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Unit 1 材料的种类 （1）材料的分类方法很多。科学家常用的典型的方法是根据它们的状态分类：固体，液态或气态。材料也分为有机（可再生）和 无机材料（不可再生）。 （2）工业上，材料划分为工程材料或非工程材料。工程材料用于制造和加工成零件的材料。非工程材料是化学药品，燃料，润滑 剂和其它用于制造又不用来加工成零件的材料。 （3）工程材料可进一步细分为：金属，陶瓷，复合材料，聚合材料，等。 Metals and Metal Alloys 金属和金属合金 （4）金属有好的导电好导热性，很多金属有高的强度，高硬度和高的延展性。象铁，钴，镍这些金属有磁性。在非常低的温度下，一些金属和金属互化物变成超导体。 （5）合金和纯金属有什么区别？纯金属在元素周期表的特殊区域。例如用于制造电线的铜和做锅和饮料罐的铝。合金含有两种以 上的金属元素。改变金属元素的比例可以改变合金的性质。例如，合金金属的不锈钢，是由铁，镍，和铬组成。而黄金珠宝含有金镍合金。 （6）为什么要使用金属和合金？很多金属和合金有很高密度并用在要求质量与体积比高的的场合。一些金属合金，象铝基合金， 密度低，用在航空领域可以节省燃料。很多合金有断裂韧度，可以承受冲击，且耐用。 金属有哪些重要属性？ （7）【密度】 质量除以体积叫做密度。很多金属有相对高的密度,特别的，象聚合体。高密度的材料常是原子量很大，象金或铅。 然而一些金属，像铝或镁密度低，就常常用在要求有金属特性而又要求低质量的场合。 （8）【断裂韧性】 断裂韧度用来描述金属抗断裂的能力，特别的，当有裂纹时。金属通常都有无关紧要的刻痕和凹坑，且有耐冲击性。足球队员关注这一点当他确信面罩不会被击碎的时候。 （9）【塑形变形】 塑性变形表述的是材料在断裂之前弯曲变形的能力。作为工程师，我们通常设计材料使得能够在正常情况下不变形。你不会想要一阵强烈的西风就把你的车刮得往东倾斜。然而，有时，我们可以利用塑性变形。汽车的承受极限就是在彻底破坏之前靠塑形变形来吸收能量。 （10）金属的原子键也影响它们的性质。金属中，外层电子属于所有原子，并且可自由移动。因为这些电子的属能导电，导热，所以可以用这些金属做烹饪锅、电线。透过金属不可能看的见，因为这些价电子吸收到达金属的光之。没有光子通过。 （11）【合金】 合金有两种以上金属组成。增加其他金属可以影响密度，强度，断裂韧度，塑性变形，导电性和导致环境退化。 例如增加少量的铁到铝中可以增加它的强度。还有，在钢中添加铬可以减缓生锈，但是这将使它更脆。 Ceramics and Glasses陶瓷和玻璃 （12）广义上说，陶瓷是指所有无机非金属材料。根据这个定义，陶瓷材料包括玻璃。然而，有些材料科学家给陶瓷加了定语，陶瓷要是晶体的。 （13）玻璃是无机非金属材料，但是它没有晶体结构。这种材料被称作非晶体。 Properties of Ceramics and Gasses陶瓷和玻璃的特性 （14）高熔点，低密度，高强度，高刚度，高硬度，高耐磨性和抗腐蚀性是陶瓷和玻璃的常用特性。一些陶瓷是电和热的绝缘体。 一些陶瓷有特别的性质：有些是磁性材料；有些是压电材料；而有些特殊陶瓷在低温下是超导体。陶瓷和玻璃有一个主要的缺点是脆性高。 （15）陶瓷不是典型的从融化状态形成的。这是因为在冷却温度以上时，陶瓷会大面积出现裂纹。因此用于玻璃产品生产的简单有效的方法，象铸造和吹塑，这些要设计融融状态的方法都不能用于晶体陶瓷产品的生产。取而代之，烧结或烘烤方式是典型的工艺 。烧结时，陶瓷粉末被加工成有紧密形体，并且接着把温度升到熔点一下。在这个温度下，粉末立即反应，去除空隙，并得到严实的物品。 （16）光导纤维有三层：核心有高纯玻璃制成，该玻璃是高折射指数光传输材料；中间层是低折射指数玻璃，是保护核心玻璃表面不被擦伤或表面完整性被破坏的所谓覆层；最后外层是塑料（聚合体）护套，可以保护光导纤维不受损。为了使核心玻璃表面的折射率高于覆层，核心玻璃掺少量的，可控的杂质，用来减慢光的传播，但是不吸收光。因为核心玻璃的折射率高于覆层，只要光在核心玻璃和覆层分界面的角度大于临界角，会一直在核心玻璃中传播。全部的内部反射和高纯的核心玻璃能是光传播很远的距离而强度降低很少。 【复合材料】 （17）复合材料由两种或多种材料组成。如包括聚合物陶瓷和金属陶瓷复合材料，复合材料被使用，因为复合材料的所有性能比单一元素高，例如聚合物陶瓷复合材料比聚合物复合材料的模量大，但它没有陶瓷脆（18）两种符合材料为：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料 （19）（纤维增强复合材料） 纤维增强复合材料由金属、陶瓷、玻璃和已经碳化的聚合物构成，因也被称为碳纤维。纤维增大了 材料基质的模量，沿纤维长度方向的较强的共价键在这个方向上产生了较高的模量，因为要打断或拉伸纤维，共价键必须被破坏或移动。 （20）纤维很难加工成复合材料，制造纤维增强复合材料非常昂贵。他被用于一些先进的因此也很昂贵的体育器材如赛车有热固性的聚合物基质中的碳纤构成。赛车和许多汽车的车身由具有热固性基质的玻璃纤维复合而成。 （21）纤维沿他的轴线有较高的模量，但沿轴线垂直方向模量较低，为了避免各个方向模量不同，纤维复合材料制造者经常旋转纤维层以避免模量定向变化。 （22）（颗粒增强复合材料） 被用来增强的颗粒包括陶瓷和玻璃如小的矿物颗粒，金属粒子如铝及非晶体材料包括聚合物和碳黑。 （23）粒子被用来增加基质的模量，减少基质渗固性和延展性粒子增强复合材料的一个例子汽车轮胎，在他有碳黑粒子在聚异丁烯 ，弹性聚合物基质中。 （24）(聚合物) 聚合物有重复的结构，通常以碳的结构骨架做为基本单元。这种重复结构产生了三大链状分子，聚合物非常有用 ，因为他们质轻，抗腐蚀，在低温下易加工而且通常比较便宜。 （25）聚合物的一些重要特征包括：尺寸（分子量），软化和熔点，结晶度以及结构。聚合物的机械性能包括低强度，高韧性，通过使用增强复合材料结构，他们的强度被改善。 （26）聚合物的重要特征 尺寸大小：单一聚合物分子量在 10000 克每摩尔和 1000000 克每摩尔之间，根据聚合物结构他有超过 2000 个重复单元，分子 量对聚合物的机械性能有重要影响，分子量大的机械性能较好。 热传递：聚合物软化点和融化点决定他的使用场合，这些温度通常决定聚合物使用的上限温度，例如许多重要工业聚合物有玻 璃转化温度接近水的沸点（100 摄氏度，212 华氏温度）。他们通常在室温下使用，一些特殊工程聚合物能承受 300 摄氏度（572 华 氏温度）的高温。 （27）结晶度：聚合物可能是晶体或非晶体，但是他们通常是晶体和非晶体的混合结构（半结晶）。 （28)原子链间的相互作用：聚合物的原子链可以自由的彼此滑动（热可塑性）或通过交键互相连接（热固性或弹性）。热可塑性材料可以重新形成和循环使用，而热固性与弹性材料则是不可能再使用的。（29）连内结构：原子链的化学结构对性能也有很大影响。根据各自的结构不同，聚合物可以是亲水的或憎水的（喜欢或讨厌）、硬的或软的、晶体状的或非结晶质、易起反应的或不易起反应的。Unit 2 金属热处理 （1）金属热处理包含在广义的冶金学研究领域里。冶金学是综合化学，物理和从矿石提取到最后产品相关的金属工程的一门学科。 热处理是对固态金属进行加热和冷却处理来改变金属物理性能的一种工艺。根据使用的场合的，提高钢的强度可以它的耐切削性和耐磨性，或者使钢软化以便于机械加工。正确的热处理可以去掉内应力，减小晶粒大小，韧性增加或者在较好的材料表面给形成一个高强度的表面。分析钢的成分是很有必要的，因为小百分比的某种元素就会对钢的物理性能产生很大的影响，特别地，碳这种元素。 （2）合金钢的性质取决于含有的除碳以外的其它的一种或几种元素，如：镍，铬，锰，钼，钨，硅，钒和铜。 改善了性能的钢可以有很多的商业用途，碳钢是不能比的。 （3）下面主要介绍普通商业用钢像总所周知的普通碳素钢的热处理。在这个过程中冷却速率是关键因素，在临界温度以上时快速冷却可得到坚固的结构，然而，非常慢的冷却会有相反的影响。 一张简化的铁-碳相图 （4）我们经常用一张简单的相图来研究钢这种材料。对工程人员来说，铁-碳相图中的近铁素体区和含碳量大于2%的部分并不重要，所以这两部分被删掉。如表 2-1 所示；它表述的是共析区，这张图对研究钢的性能和钢的结晶过程是相当有用的。 （5）这张图表明，一个重要的转变是随着温度的降低，单相的奥氏体分解成两相的铁素体和碳化物。控制这个反应，可以是奥氏体和铁素体的 C 溶解性有很大的不同，这样通过热处理就可以得到一系列的机械性能。 （6）首先研究这个过程，在图 2-1 中，在含碳 0.77%沿着线 x-x降低温度，考虑钢的共析化合物。在高温时，只有奥氏体，溶 0.77%的碳是溶解在溶体状态铁中。当温度下降到 7270C(13410F)时，数个反应同时发生。铁需要从面心立方奥氏体转变成体心立方铁素体结构，但是铁素体只能容纳固溶体状态 0.02%的碳。析出的碳形成碳较富裕的渗碳体，也就是形成合成物 Fe3C。基本上，这个共析转变是： 奥氏体0.77%C 铁素体0.02%C + 渗碳体6.67%C（7）在固体状态里，碳的成分发生化学分离，形成了有好的机械性能混合物，铁素体和渗碳体。这种结构由两种截然不同的状态组成，但它本身有一系列特性，且因与低倍放大时的珠母层有类同之处而被称为珠光体。 （8）亚共析钢比共析钢含碳量要少的多，亚共析钢含碳量少于 0.77%。现在考虑在图 2-1 中沿 y-y降温材料特征的转化。在高温时，成分是奥氏体，但在冷却线上进入一个有铁素体和渗碳体组成的稳定的区域。由截线和杠杆定理分析可知，低碳铁素体成核并不断长大，余下含碳量高的奥氏体。温度在 7270C(13410F)时，奥氏体发生共析转变，继续降温，奥氏体转化成珠光体。最终的产物是铁素体和珠光体的混合物。 （9）过共析钢含碳量比共析钢多。在图 2-1 中沿 z-z线冷却，和亚共析过程差不多。只是其中一相现在是渗碳体而不是铁素体。达到共析温度 7270C 的时候，随着富碳相的形成，奥氏体含碳量减少。同样的余下的奥氏体在通过这个温度是都要转化成珠光体。 （10）相图中表示的转化需要平衡条件，就是近似看作需要缓慢冷却。随着慢慢加热，过程是相反的。然而，合金冷却迅速，将得到完全不同的产物，因为没有足够的时间完成正常的相转化，在这种情况下，相图就不再适用于这个工程分析了。 （11）【淬火】 淬火是把钢温度升到临界温度或以上并迅速冷却这样一个过程。如果知道了碳含量，就可以用铁-铁碳化合物相图来选择正确的淬火温度。然而，如果不知道钢的成分，可以用逐步实验的方法来确定温度范围。好的处理工艺是通过对大量试件在各种温度下进行实验，然后对结果进行分析得到的，分析的方式可以是强度测试也可以用精密的测试。用合适的温度对钢进行热处理后，钢的强度和其它的机械性能都有很大的改善。 12）热处理效率在热处理中是非产重要的。热以一定的速率从外部传到内部。如果钢将加热的太快，零件的外面比里面温度高，将得不到一致的晶体结构。如果零件的形状是不规则的，考虑到零件的扭曲变形，就要用慢速加热的方式。质量越大的部分，越需要多的时间来加热，从而得到成分均匀的产物。当温度达到恰当的温度后，要保持足够的一段时间，使零件最厚的部的温度是一致的 。 （13）淬火的速率，含碳量和零件的尺寸决定了淬火获得的硬度。对合金钢来说，金属元素的量和种类决定淬硬的深度（淬透性）。 除了未变硬和部分淬硬的钢，不影响硬度。 （14）低碳钢的淬硬性好，在含碳量低于 0.6%时，随着含碳量的升高，淬硬性也在升高。含碳量高于这个点，淬硬性增加不显著，因为共析温度以上的钢在在退火时是由珠光体和渗碳体组成。珠光体的热处理性比较好，包括珠光体在内的多数钢都可以转化成硬钢。 （15）随着零件尺寸的增大，即使所有的条件都一样，表面硬度要降低。钢的热传递速率是有限的。无论冷却液温度有多低，大零件内部的冷却速度比可能快于临界冷却速度，内部硬度有一定的限制。然而，盐水或水冷却液可以迅速把淬火零件表面的温度降低到冷却液的温度，保持或逼近它。在这种环境下，不管零件尺寸大小淬硬的深度是有限制的。在用油淬火时，就是在临界淬火期间表面温度可能较高这种情况就不正确了。 （16）【回火】 快速淬火得到的钢是脆的，大部分情况不适合直接使用。通过回火，可以降低硬度和脆性来达到使用要求。随着这些性能的降低，强度降低，钢的延展性和柔韧性增加.回火就是把淬硬的钢加热到零界温度以下，然后以任一速率冷却。尽管回火可以使铁变软，但它与退火不同。退火是使钢尽量靠近控制物理性能，并且多数情况下没有把钢变软到退火本应达到的程度。淬硬的钢完全回火后得到的组织叫回火马氏体。 （17）回火可以消除马氏体的不稳定。3000F-4000F(1500C -2050C)低温回火,不降低钢的硬度又可以释放内应力。随着回火温度的升高，马氏体加速分解。.在大约 6000F（3150C）淬火钢组织快速向回火马氏体转化。回火过程就是快速结合或渗碳体化合。渗碳体在 6000F（3150C）迅速形成，它的硬度有所降低。温度升高时，随着碳化合物持续形成，硬度在降低。 （18）回火时，还要考虑温度以外的其它事情。尽管在到达回火温度的前几分钟完成软化，但是如果温度的延续时间太长，硬度会降低的更多。通常的做法是把钢的温度升高到期望值，并保持一段合适的时间，均匀的加热。 （19）用局部淬火方法的两种特别的工艺是回火的一种形式。在这两个过程中，用盐水淬火的钢在冷却之前要先保持一段时间的低温。这些工艺,众所周知等温回火可以得到想要的物理性能。 （20）【退火】 退火的主要目的就是使钢变软，以至于可以用来机械加工或冷加工。把温度缓慢加热到临界温度以上一点，保持一定的时间以确保整个零件的温度是一致的，然后慢慢冷却，以保证零件内外的温度几乎保持一致。这个过程叫完全退火过程，它转化了以前形成的组织，又重新形成了晶体组织。并且使钢变软了。退火也可释放金属内部的内应力。 （21）退火温度由给定碳钢的成分决定。碳钢在铁碳平衡图上很容易得到。在确定加热速率时要要考虑零件尺寸和形状，这样来确保整个零件温度尽可能同步上升。达到退火温度后，要把温度保持到整个零件都被加热。零件最厚部分每英寸 45mm 处常有这样的情况。为了得到最软和柔韧性最好的钢，冷却速率应该非常慢，让零件随炉子一起冷却。零件含碳量越高，冷却速度必须越低。 （22）【正火和球化处理】 正火处理过程就是把钢加热到500F-1000F(100C -400C)在上临界温度以上，然后空冷到室温。正火主要用于低碳钢和中碳钢，来细化并均匀晶粒，释放内应力或得到理想的机械性能。多数商业用钢在滚压或铸造后都要正火处理。（23）球化处理产生一种组织，渗碳体在该组织中以球状存在。如果钢缓慢加热到零界温度以下，保持一段时间，就能得到这种组织。球状组织能改善钢的机械加工性能。球化处理用来处理需要加工的过共析钢是非常有用的。 Unit 3 铸造工艺 （1）铸造是一种制造工艺，铸造是把融融的金属浇注到合适的模型腔内，并凝固。在冷却期间或冷却后，把铸件从铸型里取出，接着进行交付零件所需要的加工。 （2）铸造工艺和铸造材料技术从简单到高度复杂发生着改变。根据铸件功能和复杂程度，产品质量和项目花费水平来选择材料和加工工艺。 （3）铸件是用铸造的方法使零件接近最终的尺寸。经过 6000 年的发展历史，各种铸造工艺作为先进的制造技术继续的发展改进。 （4）【砂型铸造】 砂型铸造用于制造大零件（典型的有铁，还有青铜，黄铜，铝）。融融金属浇注到型腔里（普通的或合成铸铁）。本部分将讨论砂型铸造工艺的模样，包括木模、浇注口、浇道，精确设计和铸造公差。 （5）砂中的型腔靠木模形成的（和真实零件几乎相同），模样用材料是常常是木头，有时也用金属。型腔被包含在沙箱里。插入砂型的砂芯用于产生零件的内部特征，如孔或内部空腔。用放在型腔里的砂芯形成期望的形状砂芯头是添加到模样，砂芯或砂型上的区域，用来定位或支撑砂型里的砂芯。冒口是额外的空间，用来容纳多的金属液。这样目的是，在金属液凝固，收缩时，把金属液流入型腔，因此防止主要的铸造部分有空隙。 （6）在两开砂型中，它是典型的砂型铸造，上面半个包括模样，沙箱和中型芯的上半部分的叫上沙箱，下面半个叫下沙箱。如图3.1 所示。分型线或分型面把上下沙箱分开。下沙箱先用沙子填满，并且把砂芯头，砂芯，和浇流系统放在分型线附近。上沙箱与下沙箱配合，且用沙子填满下沙箱，盖住模样，砂芯和浇注系统。用震动和机械的方法把沙子压紧。接着上沙箱从下沙箱上移开，并把模样小心的移走。目标是把模样移走有不破坏型腔。设计一个草图就容易做到，这个轴要在模样的竖直面的垂直方向有一定的角度偏移量。它通常只有 1.5MM，是最合适的。模样越复杂，准备的草图越多。（7）把融融的材料倒入浇口杯，它是浇注系统的一部分，它把融融的材料引导到型腔。链接浇口杯浇流系统的竖直部分叫直浇道。卧着的部分叫横浇道。最后到浇注点，把金属液引到型腔的叫浇注点.另外浇流系统还有个通气孔，作为空气的通道，把型腔的空气排入大气。 （8）型腔通常要做的超出尺寸来允许在金属冷却到室温时金属的收缩。 为了解决收缩问题，模样也要根据平均值做大一些。这种反应是线性的。这些收缩公差是相似的，因为准确的公差由铸件的形状和尺寸决定。另外，不同的铸件可能要求不同的收缩公差。 砂型铸造的表面通常粗糙有杂质和变形。这种情况下就需要精加工。 Unit 8 磨削 （1）磨削是用砂轮切削金属的一种加工工艺。它和铣刀类似，周围带了大量微缩的切削刃。通常，磨削用来加工高尺寸精度，高表面精度的零件。磨削可以加工平面，圆柱面，甚至用专用机床可以加工内表面，比如说用磨床。显然，磨床根据几何形状和功能的不同有所不同。使用何种磨床主要取决于被磨削表的几何形状和物理性质。例如圆柱面在外圆磨床上磨削。 （2）1.平面磨削 顾名思义，平面磨削就是磨平面。如图8.1所示，磨床有卧式和立式两种。第一种情况（卧式主轴），机床通常有一个往复运动的工作台，工件就固定在这个工作台上。然而，立式磨床有一个刨床式的工作台，像卧式磨床那样，或者装一个旋转工作台。因此，这种情况下是通过砂轮的端面来实现磨削，这与卧式磨床相反，立式磨床是用砂轮的圆周面来磨削的。图 8.1给出了估算磨削参数的方程，如加工时间和速度。在平面磨削时，中的工件用夹具固定或用压板等物加紧在机床工作台上，而小的工件常常是电磁吸盘固定的。 （3）2.柱面磨削 柱面磨削时，工件固定在顶尖之间，砂轮的旋转是主运动，来产生磨削运动，如图8.2所示。事实上，圆柱磨削还可以用下面的一些方式完成： （1）横切法，是通过砂轮和工件一起转动，同时沿纵向进给来加工整个零件长度的。背吃刀量通过改变砂轮对工件的横向进给来进行调整。 （2）进刀法，其磨削时只需横向进给而没有轴向进给。正如你所看到的，当需磨削的面比砂轮的宽度窄时才用这种方法。 （3）全深度法，它和横向进给磨削方式类似，所不同的是磨削余量一次加工完。这个方法常用来加工高硬度的短轴。 （4）【内圆磨】 磨内圆用来磨短空，如图 8.3 所示。工件用卡盘或夹具固定。磨削时砂轮和工件都转动同时砂轮纵向进给。通过改变砂轮横向进给可以得到不同的磨削深度。这样磨削方式演变出了行星磨内圆法，这种方法用在卡盘不能固定的重工件上。这 种情况下，不仅要围绕自己的轴心旋转还要绕磨削孔的中心旋转。 （5）【无心磨削】 无心磨削是用于圆柱型工件加工的，工件有托板支持，在两轮之间，即砂轮和导轮或称为进给轮之间通过去。 砂轮完成实际的磨削，而导轮的作用是是工件旋转及产生轴向的进给。这点是可能的，这是由轮的摩擦特点决定的，砂轮的用的是橡胶粘合的磨粒。如图 8.4，导轮的轴和砂轮的轴有一定的角度。因此导轮的速度可以分解成两部分，工件的转速和进给速度，关系如下方程所示： （6）这里的系数 c 是考虑工件与导轮之间的相对滑动常数。 （7）导轮的速度是可控，可以用来达到任何工件的旋转速度。角度 a 通常取 1-5 度，角度越大，纵向进给速度越大。当 a=0,砂轮的轴和导轮轴平行，将没有工件的纵向进给。 （8）【砂轮】砂轮由大小类似的磨粒和粘和剂组成。实际上磨削过程是磨粒完成的。磨粒间的空隙使磨粒像独立单点切削刀具一样，这些空隙也能为磨削提供空间，防止堵塞。另外，空隙还能带走磨削过程中产生的热量。（9）砂轮的类型有它们的外形尺寸，磨粒的种类，磨粒的大小，粘和剂，硬度和结构决定。Unit 11 车床和车削加工 （1）车床是主要运用于加工旋转表面和平面的机械工具。基于车床的用途、结构、同时装夹刀具的数量，以及自动化程度，车床或更确切来说车削型机床可以如下分类： 1. 普通车床；2.多刀车床；3.转塔车床；4.镗床；5.自动车床；6.专用车床。 （2）尽管车削型车床存在上述差异，但对于车床结构和工作原理方面它们具有相同特点。这些车床的共同点可以