機(jī)械制造基礎(chǔ)課程性質(zhì)、特點(diǎn)和研究對(duì)象

機(jī)械制造基礎(chǔ)課程性質(zhì)、特點(diǎn)和研究對(duì)象一、課程性質(zhì)、特點(diǎn)本課程是機(jī)電專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，就其課程性質(zhì)而言，它是一門(mén)工藝性課程。開(kāi)設(shè)這門(mén)課程，不僅使學(xué)生在常用工程材料、毛坯與零件成型方法、公差與配合、切削加工和質(zhì)量檢測(cè)等方面獲得必要的基礎(chǔ)知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在工程材料和工藝設(shè)計(jì)方面具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二、研究對(duì)象本科程是將互換性與技術(shù)測(cè)量、工程材料和金屬工藝學(xué)三門(mén)課程融于一體。因此其研究對(duì)象是工程材料和機(jī)械加工過(guò)程中的基本知識(shí)。在第一篇“工程材料”中，以剖析鐵碳合金的金相組織為基礎(chǔ)，以介紹工程材料的性質(zhì)和合理選材為重點(diǎn)；在第二篇“毛坯成型方法”中，以鑄造、鍛壓和焊接為主要內(nèi)容；在第三篇“公差與配合”中，主要介紹公差與配合基本概念和應(yīng)用；在第四篇“切削加工”中，著眼于總結(jié)金工實(shí)習(xí)，把感性認(rèn)識(shí)上升到理論高度，進(jìn)而歸納成系統(tǒng)性知識(shí)，為后繼課程打好基礎(chǔ)；在第五篇“質(zhì)量檢查”中，著眼于介紹幾何量測(cè)量技術(shù)和無(wú)損測(cè)量技術(shù)。

第一篇工程材料工程材料一般分為：金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料等幾類(lèi)。而金屬材料又分為：灰鑄鐵金屬材料的物理性質(zhì)有：鑄鐵球墨鑄鐵1、物理性能：密度、熔點(diǎn)、蠕墨鑄鐵熱膨脹性、磁性、熱導(dǎo)性、黑色金屬可鍛鑄鐵電導(dǎo)性等。碳素鋼2、化學(xué)性能：耐腐蝕性和抗鋼氧化性。合金鋼3、機(jī)械性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度。銅和銅合金4、工藝性能：鑄造性能、鍛有色金屬鋁和鋁合金壓性能、焊接性能和切削加鈦和鈦合金工性能。軸承合金第一章鐵碳合金一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類(lèi)。晶體是指原子（或離子）呈規(guī)則排列的固態(tài)物質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子在空間呈規(guī)則排列的方式（1）晶格與晶胞晶格是用來(lái)描述晶體中原子排列形式的空間格架。晶胞是晶格的最小的幾何單元。（2）金屬的三種典型晶格體心立方晶格——在晶胞的八個(gè)結(jié)點(diǎn)上和晶胞中心各有一個(gè)原子（如鉻、鉬、鎢、釩、鐵）。面心立方晶格——在晶胞的八個(gè)結(jié)點(diǎn)上和六個(gè)面上各有一個(gè)原子（如銅、鋁、鎳、Y鐵）。

密排六方晶格（3）實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)是多晶體（只有少數(shù)單晶體），即由許多晶格取向不同的小單晶體組成。每個(gè)小單晶體稱(chēng)為晶粒。晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。另一個(gè)特點(diǎn)是晶格中原子排列有缺陷，這些缺陷是：

點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（晶界、亞晶界）2、金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為結(jié)晶。金屬的結(jié)晶概念包括兩層意思：液—固轉(zhuǎn)變過(guò)程或固—固轉(zhuǎn)變過(guò)程。前者稱(chēng)為一次結(jié)晶，后者稱(chēng)為二次結(jié)晶（或重結(jié)晶），亦稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。（1）結(jié)晶的條件和結(jié)晶的過(guò)程在無(wú)限緩慢的冷卻條件下，液態(tài)純金屬開(kāi)始結(jié)晶的溫度稱(chēng)為金屬的理論溫度（T0）。在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬總是要冷卻到低于T0以下的溫度Tn時(shí)才開(kāi)始結(jié)晶,這種現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷,

T=T0—T0稱(chēng)為過(guò)冷度。冷速愈大，過(guò)冷度也愈大，結(jié)晶的溫度就愈低。由此可見(jiàn)，過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。

金屬結(jié)晶的過(guò)程是不斷生成晶體核心（自發(fā)形核或非自發(fā)形核）和核心不斷成長(zhǎng)，直至液態(tài)金屬結(jié)晶完畢的過(guò)程。（2）晶粒大小及細(xì)化方法晶粒的大小，對(duì)金屬的性能有重大影響。一般來(lái)說(shuō)，晶粒愈細(xì)，強(qiáng)度和硬度就愈高，塑性和韌性也愈好。這種強(qiáng)化方式稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化，是金屬?gòu)?qiáng)化的基本方式之一。常用來(lái)細(xì)化晶粒的方法有增大過(guò)冷度（增大冷卻速度）和變質(zhì)處理，其共同的目的都是通過(guò)增大形核率（增大核心數(shù)目）來(lái)細(xì)化晶粒。二、合金的結(jié)構(gòu)與相圖

由一種金屬元素同一種或幾種其他元素組成的具有金屬特征的物質(zhì)就叫做合金。1、合金的相結(jié)構(gòu)（1）基本概念組元——是組成合金的獨(dú)立的、最根本的單元。它可以是純?cè)兀部梢允欠€(wěn)定的化合物。相——指合金中具有相同聚集狀態(tài)、化學(xué)成分和結(jié)晶結(jié)構(gòu)并有明顯界面分開(kāi)的均勻部分。組織組成物——指合金在不同條件下形成的組織中，各具有一定顯微特征（形貌、大小及分布等）的獨(dú)立部分。合金的組織由組織組成物構(gòu)成

（2）固溶體和化合物固溶體——是指溶質(zhì)組元溶于溶劑晶格中而形成的單一均勻的固體，并保持溶劑晶格的晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處的位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。固溶強(qiáng)化——是指由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，從而增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，造成塑性變形的困難，導(dǎo)致固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，塑性和韌性稍有下降或變化不大的現(xiàn)象。這是金屬?gòu)?qiáng)化的重要手段。金屬化合物——是組元間相互作用形成的新相，其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)完全不同。常見(jiàn)的金屬化合物有：正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物。在合金材料中，固溶體具有一定的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性常作為基體，金屬化合物具有高硬度和高熔點(diǎn)常作為強(qiáng)化相。2、二元合金相圖相圖是表示在無(wú)限緩慢的冷卻條件下合金系中各種合金在不同的溫度下呈現(xiàn)的相狀態(tài)及相與相之間的關(guān)系的圖形。目前具體的相圖都是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的。

（1）勻晶相圖的特點(diǎn)兩組元在液態(tài)下互溶，在固態(tài)下形成無(wú)限固溶。相線有液相線（AEB）和固相線（AFB）；相區(qū)有液相區(qū)、固相區(qū)（固溶體）和兩相區(qū)（L+α）。（2）二元共晶相圖的特點(diǎn)兩組元在液態(tài)下互溶，在固態(tài)下不互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)。相線有液相線（ACB）

和固相線（DCE）；相區(qū)有L、Pb和Sb三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)雙相區(qū)，即（L+Pb）、（L+Sb）和（Pb+Sb）。

共晶相圖的基本特點(diǎn)是具有共晶反應(yīng)，在共晶溫度下，C點(diǎn)成分（共晶成分）的液體將同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的固相，稱(chēng)為共晶體（Pb+Sb），

它是兩相的機(jī)械混合物。L+LααABFEABECDSb+LSb+EuPb+EuPb+L三、介穩(wěn)定的Fe—Fe3C相圖

1、鐵碳合金的基本組織13940c9120c

純鐵最重要的特性是具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。即δ-

Feγ-Fe

α-Fe

其中α-Fe和δ-Fe

都屬于體心立方晶格，γ-Fe屬于面心立方晶格。

鐵碳合金基本組織的性質(zhì)及性能特點(diǎn)名稱(chēng)符號(hào)定義最大性能特點(diǎn)含碳量鐵素體F碳在α—Fe中的固溶體，鐵碳0.02%塑性韌性好，強(qiáng)度硬度合金的基本相，體心立方晶格低，常作基體奧氏體A

碳在α—Fe中的固溶體，鐵碳2..11%高塑性,易變形,存在于高合金的基本相，體心立方晶格溫常作鍛壓狀態(tài)組織滲碳體Fe3C

鐵與碳結(jié)合生成的新相，鐵碳6.69%硬而脆,是鋼中的強(qiáng)化相合金的基本相，復(fù)雜晶格珠光體P

共析反應(yīng)產(chǎn)物。鐵素體和滲碳體0.77%綜合機(jī)械性能好,是鐵碳機(jī)械混合物合金中的常用組織萊氏體L’d

共晶反應(yīng)產(chǎn)物。珠光體和滲碳體4.3%硬而脆,基本無(wú)利用價(jià)值(低溫)的機(jī)械混合物

CD12270CFKLeL’eA15380C11489120CEGSPγ7270C0.020.772.114.36.69%FF+AA+Fc3CⅡF+PP+Fc3CⅡAcmA3Fc3CⅢF+鐵碳合金狀態(tài)圖(簡(jiǎn)化)2、鐵碳合金相圖分析（1）鐵碳合金相圖中重要的特征線

ACD——液相線，在AC線以下結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出一次滲碳體。

AECF——固相線，合金溶液冷卻到此線時(shí)凝固完畢。在此線下為固態(tài)。

ECF——共晶線，液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)。

GS——亦稱(chēng)A3線，奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的開(kāi)始線，或鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體的終止線。

ES——又叫Acm線，碳在奧氏體中的溶解度線，奧氏體冷卻到此線時(shí)，將開(kāi)始從奧氏體中析出二次滲碳體。

PSK——亦稱(chēng)A1線，或共析反應(yīng)線。共析反應(yīng)溫度為7270C，共析成分為0.77%C,各種成分的鐵碳合金冷卻到此線時(shí),其中奧氏體的含碳量均變成0.77%而發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體,珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械晶合物。

ECF——共晶反應(yīng)線，共析反應(yīng)溫度為11480C，共析成分為04.3%C,當(dāng)含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線是,將發(fā)生共晶反應(yīng)而形成萊氏體,它是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物。

PQ——碳在鐵素體中的溶解度線，鐵素體冷卻到此線時(shí),將析出三次滲碳體.

（2）鐵碳相圖中重要的特征點(diǎn)

C——共晶點(diǎn)（11480C，4.3%C)

S——共析點(diǎn)(727,0.77%C)E——碳在奧氏體中的最大溶解度（11480C，2.11%C)（3）鐵碳合金的分類(lèi)

類(lèi)別分類(lèi)含碳量范圍平衡組織鐵工業(yè)純鐵<0.02%F+Fe3CⅢ

亞共析鋼0.02~0.77%F+P

鋼共析鋼0.77%p

過(guò)共析鋼0.77~2.11%P+Fe3CⅡ

鑄亞共晶鑄鐵2.11~4.3%P+Fe3CⅡ+L’d

共晶鑄鐵4.3%L’d

鐵過(guò)共晶鑄鐵4.3~6.69%L’d+Fe3CⅠ（4）鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程

LLAAAAFAFe3CⅡFe3CⅡFPPP鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程和組織形成圖亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼（5）含碳量與組織、機(jī)械性能的關(guān)系100150200bMPakkb3.鐵碳合金狀態(tài)圖的應(yīng)用需塑性、韌性高——選用含碳量較低的材料（1）在材料選用方面的應(yīng)用需強(qiáng)度、塑性、韌性高——選用含碳量適中的材料需硬度高耐磨性好——選用含碳量高的材料灰口鑄鐵由于流動(dòng)性好常用于鑄件

選擇澆注溫度，常為液相線上50~1000C（2）在鑄造方面的應(yīng)用廣泛應(yīng)用共晶成分的鑄鐵

鑄鋼常用含碳量為0.3~0.6%成分

選擇始鍛溫度在AE線以下150~2500C（3）在鍛壓方面的應(yīng)用選擇終鍛溫度亞共析鋼在8000C左右過(guò)共析鋼略高于PS線

（4）在熱處理方面的應(yīng)用選擇退火、正火、淬火溫度四.碳鋼和鑄鐵1.鋼中雜質(zhì)對(duì)性能的影響硅和錳是鋼中有益的雜質(zhì).它們大部分溶于鐵素體,使鐵素體強(qiáng)化,提高鋼的強(qiáng)度.硫和磷是鋼中的有害雜質(zhì).硫能引起鋼的“熱脆”,而磷能造成鋼的“冷脆”鋼中硫和磷含量越低,鋼的質(zhì)量越好.含硫0.035~0.05%2.碳鋼的種類(lèi)牌號(hào)、成分、及性能普通碳鋼含磷0.035~0.045%

按硫、磷含量高低分優(yōu)質(zhì)碳鋼含硫、含磷<0.035%分類(lèi)方法高優(yōu)質(zhì)碳鋼含硫<0.02<0.03%低碳鋼(含碳量<0.25%)

按鋼中含碳量分中碳鋼(含碳量<0.25~0.6%)

高碳鋼(含碳量>0.6%)