《机械工程导论》-第3章

３.１工程力学课程介绍工程力学是力学的一个新分支，它从物质的微观结构及其运动规律出发，运用近代物理学、物理化学和量子化学等学科的成就，通过分析研究和数值计算，阐明介质和材料的宏观性质，并对介质和材料的宏观现象及其运动规律做出微观解释。３.１.１绪论１.工程力学的历史发展工程力学作为力学的一个分支，是２０世纪５０年代末出现的。首先提出这一名称并对这个学科做了开创性工作的是中国学者钱学森。在２０世纪５０年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一到亿分之一秒等。下一页返回３.１工程力学课程介绍在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质。在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求解耗散过程的高阶项。由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效的手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。工程力学虽然还处在萌芽阶段，很不成熟，而且继承有关老学科的地方较多，但作为力学的一个新分支，确有一些独具的特点:工程力学着重于分析问题的机理，并借助建立理论模型来解决具体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时，才求助于新的实验。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍工程力学注重运算手段，不满足于问题的原则解决，要求做彻底的数值计算。因此，工程力学的研究力求采用高效率的运算方法和现代化的电子运算工具。工程力学注重从微观到宏观。以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。２.工程力学的研究领域工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍工程力学对非平衡现象的研究包括四个方面:一是趋向于平衡的过程，如各种化学反应和弛豫现象的研究；二是偏离平衡状态较小的、稳定的非平衡过程，如物质的扩散、热传导、黏性以及热辐射等的研究；三是远离平衡态的问题，如开放系统中所遇到的各种能量耗散过程的研究；四是平衡和非平衡状态下所发生的突变过程，如相变等。解决这些问题要借助于非平衡统计力学和不可逆过程热力学理论。工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面:(１)高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍(２)稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质以及相变行为等；(３)固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。物质的性质及其随状态参量变化规律的知识，无论对科学研究还是工程应用都极为重要，力学本身的发展就一直离不开物性和对物性的研究。近代工程技术和尖端科学技术迅猛发展，特别需要深入研究各种宏观状态下物体内部原子、分子所处的微观状态和相互作用过程，从而认识宏观状态参量扩大后物体的宏观性质和变化规律。因此，工程力学的建立和发展，不但可直接为工程技术提供所需介质和材料的物性，也将为力学和其他学科的发展创造条件。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍３.工程力学的研究方法１)理论分析方法２０世纪初，探索新设计、新结构，都要采用理论分析方法，但是所得结果是有限的，因为工程建筑十分复杂，而力学理论所能解决的问题都是比较有限的，理论力学分析方法只用来做探索性的设计与研究。２)实验方法具体设计的实验验证实际做设计的时候，主要靠的是实验方法，做一个具体的设计实验的验证。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍３)计算机方法现代计算技术与计算机应用，使工程力学开辟了一个很宽的领域，现在所能解决的问题要比以前单纯地运用理论方法广泛地多、深刻地多。３.１.２理论力学理论力学(ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓ)是研究物体机械运动的基本规律的学科，力学的一个分支。它是一般力学各分支学科的基础。理论力学通常分为三个部分:静力学、运动学与动力学。上一页下一页返回３.１工程力学课程介绍３.１.３材料力学材料力学主要研究的是杆件，板料、壳体也有涉及但不是主要的。材料力学主要是从理论力学的静力学发展而来，认为刚体是不会变形的，所以在理论力学中是不可能解释变形体的问题的，但实际上物体没有不发生变形的，材料力学就是研究物体在发生变形以后的一些问题，比如说刚度、强度、稳定性等。理论力学无法解答超静定问题，但是在材料力学中可以根据变形协调方程或者一些边界约束条件可以解答超静定问题，这是材料力学比理论力学更丰富的地方。而且材料力学在解释实际生活中的问题时把问题工程化。另外动载荷和疲劳失效问题材料力学中也有涉及但不是重点。上一页返回３.２机电传动控制课程介绍３.２.１绪论本课程是机械类、机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的一门主干技术基础课。本课程涉及内容十分广泛，它涵盖了“电机学”“电器学”“拖动控制”“电力电子”“直流调速系统”“交流调速系统”等。本课程的前修课程主要是“电工学”“电子技术”，后续课程主要是“数控技术”“运动控制系统”。１.机电传动的定义、目的和任务(１)定义:以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。图３－２２所示为机电传动系统功能框图。下一页返回３.２机电传动控制课程介绍(２)目的:将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。(３)任务。广义上:实现自动化生产。可以是生产机械设备、生产线、车间，甚至整个工厂。狭义上:专指控制电动机驱动生产机械。要求能实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动条件的改善以及能量的合理利用。随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统提出了越来越高的要求。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍２.相关的基本概念１)电机的能量转换电机是转换能量形态的一种机械:发电机将机械能转换成电能；电动机将电能转换成机械能；变压器将一种电压等级的电能转变成另一种电压等级的电能。电机的工作原理是建立在电磁感应定律、电磁力定律、电路定律等基本理论之上。２)法拉第电磁感应定律设有一个匝数为ω的线圈放在磁场中，不论什么原因，例如线圈的移动、转动或磁场强度发生变化等，造成与线圈相交链的磁通Φ随时间发生变化，这时线圈内部会感应出电势，这种现象叫电磁感应。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍３)运动电势如果磁场是恒定的，但线圈与磁场之间有相对运动，引起与线圈相交链的磁通发生变化，因而在线圈中感应出电势，则称这种电势为运动电势。ｅ＝Ｂｌｖ４)电磁力定律载流导体在磁场中受到力的作用，由于这种力是由于磁场和电流的相互作用产生的，故称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在导体上的电磁力为ｆ＝Ｂｌｉ上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍５)电路定律在电路里，对任何一个回路，若沿某一方向环绕回路一周，则回路内所有电势的代数等于所有电压降的代数和，即∑ｅ＝∑ｕ３.课程学习的基本要求了解机电传动控制系统的组成；掌握机电传动控制系统的基本规律；了解常用电机、电器的基本工作原理和特性；掌握继电—接触器控制、可编程序控制器的基本工作原理及其应用；学会分析机电传动控制系统的基本方法。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍３.２.２机电传动控制系统中的控制电动机机电传动控制系统中的控制电动机根据不同的控制要求可以选用不同的电动机，实际运用中常用的是伺服电动机，以伺服电动机为例说明。３.２.３继电接触器控制电器的概念:电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍１.电器的分类１)按工作电压等级分类(１)高压电器:ＡＣ１２００Ｖ、ＤＣ１５００Ｖ及以上电路中的电器。(２)低压电器:ＡＣ１２００Ｖ、ＤＣ１５００Ｖ以下电路中的电器。２)按动作原理分类(１)手动电器:通过人的操作发出动作指令的电器。(２)自动电器:产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍３)按用途分类(１)控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器。(２)配电电器:用于电能的输送和分配的电器。(３)主令电器:用于自动控制系统中发送动作指令的电器。(４)保护电器:用于保护电路及用电设备的电器。(５)执行电器:用于完成某种动作或传送功能的电器。２.电器的主要组成部分１)电磁机构电磁机构由线圈、铁芯和衔铁组成，主要作用是通过电磁感应原理将电能转换成机械能，带动触头动作，完成接通或分断电路的功能。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍根据衔铁相对铁芯的运动方式，电磁机构可分为直动式和拍合式两种，当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁芯、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁力，将衔铁吸向铁芯。与此同时，衔铁还受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反力时，衔铁才可靠地被铁芯吸住。而当吸引线圈断电时，电磁吸力消失，在弹簧作用下，衔铁与铁芯脱离，即衔铁释放。２)触头系统(１)接触形式:触头的接触形式有点接触、线接触和面接触三种。点接触适用于电流不大，触头压力小的场合；线接触适用于接电次数多，电流大的场合；面接触适用于大电流的场合。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍(２)结构形式:触头是电磁式电器的执行部分，起接通或断开电路的作用。触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。电磁式电器触头在线圈未通电状态时有常开(或动合)和常闭(或动断)两种状态，分别称为常开(或动合)触头和常闭(或动断)触头。当电磁线圈有电流通过，电磁机构动作时，触头改变原来的状态，常开(动合)触头将闭合，使与其相连的电路接通；常闭(动断)触头将断开，使与其相连的电路断开。能与机械联动的触头称为动触头，固定不动的触头称静触头。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍３.２.４可编程控制器ＰＬＣ可编程序控制器:ＰＬＣ英文全称ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，中文全称为可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。ＤＣＳ集散系统:ＤＣＳ英文全称ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，中文全称为集散型控制系统。ＤＣＳ在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。上一页下一页返回３.２机电传动控制课程介绍３.２.５交直流电动机无级调速控制１.直流电动机无级调速控制１)速度调节与速度变化速度调节:在一定的负载下，人为改变参数，从而改变电动机稳定转速，负载不变，如图３－３０所示。速度变化:由于负载发生变化而引起电动机转速改变，特性不变，如图３－３１所示。２)直流电动机调速的方法(１)改变电枢电路外串电阻；(２)改变电动机电枢供电电压；上一页返回下一页３.２机电传动控制课程介绍(３)改变电动机主磁通。选择电动机调速方法的注意事项:(１)一台电动机能否正常地长期运行，取决于它的电枢电流。额定电流是指电动机长期工作所能容许的电流值。调速时，无论转速高低，都不允许长期超过额定值。(２)电动机在运行中，电压、磁通的大小都是可以人为控制的，转速虽然和转矩有关，但基本也可以由操作者决定，而转矩和电流完全取决于负载，即电动机能否正常工作要看电流，而电流的大小要看负载。问题的实质就是电动机的不同调速方法，各适用于什么性质的负载，怎样才能使电枢回路中的电流在不同速度下始终接近或等于额定值。上一页返回下一页３.２机电传动控制课程介绍２.交流电动机无级调速控制随着电力电子学、微电子技术、计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，影响三相交流电动机发展的问题逐渐得到了解决，目前三相异步交流电动机的调速性能已达到直流调速的水平。在不久的将来交流调速必将取代直流调速。在实际生产过程中，根据加工工艺的要求，生产机械传动机构的运行速度需要进行调节。这种负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通常有机械调速和电气调速两种方法，通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。不同的生产机械，对调速的目的和具体要求各不相同，对于鼓风机和泵类负载，通过调节转速来调节流量，这与通过调节阀门调节的方法相比，节能效果更加显著。上一页返回下一页３.２机电传动控制课程介绍调速控制是交流电动机的重要控制内容，实际应用中的交流调速方法有多种，常见的有变极调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。目前广泛使用的调速方法仍然是传统的改变极对数和改变转子电阻的有级调速控制系统，近年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，变频调速技术发展迅速，已应用于很多生产领域，这是将来调速发展的方向。３.２.６机电传动控制系统设计机电传动控制系统主要有以下几种类型，如图３－３２所示。在设计时候，可以依据实际情况，选择合适的类型。上一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.３.１绪论１.测试技术的基本概念测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的发展历史表明，科学上许很多新的发现和突破都是以测试为基础的。同时，其他领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。下一页返回３.３工程测试技术课程介绍在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。在工程技术中广泛应用的自动控制技术也和测试技术有着密切的关系，测试装置是自动控制系统中的感觉器官和信息来源，对确保自动化系统的正常运行起着重要作用。测试技术几乎涉及任何一项工程领域，无论是生物、海洋、气象、地质、雷达、通信以及机械、电子等工程，都离不开测试与信息处理。在日常生活中，你也会随处可见测试技术的应用例子。例如，空调、电冰箱中的温度测量和压缩机启/停控制装置，洗衣机中的液位测量和洗衣机电动启/停控制装置。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍为提高测量精度，增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高测试系统的自动化程度，以利于和其他控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适当的形式显示、输出。２.课程内容在科学实验和工业生产过程中，为及时了解工艺过程、生产过程的情况，需要对反映实验或生产对象特征的压力、力矩、应变、位移、速度、加速度、温度、流量、液位、浓度重量等物理量进行测量。为提高测量精度和测量的自动化程度，以及便于信息的传输、记录、分析和处理，在测量过程中需要将这些物理量转换为电量。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍将物理量转换为电量的装置称为传感器，各种常见物理量测量传感器的工作原理和测量放大电路原理是本课程的一个主要组成部分。传感器获取的测试信号中携带着人们所需要的有用信息，但也常含有大量人们不感兴趣的其他成分，后者称为干扰信号。为剔除干扰信号和提取测试信号中的有用信息，必须通过滤波、调制、变换、估值等方法对信号进行加工变换，改变信号形式，突出信号中的有用信息成分。各种常用的信号去干扰方法和信号特征提取方法的工作原理是本课程的另一个重要组成部分。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.３.２测试信号的分析处理１.信号的分类与描述为了深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的。以不同的角度来看待信号，可以将信号分为:确定性信号与非确定性信号；能量信号与功率信号；时限信号与频限信号；连续时间信号与离散时间信号；物理可实现信号。２.信号的时域分析信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的均值、均方值、方差等统计参数。信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就可以进行分析。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.信号的相关分析相关的概念:相关是指客观事物变化量之间的相依关系，在统计学中是用相关系数来描述两个变量ｘ，ｙ之间的相关性的３.３.３测试系统的基本特性１.测试系统概论测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。当测试的目的、要求不同时，所用的测试装置差别很大。简单的温度测试装置只需一个液柱式温度计，但较完整的动刚度测试系统，则仪器多且复杂。本章所指的测试装置可以小到传感器，大到整个测试系统。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍在测量工作中，一般把研究对象和测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量ｘ(ｔ)、系统传输特性ｈ(ｔ)和输出ｙ(ｔ)三者之间的关系。２.测试系统的静态响应特性如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，装置表现出的响应特性称为静态响应特性。表示静态响应特性的参数，主要有灵敏度、非线性度和回程误差。为了评定测试装置的静态响应特性，通常采用静态测量的方法求取输入—输出关系曲线，作为该装置的标定曲线。理想线性装置的标定曲线应该是直线，但由于各种原因，实际测试装置的标定曲线并非如此。因此，一般还要按最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.测试系统的动态响应特性在对动态物理量(如机械振动的波形)进行测试时，测试装置的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试装置的动态响应特性。系统的动态响应特性一般通过描述系统传递函数、频率响应函数等数学模型来进行研究。３.３.４测试系统常用传感器介绍传感器的作用:用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍传感器是一种获取信息的装置。它的定义是:借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换的大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器定义为，把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。所以一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号继续输送给后续的配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.３.５测试信号调理电路由传感器直接输出的信号一般是非常微弱的，不能直接被测量电路所利用，所以要根据不同形式的传感器采取不同的方式对信号进行处理，例如对微弱的信号放大、滤波、变换等，最终将传感器最初的输出信号调理成能被测量电路所利用的信号。仪器放大器(或称数据放大器)是用于测量两个输入端信号之差的集成模块，其放大增益可设定。仪表放大器具有输入阻抗高、失调和温漂小、增益稳定、输出阻抗低等特点，主要用作热电偶、应变电桥、分流器及生物传感器的接口电路，这种放大器能够将叠加在大共模电压上的小的差模信号进行前置放大。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍仪表放大器的增益可任意设定，一般有两种方法，一是通过数字量直接控制，另一种是通过外部电位器调节，目前有各种型号的仪器放大器可供选择使用。仪表放大器的功能框图如图３－３３所示。３.３.６信号显示与记录仪表在工业测量和控制系统中，显示仪表是不可缺少的。显示仪表通常指以指针位移、数字、图形、声光等形式直接或间接显示、记录测量结果的仪表。它能与多种类型的检测仪表配合使用，用作工业过程变量数值大小、变化趋势和工作状态的显示和记录，不少显示仪表兼有控制、调节和故障报警等功能。显示仪表经历了从机械式、机电式到电子式的发展过程。仪表所用的元器件从电子管、半导体管到目前的集成电路。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍所使用的显示、报警器件，分别有指针式、打印记录式、数字式、光柱式和液晶显示屏等。随着大规模集成电路和计算机技术的不断完善和发展，显示仪表已向多功能、小体积、高精确度智能化方向发展，能更逼真地显示、记录工业过程参数的变化趋势，而且对于工艺过程的现场数据，不仅能显示、记录、打印，还能存储、传送，更方便管理人员及时了解现场情况。显示仪表品种多、系列全，在各种工业测量装置和控制系统中都有应用。显示仪表在测量和控制系统中发挥了应有的作用。随着工业技术的不断进步，新工艺、新材料、新元件、新技术的出现，显示仪表发生了很大的变化。原有的显示仪表，有的被淘汰，有的被取代。一些新型的显示仪表相继出现，如各类智能型显示仪表。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍特别是近十几年以来，由于微电子技术的迅速发展，大规模数字集成电路、模拟集成电路和单片微处理器的出现，不仅改变了显示仪表的面貌，而且极大地提高了仪表的技术性能，丰富了仪表的各项功能，推动显示仪表向智能化、小型化、高可靠性和低成本方向发展。由于单片微处理器在显示仪表中的广泛应用，导致各种类型的显示仪表相互渗透、取长补短。不少显示仪表，不仅功能齐全、性能可靠，而且外形尺寸较小，并且带有通信接口，便于密集安装和计算机管理，给用户提供了极大的方便。由于显示仪表发展迅速，传统的自动平衡式记录仪大多被智能数据记录仪和无纸记录仪所取代。单片微处理器在记录仪中的使用，极大地减少了记录仪中的可动机械部件并丰富了仪表的各种功能。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍特别是采用液晶大屏幕显示器件和用电子元器件作存储介质的无纸记录仪的出现，大大地降低了有纸记录仪在长期运行过程中的费用，受到使用者的欢迎。这类仪表近几年在国内外发展较快，其中英国欧陆公司和日本山武公司的打点式及笔式智能数据记录仪、美国霍尼韦尔公司的无纸记录仪较为典型。３.３.７测试技术在机械工程中的应用１.测试技术的工程应用在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能等，都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已越来越多地运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.３.８计算机测试系统１.白盒测试单元:通俗地说就是指一个实现简单功能的函数。单元测试就是只用一组特定的输入(测试用例)测试函数是否功能正常，并且返回了正确的输出。测试的覆盖种类分为:(１)语句覆盖。语句覆盖就是设计若干个测试用例，运行被测试程序，使得每一条可执行语句至少执行一次。(２)判定覆盖(也叫分支覆盖)。设计若干个测试用例，运行所测程序，使程序中每个判断的取真分支和取假分支至少执行一次。(３)条件覆盖。设计足够的测试用例，运行所测程序，使程序中每个判断的每个条件的每个可能取值至少执行一次。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍(４)判定—条件覆盖。设计足够的测试用例，运行所测程序，使程序中每个判断的、每个条件的、每个可能取值至少执行一次，并且每个可能的判断结果也至少执行一次。(５)条件组合测试。设计足够的测试用例，运行所测程序，使程序中每个判断的所有条件取值组合至少执行一次。(６)路径测试。设计足够的测试用例，运行所测程序，要覆盖程序中所有可能的路径。用例的设计方案主要有下面几种:条件测试、基本路径测试、循环测试。通过上面的方法可以实现测试用例对程序的逻辑覆盖和路径覆盖。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍在开始测试时，要先声明一下，无论你设计多少测试用例，无论你的测试方案多么完美，都不可能完全１００％的发现所有ＢＵＧ，我们所需要做的是用最少的资源，做最多测试检查，寻找一个平衡点保证程序的正确性。穷举测试是不可能的，所以进行单元测试时，本系统选用的是常用的基本路径测试法。２.黑盒测试本阶段主要是在白盒测试完成后，做一些系统的功能性测试，主要完成系统是否达到指定预期功能要求所进行的功能性验收的测试。下一阶段的主要任务是让几个用户去使用该软件，按照软件所提供的功能逐个使用，试图发现一些运行中的错误。设计测试用例来测试使用是很好的手段。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍一个测试用例就是一个文档，描述输入、动作或者时间和一个期望的结果，其目的是确定应用程序的某个特性是否正常的工作。一个测试用例应当有完整的信息，如测试用例号、测试用例名字、测试用例的目的、输入数据需求、步骤和期望结果。由于本系统实现的功能都与用户的输入密切相关，使用的测试方式采用的是手动输入的方式，比如登录、输入字母或数字、输入正确的用户名及密码应该正确进入系统。登录模块的测试用例如表３－１所示。上一页下一页返回３.３工程测试技术课程介绍３.３.９现代测试技术的发展方向１.传感器方面传感器是测试、控制系统中的信息敏感和检测部件，它感受被测信息并输出与其成一定比例关系的物理量(信号)，以满足系统对信息传输、处理、记录、显示和控制的要求。２.测量信号处理方面目前信号分析技术的发展目标是:(１)在线实时能力的进一步提高；(２)分辨力和运算精度的提高；(３)扩大和发展新的专用功能；(４)专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。上一页返回３.４机械制图核心课程介绍３.４.１机械制图绪论１.机械制图在数控专业中的重要性语言和文字是交流思想的工具，语言表达方法丰富多彩，它可以把一件事描述得生动、感人。关于语言表达方法，是语文课学习的内容。人们可以用语言或文字来表达自己的思想，但是如果用语言或文字来表达物体的形状和大小是很困难的。因此，表达物体形状和大小的图样，就成为生产中不可缺少的技术文件了。设计者通过图样来表达设计对象；制造者通过图样来了解设计要求，并依据图样来制造机器；使用者也通过图样来了解机器的结构和使用性能；在各种技术交流活动中，图样也是不可缺少的。因此，图样被称为工程技术上的语言，工程画被称为“工程话”。下一页返回３.４机械制图核心课程介绍不同的生产部门对图样有不同的要求，建筑工程中使用的图样称为建筑图样，机械制造业中所使用的图样称为机械图样。机械制图就是研究机械图样的一门课程。人们在工厂里经常听到这样一句话，就是“按图施工”，如果我们没有掌握机械制图的知识，就无法做到按图施工。这就从一个侧面告诉我们，图样在工业生产中有着极其重要的地位和作用。作为一个工程技术人员，如果不懂得画图，不懂得看图，在单位上就无法从事技术工作。制图课程与其他很多课程有着密切的联系，尤其是以后要开的车工工艺、数控课等。可以这么说，制图课程如果没有学好，那么以后的许多课程都没有办法继续学下去了。随着科学技术的突飞猛进，制图理论与技术等到得到很大的发展。尤其是在电子技术迅速发展的今天，采用计算机绘图在工业生产的各个领域已经得到了广泛应用。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍随着各种先进的绘图软件的推出，工程制图技术必将在我国的四个现代化建设中发挥出越来越重要的作用。２.图样的内容及作用(１)图样:根据投影原理、标准或有关规定表示的工程对象，并有必要技术说明的图，称为图样。在制造机器或部件时，要根据零件图加工零件，再按装配图把零件装配成机器或部件。(２)零件图:是表达零件结构形状、大小及技术要求的图样。技术要求一般包括:零件的材料、表面粗糙度、热处理、镀层、公差等。(３)装配图:是表示组成机器或部件中各零件间的连接方式和装配关系的图样。根据装配图所表示的装配关系和技术要求，把合格的零件装配在一起，才能制造出机器或部件。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍３.学习机械制图的目的和学习方法学习目的:设计者通过图样表达设计意图；制造者通过图样了解设计要求、零件图组织制造和指导生产；使用者通过图样了解机器设备的结构和性能，进行操作、维修和保养。通过学习本课程，可为学习后续的车工工艺和数控、汽车维修以及发展自身的职业能力打下必要的基础。学习方法:(１)图物联系。不断地“由物想图”和“由图想物”，既要想象物体的形状，又要思考作图的投影规律，逐步提高空间想象和思维能力。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(２)学与练相结合。图样是机械加工的依据。图样错了，加工就错了，希望在学习过程中要认真、踏实、细致、严谨，这样才能做个优秀的制图工作人员。４.工程学的历史与发展(１)远古时代，人类从制造简单工具到营造建筑物，一直使用图形来表达意图。(２)随着生产的发展，我国著名学者赵学田教授简明而通俗地总结了三视图的投影规律———长对正、高平齐、宽相等。(３)跨入２１世纪的今天，计算机绘图、计算机辅助设计(ＣＡＤ)技术推动了几乎所有领域的设计革命。ＣＡＤ技术从根本上改变了手工绘图，无图纸生产、甩图板工程已经指日可待了。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍计算机的广泛应用，并不意味着可以取代人的作用，同时无图纸生产并不等于无图生产，任何设计都离不开运用图形来表达、构思，因此，图形的作用不仅不会降低，反而显得更加重要。３.４.２画图和读图的基础１.常用的制图工具常用的制图工具有图板、丁字尺、三角板、圆规、铅笔、橡皮等。２.等分线段四等分线段ＡＢ，如图３－４３所示。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍3.斜度和锥度１)斜度一直线对另一直线或一平面对另一平面的倾斜程度，称为斜度，在图样中以１∶ｎ的形式标注。以斜度１∶６的作法为例。步骤:由点Ａ起在水平线段上取六个单位长度，得点Ｄ，过点Ｄ作ＡＤ的垂线ＤＥ，取ＤＥ为一个单位长，连接ＡＥ，即得斜度１∶６的直线，如图３－４４所示。２)锥度正圆锥底圆直径与圆锥高度之比，称为锥度，在图样中以１∶ｎ的形式标注。以锥度１∶３的作法为例。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍步骤:由点Ｓ起在水平线上取六个单位长度得点Ｏ，过点Ｏ作ＳＯ的垂线，分别向上和向下截取一个单位长度，得ＡＢ两点，分别过点ＡＢ与点Ｓ相连，即得１∶３锥度，如图３－４５所示。３)圆弧连接(１)圆弧连接两已知直线。方法:在已知直线上任意取一点，过这一点作已知直线的垂线，在垂线上取半径Ｒ，过Ｒ的端点作已知直线的平行线，如图３－４６所示。(２)圆弧连接已知直线和圆弧(图３－４７)。方法:外切:以已知圆的圆心为圆心，以Ｒ１＋Ｒ２为半径作圆弧，则圆弧即为所求圆的圆心规迹。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍内切:以已知圆的圆心为圆心，以Ｒ１－Ｒ２为半径作圆弧，则圆弧即为所求圆的圆心规迹。３.４.３尺寸标注１.标注尺寸的基本要求组合体的形状由它的视图来反映，组合体的大小则由所标注的尺寸来确定。标注组合体尺寸的基本要求是:(１)正确。所注的尺寸要正确无误，注法要符合国家标准«机械制图»中的有关规定。(２)完整。所注的尺寸必须能完全确定组合体的大小、形状及相互位置，不遗漏，不重复。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(３)清晰。尺寸的布置要整齐清晰，便于看图。２.基本几何体的尺寸注法常见基本几何体的尺寸注法。一般平面立体要标注长、宽、高三个方向的尺寸；回转体要标注径向和轴向两个方向的尺寸，并加上尺寸符号(直径符号“ϕ”或“Ｓϕ”)。对圆柱、圆锥、圆球、圆环等回转体，一般在不反映为圆的视图上标注出带有直径符号的直径和轴向尺寸，就能确定它们的形状和大小，其余视图可省略不画。带有小括号的尺寸为参考尺寸。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍３.切割体和相贯体的尺寸注法基本几何体被切割(或两基本形体相贯)后的尺寸注法，对这类形体，除了需标注基本几何体的尺寸大小外，还应标注截平面(或相贯的两形体之间)的定位尺寸，不应标注截交线(或相贯线)的大小尺寸。因为截平面与几何体(或者相贯的两形体)的位置确定之后，截交线(或相贯线)的形状和大小就确定了，若再注其尺寸，即属错误尺寸。４.组合体的尺寸注法组合体的尺寸种类:(１)定形尺寸。确定组合体中各基本几何体的形状和大小的尺寸。(２)定位尺寸。确定组合体中各基本几何体之间相对位置的尺寸。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍若两基本形体在某一方向处于对称、叠加(或切割)、同轴、平齐四种位置之一时，就可省略该方向的一个定位尺寸；回转体的定位尺寸必须直接确定其轴线的位置。(３)总体尺寸。组合体的总长、总宽、总高尺寸。组合体一般要标注总体尺寸，但从形体分析和相对位置上考虑，组合体的定形、定位尺寸已标注完整，若再加注总体尺寸会出现重复尺寸。因此，每加注一个总体尺寸的同时，就要减去一个同方向的定形尺寸或定位尺寸。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍３.４.４零件图１.零件图作用和内容１)零件图的作用机器或部件都是由许多零件装配而成，制造机器或部件必须首先制造零件。零件图是表示单个零件的图样，它是制造和检验零件的主要依据。零件图是生产中指导制造和检验该零件的主要图样，它不仅仅是把零件的内、外结构形状和大小表达清楚，还需要对零件的材料、加工、检验、测量提出必要的技术要求。零件图必须包含制造和检验零件的全部技术资料。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍２)零件图的内容一张完整的零件图一般应包括以下几项内容(图３－４８):(１)一组图形。用于正确、完整、清晰和简便地表达出零件内外形状的图形，其中包括机件的各种表达方法，如视图、剖视图、断面图、局部放大图和简化画法等。(２)完整的尺寸。零件图中应正确、完整、清晰、合理地注出制造零件所需的全部尺寸。(３)技术要求。零件图中必须用规定的代号、数字、字母和文字注解说明制造和检验零件时在技术指标上应达到的要求。如表面粗糙度、尺寸公差、几何公差、材料和热处理、检验方法以及其他特殊要求等。技术要求的文字一般注写在标题栏上方图纸空白处。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(４)标题栏。题栏应配置在图框的右下角。它一般由更改区、签字区、其他区、名称以及代号区组成。填写的内容主要有零件的名称、材料、数量、比例、图样代号以及设计、审核、批准者的姓名、日期等。标题栏的尺寸和格式已经标准化，可参见有关标准。２.零件图的视图选择１)零件的视图选择原则和步骤零件的视图选择，应首先考虑看图方便。根据零件的结构特点，选用适当的表示方法。由于零件的结构形状是多种多样的，所以在画图前，应对零件进行结构形状分析，结合零件的工作位置和加工位置，选择最能反映零件形状特征的视图作为主视图，并选好其他视图，以确定一组最佳的表达方案。选择表达方案的原则是:在完整、清晰地表示零件形状的前提下，力求制图简便。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(１)零件分析。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提。零件的结构形状及其工作位置或加工位置不同，视图选择也往往不同。因此，在选择视图之前，应首先对零件进行形体分析和结构分析，并了解零件的工作和加工情况，以便确切地表达零件的结构形状，反映零件的设计和工艺要求。(２)主视图的选择。主视图是表达零件形状最重要的视图，其选择是否合理将直接影响其他视图的选择和看图是否方便，甚至影响到画图时图幅的合理利用。一般来说，零件主视图的选择应满足“合理位置”和“形状特征两个基本原则”。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍３.选择其他视图一般来讲，仅用一个主视图是不能完全反映零件的结构形状的，必须选择其他视图，包括剖视、断面、局部放大图和简化画法等各种表达方法。主视图确定后，对其表达未尽的部分，再选择其他视图予以完善表达。具体选用时，应注意以下几点:(１)根据零件的复杂程度及内、外结构形状，全面地考虑还应需要的其他视图，使每个所选视图应具有独立存在的意义及明确的表达重点，注意避免不必要的细节重复，在明确表达零件的前提下，使视图数量为最少。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(２)优先考虑采用基本视图，当有内部结构时应尽量在基本视图上作剖视；对尚未表达清楚的局部结构和倾斜部分结构，可增加必要的局部(剖)视图和局部放大图；有关的视图应尽量保持直接投影关系，配置在相关视图附近。(３)按照视图表达零件形状要正确、完整、清晰、简便的要求，进一步综合、比较、调整、完善，选出最佳的表达方案。４.零件图的尺寸标注１)基本要求零件上各部分的大小是按照图样上所标注的尺寸进行制造和检验的。零件图中的尺寸，不但要按前面的要求标注得正确、完整、清晰，而且必须注得合理。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍所谓合理，是指所注的尺寸既符合零件的设计要求，又便于加工和检验(即满足工艺要求)。为了合理地标注尺寸，必须对零件进行结构分析、形体分析和工艺分析，根据分析先确定尺寸基准，然后选择合理的标注形式，结合零件的具体情况标注尺寸。本节将重点介绍标注尺寸的合理性问题。２)尺寸基准零件图尺寸标注既要保证设计要求又要满足工艺要求，首先应当正确选择尺寸基准。所谓尺寸基准，就是指零件装配到机器上或在加工测量时，用以确定其位置的一些面、线或点。它可以是零件上对称平面、安装底平面、端面、零件的结合面，主要孔和轴的轴线等。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍选择尺寸基准的目的，一是为了确定零件在机器中的位置或零件上几何元素的位置，以符合设计要求；二是为了在制作零件时，确定测量尺寸的起点位置，便于加工和测量，以符合工艺要求。因此，根据基准作用不同，一般将基准分为设计基准和工艺基准两类。３.４.５装配图１.装配图的作用和内容装配图是表达机器或部件的图样。通常用来表达机器或部件的工作原理以及零、部件间的装配、连接关系，是机械设计和生产中的重要技术文件之一。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍在产品设计中，一般先根据产品的工作原理图画出装配草图，由装配草图整理成装配图，然后再根据装配图进行零件设计并画出零件图；在产品制造中，装配图是制订装配工艺规程，进行装配和检验的技术依据；在机器使用和维修时，也需要通过装配图来了解机器的工作原理和构造。２.装配图的视图表示法１)装配图画法的基本规定(１)两相邻零件的接触面和配合面只画一条线，但是，如果两相邻零件的基本尺寸不相同，即使间隙很小，也必须画成两条线，如图３－５３所示。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(２)相邻两个或多个零件的剖面线应有区别，或者方向相反，或者方向一致但间隔不等，相互错开，如图３－５３(ｃ)所示。３.装配图画法的特殊规定和简化画法１)装配图画法的特殊规定(１)拆卸画法。当某些零件的图形遮住了其后面的需要表达的零件，或在某一视图上不需要画出某些零件时，可拆去某些零件后再画；也可选择沿零件结合面进行剖切的画法。(２)单独表达某零件的画法。如所选择的视图已将大部分零件的形状、结构表达清楚，但仍有少数零件的某些方面还未表达清楚时，可单独画出这些零件的视图或剖视图，如图３－５４所示。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(３)假想画法。为表示部件或机器的作用、安装方法，可将其他相邻零件、部件的部分轮廓用细双点画线画出。当需要表示运动零件的运动范围或运动的极限位置时，可按其运动的一个极限位置绘制图形，再用细双点画线画出另一极限位置的图形，如图３－５５所示。２)装配图的简化画法(１)对于装配图中若干相同的零、部件组，如螺栓连接等，可详细地画出一组，其余只需用细点画线表示其位置即可，如图３－５６所示。(２)在装配图中，对薄的垫片等不易画出的零件可将其涂黑，如图３－５６所示。(３)在装配图中，零件的工艺结构，如小圆角、倒角、退刀槽、拔模斜度等可不画出，如图３－５６所示。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍４.装配图中的尺寸标注与零、部件编号及明细栏１)尺寸标注装配图尺寸标注不需要注出每个零件的全部尺寸，一般只需标注规格尺寸、装配尺寸、安装尺寸、外形尺寸和其他重要尺寸五大类尺寸。(１)规格尺寸。说明部件规格或性能的尺寸，它是设计和选用产品时的主要依据。(２)装配尺寸。装配尺寸是保证部件正确装配，并说明配合性质及装配要求的尺寸。(３)安装尺寸。将部件安装到其他零、部件或基础上所需要的尺寸，如地脚螺栓孔尺寸等。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍(４)外形尺寸。机器或部件的总长、总宽和总高尺寸，它反映了机器或部件的体积大小，即该机器或部件在包装、运输和安装过程中所占空间的大小。(５)其他重要尺寸。除以上四类尺寸外，在装配或使用中必须说明的尺寸，如运动零件的位移尺寸等。２)零、部件编号为便于图纸管理、生产准备、机器装配和看懂装配图，对装配图上各零、部件都要编注序号和代号。装配图中所有的零、部件都必须编注序号，规格相同的零件只编一个序号，标准化组件如滚动轴承、电动机等，可看作一个整体编注一个序号，装配图中零件序号应与明细栏中的序号一致。上一页下一页返回３.４机械制图核心课程介绍５.标题栏及明细栏标题栏格式由前述的ＧＢ/Ｔ１０６０９.１—２００８确定，明细栏则按ＧＢ/Ｔ１０６０９.２—２００９规定绘制。本课程推荐的装配图作业格式如图３－５９所示。上一页返回３.５工程材料核心课程介绍３.５.１绪论１.机械工程材料目前，机械工业生产中应用最广的金属材料，在各种机器设备所用材料中，约占９０％以上。金属材料来源丰富，具有优良的使用性能与工艺性能。高分子材料和陶瓷材料具有一些特性，如耐蚀、电绝缘性、隔音、减振、耐高温(陶瓷材料)、质轻、原料来源丰富、价廉以及成型加工容易等优点，人类为了生存和生产，总是不断地探索、寻找制造生产工具的材料，每一新材料的发现和应用，都会促使生产力向前发展，并给人类生活带来巨大的变革，把人类社会和物质文明推向一个新的阶段。工程材料是现代技术中四大支柱之一。下一页返回３.５工程材料核心课程介绍２.本课的学习方法本课程具有较强的理论性和应用性，学习中应注重分析、理解与运用，并注意前后知识的综合应用，为了提高分析问题，解决问题的独立工作能力，在系统的理论学习外，还要注意密切联系生产实际，重视实验环节，认真完成作业；学习本课程之前，学生应具有必要的生产实践的感性认识和专业基础知识。３.学完本课程应达到的基本要求(１)熟悉常用机械工程材料的成分、加工工艺、组织结构与性能间关系及其变化规律。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍(２)初步掌握常用机械工程材料的性能和应用，并初步具备选用常用材料能力。(３)初步具有正确选定一般机械零件的热处理方法及确定其工序位置能力。３.５.２材料的力学行为１.材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在载荷作用下所表现出来的特性(即金属材料在载荷用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能)。它取决于材料本身的化学成分和材料的微观组织结构。常用的力学性能指标有强度、刚度、塑性、硬度、韧度等。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍２.冲击韧度上述都是静态力学性能指标。在实际生产中，许多零件是在冲击载荷作用下工作的，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。对这类零件，不仅要满足在静载荷作用下的性能要求，还应具有足够的韧性，可防止发生突然的脆性断裂。韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。材料突然脆性断裂除取决于材料的本身因素以外，还和外界条件，特别是加载速率、应力状态及温度、介质的影响有很大的关系。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫作冲击韧性。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关。所以冲击吸收功一般只能作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。３.疲劳强度１)疲劳断裂某些机械零件，在工作应力低于其屈服强度甚至是弹性极限的情况下发生断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突发性的，事先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍２)疲劳强度旋转弯曲疲劳曲线如图３－６３所示。由曲线可以看出，应力值σ越低，断裂前的循环次数越多；我们把试样承受无数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力，作为材料的疲劳强度。通常规定钢铁材料的循环基数为１０７；非铁金属的循环基数为１０８；腐蚀介质作用下的循环基数为１０６。４.硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬的指标。硬度值的大小不仅取决于材料的成分和组织结构，而且还取决于测定方法和试验条件。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍硬度试验设备简单，操作迅速方便，一般不需要破坏零件或构件，而且对于大多数金属材料，硬度与其他的力学性能(如强度、耐磨性)以及工艺性能(如切削加工性、可焊性等)之间存在着一定的对应关系。因此，在工程上，硬度被广泛地用以检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。常见的硬度试验方法:布氏硬度(主要用于原材料检验)、洛氏硬度(主要用于热处理后的产品检验)、维氏硬度(主要用于薄板材料及材料表层的硬度测定)、显微硬度(主要用于测定金属材料的显微组织及各组成相的硬度)。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍５.材料的物理、化学性能１)物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。２)化学性能材料的化学性能是材料抵抗周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和热稳定性等。６.材料的工艺性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。按加工方法的不同，可分为铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性及热处理工艺性等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能，以便降低成本，获得质量优良的零件。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍(１)材料可生产性:得到材料可能性和制备方法。(２)铸造性:将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。流动性:充满型腔能力。收缩率:缩孔数量的多少和分布特征。偏析倾向:材料成分的均匀性。(３)锻造性:材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。塑性变形能力:材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力:发生塑性变形所需要的最小外力。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍(４)焊接性:利用部分熔体，将两块材料连接在一起。连接能力:焊接头部强度与母材的差别程度。焊接缺陷:焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。(５)切削加工性:材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。(６)热处理性:可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍３.５.３材料的结构材料的结合键在所有固溶体中，原子是由键结合在一起。这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。例如，强键导致高熔点、高弹性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。由于原子间的结合键不同，将材料分为金属、聚合物和陶瓷３类。材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进了人们对材料内部结构的研究。组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方式可将固体材料分为金属、陶瓷和聚合物。根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非晶体两大类。本章首先介绍材料的晶体结构。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍３.５.４材料的凝固与相图１.金属的凝固金属材料的生产一般都是要经过由液态到固态的凝固过程，如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。由于固态金属大都是晶体，所以金属凝固的过程通常也称为结晶过程，金属结晶后获得的原始组织称为铸态组织，它对金属的工艺性能及使用性能有直接影响。因此，了解金属从液态结晶为固体的基本规律是十分必要的。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍２.金属结晶的基本规律１)冷却曲线与过冷度纯金属都有一个固定的熔点(或称结晶温度)，因此纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。纯金属的结晶过程可用热分析等实验测绘的冷却曲线来描述，如图３－６６所示。由冷却曲线１可知，金属液缓慢冷却时，随着热量向外散失，温度不断下降，当温度降到Ｔ０时，开始结晶。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了其冷却时向外散失的热量，故结晶过程中温度不变，即冷却曲线上出现了水平线段，水平线段所对应的温度称为理论结晶温度(Ｔ０

)。在理论结晶温度Ｔ０时，液体金属与其晶体处于平衡状态，这时液体中的原子结晶为晶体的速度与晶体上的原子溶入液体中的速度相等。结晶结束后，固态金属的温度继续下降，直到室温。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍在宏观上看，这时既不结晶也不溶化，晶体与液体处于平衡状态，只有温度低于理论结晶温度Ｔ０的某一温度时，才能有效地进行结晶。在实际生产中，金属结晶的冷却速度都很快。因此，金属液的实际结晶温度Ｔ１总是低于理论结晶温度Ｔ０，如图３－６６曲线２所示。金属结晶时的这种现象称为过冷，两者温度之差称为过冷度，以ΔＴ表示，即ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，但同一金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而与其冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低。过冷是金属结晶的必要条件。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍２)结晶的一般过程纯金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程，如图３－６７所示。金属液在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体(即晶核)。随着时间的推移，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核长大；与此同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到每个晶粒长大到相互接触，液体消失为止，得到了多晶体的金属结构。总之，结晶过程是由形核和长大这两个过程交替重叠在一起进行的，对于一个晶粒来说，可以严格地区分其形核和长大这两个阶段，但就整个金属来说，形核和长大是互相交替重叠进行的。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍３.合金的相图分析合金结晶同纯金属一样，也遵循形核与长大的规律。但合金的成分中包含有两个以上的组元(各组元的结晶温度是不同的)，并且同一合金系中各合金的成分不同(组元比例不同)，所以合金在结晶过程中其组织的形成及变化规律要比纯金属复杂得多。为了研究合金的性能与其成分、组织的关系，就必须借助于合金相图这一重要工具。合金相图又称状态图或平衡图，是表示在平衡(极其缓慢加热或冷却)条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。所以，通过相图可以了解合金系中任何成分的合金，在任何温度下的组织状态，在什么温度发生结晶和相变，存在几个相，每个相的成分是多少等。但是必须注意，在非平衡状态时(即加热或冷却较快)，相图中的特性点或特性线要发生偏离。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。３.５.５材料强化及钢的热处理在前面讲过不同的材料具有不同的性能，那么同一种材料是否有可能具有不同的性能呢?如果可以，那么应用哪些工艺手段来实现?实现具有不同性能的原理又是什么?通过本章的学习，以上的问题就有答案了。机械工程材料是机械工业、工程技术上大量使用的材料，不仅要求有高的强度，而且要有足够的塑性和韧性。上一页下一页返回３.５工程材料核心课程介绍这些性能都同材料的组织、结构有密切的关系。因此可通过各种措施，改变其组织和结构，以及使其复合，从而达到强化与强韧化。材料的改性处理主要指钢铁材料的改性处理，包括钢的热处理和钢的表面处理两大类。钢经过适当的热处理可提高零件的强度、硬度及耐磨性，并可改善钢的塑性和切削加工性能；而经过合理的表面处理则可提高零件的耐蚀性及耐磨性，并可装饰和美化外观，延长其使用寿命。上一页返回３.６机械制造基础核心课程介绍３.６.１机械制造基础绪论１.机械制造技术在工业生产中的应用机械制造技术在工业生产的各个部门和行业都有应用，尤其对于制造业来说更是具有举足轻重作用。制造业是指所有生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械制造、运输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等，在整个国民经济中占有很大的比重。在我国，近年来制造业占国民生产总值ＧＤＰ的比例已超过３５％。下一页返回３.６机械制造基础核心课程介绍作为制造业的一项基础的和主要的生产技术，机械制造技术在国民经济中占有十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成构件或产品后投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占７０％~８０％，农业机械中铸件质量占４０％~７０％；汽车中铸件质量约占２０％，锻压件质量约占７０％；飞机上的锻压件质量约占８５％；发电设备中的主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中６０％~８０％的零部件是冲压件和塑料成形件。上一页下一页返回３.６机械制造基础核心课程介绍２.汽车图３－７２所示为机械制造在汽车中的应用。发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成；连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成；车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品。因此，可以毫不夸张地说，没有先进的机械制造技术，就没有现代制造业。３.航天我国是世界上少数的几个拥有运载火箭、人造卫星和载人飞船发射实力的国家，这些航天飞行器的建造离不开先进的机械制造技术，其中，火箭和飞船的壳体都是采用了高强轻质的材料，通过先进的特种焊接和胶接技术制造的。上一页下一页返回３.６机械制造基础核心课程介绍３.６.２金属的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。其中，工艺性能是指制造过程中表现出的性能，包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能。使用性能是指在使用过程中表现出来的性能。物理性能有熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性等。物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。本章节主要研究的是力学性能对工艺性能的影响。金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。常见的指标有:强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。上一页下一页返回３.６机械制造基础核心课程介绍３.