工程材料与机械制造基础 课件全套 第1-10章 工程材料的性能 - 先进制造技术

工程材料与机械制造基础第1章工程材料的性能本章目录01/力学性能涵盖材料在受力时表现出的核心特性：强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度。02/物理性能研究材料固有的物理属性：密度、熔点、导热性、导电性等基础指标。03/化学性能关注材料在化学环境中的稳定性：重点掌握耐腐蚀性与抗氧化性两大性能。04/工艺性能探究材料加工过程中的适应能力：包括铸造、锻造、焊接及切削加工性能。CONTENTS1.1力学性能：强度与塑性强度(Strength)屈服强度(σs)：材料开始发生明显塑性变形时的应力，是工程设计中最重要的强度指标。抗拉强度(σb)：材料在拉伸断裂前所能承受的最大应力值。塑性(Plasticity)伸长率(δ)：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，衡量材料塑性变形能力。断面收缩率(ψ)：试样拉断后缩颈处横截面积最大缩减量与原始横截面积的百分比。1.1力学性能：硬度定义材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的重要力学性能指标。布氏硬度(HBW)利用硬质合金球压入试样表面测量压痕直径。测量精度较好，适用于铸铁、有色金属等较软材料。洛氏硬度(HRC)通过测量压痕深度确定硬度值。操作简便迅速，无需计算，是目前应用最广泛的硬度测试方法。维氏硬度(HV)采用金刚石正四棱锥压头，测量压痕对角线。测量精度极高，适用范围广，可测量极薄零件或表面层。1.1力学性能：韧性与疲劳强度韧性Toughness▍核心定义材料在断裂前吸收能量的能力，是强度和塑性的综合体现。它不仅代表材料的抗冲击能力，更表征了材料抵抗裂纹产生与扩展的能力。关键指标：冲击韧性(αk)通过“一次摆锤冲击试验”测定，直观反映材料在受到突然冲击载荷（如碰撞、跌落）时，发生断裂所需要的能量。疲劳强度FatigueStrength▍核心定义材料在无限次交变应力（大小、方向呈周期性变化）作用下，而不发生断裂的最大应力值。是衡量材料抗循环载荷能力的重要指标。工程应用与失效分析轴、齿轮、弹簧等大量机械零件均在交变应力下工作，其实际失效形式中，约80%为疲劳断裂，是机械结构设计必须重点考量的性能。1.2物理性能与化学性能物理性能PhysicalProperties密度Density单位体积的质量。直接决定零件的自重、惯性大小及材料用量。熔点MeltingPoint材料由固态转为液态的临界温度。是铸造、焊接及热处理工艺的核心参数。导热性ThermalConductivity传导热量的能力指标。直接影响散热结构设计及热加工工艺的选择。导电性Conductivity：传导电流的能力，是选材时的重要电气指标。化学性能ChemicalProperties耐腐蚀性Corrosion材料在特定环境中，抵抗酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。是化工设备选材的关键依据。抗氧化性Oxidation材料在高温环境下，抵抗氧气氧化生成氧化物的能力。决定了高温零件的使用寿命。1.3工艺性能核心定义：指材料适应铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工等各种加工工艺要求的能力，是选材和制定加工工艺规程的重要依据。铸造性能衡量液态金属充满铸型的能力，主要关注流动性、收缩性及偏析倾向。锻造性能衡量固态金属塑性变形的难易程度，主要取决于材料的塑性和变形抗力。焊接性能衡量材料通过焊接形成完整、牢固接头的能力，重点关注焊缝质量和接头性能。热处理性能衡量材料在加热、保温、冷却过程中的响应特性，如淬透性、变形与开裂倾向。切削加工性能衡量材料被刀具切削加工的难易程度，主要指标包括刀具磨损量和加工表面质量。谢谢观看工程材料与机械制造基础第2章工程材料学基础本章目录01工程材料的组织结构•金属的晶体结构

•实际金属的晶体结构

•金属的结晶过程02铁碳合金•铁碳合金的基本组织

•铁碳合金相图分析与应用03金属的同素异晶转变•同素异晶转变的定义

•铁的同素异晶转变过程

•同素异晶转变的工程意义CONTENTS2.1金属的晶体结构晶体(Crystal)原子呈有序、有规则的几何排列。

物理特性：具有固定熔点，表现出各向异性。非晶体(Amorphous)原子呈无序、无规则的堆积状态。

物理特性：没有固定熔点，表现出各向同性。体心立方晶格(BCC)典型金属：α-Fe、Cr、W

特点：原子排列不够紧密，配位数为8。面心立方晶格(FCC)典型金属：γ-Fe、Al、Cu、Ag

特点：原子排列最紧密，配位数为12。密排六方晶格(HCP)典型金属：Mg、Zn、Cd、Ti

特点：原子排列紧密，配位数为12。2.1实际金属的晶体结构▍单晶体与多晶体●单晶体：内部原子排列规则，晶格位向完全一致。自然界罕见（如单晶硅、宝石），具有各向异性。●多晶体：由许多大小不一、位向不同的小晶体（晶粒）通过晶界结合而成。工业用钢铁、铜、铝等金属均为此类。点缺陷Point包括晶格空位、间隙原子和置换原子。虽只涉及一个或几个原子范围，但破坏了原子平衡，引起局部晶格畸变，能提高金属的屈服强度。线缺陷Line主要形式是“位错”，即在一维方向上尺寸较大。位错的存在是金属产生塑性变形的主要原因，位错密度增加，金属强度显著升高。面缺陷Surface-晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒之间的过渡区域。它能有效阻碍位错运动，从而显著提高金属的强度和硬度。工业上通过“细化晶粒”增加晶界面积，是提高金属综合力学性能的重要手段。2.1金属的结晶过程▍过冷现象与过冷度过冷(Supercooling)：金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。这是金属结晶的必要条件。过冷度(ΔT)：理论结晶温度与实际开始结晶温度之差。规律：冷却速度越快，过冷度越大。结晶总规律：所有金属结晶都遵循“形核与长大”的基本规律。这一微观过程直接决定了金属材料的内部组织结构与宏观性能。形核Nucleation在液态金属中，短程有序的原子集团聚集，形成稳定、微小的晶体核心（晶核），这是结晶的第一步。长大Growth已形成的晶核不断吸收周围液态金属中的原子，并向空间扩展，通常以树枝状的方式“生长”变大。2.1晶粒大小的控制晶粒的大小（晶粒度）对金属的性能有决定性影响。研究表明：晶粒越细小，金属的综合力学性能越好，表现为强度、塑性和韧性同步提升。01控制过冷度提高液态金属的冷却速度，增大结晶时的过冷度，使晶核的形核率远大于晶核的长大率，从而获得细小的晶粒。02变质处理在液态金属中加入少量的某种元素或化合物（形核剂），人为增加大量非均匀形核的核心，从而细化晶粒。03振动、搅拌在金属结晶过程中，施加机械振动、超声波振动或电磁搅拌等外力，破碎正在生长的树枝状晶体，增加可作为晶核的碎晶数量，达到细化晶粒的目的。2.2铁碳合金的基本组织铁素体(F)碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。其塑性和韧性良好，但强度与硬度较低，在工业中常作为软相存在。奥氏体(A)碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。通常在高温下存在，具有极好的塑性，是锻造、轧制等热加工工艺的理想状态。渗碳体(Fe3C)一种具有复杂晶格的铁碳金属化合物。其硬度极高，而塑性和韧性极差，表现为硬而脆的特性，是钢中的强化相。珠光体(P)铁素体与渗碳体呈片层相间交替排列的机械混合物。它兼具两者的优点，具有较高的强度和适中的硬度，同时塑性和韧性也较好，是一种综合力学性能优良的组织。莱氏体(Ld)奥氏体与渗碳体在特定温度下形成的共晶混合物。在室温下则转变为珠光体和渗碳体的混合物，整体表现为硬度高、脆性大，塑性极差，主要存在于高碳铸铁中。2.2铁碳合金相图关键特征点(KeyPoints)●C点(共晶点)：1148°C/4.3%C，此温度下液相直接共晶转变为珠光体与渗碳体的机械混合物。●S点(共析点)：727°C/0.77%C，此温度下奥氏体发生共析转变，形成铁素体和渗碳体层片状混合物。●E点：碳在面心立方晶格γ-Fe中的最大溶解度点(2.11%C)，是钢与铸铁的理论分界点。五大基本单相区(SinglePhaseRegions)①液相区(L)|②δ固溶体区(高温铁素体)|③奥氏体区(γ)

④铁素体区(α)|⑤渗碳体区(Fe3C)(间隙化合物，硬度高、脆性大)谢谢观看工程材料与机械制造基础第3章热处理与表面工程技术本章目录01钢在加热与冷却时的组织转变主要学习奥氏体化的过程及过冷奥氏体在不同冷却条件下的组织转变规律，是理解热处理原理的基础。02钢的热处理工艺系统讲解退火、正火、淬火和回火四种最基本的热处理工艺，以及它们对钢材性能的具体影响。03表面工程技术介绍为改善材料表面性能而采用的特殊技术，如表面淬火、化学热处理和热喷涂技术等。CONTENTS3.1钢在加热时的组织转变(奥氏体化)什么是奥氏体化？将钢加热到临界点（A1,A3,Acm）以上，使珠光体转变为单一、均匀的面心立方晶格组织，即获得单相奥氏体的过程。奥氏体形成的四个阶段01.形核|在铁素体与渗碳体相界面处生成晶核02.长大|依靠碳原子扩散，晶核向两侧逐渐长大03.溶解|铁素体先转变完成，残余渗碳体继续溶解04.均匀化|长时间保温，使成分均匀分布奥氏体晶粒越细，性能越好细小的奥氏体晶粒经热处理后，可获得更细的组织，从而显著提高钢的综合力学性能（强度、硬度、韧性）。3.1钢在冷却时的组织转变(TTT曲线)高温转变区(珠光体型转变)温度：A1以下~550°C|产物：珠光体(P)、索氏体(S)、托氏体(T)特点：转变产物片层越细，硬度与强度越高。中温转变区(贝氏体型转变)温度：550°C~Ms点|产物：上贝氏体(B上)、下贝氏体(B下)特点：下贝氏体具有优良的综合力学性能（高强韧）。低温转变区(马氏体型转变)温度：Ms点以下|产物：马氏体(M)特点：硬度极高，但塑性、韧性差，脆性大。TTT曲线（Time-Temperature-Transformation），即过冷奥氏体等温转变曲线。它精确描述了在不同等温温度下，奥氏体转变的开始/结束时间及最终产物类型。3.2钢的热处理工艺：退火与正火01/退火(Annealing)▌核心目的消除铸、锻、焊等加工造成的组织缺陷，细化晶粒，消除残余内应力，降低钢材硬度，显著改善切削加工性能，为后续淬火做好组织准备。▌典型工艺：球化退火通过控制加热温度和冷却方式，使钢中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球化，获得球状珠光体组织。这能有效降低硬度，极大改善切削加工性，同时减少最终热处理时的变形开裂倾向。02/正火(Normalizing)▌工艺要点将钢材加热到临界点Ac₃(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上30-50℃，保温足够时间使组织完全奥氏体化，随后在静止的空气中自然冷却。▌性能特点(vs退火)由于冷却速度比退火快，正火后获得的组织晶粒更细小、更均匀。因此，正火处理后的钢材具有更高的强度、硬度和韧性，且内应力消除得更彻底。对于低碳钢，正火常作为最终热处理。3.2钢的热处理工艺：淬火淬火目的快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织，为后续回火工序奠定基础，是决定工件最终强度和硬度的关键步骤。单介质淬火工件在单一冷却介质中冷却到底。操作简单、易实现机械化，但对复杂零件易引起较大的变形或开裂。双介质淬火先水淬后油冷。利用水的快冷避免珠光体型转变，再利用油的慢冷减小组织应力，有效减少变形开裂。分级淬火在Ms点稍上的盐浴中短时保温，内外温度均匀后取出空冷。显著减小热应力和组织应力，适合处理形状复杂的小零件。等温淬火在贝氏体转变区等温停留，直至转变完成。获得强韧性优异的下贝氏体组织，内应力极低，变形很小。什么是淬透性？淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，是钢材本身固有的属性。它主要取决于钢的临界冷却速度Vc的大小。淬透性好的钢材，其淬硬层深，可使零件整体获得均匀的力学性能，能更好地发挥材料的潜力。3.2钢的热处理工艺：回火回火的核心目的消除淬火内应力，显著降低脆性，稳定组织与工件尺寸，并按需调整力学性能。淬火钢不经过回火处理严禁直接使用。低温回火温度<250°C保持钢的高硬度与高耐磨性，同时消除部分内应力。应用：刃具、量具、滚动轴承等。中温回火250°C~500°C获得优良的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性。应用：各类弹簧、热锻模具等。高温回火温度>500°C兼具高强度与高韧性，即获得良好的综合力学性能。应用：齿轮、轴类等重要结构件。重点概念：调质处理指“淬火+高温回火”的组合工艺。这是机械制造中应用最广泛的热处理工艺之一，能使钢材兼具良好的强度和韧性。3.3表面工程技术仅对工件表层进行淬火，利用快速加热和冷却，使零件表层获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持足够的塑性和韧性，以承受冲击载荷。典型应用：感应加热表面淬火化学热处理将工件置于特定活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表层，改变其化学成分与组织，从而获得所需性能的热处理工艺。●渗碳：显著提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，常用于齿轮、轴类零件。●渗氮(氮化)：形成高硬度表层，兼具优异的耐蚀性和抗咬合性，适合高精度零件。热喷涂技术利用某种热源（如电弧、等离子弧、火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流将其雾化并喷射到经过预处理的工件表面，沉积而形成具有某种功能的涂层。核心优势：工艺灵活、适用材料广，可赋予基体表面耐磨、耐蚀、耐高温、隔热等多种性能。热喷涂技术谢谢观看工程材料与机械制造基础第4章机械工程材料本章目录01工业用钢碳素钢、合金钢

及其分类和应用02工业常用有色金属及轻合金铜及铜合金、铝及铝合金

钛及钛合金03工业常用非金属材料高分子材料（塑料）

及其他非金属材料简介CONTENTS4.1工业用钢：碳素钢定义碳素钢是含碳量在0.0218%~2.11%之间，且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金。注：它是工业中应用最广泛的基础钢材，生产成本低、工艺性能良好，占据了钢铁产量的绝大部分。分类🔸按含碳量划分•低碳钢(C≤0.25%)

•中碳钢(0.25%<C≤0.60%)

•高碳钢(C>0.60%)🔸按用途划分•碳素结构钢：用于工程结构与机械零件

•碳素工具钢：用于制造刃具、量具和模具典型应用▌碳素结构钢普通碳素结构钢(例:Q235)

广泛用于建筑工程构件、桥梁、车辆外壳等一般结构件。优质碳素结构钢(例:45钢)

性能均衡，常用于制造齿轮、轴类等重要机械零件，需热处理。▌碳素工具钢(例:T10A)硬度高、耐磨性好，用于制造低速切削刀具、量规、冷冲模具等。4.1工业用钢：合金钢DEFINITION·定义在碳素钢基础上，有目的地加入一种或几种合金元素（如硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌等），以改善钢的组织结构和性能，满足各种特殊要求的钢种。强化铁素体通过合金元素原子融入铁素体晶格产生畸变，产生显著的固溶强化效果。形成碳化物形成硬度极高的合金碳化物，显著提高钢的硬度、耐磨性及高温性能。细化晶粒阻碍奥氏体晶粒长大，热处理后获得细小晶粒，实现强度与韧性的同步提升。提高淬透性使零件在淬火冷却时，从表面到心部都能获得均匀的马氏体组织，整体强化。热稳定性提高回火稳定性，使钢在高温下保持高硬度，获得优异的热硬性。合金结构钢用于制造工程结构和机械零件合金工具钢用于制造刃具、模具和量具特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢等4.1合金结构钢低合金高强度

结构钢典型牌号：Q345

特点：强度高，塑性和韧性好

用途：桥梁、船舶、车辆、厂房等工程结构合金渗碳钢典型牌号：20CrMnTi

特点：表面耐磨，心部强韧

用途：制造汽车齿轮、活塞销、凸轮轴等合金调质钢典型牌号：40Cr

特点：综合力学性能优良

用途：机床主轴、汽车半轴、连杆等重要零件合金弹簧钢典型牌号：60Si2Mn

工艺：淬火+中温回火

用途：制造汽车板簧、弹簧垫圈等弹性元件滚动轴承钢典型牌号：GCr15

工艺：球化退火+淬火+低温回火

用途：制造各类精密轴承的滚珠、滚柱及套圈4.1合金工具钢低合金刃具钢典型牌号：9SiCr

性能特点：淬透性、耐磨性较好，热处理变形小。

应用：制造丝锥、板牙等低速切削刀具。合金模具钢分类与代表：

•冷作模具钢(Cr12)：高硬度、高耐磨性

•热作模具钢(5CrNiMo)：高热强性、抗热疲劳性能好合金量具钢典型牌号：CrWMn

要求：高硬度、高耐磨性及极高的尺寸稳定性。高速钢(High-SpeedSteel)典型牌号：W18Cr4V

核心优势：具有优异的热硬性，即使在500-600℃高温下切削，硬度也无明显下降，可实现高速切削。

热处理特点：需经高温淬火和多次(通常3次)高温回火，才能获得最佳的红硬性和强度。工艺曲线参考右图展示了典型高速钢的淬火与回火温度控制过程。通过精确控制加热与冷却速度，析出细小的合金碳化物，从而赋予材料卓越的切削性能。4.2工业常用有色金属及轻合金01/铜及铜合金具有优异的导电性、导热性和良好的耐蚀性。

工业中主要分为两大类：

•黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金。

•青铜：除锌和镍以外，加入其他元素组成的铜合金。02/铝及铝合金特点是密度小、比强度高，耐蚀性较好，是轻量化设计的理想材料。工业上按加工方式主要分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。03/钛及钛合金被誉为“太空金属”，拥有极高的比强度和优异的耐蚀性。广泛应用于航空航天、生物医疗、化工等对材料性能要求极高的领域。04/镁及镁合金目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有良好的阻尼减震性能。主要用于制造便携式电子产品、汽车零部件及航空航天部件，以实现极致的轻量化。4.3工业常用非金属材料：高分子材料01/塑料定义塑料是一种以高分子聚合物为主要成分，通常还含有填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等助剂，在加工过程中能流动成形的材料。它是现代工业中不可或缺的基础材料之一，广泛应用于各行各业。02/主要特性✅核心优点•密度小，质量轻，比强度高

•化学稳定性好，耐腐蚀性强

•电绝缘性、绝热性优异

•耐磨减摩性好，易于加工成形⚠主要局限•耐热性和热稳定性较差

•力学强度和硬度普遍低于金属

•在长时间光照或高温下易老化03/成形方法🔧注射成形(InjectionMolding)最常用的方法之一，生产效率高，能成形形状复杂、精度高的零件，如外壳、齿轮等。⚡挤出成形(Extrusion)适用于生产等截面的连续型材，如管材、板材、线材、薄膜等。📦压制成形(CompressionMolding)将塑料原料放入模具中加热加压成形，常用于热固性塑料，如电木、陶瓷化塑料等。谢谢观看工程材料与机械制造基础第5章液态成形技术本章目录01铸造工艺基础充型能力、凝固与收缩、铸造应力与缺陷02常用合金铸件的生产铸铁件、铸钢件、铸铜件、铸铝件03砂型铸造基本生产过程、工艺设计CONTENTS5.1铸造工艺基础：充型能力什么是充型能力？液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。它是决定铸件质量的关键指标之一。液态金属的流动性金属液本身的流动能力，是充型能力的决定性因素，主要取决于合金成分与结晶特性。铸型特性铸型的蓄热系数、温度和气体含量均会阻碍或促进金属液的流动。浇注条件提高浇注温度、增加充型压头及优化浇注系统结构，均有助于提升充型能力。5.1铸造工艺基础：凝固与收缩铸件的凝固方式•逐层凝固：适用于纯金属或共晶合金，结晶区间窄，补缩性能良好。

•体积凝固(糊状凝固)：结晶温度范围宽的合金，凝固区域呈糊状，易形成缩松缺陷。铸件的收缩金属从浇注温度冷却到室温过程中，经历三个阶段的体积减小：

1.液态收缩(浇注后至凝固开始前)2.凝固收缩(凝固过程中)3.固态收缩(凝固后至室温)缩孔与缩松•成因：凝固收缩得不到液态金属的及时补充而形成孔洞。

•防止原则：建立“顺序凝固”的补缩通道，将分散缩松转化为集中缩孔，并引入冒口。工艺控制核心目标通过合理的铸型设计（如冷铁与冒口的配合），控制铸件的凝固顺序，让冒口总是最后凝固，从而对铸件进行持续补缩，最终获得致密、无缺陷的铸件。5.1铸造工艺基础：凝固原则定向凝固采用冒口、冷铁等措施，使铸件远离冒口的部分先凝固，冒口最后凝固，以实现良好的补缩效果。👍优点：补缩效果好，铸件组织致密，不易出现缩孔。👎缺点：铸件温差大，易产生内应力、变形和热裂倾向。同时凝固通过合理布置内浇道和工艺措施，使铸件各部位温差尽可能减小，实现各部分近似同时完成凝固。👍优点：铸件温差小，不易产生应力、变形和裂纹，工艺简化。👎缺点：补缩效果较差，铸件心部或热节处容易出现缩松缺陷。5.2常用合金铸件的生产：铸铁件铸铁是应用最广的铸造合金，其性能主要取决于石墨的形态，据此可分为以下四类：灰铸铁(GrayIron)石墨呈片状分布。具有优良的铸造性能、切削加工性能和减振性，价格低廉，是应用最广的铸铁。常用于制造机床床身、气缸体等。可锻铸铁(MalleableIron)石墨呈团絮状。虽不可锻造，但克服了灰铸铁脆性大的缺点，具有一定的塑性和韧性，强度也高于灰铸铁。常用于制造承受冲击的管接头、农具等。球墨铸铁(DuctileIron)石墨呈球状，大大减少了应力集中。综合力学性能极高，接近钢材，且可通过热处理强化。是“以铁代钢”的典型材料，广泛用于曲轴、齿轮等。蠕墨铸铁(VermicularIron)石墨呈蠕虫状（介于片状与球状之间）。兼具灰铸铁的导热性、抗热疲劳性和球墨铸铁的高强度。主要用于制造发动机缸盖、制动盘等关键零部件。5.2常用合金铸件的生产：铸钢件、有色合金件铸钢件(SteelCastings)性能特点力学性能（强度、韧性）远优于铸铁，但铸造性能相对较差：流动性差，且体收缩和线收缩大，容易产生缩孔、缩松及裂纹等缺陷。工艺要点必须采用较大尺寸的冒口配合冷铁，强制实现顺序凝固，以有效补缩。此外，铸后需进行正火或退火等热处理，以细化晶粒并消除内应力。铸造铜合金主要包括铸造黄铜和铸造青铜两大类。它们具有优异的减摩性、耐磨性及耐蚀性，且铸造性能良好。常用于制造轴瓦、衬套、蜗轮等有特殊摩擦和耐蚀要求的零件。铸造铝合金突出优点是密度小、比强度高，且具有良好的耐蚀性和铸造性能。工业上应用最广的是Al-Si系合金（如硅铝明），广泛用于航空、汽车及仪器仪表工业中制造承受轻载荷的复杂薄壁件。5.3砂型铸造工艺设计关键原则浇注位置选择铸件的重要加工面、受力面或主要工作面应尽量朝下，或位于侧面，以减少气孔、夹渣等缺陷，保证质量。分型面选择应尽量选择在铸件的最大截面处，便于起模操作；同时应尽量减少分型面数量，以降低错箱风险，保证铸件尺寸精度。基本生产流程制模→配砂→造型/造芯→合箱→浇注→落砂清理→检验涵盖了从模具制作到最终成品检验的全流程谢谢观看工程材料与机械制造基础第6章金属塑性成形技术本章目录CONTENTS01金属塑性成形理论基础塑性变形原理

组织性能变化

成形性能02锻造自由锻

模锻03板料冲压基本工序

应用场景6.1金属塑性成形理论基础：塑性变形原理单晶体的塑性变形◆滑移(Slip)：在切应力作用下，晶体一部分沿特定晶面和晶向产生相对位移，主要依靠位错的运动来实现。◆孪生(Twinning)：在切应力作用下，晶体一部分发生转动，形成与未变形部分呈镜面对称的结构。多晶体的塑性变形变形机制的双重性：

包含晶内变形（与单晶体类似，以滑移为主）和晶间变形（晶粒间的相对滑动与转动）。💡核心规律：细晶强化

晶界原子排列不规则，对变形有显著阻碍作用。

结论：晶粒越细小→变形抗力越大→强度与硬度越高。6.1金属塑性成形理论基础：组织性能变化冷变形ColdDeformation🔍组织变化随变形量增加，晶粒沿变形方向被拉长，晶格产生扭曲，内部产生残余内应力。⚡性能变化材料的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则明显下降。这种现象称为“冷变形强化（加工硬化）”，是重要的强化手段。热变形HotDeformation•定义：在再结晶温度以上进行的塑性变形，加工硬化随时被再结晶过程消除。•优势：细化晶粒、消除铸造缺陷（如疏松）、使金属组织更致密。•特点：形成“纤维组织（锻造流线）”，使材料力学性能呈现明显的各向异性。6.2自由锻自由锻(OpenDieForging)利用冲击力或压力，使金属在上下砧铁之间自由变形，不受模具约束，是最基础的锻造工艺之一。核心工艺特点灵活性大通用设备适应强精度较低需大量后续加工效率较低依赖人工操作适用生产场景适用于单件、小批量生产，是大型锻件（如水轮机主轴）制造的唯一有效方法。关键基本工序镦粗拔长冲孔弯曲/切割▲3500吨自由锻液压机工作现场6.2模锻模锻(ClosedDieForging)将金属坯料放入锻模的模膛内，在压力作用下使其塑性变形，从而获得与模膛形状完全一致的锻件。核心工艺优势精度极高尺寸准余量小生产高效适合大批量制造形状复杂轮廓清晰完整主要工艺分类锤上模锻压力机上模锻典型工业应用广泛应用于汽车、拖拉机、航空航天等工业部门，是大批量、高精度复杂锻件的首选制造工艺。6.3板料冲压核心定义|冷冲压(ColdStamping)利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法，通常在常温下进行。它是金属塑性加工的基本方法之一，也是制造金属零件的主要工艺手段。精度高制件尺寸稳定，互换性好，表面质量光洁，无需进行大量切削加工即可满足装配要求。效率极高操作简便，易于实现机械化与自动化生产。每分钟可生产从几件到上千件，适合大批量制造。材料薄主要用于加工厚度较小的金属板料，能充分利用金属材料的塑性，减少材料消耗，减轻零件重量。广泛应用领域：汽车制造(车身覆盖件)·家用电器(冰箱/洗衣机外壳)·电子设备(机箱/支架)·航空航天(飞机蒙皮)·国防工业等。6.3板料冲压的基本工序分离工序|使板料的一部分与另一部分分离●剪切：将板料沿不封闭轮廓分离，常用于制备毛坯。●落料：将板料沿封闭轮廓分离，被分离下来的部分为成品零件。●冲孔：将板料沿封闭轮廓分离，被分离下来的部分为废料，留下的部分为成品。变形工序|使板料发生塑性变形，获得所需形状●弯曲：将板料弯成一定角度或圆弧形状，如L形、U形零件。●拉深：将平板料变成各种开口的空心零件，如汽车油箱、可乐罐。●翻边：将工件上的孔边缘或外边缘翻成竖立的直边，用于增强零件刚度。谢谢观看工程材料与机械制造基础第7章连接成形技术本章目录CONTENTS01焊接理论基础•焊接工艺的核心分类体系解析•焊接接头的微观组织形态探究•焊接应力与变形的成因及控制02常用焊接方法•基础手工电弧焊的操作与技巧•高效埋弧焊与传统气焊工艺•气体保护焊的工业应用场景7.1焊接理论基础：焊接分类熔焊FusionWelding▍核心原理将工件接头加热至熔化状态，不加压力，依靠液态金属的融合完成焊接。▍工艺特点应用范围最广，适用于各种金属材料的连接，尤其适合长焊缝和复杂结构。▍典型应用手工电弧焊、气焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊(MIG/MAG)。压焊PressureWelding▍核心原理对工件施加压力，使结合面紧密接触并产生塑性变形，破坏氧化膜实现原子间结合。▍工艺特点通常不需要填充材料，焊接变形小，接头强度高，适合自动化、高效率生产。▍典型应用电阻点焊、缝焊、摩擦焊、超声波焊接、锻焊。钎焊Brazing&Soldering▍核心原理采用比母材熔点低的钎料，加热熔化后，利用毛细作用润湿母材表面并填充间隙。▍工艺特点焊接温度低，母材不熔化，性能不受影响；可连接异种材料，接头平整光滑。▍典型应用锡铅软钎焊、铜锌硬钎焊、真空钎焊、火焰钎焊。7.1焊接理论基础：焊接接头组织焊缝区WeldZone由熔化的母材和填充金属凝固而成，呈现铸态组织特征，晶粒通常较为粗大。熔合区FusionZone焊缝与母材的过渡区域，组织成分与性能极不均匀，是焊接接头中力学性能的薄弱环节。热影响区Heat-AffectedZone母材受焊接热循环作用发生相变的区域。其中过热区因晶粒急剧长大，韧性显著下降，是接头中最危险的区域。7.1焊接理论基础：焊接应力与变形▌产生原因根本原因是焊接过程中不均匀的加热与冷却。焊缝区受热膨胀受冷金属限制产生压应力；冷却收缩受限制则产生拉应力。▌焊接变形的基本形式主要包括：收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形。▌控制焊接变形的措施🛠设计措施合理规划焊缝位置，优化焊缝尺寸与坡口形式。⚙工艺措施采用反变形法、刚性固定；合理安排焊接顺序；焊后进行矫正。7.2常用焊接方法：手工电弧焊基本原理(Principle)利用焊条与工件间的电弧热熔化金属，焊条药皮分解产生的气体和熔渣共同保护焊缝，防止氧化。核心优势(Advantages)设备结构简单、成本低；操作灵活，可适应各种焊接位置；对焊接环境要求低，是目前应用最广的焊接方法。主要局限(Disadvantages)生产效率较低；焊工劳动强度大；焊缝质量受人为因素影响大，高度依赖焊工的技术水平与经验。适用场景(Applications)广泛用于钢结构、压力容器等，尤其适用于单件、小批量及复杂结构件的焊接。7.2常用焊接方法：埋弧焊工业级埋弧焊自动焊接设备作业现场核心原理电弧在厚厚的焊剂层下燃烧进行焊接，实现自动化作业，全程无可见弧光辐射。主要优点焊缝保护效果极佳，化学成分稳定；可使用大电流，熔深大且焊接速度快，效率高。技术局限受限于设备结构，仅能在平焊位置进行焊接；设备系统相对复杂，初期投入成本较高。典型应用广泛应用于长直焊缝和大直径环焊缝的焊接，如压力容器制造、船舶建造等重工业领域。7.2常用焊接方法：气体保护焊核心原理(GMAW)工作机制利用外加气体（CO2、氩气等）作为电弧介质，在电弧周围形成气体保护层，隔离空气对熔池的侵害，从而获得高质量焊缝。核心特点明弧操作，无焊渣，可全位置焊接，便于实现自动化。技术优势焊缝质量优成型美观，无夹渣气孔，接头力学性能稳定。生产效率高连续送丝无间断，无需敲渣，效率是手工焊2-3倍。材料适用性广覆盖碳钢、不锈钢及铝、镁、铜等有色金属。主流工艺分类CO2气体保护焊成本低，穿透力强，适合焊接碳钢和低合金钢，是目前工业生产中应用最广泛的焊接方法。氩弧焊(TIG/MIG)惰性气体保护效果极佳，焊接热影响区小，变形小。主要用于不锈钢、铝、镁等有色金属的精密焊接。谢谢观看第8章切削加工基础知识工程材料与机械制造基础本章目录CONTENTS01切削运动与切削要素本章将详细解析切削加工中的主运动与进给运动，并深入讲解切削用量三要素的定义与选择方法。02刀具材料与刀具角度介绍刀具材料的基本性能要求与常用种类，重点掌握刀具几何角度的标注规则及其对切削性能的影响。03金属切削过程分析深入探讨切屑的形成机理与积屑瘤现象，分析切削过程中切削力与切削热的产生规律及变化影响因素。8.1切削运动与切削要素▌切削运动：加工的核心动力主运动(Main)速度最高、功率最大。如车削时工件的旋转运动。进给运动(Feed)使新金属层投入切削。如车削时车刀的纵向移动。▌切削用量三要素：加工的关键参数切削速度v主运动的瞬时线速度，决定切削效率。进给量f每转刀具的进给位移，影响表面粗糙度。背吃刀量ap已加工与待加工表面的垂直距离。8.2刀具材料与刀具角度：刀具材料核心性能要求高硬度硬度需高于工件材料高耐磨性抵抗切削磨损的能力强度与韧性承受冲击力与切削力高耐热性高温下保持硬度与耐磨主流刀具材料分类高速钢：强度韧性高，制复杂刀硬质合金：硬度高热硬好，切削快陶瓷材料：极高硬度，适合高速精车超硬材料：金刚石/CBN，加工特硬料典型刀具材料：硬质合金硬质合金刀片是目前应用最广泛的刀具材料，它兼顾了硬度与强度，能适应绝大多数金属切削加工场景。8.2刀具材料与刀具角度：刀具角度前角|切削轻快性的关键增大前角可显著减小切削力，使切削更轻快，但过大的前角会导致刀具楔角减小，强度下降。后角|摩擦控制的核心主要作用是减小刀具后刀面与工件加工表面之间的摩擦，减少刀具磨损，提高加工表面质量。主偏角|切削力分配与寿命主要影响切削力在径向和轴向的分配比例，同时也显著影响刀具的散热条件和使用寿命。副偏角|表面粗糙度控制直接影响工件已加工表面的残留面积高度，从而决定了表面粗糙度，同时也影响刀尖强度。刃倾角|切屑流向与刀尖保护主要控制切屑的流出方向，正值使切屑流向待加工表面；负值则增强了刀尖强度，适合粗加工。8.3金属切削过程：切屑形成与积屑瘤切屑的形成切削过程本质上是切削层金属在刀具作用下，经历弹性变形、塑性变形，最终沿剪切面滑移、断裂，被刀具剪切下来形成切屑的过程。核心机制：

塑性变形与剪切滑移切屑的类型带状切屑：加工塑性金属，表面光滑连绵挤裂切屑：剪切面上有裂纹，呈节状单元切屑：变形大，断裂为分离的单元崩碎切屑：加工脆性金属，崩裂成碎粒积屑瘤(BUE)在中等切削速度加工塑性金属时，切屑底层与刀具前刀面因剧烈摩擦和高温而黏结，形成的硬度极高的金属硬块。正面影响：代替切削刃切削，有效保护刀具。负面影响：导致切削深度变化，恶化表面质量。

对策：精加工时应避免产生。8.3金属切削过程：切削力与切削热切削力(CuttingForce)•定义：切削加工中，刀具作用于被切削工件上的作用力。•分解：主切削力(Fc)、背向力(Fp)、进给力(Ff)。•核心：主切削力(Fc)最大，是设计机床、夹具及刀具的核心依据。切削热(CuttingHeat)•来源：切削能量的99%转化为热，源自剪切变形功与前后刀面摩擦功。•危害：加剧刀具磨损寿命，导致工件产生热变形，降低加工精度。•控制：需通过冷却润滑液等方式及时导出热量，优化切削环境。谢谢观看工程材料与机械制造基础第9章机械零件的结构工艺性本章目录CONTENTS01加工表面质量核心要点：深入解析表面质量的定义与内涵，并重点探讨其对零件耐磨性、疲劳强度等实际使用性能的关键影响机制。02影响表面质量的因素核心要点：系统梳理影响表面粗糙度的工艺参数，同时全面分析影响表面层物理力学性能（如残余应力、加工硬化）的各项因素。9.1加工表面质量▍表面质量的含义表面几何形状特征主要包含：表面粗糙度、波度、纹理方向、表面缺陷（划痕、裂纹等）。是对零件微观几何形貌的综合描述。表面层物理力学性能主要包含：表面冷作硬化程度、表层金相组织的变化（如相变）、以及表面层残余应力的分布状态。耐磨性粗糙度过大/过小均加剧磨损，存在最佳值；适度冷作硬化可显著提高零件耐磨性。疲劳强度降低粗糙度、引入残余压应力、表面