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课程名称：工程材料及成形技术基础总学时：64/48学时(理论学时56/40)适用专业：机械设计制造及其自动化、机械电子工程/汽车服务工程一、课程的性质与任务《工程材料及成型技术基础》是研究机械零件的材料、性能及成形方法的综合性课程，是高等工科师范院校机械工程专业必修的专业基础课，其内容包括工程材料和成形技术基础两部分。本课程是在修完高等数学、大学物理（含实验）和机械制图等课程的基础上开设的。其任务是使学生掌握工程材料及成形技术的基本知识，为后继学习机械设计、模具制造工艺、先进制造技术和毕业设计等课程，培养专业核心能力；为今后从事职业学校机械类专业相关课程的教学，奠定必要的专业基础。本课程教学开设了实验教学。通过实验教学，在巩固和验证课程的基本理论知识的同时，拓展学生的创新思维，着重培养学生实践动手能力和创新能力。二、课程教学基本要求1、获得有关材料学的基本理论与工程材料的一般知识，掌握常用工程材料的成分、热加工工艺与组织、性能及应用之间的相互关系，熟悉常用工程材料的种类、牌号与特点，使学生具备合理选用工程材料、热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的基本能力。2、初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理与工艺特点，获得具有初步选择常用工程材料、成形方法的能力和进行工艺分析的能力。3、具有综合运用工艺知识，初步分析零件结构工艺性的能力。4、初步了解新材料、新技术、新工艺的特点和应用。四、本课程的教学内容绪论一、材料科学的发展与地位：材料科学的发展通常是和人类文明联系在一起的。古代文明：人类的发展史上，最先使用的工具是石器；新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)烧制成陶器；东汉时期发明了瓷器；到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮观。三次产业革命：产业经济迅猛发展是以新材料的发现为依托的。如：半导体材料等。知识经济时代：进入21世纪，被称为现代科学技术四大支柱领域的材料、信息、能源和生物工程得到了前所未有的重视和发展。材料作为人类生产和社会发展的物质基础，占有十分重要的地位。我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果：航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。北京奥运会主会场“鸟巢”结构设计奇特新颖，钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材，厚度至少要达到220毫米。这样一来，“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。从工程的实际需求出发，Q460是最好的选择。需要的大约是4.3万吨高质量钢材－－低合金高强度钢。二、材料分类：材料按工业工程来分类：机械工程材料，土建工程材料，电子材料等等；本课程主要涉及的是机械工程材料三、金属材料及其学习方法金属材料的性能均其化学成分、显微组织及加工工艺之间的关系．四、这门课的主要内容：工程材料：金属材料（主要）、非金属材料（次要）主线：性能与化学成分、组织和热处理工艺之间关系成型技术：铸、锻、焊；非金属材料实验：性能测试、材料热处理第一章工程材料结构与性能1.1材料原子(或分子)的相互作用各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。一、离子键当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由飞船运载火箭卫星歼10战斗机静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。二、共价键处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由碳原子组成，每个碳原子贡献出4个价电子与周围的4个碳原子共有，形成4个共价键，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。三、金属键周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子气。正离子在三维空间或电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。金属由金属键结合，因此金属具有下列特性：1.良好的导电性和导热性。金属中有大量自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地流动，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好，一是由于自由电子的活动性很强，二是依靠金属离子振动的作用而导热。2.正的电阻温度系数。即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。3.不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。四、分子键原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子(如F、O、N等)相结合,形成所谓氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键。其产生的原因是由于氢原子与某一原子形成共价健时，共有电子向那个原子强烈偏移，使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核，因而它还可以与另一个原子相吸引。1.2晶体材料的原子排列1.2.1理想晶体结构常见的金属晶体结构：（1）体心立方晶格：纯铁（912度以下）Cr、M。、W、V、K等。（2）面心立方晶格Cu、A1、Au、（3）排六方晶格•Be、Mg、Zn1.2.2实际晶体结构1．单晶体与多晶体单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”：单晶体具有各向异性多晶体：实际金属结构是有许多单晶体组成：晶粒。多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。多晶体呈现各向同性2．晶体缺陷(I)点缺陷：间隙原子；置换原子；(2)线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。(3)面缺陷：金属中的晶界和亚晶界1.3合金的晶体结构1.3.1合金的相、组织及其关系相是指合金中具有相同的物理、化学性能，并与其余部分以界面分开的物质部分固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物组织：将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光,然后用侵蚀剂侵蚀,即获得一块金相样品。在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织)。是合金的微观形态。1.3.2固溶体置换固溶体间隙固溶体1.3.3金属间化合物：金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,强度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韧性降低。Fe3C是钢铁中的一种重要的间隙化合物，又称为渗碳体．具有复杂的斜方晶格，它作为强化相对钢铁材料的性能有重大的影响。1.3.4合金性能实际金属的强化机制1固溶体与固溶强化－－－－点缺陷2位错强化－－－－－－－－线缺陷3细晶强化－－－－－－－－面缺陷4化合物与第二相强化－－－体缺陷1.4高聚物的结构1.4.1大分子链的结构线型结构：线型结构是由许多链节联成一条长链体型结构：体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或立体结构1.5陶瓷的结构1.7.工程材料的力学性能常见的有强度(屈服强度、断裂强度、疲劳强度等)、硬度、塑性、冲击韧性和断裂韧性等。强度：是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。屈服强度：表示材料抵抗微量塑性的能力抗拉强度：反映了材料产生最大均匀变形的抗力塑性：材料在外力作用下，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。硬度：在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力。（1）布氏硬度:HB/HBS（2）洛氏硬度:HRC/HRB/HRA（3）维氏硬度:HV性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引出材料的抗拉强度和屈服强度的概念，这两个指标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的强度指标，一个是安全性指标（配合延伸率）。硬度是材料局部强度的指标。疲劳是材料在循环作用下的安全指标。断裂韧性也是材料安全性指标，这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。第二章金属材料的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶2.1.1凝固的基本概念结晶：原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。过冷度概念:理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用ΔT表示。结晶的必要和充分条件是具有一定的过冷度2.1.2金属的结晶金属的结晶过程：形核和长大两个过程。自发形核（均质形核）、非自发形核（异质形核）影响形核和长大的因素：(1)过冷度的影响(2)难熔杂质的影响晶粒大小及控制方法。1)增大过冷度2)变质处理2.1.3材料的同素异构现象晶体的同素异构：有些晶体随着外界条件(如温度、压力)的变化而具有不同类型的晶体结构，称为同素异构现象。铁发生同素异构转变，不仅晶体结构发生变化，而且体积也发生改变，这是钢铁可进行热处理主要原因。2.2合金的凝固2.2.1二元合金相图与凝固1．匀晶相图；两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。杠杆定律：设合金的质量为Q合金,其中Ni质量分数为b%,在T1温度时,L相中的Ni质量分数为a%,α相中的Ni质量分数为c%。则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+α相中含Ni的质量即因为所以化简后得c-b为线段bc的长度;b-a为线段ab的长度。故得：或这个式子与力学中的杠杆定律相似,因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：运用杠杆定律时要注意,它只适用于相图中的两相区,并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,而支点为合金的成分点。2.共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解(或不溶)，并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图NCEL恒温共晶反应式2.2.2合金的性能与相图的关系1．合金的使用性能与相图的关系；2．合金的工艺性能与相图的关系2.2.3铸锭(件)的凝固2.3铁碳合金平衡态的相变基础2.3.1Fe—Fe3C相图1．铁碳合金的相结构与性能2．相图分析3.相图中重要三条水平线2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变；2.4钢在加热时的转变2.4.1钢在实际加热时的转变点2.4.2奥氏体的形成过程及影响因素1．奥氏体的形成过程；2．奥氏体形成的影响因素2.5钢在冷却时的转变钢在奥氏体化后的冷却过程决定了冷却后钢的组织类型和性能。热处理时常用的冷却方式有两种：一是等温冷却；二是连续冷却。过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型，即珠光体型转变(扩散型转变)、贝氏体型转变(过渡型或半扩散型转变)和马氏体型转变(无扩散型转变)。2.5.1过冷奥氏体等温转变图C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温