难点：1、金属的各力学指标的概念、测量方法教 具：多媒体图片、表格教学方法：多媒体讲解教学过程：一、案例导入：在绪论部分的讲解中，我们已经明确了本课程的研究对象机械制造过程。在进行机械制造时，首先进入技术准备阶段。在技术技术准备

6、中，要完成相关的工作。这些工作中，有一项是非常重要的，那就是选择材料。那么怎么选择材料呢？首先得研究常见的材料的性质，只有掌握了材料的特征性质才能顺利进行选材。那么材料的性质有哪些呢？二、教学内容：1. 金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。其中，工艺性能是指制造过程中表现出的性能，包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能。使用性能是指在使用过程中表现出来的性能。物理性能有熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性等。物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。本章节主要研究的是力学性能对工艺性能的影响。金属材料的力学性能是指金属材料在

7、外力作用下所反映出来的性能。常见的指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。1.2.1 强度1拉伸试验2力一伸长曲线 3弹性与塑性1)弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性（OP直线）。2)弹性变形 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。3)塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性（PE曲线）。4)塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。4强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。屈服强度Re、抗拉强度Rm1)屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值

8、称为屈服点(S点)，用符号Re 表示。Re =Fs/Ao 式中 Fs试样发生屈服时的载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（mm2）。工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点，按GB/T2228规定，可用条件屈服强度Rr0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即 r0.2=F0.2/Ao 式中 F0.2试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）； Ao试样的原始横截面积（mm2）。2)抗拉强度金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号Rm表示。 R m=Fb/Ao

9、式中 Fb试样在断裂前所承受的载荷（N）； Ao试样原始横截面积（mm2）。1.1.2 塑性金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。通过拉伸试验可测定材料的塑性。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 =(L1-L0)/L0 =(F0-F1)/F01.1.3 硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。 1布氏硬度（1）布氏硬度试验原理式中 F试验力（N）；d压痕平均直径（mm）；D硬质合金球直径（mm）（2）选择试验规范 根据被测金属材料的

10、种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表11所列的布氏硬变试验规范正确选择 。（3）试验的优缺点优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。（4）应用布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。2洛氏硬度（1）洛氏硬度测量原理洛氏硬度HR=K-h/s式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。（2）常用洛氏硬度标尺及适用范围 （3）试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出

11、硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值 3维氏硬度（1）试验原理维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。HV=0.1022FSin1360/2/d2=0.189F/d2 式中 F作用在压头上试验力（N）；d压痕两对角线长度的平均值（mm）。 （2）常用试验力及其适用范围维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03N、98.

12、07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。 维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。（3）试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。1.1.4 冲击韧度1冲击试验方法与原理 一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行 。试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m的摆锤抬到高

13、H，使摆锤具有位能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHgmhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H-h) 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2. aK=AK/SN2冲击试验的实际意义（1）韧脆转变温度材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁

14、、输送管道尤为重要。 （2）衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。 1.1.5 疲劳强度1疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。 2疲劳曲线与疲劳极限 试验证明，金属材料所受最大交变应力Rmax 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力Rmax 与疲劳寿命N的关

15、系曲线称疲劳曲线或SN曲线。工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号R-1表示。 3提高材料疲劳极限的途径a）.设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。b）.材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。c）.机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。d）.零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。补充： 断裂韧度金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。 三、小结学习

16、了金属的力学性能指标，包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度四、布置作业习题：1、2第三讲 金属的晶体结构与结晶1.2铁碳合金课 题：1、金属的晶体结构与结晶课题形式：讲授、两课时教学目的：1、讲解金属的晶体结构与结晶教学要求：1、掌握晶体的结构、特性，常见金属的晶体结构2、区别单晶体与多晶体的结构、性能差异，理解晶体缺陷对金属性能的影响3、掌握金属的结晶过程，细化晶粒的常见方法教学重点：1、金属晶体的结构对金属性能的影响2、细化晶粒的目的与常见方法教学难点：1、金属晶体的结构对金属性能的影响2、细化晶粒的目的与常见方法教 具：多媒体图片教学方法：多媒体讲解教学过程：一、案例导入

17、：上一讲，已对金属材料的力学性能，及其常见指标，进行了讲解（提问，哪些常见力学性能指标？）。那么这些描述金属材料的指标，是由什么影响和决定的呢？在这讲中，将对材料本身的结构上，进行研究和讲解，从而揭示出影响材料性能的原因。并从这些影响因素出发，通过工艺方法，改善及强化材料的性能。二、教学内容：1.晶体的基本概念（1）、晶体按原子内部堆积规则，将固态物质，分为晶体和非晶体。晶体中的原子或分子，在空间排布时，按照一定的几何规则作周期性的重复排列。晶体特性：具有一定熔点且呈各向异性。哪些物质是晶体呢？（自然界除了玻璃、松香、石蜡等，都是晶体）（2）、晶格、晶胞、晶格常数（在PPT中，通过与图片讲解。

18、）晶格：将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架称为晶格。晶胞：由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，且由最少数原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞。晶格常数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数。a,b,c;,2.常见金属的晶体结构（在PPT中，结构通过与图片讲解。）a.体心立方晶格 -铁、铬、钼、钨、钒b.面心立方晶格 -铁、铜、铝、镍等c.密排六方晶格 铍、镁、锌、镉等3.金属的实际晶体结构(1)单晶体和多晶体概念单晶体：晶体内的晶格位向完全一致的晶

19、体。多晶体：由多晶粒组成的实际晶体结构。而实际的金属晶体是由许多不同方位的晶粒所组成。晶粒与晶粒这间的界面称为晶界。课堂提问：多晶体有没有各向异性的特性呢？实际金属结构金属的结构特点：是晶体；是多晶体；晶体内部有缺陷(2)晶体缺陷（a）点缺陷：点缺陷的存在使金属能够比较容易的发生扩散现象（b）线缺陷-位错：位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。（c）面缺陷：面缺陷的存在使金属的强度提高4金属的结晶（1）、纯金属结晶的条件结晶的概念理论结晶温度与实际结晶温度：过冷度T金属结晶的必要条件：一定的过冷度（2）、纯金属结晶的规律金属的结晶过程形核与长大过程枝晶形成的原因：优先长大方向；金属不纯净；

20、散热不均匀。（3）晶粒大小与金属力学性能的关系实际金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织。在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能影响很大。1）冷却速度：冷却速度过冷度形核率晶粒度2）变质处理：人工晶核晶粒度3）附加震动：枝晶数量晶粒度三、总结学习了金属的晶体结构与结晶过程，细化晶粒的原因、目的、方法四、布置作业习题：5；6；7第四讲 合金的晶体结构与铁碳合金相图1.2铁碳合金课 题：1、合金的晶体结构2、铁碳合金相图课题形式：讲授、两课时教学目的：1、讲解合金的晶体结构2、讲解铁碳合金相图教学要求：1、掌握合金的晶体结构中的基本相结构2、掌握铁碳合金相图画法及应用3、掌握碳的质量分数对铁碳合金

21、组织、性能的影响教学重点：1、铁碳合金相图画法及应用2、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响教学难点：1、铁碳合金相图画法及应用2、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响教 具：多媒体图片教学方法：多媒体讲解教学过程：四、案例导入：上一讲，已对金属的晶体结构与结晶，进行讲解，重点讲解了金属晶体的结构对金属性能的影响，并在此基础上讲解了细化晶粒的目的与常见方法（提问细化晶粒的目的与常见方法？）。那么常见的合金的晶体结构与结晶过程又是怎么样的呢？首先对合金的晶体结构中的基本相结构进行讲解，然后以常见的铁碳合金的结晶过程进行讲解，得出铁碳合金中碳含量对铁碳合金性能的影响。五、教学内容：1.2.2

22、合金的晶体结构合金的基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特征的物质。 组元：组成合金的基本的物质叫组元。 相：在合金中具有相同成分、相同结构、相同性质的均匀部分，并与其它相有明显界面之分。 组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形态结构。 1.固溶体固态合金中的相，按其组元原子的存在方式可分为固溶体和金属化合物两大基本类型 固溶体性能：晶格畸变，金属的强度，硬度很高。固溶强化2、金属化合物 金属化合物性能：复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，而脆性大。弥散强化1.2.3 铁碳合金相图1.纯铁同素异构转变：同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结

23、构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变。（以纯铁的冷却曲线，讲解该过程。）2.铁碳全合金的基本组织 （以表1.2.3讲解）a）液相。铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称液相，用符号L表示。b)铁素体。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。用符号F表示。碳在-Fe中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。c)奥氏体。 碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。（塑性较高、硬度较小，适合锻造）d）渗碳体： 渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，渗碳体既是组元，又是基本相。其硬度很高，塑性韧性几乎为零

24、。 e）珠光体： 用符号P表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。介于F与Fe3C之间。f）莱氏体：用符号Ld表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。硬度很高，塑性，韧性很差3.铁碳合金相图分析 （1）简化的Fe- Fe3C相图分析 特性点符号温度/c（%）含义A15380熔点：纯铁的熔点C11484.3共晶点：发生共晶转变L4.3Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔点：渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度点G9120同素异构转变点S7270.77共析点：发生共析转变A0.77%p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在-Fe中的最

25、大溶解度点Q室温0.0008室温下碳在-Fe中的溶解度主要特性线 （1）AC线 液体向奥氏体转变的开始线。即：LA。（2）CD线 液体向渗碳体转变的开始线。即：LFe3C。 ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。（3）AE线 液体向奥氏体转变的终了线。（4）ECF水平线 共晶线。AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5）ES线 又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：LFe3C。（6）GS线 又称A3线，（7）GP线 奥氏体向铁素体转变的终了线。（8）PSK水平线 共析线（727），又称A1线。（9）PQ线 碳在铁素体

26、中的溶解度曲线。（2）铁碳合金的分类根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：1）工业纯铁 c0.0218%。2）钢 0.0218%c2.11%，又可分为： 亚共析钢 0.0218%c0.77%； 共析钢 c=0.77%； 过共析钢 0.77%c2.11%。3）白口铸铁 2.11%c6.69%，又可分为以下三种： 亚共晶白口铸铁 2.11%c4.3% 共晶白口铸铁 c=4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%c6.69%4.典型铁碳合金的结晶过程及组织以下6种组织结晶过程转变，参考铁碳合金相图，自上而下，画垂线，则可得出相应组织。a.亚共析钢的结晶过程； b.共析钢的结晶过程分析； c.过

27、共析钢的结晶过程分析 ； d.亚共晶白口铸铁的结晶过程； e.共晶白口铸铁的结晶过程； f.过共晶白口铸铁的结晶过程课堂提问：亚共晶白口铸铁的结晶过程及组织转变有哪些？5.碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响（1）铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类含碳量逐渐增加，Fe3C大小、形态和分布变化：F+Fe3CIIIFe3C位于晶界，细小的薄片）F+PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）P Fe3CIIFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状PFe3CIILdFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）Fe3C作为莱

28、氏体的基体LdFe3C作为莱氏体的基体Ld +Fe3CIFe3C为粗大长片状 Fe3C作为莱氏体的基体(2)含碳量对力学性能的影响（图1.2.9 含碳量对钢的力学性能的影响）铁素体(F)：软而韧 渗碳体(Fe3C):硬而脆a.含碳量增加，硬度增加b.含碳量增加，塑性韧性降低c.含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）(3)含碳量对工艺性能的影响1）切削加工性:中碳钢好；低碳钢(F多，塑性好，易粘刀)差；高碳钢（Fe3C多，磨损严重）差2）锻造性:低碳钢好（ F多，塑性好），含碳量越大，越差。白口铸铁，不能锻造（ Fe3C ，脆）3）铸造性：液相线与固相线的水平距离与垂直距离。距离越大，越差。低

29、碳钢，液相线与固相线距离随小，但液相线温度高，过热度小，流动性差。随含碳量增大，变差。但到了共晶成分附近的铸铁，流动性好，铸造性又变好了。4）焊接性：含碳量增大，焊接性变差。6.FeFe3C相图的应用(1)为选材提供成分依据Fe- Fe3C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢（c =0.1%0.25%）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢（c =0.25%0.65%）；制造各种切削工具、模具及量具时，需

30、要高的硬度、而耐磨性，可选用高碳钢（c =0.77%1.44%）。对于形状复杂的箱体、机器底座等，选用熔点低、流动性好的铸铁材料。（2）制定加工工艺方面的应用a）在铸造生产上的应用由Fe- Fe3C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。 b).在锻压生产上的应用 钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100