工程材料与成型工艺基础_李辉张建国主编.pdf

书书书工程材料与成型工艺基础李辉张建国主编书书书内 容 提 要本书较系统地介绍了当前机械制造中的热加工部分和材料选择。教学目标是使学生掌握在特定应用环境下正确选择材料所需要的基础知识和专业知识，即弄清楚材料性质 材料内部结构、材料的内部形态 加工工艺与服役环境下材料的使用性能之间的关系，并使其初步具备根据零件工作条件和失效方式合理地选择与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。本书适合高职高专院校机械类、近机类及近材料类专业学生作为专业基础课教材。图书在版编目（）数据工程材料与成型工艺基础李辉，张建国主编上海：上海交通大学出版社，世纪高等职业教育示范专业规划教材 工 李 张 工程材料成型工艺学高等学校教材 中国版本图书馆 数据核字（）第 号工程材料与成型工艺基础李辉张建国主编出版社出版发行（上海市番禺路 号邮政编码 ）电话：出版人：韩建民上海宝山译文印刷厂 印刷全国新华书店经销开本：印张：字数：千字 年月第版 年月第次印刷印数：定价：元版权所有侵权必究告读者：如发现本书有印装质量问题请与印刷厂质量科联系前言本书是为工科类及综合类院校的机械类、近机械类及近材料类专业学生而编写的专业基础课教材。本书较系统地介绍了当前机械制造中的热加工部分和材料选择。教学目标是使学生掌握在特定应用环境下正确选择材料所需要的基础知识和专业知识，即弄清楚材料性质 材料内部结构、材料的内部形态 加工工艺与服役环境下材料的使用性能之间的关系，并使其初步具备根据零件工作条件和失效方式合理地选择与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。本书教学过程的设计体现在以下三个方面：（）模块化综合课程具有创新的“课程主线”和“课程框架”。使学生全方位认识机器制造过程；具有弹性的教学模块适应制造类不同专业选用，体现课程为专业培养目标服务的教学理念。运用现代教育技术和虚拟现实技术，建立虚拟的仿真教学环境，优化教学过程，提高教学质量和效率。（）以任务驱动为特征的“项目课程”教学，实现课程教学理论与实践一体化。将机器制造的知识与技能融于完成项目的工作任务之中，灵活运用案例分析，让学生通过分组讨论、角色扮演，实施教学。改变了学生的学习态度，提高了学习兴趣和学习主动性。（）探索“工学结合”人才培养模式的课程教学，本课程列入示范性高职院校建设方案重点创建课程项目。探索制造类专业及相关专业领域具有“工学结合”特色课程体系的构建。本书由李辉、张建国任主编，参加本书编写的作者来自高职高专院校和生产企业，长期从事教学、科研和企业生产工作，具有较高的的理论水平和丰富的生产实践经验。具体编写分工如下：项目一、项目二由忻州市技工学校曲云凤编写，项目三、项目六由忻州市技工学校赵静宇编写，项目四、项目五由开封大学李辉编写，项目七、项目八由齐齐哈尔市职工大学二厂分校王小雨编写，项目九由郑州铁路职业技术学院张建国编写。全书由李辉、张建国统稿并审定。本书在编写过程中，参考和借鉴了国内外许多学者的著作和相关文献资料，在此，谨向这些著作和文献资料的作者表示衷心的感谢！由于编者水平有限，书中若有不完善之处，敬请广大读者指正，编者不胜感激。编者 年月目录项目金属材料力学性能的测量知识链接 金属的力学性能 金属的物理化学性能 金属的工艺性能 任务实施 金属材料强度和塑性指标的测定 硬度的测定 项目小结 项目习题 项目铁碳合金金相组织观察及铁碳合金相图的应用 知识链接 纯金属的晶体结构 金属的结晶与同素异构转变 合金的组织 铁碳合金的组织 铁碳合金相图 相图的应用 任务实施 碳钢和白口铸铁金相组织的识别观察 项目小结 项目习题 项目钢的热处理 知识链接 钢在加热时的转变 钢在冷却时的转变 钢的整体热处理 钢的表面热处理和化学热处理 热处理工艺设计 任务实施 碳钢的整体热处理操作 碳钢的热处理显微组织观察 项目小结 项目习题 项目工程材料的选用 知识链接 钢中常存元素与合金元素 非合金钢 合金钢 铸铁 非铁金属材料 任务实施 金属零件选材的一般原则 项目小结 项目习题 项目铸造 知识链接 铸造工艺基础 砂型铸造 铸件结构设计 工程材料与成型工艺基础 特种铸造 任务实施 支座铸造工艺设计 插齿机刀轴蜗轮工艺分析 项目小结 项目习题 项目锻压加工 知识链接 金属塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属的可锻性 锻造方法 冲压 任务实施 自由锻 项目小结 项目习题 项目焊接成形 知识链接 电弧焊 其他常用焊接方法 常用金属材料的焊接 焊接结构设计 任务实施 手工电弧焊 气体保护焊 项目小结 项目习题 目录项目机械零件材料及毛坯制造工艺选择 知识链接 机械零件材料的选择 机械零件毛坯的选择 任务实施 轴类零件材料及毛坯制造工艺拟定 箱体类零件材料及毛坯制造工艺拟定 项目小结 项目习题 项目非金属材料 知识链接 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 非金属材料成型工艺简介 任务实施 认识非金属材料 选择微波炉牛奶杯的材料和成型工艺 项目小结 项目习题 参考文献 工程材料与成型工艺基础项目 櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚毎毎毎毎金属材料力学性能的测量知识目标了解金属材料力学性能的含义。准确理解强度、塑性、刚度有关名词概念，了解拉伸曲线，掌握强度、塑性指标的检测方法。准确理解硬度的含义，掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度检测原理、表示方法、适用范围。准确理解冲击韧度、疲劳强度的含义，并了解其对于材料使用的重要性。了解金属材料的性能对使用和加工过程的影响。技能目标能检测材料的强度、塑性、硬度指标。能依据检测结果判断材料是否符合使用要求。本项目导语金属材料是最重要的工程材料，由于其特有的优异性能，被广泛应用于生产和生活中，尤其是机械制造业。为了正确认识和合理使用金属材料，充分发挥金属材料的潜力，就必须了解掌握金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是金属材料在使用条件下表现出来的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能。工艺性能是金属在加工制造过程中反映出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏。知识链接 金属的力学性能金属材料在加工和使用过程中所受到的外力称为载荷。根据作用形式的不同，载荷分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、扭转载荷、剪切载荷。根据作用的性质不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三种。（）静载荷：大小不变或变化缓慢的载荷。（）冲击载荷：短时间高速作用于材料上的载荷。（）交变载荷：大小、方向随时间周期性变化的载荷。金属材料在载荷作用下产生的几何形状和尺寸的变化，称为变形。分为弹性变形和塑性变形两种。随载荷的消失而消失的变形称为弹性变形；不随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。金属材料的力学性能是指金属材料在承受各种外力时不超过许可变形或不被破坏的能力。金属的力学性能是衡量材料质量和选用金属材料的重要依据，也是合理选择刀具、模具、制定正确加工方案和选用切削用量的重要参数。衡量金属材料的力学性能指标有强度、塑性、刚度、硬度、韧性和疲劳强度等。强度、塑性、刚度、硬度属于静态力学性能；韧性和疲劳强度属于动态力学性能。强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。强度大小通常用应力大小来表示。随载荷的作用形式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度。在工程中常用抗拉强度作为判断金属强度高低的指标。抗拉强度由拉伸试验测定。拉伸试验拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本试验。其试验方法是将标准试样安装在拉伸试验机上，对试样施加一个轴向静拉力，随着力的不断增加，试样产生的伸长量也不断增加，直至断裂。通过拉伸试验可同时测得强度指标和塑性指标。）拉伸试样 金属材料室温拉伸试验方法 规定了金属拉伸试样的形状、尺寸和加工要求。常用标准圆截面试样，如图所示。图标准圆截面拉伸试样图低碳钢的力伸长曲线图中为试样的原始直径，为试样的原始标距长度。试样可分为长试样（）和短试样（）两种。）力伸长曲线拉伸过程中，由拉伸试验机自动绘出的拉伸力和试样相应伸长量之间的关系曲线，称为力伸长曲线。如图 所示，为低碳钢试样的力伸长曲线。图中，纵坐标表示力，单位为；横坐标表示试样伸长量，单位为。工程材料与成型工艺基础由图可见，低碳钢在拉伸过程中明显表现出以下几个变形阶段：（）弹性变形阶段。段为斜直线，说明伸长量和力成正比。试样在卸载后可恢复原始形状尺寸，是试样只发生弹性变形的最大拉力。（）屈服阶段。拉伸力超过后，试样开始产生塑性变形，即卸载后的试样只能恢复部分变形，仍保留了部分变形。在 段，力伸长曲线出现平台和锯齿形，说明即使载荷图缩颈现象不增加或略有减少时，试样也能继续伸长，金属材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。（）强化阶段。段为上升曲线，说明只有不断加载，才能使试样继续伸长。这个阶段，随着塑性变形的增大，试样变形抗力逐渐增加，这种现象称为冷变形强化，也叫加工硬化。（）局部塑性变形（缩颈）阶段。段，试样的直径发生局部收缩变细的现象，称为缩颈，如图所示。试样直径变小，继续变形需要的力变小，此段力伸长曲线为一段下降曲线。继续拉伸，试样从缩颈处断裂。强度指标衡量金属材料的强度，要同时考虑受力大小和横截面积。单位横截面积上的载荷称为应力用表示，单位为。即式中，载荷，；横截面积，。材料的强度指标主要有屈服强度和抗拉强度。）屈服强度（）塑性材料的屈服强度。试样产生屈服现象时所受的应力称为屈服强度，用表示，单位为。屈服强度分为上屈服强度 和下屈服强度，一般用下屈服强度 作为衡量指标。屈服强度是金属材料抵抗塑性变形的能力。图铸铁的力伸长曲线式中，屈服时的最小载荷，；试样原始横截面积，。（）脆性材料的屈服强度。如图所示，对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上常采用残余伸长率为 时的应力，即规定残余伸长应力 作为屈服强度指标，也称为屈服强度。式中，残余伸长率为 时的载荷，。）抗拉强度试样拉断前所受的最大应力称为抗拉强度，用符号表项目金属材料力学性能的测量示，单位是 。抗拉强度是金属材料抵抗断裂的能力。式中，试样拉断前承受的最大载荷，。强度是金属材料最重要的力学性能之一。零件、构件、结构在工作过程中在受到超出其材料强度的外力作用时，会发生变形甚至失效。因此，大多数零件设计工作应力不超过其材料的屈服强度。塑性金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性的衡量指标为断后伸长率和断面收缩率，可通过拉伸试验测得。断后伸长率试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，称为断后伸长率，用符号表示。若用长试样测试，则用 表示。式中，试样原始标距长度；试样拉断后的标距长度。断面收缩率试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，用符号表示。式中，是试样的原始横截面积；是试样断口处的横截面积。金属材料的断后伸长率和断面收缩率值越大，说明材料的塑性越好。工程中，的材料称为塑性材料，如低碳钢；的材料称为脆性材料，如灰铸铁。塑性直接影响到零件的加工和使用。塑性好的材料易于成型，使用时一旦超载也能产生塑性变形从而避免突然断裂。因此，零件除要求具有一定的强度外，还要求具有一定的塑性。断后伸长率达到或断面收缩率达 的材料，可满足大多数零件的塑性要求。例题宏利机械加工厂购进了一批 钢，国标规定其力学性能指标应不低于下列数值：下屈服强度，；抗拉强度，；断后伸长率，；断面收缩率，。验收时，将钢材制成 的短试样做拉伸试验，测得 ，。试列式计算这批钢材是否合格。解：由题意可知：（）（）工程材料与成型工艺基础 （）根据计算公式得：（）（）（）（）计算结果显示此材料的各项力学性能均优于国标，所以是合格的。刚度材料抵抗弹