《工程材料及成型》模块1 工程材料性能及选用-项目7 材料及成型工艺选择

《工程材料及成型》课程导论模块一

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工程材料性能及选用模块二

|等材制造模块三

|减材制造模块四

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增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块一工程材料性能及选用1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1工程材料性能及检测3项目2铁碳合金相图分析4项目3金属材料的热处理项目5非金属材料及其选用5项目4金属材料及其选用67目

录CONTENTS8项目6机械零件的失效分析9项目7材料及成型工艺选择10【延伸学习】【课后习题】11【内容小结】【学习导览】工程材料堪称经济社会前行的根基，犹如装备制造业的“养分”。装备制造业作为我国经济高质量发展的关键支撑，是推进中国式现代化和制造强国建设的坚实力量。1.工程材料概述工程材料是指用于机械工程、土木工程或其他工程项目中的材料，通常是具有一定强度、硬度、刚度、塑性或其他性能与功能的材料。2.工程材料的发展随着装备制造业的升级换代和结构调整，工程材料今后的发展趋势是传统材料不断扩大品种规模、不断提高质量并降低成本，新材料特别是人工合成材料等将得到快速发展，从而形成传统材料与新材料竞相发展的格局。本模块的教学目标和主要内容目标了解工程材料的力学性能以及其他性能；掌握金属材料的性能与其化学成分、显微组织及加工工艺之间的变化规律；掌握金相试样的制备流程与金相显微镜的基本操作；熟悉金属材料的热处理工艺及其应用领域；掌握毛坯选用方法；能根据零件用途选择合适的材料及成型工艺。内容工程材料的性能及检测；铁碳合金相图分析；金属材料的热处理；金属材料及其选用；非金属材料及其选用；机械零件的失效分析；材料及成型工艺选择。项目7材料及成型工艺选择在进行材料及成型工艺选择时要具体问题具体分析，一般是在满足零件使用性能要求的情况下，同时考虑材料的工艺性及产品经济性，并要充分重视、保障环境不被污染，符合可持续性发展要求，积极采用生态材料和绿色制造工艺。双摆块式工件弯曲车削加工任务1毛坯选用毛坯是指还没完成最终加工的原料或半成品，可以是铸造件、锻压件、型材、注塑件、粉末冶金件等。无论是等材制造还是增材制造，都有可能用于毛坯成型，而减材制造往往用于对毛坯进行精密加工。在机械零件的制造中，绝大多数零件是由原材料通过铸造、锻造、冲压或焊接等等材制造工艺先制成毛坯，再经过切削加工等减材制造工艺提高毛坯件的精度和表面质量，此时基本上不会改变毛坯件的物理、化学和力学性能。因此，毛坯的成型方法选择正确与否，对零件的制造质量、使用性能和生产成本等都有很大的影响，需要正确合理地选择毛坯的种类及成型方法。1.毛坯的种类毛坯可以分为铸件、锻件、冲压件、焊接件、型材、粉末冶金件及各种非金属件等。（1）铸件毛坯（2）锻件毛坯（3）冲压件毛坯（4）焊接件毛坯（5）型材件毛坯（6）粉末冶金毛坯（7）非金属件2.毛坯选择应考虑的因素毛坯的选择是智能制造过程中非常重要的环节，选择毛坯时应该考虑如下几个方面的因素：①零件的生产纲领。②零件材料的工艺性。③零件的结构形状和尺寸。④现有的生产条件。3.毛坯材料选用原则同一个零件的毛坯可以用不同的材料和不同的工艺方法去制造，应对各种生产方案进行多方面的比较，从中选出综合性能指标最佳的制造方法。毛坯选择时，除了要考虑上述因素外，还应结合成型工艺要求，在遵循以下三个原则的基础上进行材料和工艺的选择。（1）从使用角度选择（2）从工艺角度选择（3）从经济角度选择任务2材料及成型工艺举例不同种类的零件，其工作条件、失效形式、毛坯种类、成型工艺各不相同，因此，应针对不同的零件，选用不同的材料、不同的成型工艺。1.轴类零件的选材与成型轴类零件是各种机械产品中用量较大的重要结构件，常见的有光轴、阶梯轴、曲轴、凸轮轴、齿轮轴、连杆、销轴等，其主要作用是支承旋转零件（如齿轮、蜗轮、凸轮等）或通过旋转运动来传递动力或运动。轴在工作中大多承受着交变扭转载荷、交变弯曲载荷和冲击载荷，有的同时还承受拉—压交变载荷。（1）轴类零件的工作条件及失效形式（2）轴类零件对材料性能的要求（3）常用轴的选材（4）典型轴类零件举例下面以M131W万能磨床砂轮主轴为例解释轴类零件的选材。图1-7-2为M131W万能磨床砂轮主轴简图，该主轴主要用来传递动力和承受弯曲、扭转等中等或重载荷的零件，故要求具有较高的强度；同时，砂轮主轴与滑动轴承相配合，由于主轴转速高而导致轴颈与轴瓦磨损严重，故要求轴颈具有较高的硬度和耐磨性；另外，砂轮在装拆过程中易使主轴锥孔或外圆锥面拉毛，影响加工精度，所以要求这些部位具有一定的耐磨性。因此为了保证磨床的加工精度，对主轴首先要考虑其耐磨性，其次应保证必要的强度。根据以上要求，选择40Cr较为合适。其加工工艺路线如下：下料→锻造→退火→粗加工→调质处理→精加工→表面淬火→粗磨→低温人工时效→精磨退火的目的是消除锻造应力及组织不均匀性，降低硬度，改善加工性；调质处理是为了提高主轴的综合性能，以满足心部的强度要求，同时在表面淬火时能获得均匀的硬化层；表面淬火是为了使轴颈和外圆锥部分获得高硬度，提高耐磨性；人工时效的作用是进一步稳定淬硬层组织和消除磨削应力，以减少主轴的变形。（5）成型方法选择获得轴类杆类零件毛坯的成形方法通常有锻造、铸造和直接选用轧制的棒料等。锻造生产的轴，组织致密，并能获得具有较高抗拉和抗弯强度的合理分布的纤维组织。重要的机床主轴、发电机轴、高速或大功率内燃机曲轴等可采用锻造毛坯。单件小批量生产或重型轴的生产采用自由锻；大批量生产应采用模锻；中、小批量生产可采用胎模锻。大多数轴杆类零件的毛坯采用锻件。球墨铸铁曲轴毛坯成形容易，加工余量较小，制造成本较低。热轧棒料毛坯，主要在大批量生产中用于制造小直径的轴，或是在单件小批量生产中用于制造中小直径的阶梯轴。冷拉棒料因其尺寸精度较高，在农业机械和起重设备中有时可不经加工直接作为小型光轴使用。2.盘套类零件的选材与成型盘套类零件分为盘类零件和套筒类零件，在机械设备中应有广泛。常见的盘类零件有齿轮、带轮、凸轮、端盖、法兰盘等，常见的套筒类零件有轴套、汽缸套、液压油缸套、轴承套等。由于这类零件在各种机械中的工作条件和使用性能要求差异很大，因此，它们所选用的材料和毛坯也各不相同。（1）盘类零件的选材与成型（2）套筒类零件的选材与成型套筒零件根据不同的使用要求，其材料和成形方法选择有较大的差异。1）材料的选择套筒类零件选用的材料通常有Q235-A、45、40Cr、HT200、QT600-2、QT700-2、ZQSnl0-1、ZQSn6-6-3等。2）成型方法选择套筒类零件常用的毛坯有普通砂型铸件、离心铸件、金属型铸件、自由锻件、板料冲压件、轧制件、挤压件及焊接件等多种形式。3.刃具的选材与成型切削加工使用的车刀、刨刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥等统称为刃具，刃具一般由工作分布和夹持部分组成。刃具材料一般是指工作部分的材料。（1）刃具的工作条件及失效形式（2）刃具材料的性能要求根据刃具的工作条件及失效形式，刃具材料必须满足如下性能要求：高的硬度和耐磨性，硬度一般要大于62HRC；高的红硬性；强韧性好；高的淬透性。（3）常用刃具的选材①碳钢。②低合金刃具钢。③高速钢。④硬质合金。⑤陶瓷。4.机架类零件与壳体类零件机架类零件与壳体类零件是机器的基础零件，包括各种机械的机身、底座、支架、减速器壳体、机床主轴箱、内燃机汽缸体、汽缸盖、电机壳体、阀体、泵体等。一般来说，这类零件的尺寸较大、结构复杂、薄壁多孔、设有加强筋及凸台等结构，重量由几千克到数十吨。要求具有一定的强度、刚度、抗振性及良好的切削加工性。（1）材料的选择机架类零件与壳体类零件的毛坯在一般受力情况下多采用HT200和HT250铸铁件；一些负荷较大的部件可采用KT330-08、QT420-10、QT700-2或ZG40等铸件；对小型汽油机缸体、化油器壳体、调速器壳体、手电钻外壳、仪表外壳等则可采用ZL101等铸造铝合金毛坯。由于机架类零件与壳体类零件通常结构复杂，铸件毛坯内残余较大的内应力，所以加工前均应进行去应力退火。（2）成型方法选择机架类零件与壳体类零件的成型方法主要为铸造。单件小批量生产时，采用手工造型；大批量生产采用金属型机器造型；小型铝合金壳体件最好采用压力铸造；对单件小批量生产的形状简单的零件，为了缩短生产周期，可采用Q235-A钢板焊接；对薄壁壳罩类零件，在大批量生产时则常采用板料冲压件。【内容小结】本模块主要讲解常见工程材料的性能、类型及其选用，包括7个项目，分别是：

项目1工程材料性能及检测项目2铁碳合金相图分析项目3金属材料的热处理项目4金属材料及其选用项目5非金属材料及其选用项目6机械零件的失效分析项目7材料及成型工艺选择每个项目根据实际情况安排了若干个具体任务，要求学习者掌握工程材料的性能检测、铁碳合金相图及应用、金相试样制备、热处理工序位置的安排、黑色金属与有色金属的分类及其选用、非金属材料的分类及其选用、机械零件的失效形式分析、常见材料及成型工艺的选择等有关的知识和技能。【延伸学习】世界超硬材料看中国，中国超硬材料看河南超硬材料被誉为“工业的牙齿”，是支撑国民经济建设和发展的重要基石。以金刚石为代表的超硬材料，被誉为“最硬最锋利的工业牙齿”，也是公认的“终极半导体”。河南是我国超硬材料及制品产业的发源地。1963年，郑州三磨所便成功研制出中国历史上第一颗人造金刚石。随后河南超硬材料行业就插上了腾飞之翼，走上了持续进阶之路。公开数据显示，我国金刚石单晶产量占全球总产量的95%左右，稳居世界第一，而河南人造金刚石的产量占到全国80%。据中国机床工具工业协会超硬材料分会有关数据显示，整个国内超硬材料版图是以河南为中心，向沿海和其他地区进行发散，服务国内、走向国际市场。从上游原材料、专用设备，到中游的金刚石、立方氮化硼、复合材料，再到下游应用到各领域，河南已经建立起较为集中和相对完善的产业链条。规模优势的背后，是强大的技术支撑。据了解，河南拥有国内唯一的国家级超硬材料产业基地“国家火炬计划河南超硬材料产业基地”，有超硬材料行业的国家级重点实验室、企业技术中心、工程技术中心、质量检验中心、生产力促进中心和全国标准化技术委员会等国家级平台，有郑州三磨所、机械研究所、金属制品研究院等一批从事相关研究的国家级研究院所。郑州大学、河南工业大学、河南理工大学、中原工学院、郑州职业技术学院等高校也为超硬材料行业发展提供了深厚的基础理论研究，培养和输送了大量专业技术人才。在A股超硬材料军团中，有一大批闪亮的河南企业名字——国机精工、黄河旋风、力量钻石、四方达、惠丰钻石等上市公司。尽管产能突出，但河南人造金刚石行业的产值却并不与之匹配，距离高质量发展目标仍有很大空间。河南省“十四五”发展规划提出，巩固人造金刚石优势，大力发展宝石级金刚石、高导热高透光率多晶金刚石等，加快金刚石聚晶、高端刀具等高端制品研发制造，加快原辅材料、超硬材料及制品协同发展，打造全球超硬材料产业基地。2021年10月，河南省人民政府发布了《河南省先进制造业集群培育行动方案》，提出“打造超硬材料千亿级产业链，建成具有世界影响力的万亿级新型材料产业集群”的宏伟目标。《河南省加快材料产业优势再造换道领跑行动计划（2022—2025年）》也提出，河南省将重点发展5G、芯片制造、油气钻探等领域复合超硬材料及制品和关键装备，加速纳米聚晶金刚石、功能金刚石等制备技术攻关，扩大在珠宝首饰、电子信息、污水处理、生物医药及器械等领域应用，以郑州、许昌、商丘、漯河、南阳、信阳为支点打造全球最大的超硬材料研发生产基地。【课后习题】一、单选题1.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（）。A.随炉冷却B.在油中冷却C.在空气中冷却D.在水中冷却2.45钢经调质处理后得到的组织是（）。A.回火索氏体B.回火马氏体C.回火托氏体D.回火奥氏体二、填空题1.使用性能是指工程材料在使用过程中表现出来的性能