第一章工程材料基础-机械制造基础分析
《工程材料及机械制造基础》教学大纲
《工程材料及机械制造基础》教学大纲课程名称（中文/英文）：工程材料及机械制造基础（Fundamentals of Engineering Material and Manufacturing Technology）课程编号：学分：3.5学时：总学时64学时分配：讲授学时：48 实验学时：8 上机学时：0 讨论学时：8课程负责人：李永国一、课程简介（Course Description）/课程目标（Course objectives）工程材料及机械制造基础是机械类专业的技术基础课，课程目标是使学生了解工程金属材料的内部组织与性能之间的关系，熟悉金属材料的强化方法（尤其是热处理强化）以及各类金属材料的选用原则。
本课程内容主要包括机械性能、晶体结构、结晶过程、晶格缺陷、合金基本相结构，正确分析二元合金状态图，并应用铁碳合金状态图来分析铁碳合金成份、组织与性能的关系。
掌握金属塑性变形，钢的热处理，选用材料的基本原则，掌握铸造、锻压、焊接加工的基本原理及加工方法的选择。
Engineering materials and basis of machinery manufacturing belong to machinery professional technical courses, curriculum goal is to make students understand the relationship between the internal organization and performance of engineering metallic materials, familiar with metal material strengthening method(especially heat treatment strengthened) and a variety of metal materials selection principles. The course content includes mechanical properties, crystal structure, the crystallization process, lattice defects, alloy basic phase structure, analysis of binary alloys state diagram and state diagram iron-carbon alloy applied to analyze the iron-carbon relations of alloy composition, microstructure and performance. Master deformation, heat treatment of steel, basic principles of metal material selection principles, master the basic principles of selection and processing methods of casting, forging, welding process.课程目标1：掌握工程材料成分，结构，组织和性能的基础知识和理论。
新版工程材料及机械制造基础
1. 强度
(1) oe段：直线、弹性变性
(2) eH段：曲线、弹性变形+塑性变形 (3) L段：水平线（略有波动）明显的 塑性变形屈服现象，作用的力基本不 变，试样连续伸长。 (4) Lm曲线：弹性变形+均匀塑性变形
(5) m点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样产生不均匀塑性变形,试样即将断裂。 (6) k点：试样在缩颈处断裂。
HRC 150 金刚石圆锥 20——67
淬火钢，调质钢， 深层表面硬钢
1.1.3 硬度
3. 维氏硬度
(1)维氏硬度试验
原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F （49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。
(2)维氏硬度值
用压痕对角线长度表示。如：640HV。 (3)优缺点
3.2.2 钢的淬火与回火
1. 淬火
（1） 淬火温度 图
(2) 淬火冷却 • 理想冷却速度 图 • 淬火冷却介质 表 (3)淬透性与淬硬性
淬透性的概念 ：指钢在淬火时获得 马氏体的能力。 图 • 影响淬透性的因素 • 淬透性的实际意义 • 钢的淬火变形和开裂
2. 钢的回火
• (1) 低温回火 • (2) 中温回火 • (3) 高温回火
2.断面收缩率Z （旧标准Ψ），
指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
Z =(S0-Su)/S0×100% S0:试件原横截面积。 Su:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。
3. 硬度
引言：
(1)定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法 有关。
工程材料与机械制造基础课程学习要点
《工程材料与机械制造基础》课程（工程材料及成形部分）学习要点教材：《现代工程材料成形与机械制造基础》（上册）孙康宁、张景德主编，高等教育出版社，第2版工程材料与机械制造基础（课程）是一门重要的工科大平台课，是工科各专业了解本专业以外工程知识的主要来源。
由于涉及知识面宽，基本概念多，各部分内容联系相对松散，有些同学学习初期感觉有一定的难度，为此建议同学们学习时注意掌握以下基本概念、基本要求和知识要点，并深入理解各部分之间的联系，包括材料与成形工艺之间的联系，成分、结构、性能、工艺之间的联系，各成形工艺之间的联系等等。
第一章绪论材料制造材料的发展趋势制造技术发展趋势第二章材料的力学性能基本概念力学性能:强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧性、疲劳强度及其衡量指标材料学基础:材料结构（晶体、非晶体）性能、成分、工艺与结构之间关系晶体点阵、晶胞、晶格常数体心立方晶体结构(bcc)面心立方晶体结构(fcc)密排六方晶体结构(hcp)晶体缺陷结晶：过冷度同素异构转变合金的相与相结构、组织相结构：固溶体、金属化合物铁碳合金的相结构：固溶体（铁素体、奥氏体），金属化合物:（渗碳体）组织（机械混合物）：珠光体、莱氏体冷却曲线！相图！！（点线面、用途）会画会填图，会分析，要背过。
共析钢、亚共析钢、过共析钢共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁工程材料的分类、编号及用途：钢铁、有色金属选材的基本原则第三章热处理与表面工程技术材料改性、目的、方法；什么是热处理？分析共析钢在加热和冷却时的组织及性能转变；最常用的热处理工艺（退火、正火、淬火、回火）特点及选用。
什么是马氏体？什么是过冷奥氏体？什么是表面淬火与化学热处理,工艺特点？淬火后材料强度硬度一定会增强吗？玻璃钢化机理是什么?什么是表面工程技术，主要技术分类？常见表面工程技术有哪些？第四章液态成形弄懂以下基本概念及基础知识:什么是液态成形？液态成形的特点？何为金属铸造(砂型铸造, 特种铸造)？一、砂型铸造(弄清楚零件、铸件、毛坯、木模、混砂、芯子、造型、型腔、分型面、合箱、浇注、清砂之间的关系)1. 充型能力流动性螺旋试样影响流动性因素: 成分浇注条件(温度压力) 铸型特性(铸型材料结构)2. 凝固逐层凝固体积凝固中间凝固影响凝固因素: 合金成分、组织、冷却方式（温度梯度）3 合金收缩性液态收缩凝固收缩固态收缩影响因素：成分、温度、铸型条件等收缩造成缺陷：（1）缩孔缩松顺序凝固冒口冷铁逐层凝固体积凝固（2）铸造应力、变形和裂纹热应力、机械应力，同时凝固原则（3）合金的吸气性及气孔、析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔4．常用铸造合金的铸造性能特点（铸铁铸钢有色金属）5.砂型铸造常见缺陷（缩孔缩松浇不足冷隔应力变形气孔等）二、特种铸造1．金属型铸造工艺特点2．溶模铸造及工艺特点3．压力铸造及工艺特点4．低压铸造及工艺特点5．离心铸造及工艺特点6．消失模铸造及工艺特点铸造方法选择三、铸件结构工艺性（要求：根据图纸会判断结构设计是否合理！）1．铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷2．铸件结构应利于简化铸造工艺3．铸件结构要便于后续加工第五章塑性成形技术1.弄懂以下基本概念及基础知识:什么是塑性成形,基本要素是什么？与液态成形相比有何不同?常见塑性成形方法: 锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔压力加工（挤压、轧制、拉拔）: 靠孔型获得所需截面型材塑性变形的机制(晶内变形+晶间变形)晶内变形(滑移+孪生) 晶间变形(滑移+转动)（1）变形引起的性能变化及相关概念:加工硬化: 强度、硬度提高，但塑性、韧性下降回复（及特点）: T回=(0.25-0.3)T熔（K）再结晶（及特点）: T再=0.4T熔(K)冷变形、热变形、温变形（2）变形引起的组织变化及相关概念:晶粒细化、锻造流线(锻造纤维组织)、变形程度、锻造比变形程度、锻造比、锻造流线关系(锻造比衡量变形程度大小,变形程度越大,锻造流线越显著)锻造流线对性能的影响，锻造流线如何利用？（3）最小阻力定律及应用体积不变条件（定律）及应用（4）材料的塑性成形性（可锻性）衡量可锻性指标：变形抗力、塑性影响因素：成分、组织、温度、变形速度、应力状态2．金属塑性成形方法基本概念与基础知识锻造？自由锻？模锻？板料冲压？冲裁？落料？冲孔？变形工序？拉伸？弯曲？翻边？胀型？（1）自由锻基本工序：镦粗、拔长、冲孔各有何特点？自由锻工艺规程：锻件图（加工余量、锻造公差、余块）、锻造成形工艺方案、计算毛坯重量和尺寸、确定锻造温度范围、制订自由锻工艺规程卡。
机械制造基础_第一章工程材料基础
1.1.3 金属的结晶
金属就是由一种金属元素所组成，比如，铜，铝，铁，锌等
1）结晶。 指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成 长程有序状态（晶态）的过程。 2）纯金属结晶的冷却曲线。 金属液非常缓慢的冷却时， 记录温度随时间而变化的曲线，如图1-6所示。出现水平 线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向 周围散失的热量。 3）过冷。 在实际结晶过程中，金属 液只有冷却到理论结晶温度（熔点） 以下的某个温度时才结晶的现象。理 论结晶温度 T 0 和实际结晶温度 T n 之间 的温度差 T 叫过冷度，它与冷却速 度有关，冷却越快，过冷度越大。
高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电 绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价 廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。
材料性能的决定因素：化学成分、内部组织和 状态。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处 理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根 据。
细晶强化的基本原理： 增加形核速度，抑制长大速度
第2节 工程材料的性能
1.2.1 金属材料的性能
为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使 用性能和工艺性能。
使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属 材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、 使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化 学性能。
图1-6 冷却曲线
4）结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在 液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则 排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
机械制造基础第1、2、3章小结
四、金属的同素异晶转变
第 二 章
金属在固态下，随着温度的改变，由一种晶体 类型向另一种晶体类型的转变称为同素异晶转变。
结 构金 属 的 组 织
五、金属的实际晶体结构 晶体缺陷按其几何形式的特点，分为如下三类： 点缺陷、 线缺陷、面缺陷
与金 结属 晶的 晶 体 结 构
2.1
2.2
1.合金 2.组元
习惯上将淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理， 简称“调质”。调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、 齿轮等,以提高零件的综合力学性能。
第 三 章 钢 的 热 处 理
3.4 表面热处理
第 三 章 钢 的 热 处 理
通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属 热处理工艺。 目的：采用表面热处理可以获得表面高硬度和心部高韧性。 表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类。 3.4.1 表面淬火
过冷现象与过冷度
温度（℃）
T0 T1
ΔT
0
t 时间
图2-6 纯金属的冷却 曲线 图中： T0—理论结晶温度: T1— 实际结晶温度； Δ T—过冷度（理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差） 过冷现象----书本P18 理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差，称为过冷度。 过冷度不是一个恒定值，与冷却速度有关，一般来说，液态金 属时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低， 晶粒尺寸越小，从而得到细晶粒。
V1(炉冷):727~650 ℃ V2(空冷):650~630 ℃ 第 三 章 钢 的 热 处 理 V3(油冷):550 ℃ V4(水冷):不相交 P S M+T M+A’
Vk (临界冷却速度)：奥氏体在连续冷却过程中不分解为 珠光体型组织，而转变成马氏体和少量残余奥氏体的最 小冷却速度。
《机械制造基础》教学课件—01工程材料
冲击试验是将被测的金属材料制成一定形状和尺寸的试样，将冲击试样安放在冲击试验机上， 把重量为G的摆锤提到高度h1后，使摆锤自由下落，冲断试样后，摆至高度h2，其位能的变化 值即为摆锤对试样所做的冲击功。
5．扭转
扭转的物体受到一对大小相等、方向相反、作用面垂直于轴心线的外力偶的作用。转 动汽车转向盘、攻丝都是扭转的实例。
在实际应用中，零件的受力情况都比较复杂，通常要同时承受多种力的作用。汽车 传动轴，在工作时要同时承受拉伸、弯曲和扭转等作用。这就要求该轴具有良好的 结构设计、较高的强度。
1.1.1 材料的常用机械性能
第一章 工程材料
• 理解金属材料的常用机械性能指标。 • 了解常用金属材料的种类和用途。 • 熟悉材料选用的基本原则。 • 熟悉热处理的目的和意义。 • 熟悉热处理的分类和用途。 • 熟悉常用热处理方法的工艺特点。
1.1 材料的机械性能
1.1.1 材料载荷的形式
1．拉伸 拉伸是物体最常见的一种受力形式。其特点为受力方向沿着物体轴线，且受力方向相 背离。桥式起重机上的钢丝绳在吊起重物时主要承受拉伸作用。 2．压缩 压缩与拉伸一样，受力方向沿着物体轴线，但是受力方向相对。大型零件的底座在工 作中都要承受自身重量带来的压力。万吨水压机就是通过压力来使工件成形的。
4．热处理的分类和应用
按照热处理在零件生产过程中的作用不同，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。
预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织， 消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理做准备。
工程材料及机械制造基础习题及答案
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
工程材料与机械制造基础课程学习要点
工程材料与机械制造基础课程学习要点课程概述本课程主要介绍工程材料和机械制造基础知识，包括工程材料的基本性质、制备方式和应用，机械制造的基本工艺以及基础性能评价方法等。
工程材料基础工程材料基本性质工程材料的基本性质包括力学性能、物理性能、化学性能和其他性能等。
其中，力学性能包括弹性模量、屈服强度、断裂强度等；物理性能包括热膨胀系数、热导率、电学性能等；化学性能包括腐蚀性、氧化性等；其他性能包括防腐性、耐磨性等。
工程材料制备方式工程材料的制备方式主要有铸造、轧制、锻造、粉末冶金、热喷涂、电化学沉积、半导体制备等。
其中，铸造是指将熔融金属或合金倒入模具中，在冷却固化后得到工件的过程；轧制是指用金属材料通过轧辊进行加工，制造成所需形状和尺寸的过程；锻造是指通过降低金属材料的临界变形温度，通过重复的变形操作来制造所需形状和尺寸的过程；粉末冶金则是指将金属粉末或非金属粉末的混合物通过压缩成型和高温烧结等过程制备成所需形状和尺寸的过程。
工程材料应用工程材料的应用非常广泛，包括航空航天、汽车制造、机械制造、建筑材料等领域。
目前，随着新材料、新工艺和新技术的出现，工程材料的应用范围越来越广泛。
机械制造基础机械加工基本工艺机械加工的基本工艺包括车削、钻削、铣削、磨削、锯割、切割、焊接、表面处理等。
其中，车削是指利用车床旋转切削工件，在不断移动的过程中加工出所需的形状和尺寸；钻削是指利用钻床旋转切削工件，在钻头不断向下穿过的过程中加工出所需孔径和深度；铣削是指将旋转的铣刀放置在工件上进行切削，加工出所需的形状和尺寸；磨削是指利用磨粒对工件进行切削和磨削，实现高精度的加工；锯割是指利用锯条对工件进行切割；切割是指利用激光、等离子等工艺对工件进行切割；焊接则是将两个或多个工件通过热能和压力连接在一起；表面处理则是对工件表面进行各种处理，包括喷涂、镀层、抛光等。
机械制造基础性能评价机械制造基础性能评价包括工件的精度、表面质量、尺寸稳定性等基本性能指标。
工程材料复习资料984436
《工程材料及机械制造基础》第一篇工程材料第一章金属力学性能与结构１、什么是金属材料的力学性能？包括那些内容？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
２、拉伸实验可以测定那些性能？1、弹性强度（弹性极限）2、屈服强度（屈服极限）3、抗拉强度（强度极限）4、伸长率5、断面收缩率３、解释下列力学性能指标的含义：σb、σ、σ0.2、σ-1、δ、ψ、HBS、HBW、HBC。
sσb抗拉强度：指材料抗拉伸时断裂前承受的最大应力。
σs屈服强度：指材料产生屈服现象时的应力。
σ0.2：条件屈服强度。
σ-1疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。
δ伸长率：试样拉断后标距增长量ΔL与原长L。
ψ断面收缩率：试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。
HBS：用淬火钢球测量的布氏硬。
HBW：用硬质合金球测量的布氏硬。
HBC：使用顶角为120°的金刚石圆锥体试验的压头测量的洛氏硬度。
４、什么叫冲击韧性？冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。
５、什么叫疲劳强度？疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。
６、有一紧固螺栓使用后发现有塑性变形，试分析材料的哪些性能指标达不到要求？σs屈服强度７、用含碳量0.45%的碳钢制造一种轴，零件图要求热处理后硬度达到220HBS~250HBS，实际热处理后测得硬度为22HRC，是否符合要求？８、选择下列材料的硬度测试方法？（1）调质钢；（2）手用钢锯条；（3）硬质合金刀片；（4）非铁金属；（5）铸铁件（1）调质钢——HRC；（2）手用钢锯条——HRA；（3）硬质合金刀片——HRA；（4）非铁金属——HRB、HBS；（5）铸铁件——HRS９、下列硬度标注方法是否正确？如何改正？（1）HBS210~HBS240；（2）450HBS~480HBS；（3）180HRC~210HRC；(4)HRC20~HRC25；(5)HBW150~HBW200 （1）210HBS~240HBS；（2）450HBS~480HBS；（3）180HBS~210HBS；(4) 20HRC~25HRC；(5) 150HBS~200HBS１０、断裂韧度与其他常规力学性能指标的根本区别是什么？断裂韧度是衡量材料中存在缺陷时的力学性能指标，而其他常规力学性能指标是将材料内部看成处处均匀时衡量材料力学性能的指标。
(完整版)机械制造基础第一章(答案)
第一章机械加工基础一、名词解释：1．工艺过程：生产过程中为改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。
（P3）2．机械加工工艺过程：采用机械加工方法来改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。
（P3）3．工序：是一个或一组工人，在一个工作地点对同一个或同时对几个工件进行加工，所连续完成的那一部分工艺过程。
（P4）4．安装：工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。
（P4）5．工位：为了完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起，相对于刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置称为工位。
（P4）6．工步：在加工表面和加工工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序。
（P5）7．复合工步：用几件刀具或者用复合刀具同时加工同一工件上的几个表面，称为复合工步。
（P5）8．进给：在加工过程中，有些工步需要对同一表面进行多次切削，从被加工表面上每切下一层金属即称为一次进给。
(P5)9．生产纲领：企业在计划期内应生产的产品产量和进度计划称为生产纲领。
(P6)10．工艺规程：规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。
（P8）11．零件的结构工艺性：是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。
（P11）12．基准：用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。
（P14）13．设计基准：在设计图样上所采用的基准。
（P14）14．工艺基准：在工艺过程中所采用的基准称为工艺基准。
按照用途的不同可分为定位基准、测量基准、装配基准和工序基准。
15．工序基准：在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准。
（P15）16．定位基准：在加工时，为了保证工件被加工表面相对于机床和刀具之间的正确位置所使用的基准称为定位基准。
（P15）17．测量基准：测量时所采用的基准。
（P15）18．装配基准：装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。
机械制造基础
• 碳/碳复合材料构件制造技术
碳/碳复合材料（C/C）的最显著的优点是 耐高温（1800～2000℃）和低密度（约 1.9g/cm3）。美、法、俄等研制的C/C复 合材料部件有：燃烧室喷嘴、加力燃烧室 喷管、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘、涡 轮外环等。美国将整体涡轮盘在1760℃进 行了地面超转试验。C/C构件的关键制造技 术包括碳纤维预制体的设计与制备、C/C的 致密化技术和C/C防氧化涂层的设计与制造
KI值的大小决定于裂纹尺寸（2a）和外加应 力场σ，它们之间的关系由下式表示：
KＩ＝Yσ a
式中：Y为与裂纹形状、加载方式和试样几 何尺寸有关的无量纲系数
σ为外加应力场，单位为MPa； a为裂纹长度的一半，单位为mm
由上式可见，随应力的增大，KI不断增大， 当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿 的内应力大到足以使材料分离，从而导致
以SiC长纤维增强的Ti基复合材料 （TiMMC）具有比强度高、比刚度高，使 用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例 如德国研制的SCS-6 SiC/IMI834复合材料 的抗拉强度高达2200MPa，刚度达 220GPa，而且具有极为优异的热稳定性， 在700℃温度暴露2000h后，力学性能不 降低。主要应用于未来发动机中的构件
它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确， 压入深度浅，适于测定经表面处理零件的 表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到 极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较 麻烦
图1.1-４为维氏硬度测试示 意图
在用规定的压力P将金刚石 压头压入被测试件表面并 保持一定时间后卸去载荷， 测量压痕投影的两对角线 的平均长度d，据此计算出 压痕的表面积S，最后求出 压痕表面积上平均压力 （P/S），以此作为被测材 料的维氏硬度值
工程材料及机械制造基础习题答案
⼯程材料及机械制造基础习题答案《⼯程材料及机械制造基础》习题参考答案第⼀章材料的种类与性能（P7）１、⾦属材料的使⽤性能包括哪些？⼒学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是⾦属的⼒学性能？它包括那些主要⼒学指标？⾦属材料的⼒学性能：⾦属材料在外⼒作⽤下所表现出来的与弹性和⾮弹性反应相关或涉及⼒与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、⼀根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最⼤载荷为多少？断⾯收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛⽒硬度的测试原理。
以压头压⼊⾦属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应⼒松弛？蠕变：⾦属在长时间恒温、恒应⼒作⽤下，发⽣缓慢塑性变形的现象。
应⼒松弛：承受弹性变形的零件，在⼯作过程中总变形量不变，但随时间的延长，⼯作应⼒逐渐衰减的现象。
6、⾦属腐蚀的⽅式主要有哪⼏种？⾦属防腐的⽅法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐⽅法：1）改变⾦属的化学成分；2）通过覆盖法将⾦属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第⼆章材料的组织结构（P26）1、简述⾦属三种典型结构的特点。
体⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的中⼼和每个顶⾓各有⼀个原⼦。
每个体⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：2个。
塑性较好。
⾯⼼⽴⽅晶格：晶格属于⽴⽅晶系，在晶胞的8个顶⾓和6个⾯的中⼼各有⼀个原⼦。
每个⾯⼼⽴⽅晶格的原⼦数为：4个。
塑性优于体⼼⽴⽅晶格的⾦属。
密排六⽅晶格：晶格属于六⽅棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项⾓上各有⼀个原⼦，两个端⾯的中⼼各有⼀个原⼦，晶胞内部有三个原⼦。
每个密排六⽅晶胞原⼦数为：6个，较脆2、⾦属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和⾯缺陷。
使⾦属抵抗塑性变形的能⼒提⾼，从⽽使⾦属强度、硬度提⾼，但防腐蚀能⼒下降。
3、合⾦元素在⾦属中存在的形式有哪⼏种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和⾦属化合物两种。
工程材料及机械制造基础
6个
0.5a
74%
12
单晶体的各向异性
单晶体——内部晶格方位完全一致的晶体 单晶体各向异性——单晶体在各个晶向上具有不同的 物理、化学和机械性能 原因：不同方位（位向）上原子间距不同
表3-1 单晶体和多晶体弹性模量数据对比
单晶E(MN/m2)
Max
Min
多晶E(MN/m2)
Cu 1.91×104 6.67×103 1.20×104
塑性很好。 密排六方晶格—— Mg、Zn等
由于排列方式不同，原子间的距离不同，作用力也不同， 故呈现的性能也不同。（如体心立方晶格强度大、塑性好， 面心立方晶格塑性好。）
常见的三种金属晶格
(1)体心立方 (b.c.c) Body-center cubic lattice
常见金属 α-Fe, Cr, Mo, W, V 等
过冷 —— 液态金属冷却到理论结晶温度 以下才开始结晶的现象。
过冷度
△T=T0－Tn
问：一种金属的熔点恒定吗？过冷度恒定吗？
晶粒 Crystal Grain
晶界 Crystal Boundary
晶粒—— 每个晶核长成的晶体。晶体缺陷按几何形状分为 点缺陷（晶格空位、间隙原子、置换原子）。
问:从Q235、45、T8A三种钢的牌号上判断其含S、 P量的大小？
二、金属的晶体结构和结晶过程
一切固体物质按其原子排列的特征可分为晶 体和非晶体： 晶体—— 原子规则排列的物体。如食盐、金刚 石、石墨、合金等。 非晶体—— 原子不具有规则排列的物体。如塑 料、玻璃、沥青等。
晶体和非晶体的内部结构不同，两者的性 能也不同。晶体通常具有一定的凝固点和熔点, 非晶体则没有;晶体具有各向异性,非晶体则各向 同性。
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第1节 金属材料的结构
1.1.1 金属的晶体结构
1）晶体。 其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、 金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。
2）非晶体。 其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻 璃、沥青等。 3）晶体结构。 指晶体中原子排列的方式，如图1-1a所示。 4）晶格。 把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些 小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架 叫晶格，如图1-1b 所示。 5）晶胞。晶格的最小几何组成单元，如图1-1c所示。
1.1.3 金属的结晶
1）结晶。 指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成 长程有序状态（晶态）的过程。 2）纯金属结晶的冷却曲线。 金属液非常缓慢的冷却时， 记录温度随时间而变化的曲线，如图 1-6 所示。出现水平 线段的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向 周围散失的热量。 3）过冷。 在实际结晶过程中，金属 液只有冷却到理论结晶温度（熔点） 以下的某个温度时才结晶的现象。理 论结晶温度 T0 和实际结晶温度 Tn 之间 的温度差 T 叫过冷度，它与冷却速 度有关，冷却越快，过冷度越大，反 之。 图1-6 冷却曲线
第2节 工程材料的性能
1.2.1 金属材料的性能
为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使 用性能和工艺性能。
使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属 材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、 使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化 学性能。
高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电 绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、价 廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。
材料性能的决定因素：化学成分、内部组织和 状态。其中“化学成分”是改变性能的基础，“处 理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根 据。
4）结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在 液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则 排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
2.金属化合物
组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。 它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 Fe3C 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高 脆性。
3.机械混合物质称为机械混合物。
混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成 晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决 于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和 形态。
0 6）晶格常数。 晶胞中各棱边的长度，单位为A1A 1010 m 0
7）金属中常见的晶体结构 体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八 个角上和立方体的中心各有一个原子，如图1-2a。其原 子个数为：1 / 8 8 1 2 ，如铬、钠等。
图1-2a 体心立方晶格
1.固溶体 合金在固态下溶质原子溶入溶剂，仍保持溶剂晶格。 根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可 分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏 体)，如图1-3和图1-4所示。
固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的 晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，如图1-5 所示。原 子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金 的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质 原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的 溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫 固溶强化。
图1-2c 密排六方晶格
1.1.2 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和 非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特 性的物质。 组元是组成合金的最基本的、独立的单元。组元可以 是金属、非金属或化合物（如渗碳体）。
合金的晶体结构大致可归纳为3 类，即固溶体、金属 化合物和机械混合物。
面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个 角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-2b。 其原子个数为： 1 / 8 8 1 / 2 6 4，如铝，铜等。
图1-2b 面心立方晶格
密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体 的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、 下底面之间还均匀分布着三个原子如图1-2c。其原子个数 1 / 6 12 1 / 2 2 3 6 ，如镁、锌等。 为：
第1章 工程材料基础
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5
金属材料的结构
工程材料的性能 铁碳合金 常用工程材料 钢的热处理
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材料是人类用来制作各种产品的物质。机械工程中 使用的材料常按化学组成分为金属材料、高分子材料、 陶瓷材料三大类。 目前在机械工业中应用最广的仍是金属材料，因为 金属材料来源丰富，而且具有优良的力学性能、物理性 能、化学性能和工艺性能。 金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、导电性 高、导热性好、有金属光泽等。
图1-7 结晶过程示意图
5）单晶体。 结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为 单晶体。
6）多晶体。 由许多外形不规则、大小不等、排列位向 不同的小颗粒晶体组成。在多晶体中，这些小颗粒晶体 叫晶粒；晶粒与晶粒之间的界面叫晶界。晶粒的大小影 响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越 细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细 小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙 交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。 7 ）细晶强化。 用细化晶粒的方法来提高金属材料的力 学性能。金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多 少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶 粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每 个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。