机械制造基础教案

第一章金属材料第一节金属材料的力学性能一、教学目的：通过本节的学习使同学们理解金属材料的几项重要的力学性能指标，如强度、硬度、冲击韧性和疲劳轻度等，为后续机械零件的设计和选材提供必备的力学性能依据。二、教学重点：了解掌握金属的力学性能包括：强度、刚度与塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等内容。三、教学难点：金属的强度与塑性四、教学方法：讲授法五、教学过程设计：材料的性能：使用性能：物理性能、化学性能、力学性能（机械性能）。工艺性能：热处理性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能。力学性能的定义：材料在外力作用下，表现出（静载荷、动载荷、交变载荷）的性能。一、强度与塑性概念：静载荷、应力试验：拉伸实验试样－低碳钢、L0＝5d0、L0＝10d0GB（6397－86）要求同学们实验指导书（图书馆查资料，锻炼学生的自学能力）。材料的力学性能实验。F（N）b·Sk·FeeS′O∆L（mm）∆Le分析：（从中导出材料的强度和塑性）P：Fe、ΔLe。S：FS、ΔLs。S'→Fs'、ΔLs→ΔLs'。b→ΔLb、F→Fb。………（1）F＝0、ΔL＝0（2）F≤Fe、ΔLo～e≤ΔLeFo～e＝ΔLo～e×tgα＝ΔLo～e×KO～ΔLe：弹性变形阶段。（3）FeFFs、ΔLeΔLΔLsFe～s≠ΔLe～s×tgαΔLe～ΔLs塑性变形阶段（永久变形）（微量塑性变形）。（4）F＝FsFs'、ΔL=ΔLs→ΔLs'，S屈服点（“屈服”现象）。ΔLs→ΔLs'塑性变形阶段（屈服变形）（5）Fs'FFb、ΔLs'ΔLΔLbΔLs'～ΔLb塑性变形阶段（大量塑性变形阶段）（6）F＝Fb、ΔL=ΔLb，Fb最大载荷、b缩颈点。（7）FkFFb、ΔLbΔLΔLk，塑性变形（“缩颈”现象）。（8）F＝Fk断开。1.强度：定义：塑性变形、断裂的能力。衡量指标：屈服强度、抗拉强度。（1）屈服点：定义：发生屈服现象时的应力。公式：σs＝Fs/Ao（MPa）Fs－材料发生屈服现象时的力。So－材料的原始横截面面积。条件屈服强度规定：σr0.2＝F0.2/Ao(无明显的屈服现象的材料)应用：汽缸盖和汽缸体之间的密封性（螺栓联接）超过螺栓材料本身的屈服强度。（2）抗拉强度：定义：最大应力值。公式：σb＝Fb/AoFb－最大的载荷。So－材料的原始截面面积。应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。σs/σb屈强比：越小，可靠性越高；越大，可靠性越低。2.塑性：定义：发生塑性变形，不破坏的能力。衡量指标：伸长率、断面收缩率。（1）伸长率：定义：公式：δ＝（L1－L0）/L0×100％L1－拉断后的长度。L0－原来的试样长度。注意：长、短试样测出的δ值不相等（比较大小，要同样的试样）。L0＝5d0δ5L0＝10d0δ10＝δδ55%－塑性材料、δ55％－脆性材料。45：δ5≈18.7%δ1δ5（2）断面收缩率：定义：公式：Ψ＝（A0－A1）/A0×100％S0－原截面面积。S1－断口处断面面积。Ψ5Ψ10Ψ值越大，塑性越好。总结：δΨ越大，塑性越好，越易变形但不会断裂。二、硬度硬度：定义：抵抗更硬物体压入的能力。衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。1.布氏硬度：HB试验：GB84。一定直径的钢球HBS（硬质合金HBW），规定的载荷及时间后。HB＝F/S(N/mm2)650举例：钢球直径：10mm，载荷：30KN（F＝30D2），时间：规定10（s）。材料：压痕直径：d0＝3.92mm查表：HBS＝239（1）应用范围：铸铁、有色金属、非金属材料。（2）优缺点：精确、方便、材料限制、非成品检验和薄片。2.洛氏硬度：HR、（HRA、HRB、HRC）试验：GB83。一定锥形的金刚石（淬火钢球），在规定载荷和时间后，测出的压痕深度差即硬度的大小（表盘表示）。HRA、HRB、HRC。一般通常习惯用HRC（无单位）。（1）应用范围：钢及合金钢。（2）优缺点：测成品、薄的工件，无材料限制，但不精确。3.维氏硬度：试验：GB83。一定锥形的金刚石，在规定的载荷、时间后。HV＝F/S（1）应用范围：测薄片和镀层。（2）优缺点：数值精确，但操作麻烦。4.肖氏硬度HS、锉氏硬度、显微硬度HM总结：数值越大，硬度越高。但相互之间不能比较，必须查表为同单位才行。三、韧性概念：动载荷、“梅氏”试样（金属夏比试验）。冲击韧度：定义：抵抗冲击载荷而不破坏的能力。衡量指标：αk＝Ak/A（J/cm2）αk－一次性冲击试验的标准。多次冲击：Ak↓→σs、σb。Ak↑→Ψ、δαk和温度有关：温度越低，αk越小。（低温易冲断）脆性临界转变温度。四、疲劳强度概念：交变载荷、疲劳现象试验：疲劳实验法。衡量指标：疲劳强度σ-1钢：107、有色金属：108。σmax=σ-1第一章金属材料第二节掌握金属材料的特点及选用一、教学目的：通过本节的学习使同学们掌握常用钢的分类及性质，理解铸铁的种类及特性，了解其他常用的非铁合金的种类及用途二、教学重点：常用金属的分类及各金属的性能特点。三、教学难点：钢材料的分类四、教学方法：讲授法五、教学过程设计：一、钢的分类碳钢的分类、编号和用途：分类：①低碳钢：0.25％C①亚共析钢：0.008～0.77％C。②中碳钢：0.25％≤C0.60%②共析钢：0.77％C。③高碳钢：0.60％C≤1.4％③过共析钢：0.77～2.11％C。质量：①普通碳素钢：S≤0.05％、P≤0.045％。②优质碳素钢：S≤0.04％、P≤0.04％。（和国际不接轨）③高级优质碳素钢：S≤0.03％、P≤0.035％。用途：①碳素结构钢：②碳素工具钢：冶炼：①平炉钢（逐渐淘汰）②转炉钢（使用）③电弧炉钢。酸碱性：①酸性钢②碱性钢③中性钢。钢的分类：碳素钢和合金钢。二、碳素钢：钢中杂质含量对其性能的影响1.锰Mn：0.25～0.8％Mn，有益元素，脱氧剂。提高钢的强度和硬度，特别是降低钢的的脆性。2.硅Si：0.4％Si，有益元素，脱氧剂。提高钢的强度。3.硫S：0.050％，有害元素，热脆（红脆性）。（FeS＋Fe）为共晶体，985℃为液体。硫的含量越高，热脆性越严重。4.磷P：0.0045％，有害元素，冷脆。使钢常温下其塑性和韧性急剧下降，脆性转变温度升高，在低温时，这种现象更加严重。5.氢H：0.0001％，有害元素，氢脆，白点。过多的氢分子会导致钢的开裂。总之，杂质元素对钢材的性能与质量影响很大，必须严格控制在所规定的范围内。碳素钢分如下三类：（1）普通碳素结构钢：新：Q235A（F、b、Z）、σs≥235MPa。旧：甲类钢：A1、A2、A3、………A7满足机械性能要求的。乙类钢：B1、B2、B3、……….B7满足化学性能要求的。特类钢：C2、C3、……..C5满足机械和化学性能要求的。通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑材料等。（2）优质碳素结构钢：普通含锰量钢：0.25～0.8％Mn。较高含锰量钢：0.70～1.20％Mn。举例：45：0.45％C左右、0.50～0.80％Mn左右。45Mn：0.45％C左右、0.70～1.00％Mn左右。常用于齿轮、主轴、连杆→45。弹簧、板簧、发条→65、65Mn。（3）.碳素工具钢：优质碳素工具钢：T＋数字。高级优质碳素工具钢：T＋数字＋A。举例：T7、T8、T9、……….T14。含义：0.7％、0.80％、0.9％…….1.4％T7A、T8A、T9A、……….T14A。主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。三、合金钢：钢：非合金钢、低合金钢、合金钢。合金钢：低合金钢、合金钢。碳钢在200℃时，机械性能剧烈下降，而合金钢在650℃时，其机械性能才略为下降。质量：优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）。1.合金结构钢起首两位数字表示平均含碳量的万分之几，其后的符号表示所含的主要元素；若元素含量1.5％，不标数，元素含量≥1.5％，其后的数表示其百分含量。最后标“A”则称为高级优质合金结构钢（滚动轴承钢除外）。例：12CrNi3：0.12％C、Cr1.5％、3％Ni20CrMnTi：0.20％C、Cr、Mn、Ti1.5％15Cr、20Mn2B、55Si2MnA2.合金工具钢当含碳量≥1.0％时，不标含碳量数当含碳量1.0％时，起首数表示含碳量的千分之几。合金元素同上。例：9Mn2V：0.9％C、2％Mn、V1.5％CrWMn：C≥1.0％、Cr、W、Mn1.5％。W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、9SiCr。3.特殊性能钢起首数表示含碳量的千分之几，若起首为“0”，则表示含碳量0.10％；若起首数为“00”，则表示含碳量为≤0.03％，合金元素同上。例：9Cr18：0.9％C、18％Cr。1Cr18Ni9Ti：0.1％C、18％Cr、9％Ni、Ti1.5％。0Cr17Mn13Mo2V：C0.1％、17％Cr、13％Mn、2％Mo、N1.5％0Cr18Ni9Ti、1Cr13、1Cr28、0Cr17Ti。选择材料的一般原则如下：1.应能满足零件的工作要求：安全第一。2.应能满足工艺性能要求：质量第一。3.必须重视材料的经济性：效率第一。（以铁代钢，以铸代锻）本章小结本课题主要研究金属材料的力学性能及常用金属材料的类别、特点和应用场合。通过学习使同学们理解金属材料的硬度、强度、冲击韧性和疲劳强度等力学性能，掌握常见金属材料的特性及适用场合，为机械设计制造及选材提供理论依据。第二章金属的热处理第一节理解金属及合金的晶体结构与结晶一、教学目的：通过本节的学习使学生们理解金属的结晶过程，了解金属的同素异构转变，理解合金在固态时的三种结构。二、教学重点：金属的结晶，金属的同素异构转变和合金的结构。三、教学难点：钢材料的分类四、教学方法：讲授法五、教学过程设计：复习旧课：材料的力学性能。一、金属的结晶结晶：液态金属凝结成固态金属的现象。概念：理论结晶温度－金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度To。（计算出来的）实际结晶温度－金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度Tn。（实际测量出来的）（平时浇注的温度）一、金属结晶的过冷现象：过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，TnTo。过冷度：To＝Tn＝∆T（变量）。冷却速度越大，过冷度越大。金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，TnTo。过冷度：To＝Tn＝∆T（变量）。温度aTo理论结晶温度Tnbc实际结晶温度dO时间冷却速度越大，过冷度越大。金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，TnTo。过冷度：To＝Tn＝∆T（变量）。冷却速度越大，过冷度越大。1.在ab段：金属均呈现液体，2.在bc段：液体中某些原子结成晶核（自发晶核）（晶坯）晶核不断长大形成枝晶直到晶粒。3.在cd段：每一个晶核形成一个晶粒，从而形成含有多晶体的金属固体。概念：晶粒、晶界。晶核－枝晶－晶粒－多晶体。晶核－枝晶－晶粒晶界；晶粒。晶粒越多，晶界也越多，则晶粒移动所受的阻力越大，宏观来看，材料越不容易发生变形，即材料的硬度越高，强度越好。总结：晶粒越小，则材料的力学性能越好。采用的主要途径是：晶核数目越多－晶粒越多－晶粒越细小，从而提高材料的力学性能。（1）提高过冷度：（107℃/s非晶态金属）实验测出：冷却速度越大，生核速率越大长大速率。（2）变质处理（孕育处理）：在液态金属中，加入一些细小的金属粉末（变质剂）（孕育剂）形成非自发晶核，使晶核数目增多，晶粒变细小。（3）机械振动：使枝晶破碎成为几个晶核，使晶核数目增多（超生波振动等）。二、纯金属的晶体结构概念：原子球、结点、晶格、晶胞、晶格常数（a、b、c、α、β、γ）致密度：晶胞中原子占有的体积与晶胞体积之比。纯金属的晶格类型：1.体心立方晶胞例如：纯铁（α-Fe）912℃↓、W、Mo、V、Cr（β－Ti）882℃↑立方体:a＝b＝c；α＝β＝γ＝90º原子数：8×1/8＋1＝2致密度：0.68原子的晶格结构不同，则性能不同，即使原子的晶格结构相同，但由于原子的质量不同，性能也不同。2.