機(jī)械制造基礎(chǔ)課程性質(zhì)、特點(diǎn)和對象

機(jī)械制造基礎(chǔ)課程性質(zhì)、特點(diǎn)和研究對象一、課程性質(zhì)、特點(diǎn)本課程是機(jī)電專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，就其課程性質(zhì)而言，它是一門工藝性課程。開設(shè)這門課程，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)量檢測等方面獲得必要的基礎(chǔ)知識，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)際問題的能力。二、研究對象本科程是將互換性與技術(shù)測量、工程材料和金屬工藝學(xué)三門課程融于一體。因此其研究對象是工程材料和機(jī)械加工過程中的基本知識。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)識上升到理論高度，進(jìn)而歸納成系統(tǒng)性知識，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量技術(shù)和無損測量技術(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。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。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)小單晶體稱為晶粒。晶粒之間的界面稱為晶界。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）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)稱為結(jié)晶。金屬的結(jié)晶概念包括兩層意思：液—固轉(zhuǎn)變過程或固—固轉(zhuǎn)變過程。前者稱為一次結(jié)晶，后者稱為二次結(jié)晶（或重結(jié)晶），亦稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。（1）結(jié)晶的條件和結(jié)晶的過程在無限緩慢的冷卻條件下，液態(tài)純金屬開始結(jié)晶的溫度稱為金屬的理論溫度（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)才開始結(jié)晶,這種現(xiàn)象稱為過冷,

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

金屬結(jié)晶的過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，直至液態(tài)金屬結(jié)晶完畢的過程。（2）晶粒大小及細(xì)化方法晶粒的大小，對金屬的性能有重大影響。一般來說，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)化方式稱為細(xì)晶強(qiáng)化，是金屬強(qiáng)化的基本方式之一。常用來細(xì)化晶粒的方法有增大過冷度（增大冷卻速度）和變質(zhì)處理，其共同的目的都是通過增大形核率（增大核心數(shù)目）來細(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。它可以是純元素，也可以是穩(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，從而增大了位錯運(yùn)動的阻力，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。這是金屬強(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-Feα-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)名稱符號定義最大性能特點(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A3線，奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的開始線，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)，將開始從奧氏體中析出二次滲碳體。PSK——亦稱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）鐵鐵碳相圖圖中重要要的特征征點(diǎn)C——共共晶點(diǎn)（（11480C，4.3%C)S——共共析點(diǎn)(727,0.77%C)E———碳在奧奧氏體中中的最大大溶解度度（11480C，2.11%C)（3）鐵鐵碳合金金的分類類類別別分分類類含含碳碳量范圍圍平平衡組組織鐵工工業(yè)純鐵鐵<0.02%F+Fe3CⅢ亞共析鋼鋼0.02~0.77%F+P鋼共共析析鋼0.77%p過共析析鋼0.77~2.11%P+Fe3CⅡ鑄亞亞共共晶鑄鑄鐵2.11~4.3%P+Fe3CⅡ+L’d共晶鑄鑄鐵4.3%L’d鐵過過共晶晶鑄鐵鐵4.3~6.69%L’d+Fe3CⅠ（4））鋼的的平衡衡結(jié)晶晶過程程LLAAAAFAFe3CⅡFe3CⅡFPPP鋼的平平衡結(jié)結(jié)晶過過程和和組織織形成成圖亞共析析鋼共析鋼鋼過共析析鋼（5））含碳碳量與與組織織、機(jī)機(jī)械性性能的的關(guān)系系100150200bMPakkb3.鐵鐵碳合合金狀狀態(tài)圖圖的應(yīng)應(yīng)用需塑性性、韌韌性高高———選用用含碳碳量較較低的的材料料（1））在材材料選選用方方面的的應(yīng)用用需強(qiáng)度度、塑塑性、、韌性性高———選選用含含碳量量適中中的材材料需硬度度高耐耐磨性性好———選選用含含碳量量高的的材料料灰口鑄鑄鐵由由于流流動性性好常常用于于鑄件件選擇澆澆注溫溫度，，常為為液相相線上上50~1000C（2））在鑄鑄造方方面的的應(yīng)用用廣泛應(yīng)應(yīng)用共共晶成成分的的鑄鐵鐵鑄鋼常常用含含碳量量為0.3~0.6%成成分選擇始始鍛溫溫度在在AE線以以下150~2500C（3））在鍛鍛壓方方面的的應(yīng)用用選擇終終鍛溫溫度亞亞共析析鋼在在8000C左右右過共析析鋼略略高于于PS線（4））在熱熱處理理方面面的應(yīng)應(yīng)用選擇退退火、、正火火、淬淬火溫溫度四.碳碳鋼和和鑄鐵鐵1.鋼鋼中雜雜質(zhì)對對性能能的影影響硅和錳錳是鋼鋼中有有益的的雜質(zhì)質(zhì).它它們大大部分分溶于于鐵素素體,使鐵鐵素體體強(qiáng)化化,提提高鋼的強(qiáng)強(qiáng)度.硫和磷磷是鋼鋼中的的有害害雜質(zhì)質(zhì).硫硫能引引起鋼鋼的““熱脆脆”,而磷磷能造造成鋼鋼的““冷脆脆”鋼中硫硫和磷磷含量量越低低,鋼鋼的質(zhì)質(zhì)量越越好.含含硫硫0.035~0.05%2.碳碳鋼的的種類類牌號號、成成分、、及性性能普普通碳碳鋼含含磷0.035~0.045%按硫、、磷含含量高高低分分優(yōu)優(yōu)質(zhì)碳碳鋼含含硫硫、含含磷<0.035%分類方方法高高優(yōu)優(yōu)質(zhì)碳碳鋼含含硫硫<0.02<0.03%低碳鋼(含碳量量<0.25%)按鋼中含含碳