【正文】 工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)課程作者：日期：課程名稱 ：工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)總學(xué)時 ： 64/48學(xué)時 (理論學(xué)時56/40)適用專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程/汽車服務(wù)工程一、課程的性質(zhì)與任務(wù)《工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)》是研究機械零件的材料、性能及成形方法的綜合性課程，是高等工科師范院校機械工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括工程材料和成形技術(shù)基礎(chǔ)兩部分。本課程是在修完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理（含實驗）和機械制圖等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的。其任務(wù)是使學(xué)生掌握工程材料及成形技術(shù)的基本知識，為后繼學(xué)習(xí)機械設(shè)計、模具制造工藝、先進(jìn)制造技術(shù)和畢業(yè)設(shè)計等課程，培養(yǎng)專業(yè)核心能力；為今后從事職業(yè)學(xué)校機械類專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)，奠定必要的專業(yè)基礎(chǔ)。本課程教學(xué)開設(shè)了實驗教學(xué)。通過實驗教學(xué)，在鞏固和驗證課程的基本理論知識的同時，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，著重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力。二、課程教學(xué)基本要求獲得有關(guān)材料學(xué)的基本理論與工程材料的一般知識，掌握常用工程材料的成分、熱加工工藝與組織、性能及應(yīng)用之間的相互關(guān)系，熟悉常用工程材料的種類、牌號與特點，使學(xué)生具備合理選用工程材料、熱處理方法、妥善安排熱處理工藝路線的基本能力。初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理與工藝特點，獲得具有初步選擇常用工程材料、成形方法的能力和進(jìn)行工藝分析的能力。具有綜合運用工藝知識，初步分析零件結(jié)構(gòu)工藝性的能力。初步了解新材料、新技術(shù)、新工藝的特點和應(yīng)用。四、本課程的教學(xué)內(nèi)容 緒 論一、材料科學(xué)的發(fā)展與地位：材料科學(xué)的發(fā)展通常是和人類文明聯(lián)系在一起的。古代文明：人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器 ；新石器時代(公元前6000年～公元前5000年)燒制成陶器；東漢時期發(fā)明了瓷器；到了西漢時期, 煉鐵技術(shù)又有了很大的提高，采用煤作為煉鐵的燃料，這要比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑?？梢姰?dāng)年生產(chǎn)規(guī)模之壯觀。 三次產(chǎn)業(yè)革命：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展是以新材料的發(fā)現(xiàn)為依托的。如：半導(dǎo)體材料等。知識經(jīng)濟(jì)時代：進(jìn)入21世紀(jì)，被稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)四大支柱領(lǐng)域的材料、信息、能源和生物工程得到了前所未有的重視和發(fā)展。材料作為人類生產(chǎn)和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，占有十分重要的地位。我國在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果：航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動航空、航天材料的發(fā)展。 飛船 運載火箭 衛(wèi)星殲10戰(zhàn)斗機 北京奧運會主會場“鳥巢”結(jié)構(gòu)設(shè)計奇特新穎，鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到343米。如果使用普通鋼材，厚度至少要達(dá)到220毫米。這樣一來，“鳥巢”鋼材重量將超過8萬噸。從工程的實際需求出發(fā)，Q460是最好的選擇。 －－低合金高強度鋼 。二、材料分類： 材料按工業(yè)工程來分類：機械工程材料，土建工程材料，電子材料等等；本課程主要涉及的是機械工程材料三、金屬材料及其學(xué)習(xí)方法金屬材料的性能均其化學(xué)成分、顯微組織及加工工藝之間的關(guān)系． 四、這門課的主要內(nèi)容： 工程材料：金屬材料（主要）、非金屬材料（次要） 主線：性能與化學(xué)成分、組織和熱處理工藝之間關(guān)系 成型技術(shù)：鑄、鍛、焊；非金屬材料實驗： 性能測試、材料熱處理 第一章 工程材料結(jié)構(gòu)與性能 材料原子(或分子)的相互作用 各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。一般可把結(jié)合鍵分為離子鍵、共價健、金屬鍵和分子鍵四種。一、離子鍵當(dāng)周期表中相隔較遠(yuǎn)的正電性元素原子和負(fù)電性元素原子接觸時，前者失去最外層價電子變成帶正電荷的正離子，后者獲得電子變成帶負(fù)電荷的滿殼層負(fù)離子。正離子和負(fù)離子由靜電引力相互吸引；同時當(dāng)它們十分接近時發(fā)生排斥，引力和斥力相等即形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、CaO、Al2O3等由離子鍵組成。離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系統(tǒng)小，都是良好的絕緣體。在離子鍵結(jié)合中，由于離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是無色透明的。二、共價鍵處于周期表中間位置的三、四、五價元素，原子既可能獲得電子變?yōu)樨?fù)離子，也可能丟失電子變?yōu)檎x子。當(dāng)這些元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合。這種由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。最具有代表性的共價晶體為金剛石。金剛石由碳原子組成，每個碳原子貢獻(xiàn)出4個價電子與周圍的4個碳原子共有，形成4個共價鍵，構(gòu)成正四面體：一個碳原子在中心，與它共價的另外4個碳原子在4個頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價晶體。屬于共價晶體的還有SiC、Si3NBN等化合物。三、金屬鍵周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在滿殼層外有一個或幾個價電子。原子很容易丟失其價電子而成為正離子。被丟失的價電子不為某個或某兩個原子所專有或共有，而是為全體原子所公有。這些公有化的電子叫做自由電子，它們在正離子之間自由運動，形成所謂電子氣。正離子在三維空間或電子氣中呈高度對稱的規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。在金屬晶體中，價電子彌漫在整個體積內(nèi)，所有的金屬離子皆處于相同的環(huán)境之中，全部離子(或原子)均可被看成是具有一定體積的圓球，所以金屬鍵無所謂飽和性和方向性。 金屬由金屬鍵結(jié)合，因此金屬具有下列特性：1. 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬中有大量自由電子存在，當(dāng)金屬的兩端存在電勢差或外加電場時，電子可以定向地流動，使金屬表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性。金屬的導(dǎo)熱性很好，一是由于自由電子的活動性很強，二是依靠金屬離子振動的作用而導(dǎo)熱。2. 正的電阻溫度系數(shù)。 即隨溫度升高電阻增大。絕大多數(shù)金屬具有超導(dǎo)性，即在溫度接近于絕對零度時電阻突然下降，趨近于零。3. 不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。 金屬中的自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。4. 良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。 金屬鍵沒有方向性，原子間也沒有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置的相對移動時，結(jié)合鍵不會遭到破壞。四、分子鍵原子或分子之間是靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個氫原子可同時和兩個與電子親合能力大的、半徑較小的原子(如F、O、N等)相結(jié)合, 形成所謂氫鍵。氫健是一種較強的、有方向性的范特瓦爾斯鍵。其產(chǎn)生的原因是由于氫原子與某一原子形成共價健時，共有電子向那個原子強烈偏移，使氫原子幾乎變成一半徑很小的帶正電荷的核， 因而它還可以與另一個原子相吸引。 晶體材料的原子排列 理想晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)：（1） 體心立方晶格： 純鐵（912度以下）Cr、M。、W、V、K等。（2）面心立方晶格Cu、AAu、（3） 排六方晶格?Be、Mg、Zn 實際晶體結(jié)構(gòu)1． 單晶體與多晶體單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為“單晶體”： 單晶體具有各向異性多晶體：實際金屬結(jié)構(gòu)是有許多單晶體組成：晶粒。多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為多晶體。多晶體呈現(xiàn)各向同性2．晶體缺陷(I)點缺陷：間隙原子；置換原子；(2)線缺陷：即位錯，在晶體中，有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 (3)面缺陷：金屬中的晶界和亞晶界 合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金的相、組織及其關(guān)系相是指合金中具有相同的物理、化學(xué)性能，并與其余部分以界面分開的物質(zhì)部分固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物組織：將一小塊金屬材料用金相砂紙磨光后進(jìn)行拋光, 然后用侵蝕劑侵蝕, 即獲得一塊金相樣品。在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織(簡稱組織)。是合金的微觀形態(tài)。 固溶體置換固溶體 間隙固溶體 金屬間化合物：金屬化合物一般熔點較高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金屬化合物時, 強度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韌性降低 。 Fe3C是鋼鐵中的一種重要的間隙化合物，又稱為滲碳體．具有復(fù)雜的斜方晶格，它作為強化相對鋼鐵材料的性能有重大的影響。 合金性能實際金屬的強化機制 1 固溶體與固溶強化－－－－點缺陷2位錯強化－－－－－－－－ 線缺陷3細(xì)晶強化－－－－－－－－ 面缺陷4化合物與第二相強化－－－ 體缺陷 高聚物的結(jié)構(gòu) 大分子鏈的結(jié)構(gòu)線型結(jié)構(gòu)： 線型結(jié)構(gòu)是由許多鏈節(jié)聯(lián)成一條長鏈體型結(jié)構(gòu)： 體型結(jié)構(gòu)是分子鏈與分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu) 陶瓷的結(jié)構(gòu) 常見的有強度(屈服強度、斷裂強度、疲勞強度等)、硬度、塑性、沖擊韌性和斷裂韌性等。強度：是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力，是材料最重要、最基本的力學(xué)性能指標(biāo)之一。屈服強度：表示材料抵抗微量塑性的能力抗拉強度：反映了材料產(chǎn)生最大均勻變形的抗力塑性：材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。硬度：在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力。（1）布氏硬度: HB /HBS（2）洛氏硬度: HRC/HRB/HRA （3）維氏硬度: HV 性能指標(biāo)工程意義：結(jié)合材料的拉伸試驗引出材料的抗拉強度和屈服強度的概念，這兩個指標(biāo)在工程設(shè)計中的意義。一個是設(shè)計機械零件的強度指標(biāo)，一個是安全性指標(biāo)（配合延伸率）。硬度是材料局部強度的指標(biāo)。疲勞是材料在循環(huán)作用下的安全指標(biāo)。斷裂韌性也是材料安全性指標(biāo)，這一指標(biāo)更注重材料缺陷方面的安全性。 第二章 金屬材料的凝固與固態(tài)相變 純金屬的結(jié)晶 凝固的基本概念結(jié)晶：原子由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序狀態(tài)的過程。過冷度概念: 理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度Tn之差叫做過冷度，用ΔT表示。結(jié)晶的必要和充分條件是具有一定的過冷度 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶過程：形核和長大兩個過程。自發(fā)形核（均質(zhì)形核）、非自發(fā)形核（異質(zhì)形核）影響形核和長大的因素：(1)過冷度的影響 (2)難熔雜質(zhì)的影響晶粒大小及控制方法。 1) 增大過冷度2)變質(zhì)處理 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象晶體的同素異構(gòu)：有些晶體隨著外界條件(如溫度、壓力)的變化而具有不同類型的晶體結(jié)構(gòu)，稱為同素異構(gòu)現(xiàn)象。鐵發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不僅晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且體積也發(fā)生改變，這是鋼鐵可進(jìn)行熱處理主要原因。 合金的凝固 二元合金相圖與凝固1． 勻晶相圖；兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖。杠桿定律： 設(shè)合金的質(zhì)量為Q合金 , 其中 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%, 在 T1溫度時, L相中的 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%, α相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。則合金中含Ni的總質(zhì)量=L相中含Ni的質(zhì)量+ α相中含Ni的質(zhì)量 即因為 所以 化簡后得 cb為線段 bc的長度。 ba為線段 ab的長度。 故得： 或 這個式子與力學(xué)中的杠桿定律相似, 因而亦被稱作杠桿定律。由杠桿定律不難算出合金中液相和固相在合金中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即相對質(zhì)量）分別為： 運用杠桿定律時要注意, 它只適用于相圖中的兩相區(qū), 并且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點, 而支點為合金的成分點。：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限溶解(或不溶)，并在結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖共晶反應(yīng)式 合金的性能與相圖的關(guān)系1．合金的使用性能與相圖的關(guān)系；2．合金的工藝性能與相圖的關(guān)系 鑄錠(件)的凝固 鐵碳合金平衡態(tài)的相變基礎(chǔ) Fe—Fe3C相圖1．鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能2．相圖分析 鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的相變； 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 鋼在實際加熱時的轉(zhuǎn)變點 奧氏體的形成過程及影響因素1．奧氏體的形成過程；2．奧氏體形成的影響因素 鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變 鋼在奧氏體化后的冷卻過程決定了冷卻后鋼的組織類型和性能。熱處理時常用的冷卻方式有兩種：一是等溫冷卻；二是連續(xù)冷卻。 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變可分為三種基本類型，即珠光體型轉(zhuǎn)變(擴散型轉(zhuǎn)變)、貝氏體型轉(zhuǎn)變(過渡型或半擴散型轉(zhuǎn)變)和馬氏體型轉(zhuǎn)變(無擴散型轉(zhuǎn)變)。 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖C曲線的左邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線，右邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。該曲線下部還有兩條水平線，分別表示奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms線和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf線。1．含碳量的影響2．合金元素的影響3 奧氏體化溫度和保溫時間的影響 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖 過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能珠光體類型組織、貝氏體類型組織和馬氏體類型 第三章 金屬材料的塑性變形 單晶體和多晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形有兩種,即滑移和孿生?；剖侵冈谇袘?yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生的滑動。 滑移是通過位錯的運動來實現(xiàn)的。 孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和