1、机器生产过程本课程研究内容：本课程研究内容：金属材料加工成毛坯或零件，进而制造机器金属材料加工成毛坯或零件，进而制造机器第一章第一章 工程材料基础知识：原材料选取择与工程材料基础知识：原材料选取择与改性（热处理）；改性（热处理）；第二章：铸造成形第二章：铸造成形第三章：锻压第三章：锻压成形成形第四章：第四章：焊接焊接成形成形第五章：第五章：非金属材料及成形非金属材料及成形第六章：快速成形第六章：快速成形热处理原材料毛坯机器零件热处理铸造锻压焊接装配切削加工第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识w学习目标：学习目标：w了解工程材料的了解工程材料的分类分类；w了解常用材料了解常用材料（钢铁
2、）的生产过程及规格（钢铁）的生产过程及规格；w熟悉材料使用中应具备的熟悉材料使用中应具备的性能性能；w了解材料内部了解材料内部结构对性能结构对性能的影响。的影响。第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识w第一节：工程材料的分类第一节：工程材料的分类w第二节：钢铁生产简介第二节：钢铁生产简介w第三节：金属材料的性能第三节：金属材料的性能w第四节：金属的晶体结构与结晶第四节：金属的晶体结构与结晶w第五节：二元合金第五节：二元合金w第六节：铁碳合金第六节：铁碳合金w第七节：碳钢第七节：碳钢w第八节：铸铁第八节：铸铁w第九节：钢的热处理第九节：钢的热处理w第十节：合金钢第十节：合金钢w第十一节：
3、有色金属材料第十一节：有色金属材料w一、工程材料：一、工程材料：是指具有一定是指具有一定性能性能，在特定条件下能够，在特定条件下能够承担某种承担某种功能功能、被用来、被用来制造零件和工具制造零件和工具的的材料。材料。w二、工程材料种类：二、工程材料种类：工程材料工程材料繁多，常见分类方法有：繁多，常见分类方法有：按用途分、领域、成分等。按用途分、领域、成分等。第一节：工程材料的分类l按用途分类：按用途分类：结构材料（如机械零件、工程构件）；结构材料（如机械零件、工程构件）；工具材料（如量具、刃具、模具）；工具材料（如量具、刃具、模具）；功能材料（如磁性材料、超导材料等）功能材料（如磁性材料、超
4、导材料等）l按领域分类：按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料材料、生物工程材料 等。第一节：工程材料的分类l按成分分类按成分分类：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料、非金属材料、复合材料。金属金属是工业中应用广泛的材料是工业中应用广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；属具的优良的工艺性能和力学性能；非金属材料非金属材料中，中，合成高分子材料、特别是塑料合成高分子材料、特别是塑料的使用广泛；的使用广泛；而而陶瓷陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀
5、、绝缘的特点，主要用于具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要用于化工设备、电器绝缘件、机械加工刀具、发动机耐热元件等；化工设备、电器绝缘件、机械加工刀具、发动机耐热元件等；复合材料复合材料是指由是指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组成的材料成的材料，复合材料一般综合了各组分材料的优良性能，在生，复合材料一般综合了各组分材料的优良性能，在生活用品、机器制造等各个领域已得到广泛应用。活用品、机器制造等各个领域已得到广泛应用。第一节：工程材料的分类常用的按成分分类常用的按成分分类第二节第二节 钢铁生产简介钢铁生产简介 第二节第二节 钢铁生产简介钢
6、铁生产简介p钢铁钢铁:是以是以Fe和和C为主要组成元素，同时还含有为主要组成元素，同时还含有Si、Mn、P、S等杂质元素的合金。包含等杂质元素的合金。包含生铁与钢生铁与钢。钢钢:碳的质量分数较低（碳的质量分数较低（wc 2.11%），杂质元素的含量也），杂质元素的含量也较高的铁碳合金，生铁硬度高、性脆，很少直接使用。较高的铁碳合金，生铁硬度高、性脆，很少直接使用。钢材：钢材：钢锭或钢坯经压力加工成各种形状规格的原材料。钢锭或钢坯经压力加工成各种形状规格的原材料。p钢材生产流程钢材生产流程:铁矿石铁矿石炼铁炼铁（生铁）（生铁）炼钢炼钢（钢）（钢）钢材成钢材成型（钢材）型（钢材）一、炼铁一、炼铁
7、炼铁原料炼铁原料：铁矿石铁矿石是主要的炼铁原料，有是主要的炼铁原料，有磁铁矿磁铁矿“Fe3O4”、赤铁矿赤铁矿“Fe2O3”、褐铁矿褐铁矿2Fe2O33H2O”、菱铁矿菱铁矿“FeCO3”。铁。铁矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，这些统称为这些统称为脉石脉石.焦炭焦炭;溶剂溶剂等等.炼铁方法：炼铁方法：高炉炼铁高炉炼铁 过程过程炼铁实质：炼铁实质：是将铁从矿石中还原的过程是将铁从矿石中还原的过程 铁矿石铁矿石焦炭焦炭烧结工厂烧结工厂焦炭工厂焦炭工厂 高炉高炉铁水铁水二、炼钢二、炼钢w炼钢实质：炼钢实质：是通是通过过氧化降
8、低生铁氧化降低生铁中的碳中的碳与杂质元素的含量，与杂质元素的含量，使之达到标准规定的使之达到标准规定的成分和性能成分和性能。w炼钢原料炼钢原料：炼钢的原料有：炼钢的原料有生铁、废钢、熔剂（石灰石等）、生铁、废钢、熔剂（石灰石等）、脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）、合金料脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）、合金料等等。w炼钢过程：炼钢过程：主要包括主要包括氧化、造渣、脱氧氧化、造渣、脱氧等等。w炼钢方法：炼钢方法：目前主要有目前主要有氧气顶吹转炉炼钢氧气顶吹转炉炼钢和和电炉电炉炼钢等。炼钢等。n 电炉炼钢：电炉炼钢：有感应炉炼钢、电弧炉炼钢有感应炉炼钢、电弧炉炼钢等方法，常用的是电弧炉炼钢。等方法，常用的是电
9、弧炉炼钢。电弧炉炼钢：电弧炉炼钢：1、它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，以电极与金属炉料间、它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，以电极与金属炉料间的电弧热提供冶炼热源。的电弧热提供冶炼热源。2、电弧炉冶炼温度高（可达、电弧炉冶炼温度高（可达2000），能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢。），能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢。电弧炉炼钢过程电弧炉炼钢过程三、钢材生产三、钢材生产 钢材种类：钢材种类：有钢板、型钢、钢管、钢丝等有钢板、型钢、钢管、钢丝等 生产方法：生产方法：主要有轧制（分冷轧与热轧）、主要有轧制（分冷轧与热轧）、拉拔、挤压、锻造等方法拉拔、挤压、锻造等方法
10、各种钢材各种钢材钢板、型钢、钢丝、钢管。钢板、型钢、钢丝、钢管。w 钢板钢板：钢锭或钢坯轧制成钢板。钢锭或钢坯轧制成钢板。钢板可钢板可镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合镀锌、镀锡、镀铅、塑料复合等表面处理等表面处理 w 中厚板：中厚板：厚度为厚度为35mm，一般采用热轧，一般采用热轧 w 薄板：薄板：厚度小于厚度小于3mm，坯料为热轧中厚板，采用冷轧，坯料为热轧中厚板，采用冷轧 w 钢带钢带：成卷供应，采用冷轧：成卷供应，采用冷轧 w 型钢型钢：采用型材轧机轧制而成。采用型材轧机轧制而成。w 有有圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢、工字钢、槽钢、角钢、圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢、工字钢、槽钢、角钢
11、、T字钢字钢等。等。w 普通型钢普通型钢主要用于建筑、桥梁、车辆等，主要用于建筑、桥梁、车辆等，优质型钢优质型钢主要用于机械零件、主要用于机械零件、工具等工具等 。w 钢丝钢丝：采用直径为采用直径为69mm的热的热轧线材（盘条）拉拔而成。退火的轧线材（盘条）拉拔而成。退火的低碳钢丝可用于捆扎物体、也可编低碳钢丝可用于捆扎物体、也可编织成各种用品；高碳钢丝可制成各织成各种用品；高碳钢丝可制成各 种弹簧，或用多根钢丝捻成合股的种弹簧，或用多根钢丝捻成合股的钢丝绳和钢索，用于吊索、电线、钢丝绳和钢索，用于吊索、电线、电缆、固定物体等。电缆、固定物体等。w 钢管钢管：焊管与分无缝管。焊管与分无缝管。w
12、 有缝管：有缝管：用钢板或钢带卷压用钢板或钢带卷压成形，然后焊接而成。缝钢管应用成形，然后焊接而成。缝钢管应用广泛，主要用于自来水管、煤气管广泛，主要用于自来水管、煤气管等等。无缝管：无缝管：管采用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后，再经冷拔或热管采用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后，再经冷拔或热轧而制成。无缝钢管主要用于石油、化工等行业轧而制成。无缝钢管主要用于石油、化工等行业。第三节 金属材料的性能金属材料的性能 材 料 的 性 能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能是保证工件的正常工是保证工件的正常工作应具备的性能。作应具备的性能。是材料在被加工过程中适是材料在被
13、加工过程中适应各种冷热加工的性能。应各种冷热加工的性能。切削加工性能力学性能力学性能定义定义:是指金属材料在是指金属材料在外力的作用外力的作用下下所表现出来的所表现出来的抵抗能力抵抗能力。力 学 性 能强度硬度断裂韧度疲劳强度主要指标：主要指标：塑性韧性w强度强度w塑性塑性拉伸试验拉伸试验*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验机机液压式万能电子材料试验机力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形塑性变形塑性变形:外力外力去除后不能消失去除后不能消失的变形的变形弹性弹性(elastic
14、ity):金属材料受外力作金属材料受外力作 用时产生变形用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。到原来形状及尺寸的性能。弹性变形弹性变形(elastic deformation):随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。弹性极限弹性极限(elastic limit):Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷(N)e=(M pa)S0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形强度强度(strength):材料在力的作用下抵抗材料
15、在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。(1)种类种类:抗拉强度、抗拉强度、抗压强度抗压强度、抗弯强抗弯强(2)度度、抗剪强度抗剪强度、抗扭强度等。抗扭强度等。(2)屈服强度屈服强度(yield strength):屈服点屈服点 S Fs s=(M pa)S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷(N)试样试样原始横截面积原始横截面积(mm2)(3)抗拉强度抗拉强度(tensile strength):试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)b=(M pa)S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)塑
16、性塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in area):是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积S0之比。之比。S0-S 1 =100%S0(2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率)specific elongation:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L 1与与原始标距原始标距L 0之比。之比。L 1 L 0 =100%L 0 10%属塑性材料属塑性材料
17、长试样：10 简写为简写为短试样：5 w同一种材料的5 10硬度硬度(hardness)(hardness)1.1.定义定义：是指材料是指材料抵抗其它更硬物体抵抗其它更硬物体压入其表面的能力压入其表面的能力。2.2.硬度试验方法：硬度试验方法：（1 1）压入法压入法（2 2）划痕法）划痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 维氏硬度维氏硬度HVHV压入法压入法(一一)布氏硬度布氏硬度HB(BrinellHB(Brinell-hardness)-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 观看布氏硬度观看布氏硬度1.1.压头：压头：淬火钢球淬火钢球 HB
18、SHBS硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW2.2.试验原理：试验原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。F F HB=S Dh D h=2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用选用淬火钢球淬火钢球压头压头例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS3 3、布氏硬度测量方法应用、布氏硬度测量方法应用布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 选用选用硬质合金球压头压头例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW4.4.标注：标
19、注：符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示符号后面的数字按顺序分别表示球体直径球体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。如如:120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢的钢球球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。5.特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。(二二)洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rock
20、wll hardness)HR(Rockwll hardness)观看洛氏硬度观看洛氏硬度1.1.压头：压头：120120金刚石圆锥体钢球金刚石圆锥体钢球钢球钢球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.试验原理：试验原理：用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。3、洛氏硬度值的表示：、洛氏硬度值的表示：w7085HRAw25100HRBw2070HRCHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：例如：50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB4
21、0HRC 4.4.特点：特点：优点优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。应用：(三三)维氏硬度维氏硬度 HVHV (diamond penetrator hardness)(diamond penetrator hardness)维1.1.压头：压头：锥面夹角为锥面夹角为136136的金刚石的金刚石正四棱锥体正四棱锥体2.2.试验原理：试验原理：与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度
22、，以此计算出硬度值。2.2.试验原理：试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。H V=F/Saad3.3.标注：标注：与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。4.4.特点：特点：优点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。韧性(toughness):材料在材料在冲击载荷作用下抵抗破坏冲击载荷作用
23、下抵抗破坏的能力。的能力。1.1.定义：定义：冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图2.2.金属的夏比冲击试验金属的夏比冲击试验:试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)g g 冲击韧度冲击韧度a ak k 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。AK a k=(J/cm)S0断裂韧度1 1、低应力脆断、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。w反应材料有裂纹存在时，极易产生低应力脆断现象。材料抗脆性断裂的能力
24、用用断裂韧度断裂韧度K1C表表示示。当应力强度因子K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现低应力脆性低应力脆性断裂断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。2 2、断裂韧度、断裂韧度K K1C1CwK1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。热处理及加工工艺等有关。w为安全设计提供了一个重要的力学性能指标。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标。常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2）1 1、疲劳现象、疲劳现象 零件在零件在循环应力循环应力的作用，即使工作时承
25、受的应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳疲劳。疲劳（）1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂2、疲劳极限-1:表示金属材料在表示金属材料在无数次交变载荷作无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力用而不破坏的最大应力。钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N=107有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N=1083、提高疲劳极限途径、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状改善零件的结构形状降低表面粗糙
26、度值降低表面粗糙度值采取表面强化采取表面强化物理性能物理性能w物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。w（一）密度（一）密度w（二）热学性能（二）热学性能w 熔点；熔点；热容；热容；热膨胀；热膨胀；热传导热传导w（三）电学性能（三）电学性能w 电阻率电阻率；电阻温度系数；电阻温度系数；介电性介电性w（四）磁学性能（四）磁学性能w 磁导率磁导率；饱和磁化强度饱和磁化强度M Ms s和磁矫顽力和磁矫顽力c c化学性能化学性能w 材料在生产、加工和使用时，材
27、料在生产、加工和使用时，均会与环境均会与环境介质发生化学反应介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功从而使其性能恶化或功能丧失。能丧失。w（一）化学腐蚀（一）化学腐蚀w（二）电化学腐蚀（二）电化学腐蚀w (三）提高零件耐蚀性的主要措施三）提高零件耐蚀性的主要措施内容回顾内容回顾第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识w第一节：工程材料的分类第一节：工程材料的分类w第二节：钢铁生产简介第二节：钢铁生产简介w第三节：金属材料的性能第三节：金属材料的性能第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识w第一节：工程材料的分类第一节：工程材料的分类w第二节：钢铁生产简介第二节：钢铁生产简介w第三节：
28、金属材料的性能第三节：金属材料的性能材 料 的 性 能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能是保证工件的正常工是保证工件的正常工作应具备的性能。作应具备的性能。是材料在被加工过程中适是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能。应各种冷热加工的性能。切削加工性能 力 学 性 能强度硬度断裂韧度疲劳强度主要指标：主要指标：塑性韧性第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识w学习目标：学习目标：了解工程材料的了解工程材料的分类分类；了解常用材料；了解常用材料（钢铁）的生产过程及规格（钢铁）的生产过程及规格；熟悉材料使用中应具；熟悉材料使用中应具备的备的性能性能；了解材料内部；了解材料内部结构对性能结构对性能的影响。的影响。w本章学习指导：本章学习指导：机电产品的制造过程，首先要机电产品的制造过程，首先要解决解决的是根据产品的服役条件的是根据产品的服役条件，分析，分析对材料的性能要求，对材料的性能要求，确定所用的材料确定所用的材料。本章主要介绍。本章主要介绍材料的种类、生产材料的种类、生产过程、组织结构与性能及改性（热处理过程、组织结构与性能及改性（热处理），为学习），为学习材料加工工艺打下基础。材料加工工艺打下基础。
