机械制造基础课程性质、特点和研究对象

机械制造基础课程性质、特点和研究对象一、课程性质、特点本课程是机电专业的一门重要的专业基础课，就其课程性质而言，它是一门工艺性课程。开设这门课程，不仅使学生在常用工程材料、毛坯与零件成型方法、公差与配合、切削加工和质量检测等方面获得必要的基础知识，更重要的是培养学生在工程材料和工艺设计方面具有解决实际问题的能力。二、研究对象本科程是将互换性与技术测量、工程材料和金属工艺学三门课程融于一体。因此其研究对象是工程材料和机械加工过程中的基本知识。在第一篇“工程材料”中，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；在第二篇“毛坯成型方法”中，以铸造、锻压和焊接为主要内容；在第三篇“公差与配合”中，主要介绍公差与配合基本概念和应用；在第四篇“切削加工”中，着眼于总结金工实习，把感性认识上升到理论高度，进而归纳成系统性知识，为后继课程打好基础；在第五篇“质量检查”中，着眼于介绍几何量测量技术和无损测量技术。第一篇工程材料工程材料一般分为：金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等几类。而金属材料又分为：灰铸铁金属材料的物理性质有：铸铁球墨铸铁1、物理性能：密度、熔点、蠕墨铸铁热膨胀性、磁性、热导性、黑色金属可锻铸铁电导性等。碳素钢2、化学性能：耐腐蚀性和抗钢氧化性。合金钢3、机械性能：强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度。铜和铜合金4、工艺性能：铸造性能、锻有色金属铝和铝合金压性能、焊接性能和切削加钛和钛合金工性能。轴承合金第一章铁碳合金一、金属的晶体结构与结晶1、金属的晶体结构固态物质可分为晶体和非晶体两类。晶体是指原子（或离子）呈规则排列的固态物质。晶体结构是指晶体中原子在空间呈规则排列的方式（1）晶格与晶胞晶格是用来描述晶体中原子排列形式的空间格架。晶胞是晶格的最小的几何单元。（2）金属的三种典型晶格体心立方晶格——在晶胞的八个结点上和晶胞中心各有一个原子（如铬、钼、钨、钒、铁）。面心立方晶格——在晶胞的八个结点上和六个面上各有一个原子（如铜、铝、镍、Y铁）。密排六方晶格（3）实际金属结构的特点实际金属结构的一个特点是多晶体（只有少数单晶体），即由许多晶格取向不同的小单晶体组成。每个小单晶体称为晶粒。晶粒之间的界面称为晶界。另一个特点是晶格中原子排列有缺陷，这些缺陷是：点缺陷（空位和间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（晶界、亚晶界）2、金属的结晶物质由液态凝固后形成晶体结构称为结晶。金属的结晶概念包括两层意思：液—固转变过程或固—固转变过程。前者称为一次结晶，后者称为二次结晶（或重结晶），亦称为同素异构转变。（1）结晶的条件和结晶的过程在无限缓慢的冷却条件下，液态纯金属开始结晶的温度称为金属的理论温度（T0）。在实际生产中，液态金属总是要冷却到低于T0以下的温度Tn时才开始结晶,这种现象称为过冷,T=T0—T0称为过冷度。冷速愈大，过冷度也愈大，结晶的温度就愈低。由此可见，过冷是金属结晶的必要条件。金属结晶的过程是不断生成晶体核心（自发形核或非自发形核）和核心不断成长，直至液态金属结晶完毕的过程。（2）晶粒大小及细化方法晶粒的大小，对金属的性能有重大影响。一般来说，晶粒愈细，强度和硬度就愈高，塑性和韧性也愈好。这种强化方式称为细晶强化，是金属强化的基本方式之一。常用来细化晶粒的方法有增大过冷度（增大冷却速度）和变质处理，其共同的目的都是通过增大形核率（增大核心数目）来细化晶粒。二、合金的结构与相图由一种金属元素同一种或几种其他元素组成的具有金属特征的物质就叫做合金。1、合金的相结构（1）基本概念组元——是组成合金的独立的、最根本的单元。它可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。相——指合金中具有相同聚集状态、化学成分和结晶结构并有明显界面分开的均匀部分。组织组成物——指合金在不同条件下形成的组织中，各具有一定显微特征（形貌、大小及分布等）的独立部分。合金的组织由组织组成物构成（2）固溶体和化合物固溶体——是指溶质组元溶于溶剂晶格中而形成的单一均匀的固体，并保持溶剂晶格的晶体结构。根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。固溶强化——是指由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，从而增大了位错运动的阻力，造成塑性变形的困难，导致固溶体的强度、硬度升高，塑性和韧性稍有下降或变化不大的现象。这是金属强化的重要手段。金属化合物——是组元间相互作用形成的新相，其晶体结构与组成元素的晶体结构完全不同。常见的金属化合物有：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。在合金材料中，固溶体具有一定的强度和良好的塑性、韧性常作为基体，金属化合物具有高硬度和高熔点常作为强化相。2、二元合金相图相图是表示在无限缓慢的冷却条件下合金系中各种合金在不同的温度下呈现的相状态及相与相之间的关系的图形。目前具体的相图都是由实验数据建立的。（1）匀晶相图的特点两组元在液态下互溶，在固态下形成无限固溶。相线有液相线（AEB）和固相线（AFB）；相区有液相区、固相区（固溶体）和两相区（L+α）。（2）二元共晶相图的特点两组元在液态下互溶，在固态下不互溶，并发生共晶反应。相线有液相线（ACB）和固相线（DCE）；相区有L、Pb和Sb三个单相区、三个双相区，即（L+Pb）、（L+Sb）和（Pb+Sb）。共晶相图的基本特点是具有共晶反应，在共晶温度下，C点成分（共晶成分）的液体将同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相，称为共晶体（Pb+Sb），它是两相的机械混合物。L+LααABFEABECDSb+LSb+EuPb+EuPb+L三、介稳定的Fe—Fe3C相图1、铁碳合金的基本组织13940c9120c纯铁最重要的特性是具有同素异构转变。即δ-Feγ-Feα-Fe其中α-Fe和δ-Fe都属于体心立方晶格，γ-Fe属于面心立方晶格。铁碳合金基本组织的性质及性能特点名称符号定义最大性能特点含碳量铁素体F碳在α—Fe中的固溶体，铁碳0.02%塑性韧性好，强度硬度合金的基本相，体心立方晶格低，常作基体奥氏体A碳在α—Fe中的固溶体，铁碳2..11%高塑性,易变形,存在于高合金的基本相，体心立方晶格温常作锻压状态组织渗碳体Fe3C铁与碳结合生成的新相，铁碳6.69%硬而脆,是钢中的强化相合金的基本相，复杂晶格珠光体P共析反应产物。铁素体和渗碳体0.77%综合机械性能好,是铁碳机械混合物合金中的常用组织莱氏体L’d共晶反应产物。珠光体和渗碳体4.3%硬而脆,基本无利用价值(低温)的机械混合物CD12270CFKLeL’eA15380C11489120CEGSPγ7270C0.020.772.114.36.69%FF+AA+Fc3CⅡF+PP+Fc3CⅡAcmA3Fc3CⅢF+铁碳合金状态图(简化)2、铁碳合金相图分析（1）铁碳合金相图中重要的特征线ACD——液相线，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出一次渗碳体。AECF——固相线，合金溶液冷却到此线时凝固完毕。在此线下为固态。ECF——共晶线，液态合金发生共晶反应。GS——亦称A3线，奥氏体转变成铁素体的开始线，或铁素体转变成奥氏体的终止线。ES——又叫Acm线，碳在奥氏体中的溶解度线，奥氏体冷却到此线时，将开始从奥氏体中析出二次渗碳体。PSK——亦称A1线，或共析反应线。共析反应温度为7270C，共析成分为0.77%C,各种成分的铁碳合金冷却到此线时,其中奥氏体的含碳量均变成0.77%而发生共析反应生成珠光体,珠光体是铁素体和渗碳体的机械晶合物。ECF——共晶反应线，共析反应温度为11480C，共析成分为04.3%C,当含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线是,将发生共晶反应而形成莱氏体,它是奥氏体和渗碳体的机械混合物。PQ——碳在铁素体中的溶解度线，铁素体冷却到此线时,将析出三次渗碳体.（2）铁碳相图中重要的特征点C——共晶点（11480C，4.3%C)S——共析点(727,0.77%C)E——碳在奥氏体中的最大溶解度（11480C，2.11%C)（3）铁碳合金的分类类别分类含碳量范围平衡组织铁工业纯铁0.02%F+Fe3CⅢ亚共析钢0.02~0.77%F+P钢共析钢0.77%p过共析钢0.77~2.11%P+Fe3CⅡ铸亚共晶铸铁2.11~4.3%P+Fe3CⅡ+L’d共晶铸铁4.3%L’d铁过共晶铸铁4.3~6.69%L’d+Fe3CⅠ（4）钢的平衡结晶过程LLAAAAFAFe3CⅡFe3CⅡFPPP钢的平衡结晶过程和组织形成图亚共析钢共析钢过共析钢（5）含碳量与组织、机械性能的关系100150200bMPakkb3.铁碳合金状态图的应用需塑性、韧性高——选用含碳量较低的材料（1）在材料选用方面的应用需强度、塑性、韧性高——选用含碳量适中的材料需硬度高耐磨性好——选用含碳量高的材料灰口铸铁由于流动性好常用于铸件选择浇注温度，常为液相线上50~1000C（2）在铸造方面的应用广泛应用共晶成分的铸铁铸钢常用含碳量为0.3~0.6%成分选择始锻温度在AE线以下150~2500C（3）在锻压方面的应用选择终锻温度亚共析钢在8000C左右过共析钢略高于PS线（4）在热处理方面的应用选择退火、正火、淬火温度四.碳钢和铸铁1.钢中杂质对性能的影响硅和锰是钢中有益的杂质.它们大部分溶于铁素体,使铁素体强化,提高钢的强度.硫和磷是钢中的有害杂质.硫能引起钢的“热脆”,而磷能造成钢的“冷脆”钢中硫和磷含量越低,钢的质量越好.含硫0.035~0.05%2.碳钢的种类牌号、成分、及性能普通碳钢含磷0.035~0.045%按硫、磷含量高低分优质碳钢含硫、含磷0.035%分类方法高优质碳钢含硫0.020.03%低碳钢(含碳量0.25%)按钢中含碳量分中碳钢(含碳量0.25~0.6%)高碳钢(含碳量0.6%)碳素结构钢（见表1—2）按钢的用途分优质碳素结构钢（见表1—3）碳素工具钢（见表1—4）3.铸铁的种类、牌号、性能及用途白口铸铁（碳以渗碳体形式存在）根据铸铁中碳存在的形式分为灰口铸铁（碳以石墨形式存在）灰铸铁（片状，用“HT+性能”表示）球墨铸铁（球状，用“QT+性能”表示）根据石墨的形态灰口铸铁分为蠕墨铸铁（蠕虫状，用“RUT+性能”表示）可锻铸铁（团絮状，用“KT+性能”表示）黑心可锻铸铁（铁素体基体+团絮状石墨）可锻铸铁根据金相组织又分为珠光体可锻铸铁（珠光体基体+团絮状石墨）白心可锻铸铁（珠光体基体+团絮状石墨）分别用“KTH+性能”、“KTZ+性能”和“KTB+性能”来表示。