工程材料及成形技术 - 电子教材0

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

卫星 度钢 。二、材料分类： 运载火箭

本课程主要涉及的是机械工程材料

飞船

歼10战斗机

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；

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

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、Zn

1.2.2 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

塑性变

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