工程材料课程设计

1 课程设计的有关事项（任务书） 1.1课程设计的目的 《工程材料与热加工基础》是工程类专业必修的一门工艺性、实践性很强的综合性技术基础课，其内容包括工程材料学、铸造、锻压、焊接等。为提高学生的工程实践能力和综合运用所学知识分析解决实际问题的能力，在学习该课程后进行为期一周的课程设计，其目的是： 1、通过课程设计的实践，使学生进一步加深了解和巩固课程所学的有关知识，提高学生综合运用所学知识分析解决实际问题的能力。 2、通过课程设计使学生初步达到在一般机械设计中能合理选择材料、选择毛坯的生产方法，并能合理安排典型零件的热处理工艺、零件制造工艺流程及结构工艺性分析。 1.2课程设计的选题、内容及步骤 1、课程设计题目的选定：指导教师与学生自选相结合 供选零件：高速台钻中的零件；其他机械中某些零件 选题要求：要求有3个零件如：轴、齿类；底座、减速箱盖；一个容器类零件 2、设计内容及步骤 （1）学生根据课程设计指导书中规定的零件或由任课教师指定的零件，任选三个零件（包括铸件、锻件和焊接件各一个），分析各个零件的工作条件、受力状况、失效形式等，合理选择各零件所用材料、选择毛坯生产方法，并能合理安排零件的热处理工艺、制造工艺流程，按设计指导书中要求进行结构工艺性分析与工艺设计。 2

（2）设计中制订的工艺方案（如选材方案、毛坯选择方案、铸造工艺中分型面的选择方案等）,应考虑2～3个方案进行比较,充分论证,选取最佳方案,并在设计说明书中详细叙述,不能只给出简单的结论。 （3）每个学生完成一份完整的课程设计报告。 设计说明书是反映设计结果的技术文件，必须认真写好。要求论述清楚，文字简洁，书写（或打印）工整，论述中应附加必要的插图说明。 （4）课程设计报告的格式：首页为题目，依此为任务书，目录（目录应标明序号、标题和页次），正文、体会和建议、参考资料。

1.3课程设计完成情况 1、通过《工程材料与热加工基础》的学习，了解力学性能能实验设备与方法，学会硬度计的使用，学会金相显微镜的使用，学会分析平衡组织，学会常规热处理进行热处理实验，掌握加热、冷却方式对材料组织性能的影响等。 2、在以上实验的基础上，老师同意的情况下，进行一些综合型设计性试验。写出预备实验报告、题目、目的材料及设备等，并对结果进行分析，在老师的指导下进行试验。 3、三种零件（轴类、底座及容器类）确定后，要查阅资料，了解其工作环境、受力情况、结构特点等制定2-3个选材方案，并进行比较分析，安排合理工艺路线及热处理工艺等。并分析其组织与性能特点。 对三种零件制定2-3个毛坯生产方案，确定最佳并画出生产工艺图。 3

1.4考核与成绩评定 课程设计报告和平时成绩（80％+20％）两部分。

指导老师签字__________ 年 月 日 系部审查意见：

负责人签字_________ 年 月 日 4

第一部分、课程设计参考资料 一、机械零件的选材 选材是机械零件设计中不可缺少的工作，材料选择合理与否直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。机械零件选材的一般原则是： 1. 所选材料应具有满意的使用性能，除特殊要求某些物理性能、化学性能之外，一般主要要求的是力学性能，即材料抵抗外加载荷而不致失效的抗力---失效抗 力。 2. 材料应具有良好的或可行的加工性能。 3. 材料的价格或成本应尽可能低廉。 机械零件选材应满足使用性能要求 使用性能—指零件在工作时应具备的力学、物理和化学性能。 1、分析零件的工作条件，确定使用性能。 工作条件主要是指：零件的受力情况，包括受力形式，如载荷形式（拉、压、弯曲等），载荷性质（如静载、动载、交变载荷）及承受摩擦的状况；环境状况， 如工作温度、介质等；特殊要求如导热性、导磁性等。 2、进行失效分析，确定使用性能。 3、从零件使用性能要求提出对材料的性能的要求。 明确了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通过分析、计算量化成具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据大致应用范围选材。 常见的力学性能指标有HRC或HBS，σs , σb；非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质中的力学性能;对特殊性能要求的零件，如电性能、磁性能、热 性能等。 4、机械零件按使用要求选材的基本步骤 （1）分析零件的工作条件与环境，确定零件的技术要求。 5

（2）通过分析实验，结合同类零件失效分析结果提出失效抗力指标，并以此作为选材的基本依据。 （3）根据力学计算，确定零件的主要力学指标。 （4）决定热处理及其他表面强化方法。 （5）试验、投产。对关键零件批量生产前要进行试验、初步确定材料选择，热处理方法是否合理，热加工性能好坏。满意后可批量生产。 5、机械零件选材应注意的几个问题 （1）尺寸效应。尺寸效应是指钢材截面大小不同，即使热处理状态相同，其力学性能也有差别效应。随着材料截面尺寸增大，钢材的力学性能下降。尺寸效应不仅与冶金质量有关，而且还与淬透性有关。 （2）力学性能与加工状态、处理条件有关。不同的加工状态（如铸造、锻造、不同热处理，有否压力加工）其力学性能差别。 （3）材料的力学性能对同一牌号的材料来说，由于其成分是在一定范围内变化，因此其力学性能也是有一定的波动范围。 机械零件选材应满足加工工艺性要求 材料的工艺性是指材料适应某种加工工艺的能力。所选材料一般应先制成与成品形状相近似的各种毛坯（例如铸件、锻件、焊接件），再经切削加工和热处理，最终形成零件，因此，材料应满足这些不同工艺的要求。材料的工艺性通常指以下几个方面： 1.铸造性能：包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等。由于接近共晶成分的合金铸造性能良好，因此铸造合金的成分一般选在共晶成分附近。 2. 压力加工性能：包括冷压力加工（冷冲压、冷轧、冷挤压）和热压力加工（如锻造、热轧、热挤压等）时材料的塑性和变形抗力有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、 6

冷却要求。变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而高碳钢就差。 3. 焊接性能：焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向，低碳钢的焊接性能好，高碳钢及铸铁的焊接性能差。。 4. 切削加工性能：指材料的切削加工性、磨削加工性等，一般用切削抗力、零件的表面粗糙度值的大小、刀具磨损和切削排除的难易程度来衡量其好坏。 5.热处理工艺性：包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向等 机械零件选材应兼顾经济性 1. 材料价格：一般材料成本约占零件成本的30～70%。 2. 材料的加工费用：一般加工费约占零件成本的30%左右， 生产批量越小，所占比例越高。 二、机械零件毛坯的选择 毛坯的选择是机械设计与制造中的一项重要任务。毛坯与零件的制造除直接用型材加工外,主要由铸造、锻压及焊接三种制造工艺方法制成。 1． 影响毛坯选择的因素 毛坯选用液态成形的铸件或塑性变形的锻件、薄板冲压件或焊接连接的冲压—焊结构、轧制—焊结构、铸--焊的焊件。应取决于以下六个方面： （1）零件选用的材质，基本决定了毛坯的种类。零件的材质是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济性能的综合考虑选定的。 （2）零件的结构形状，决定了毛坯的制造方法。例如薄壁复杂件只能用铸造（最好为压力铸造），大截面简单件不宜用铸造，适用于自由锻。特大的薄壁结构宜用焊接结构。 （3）零件的生产类型，对毛坯的选择也起决定作用。 （4）零件不加工表面的精度与粗糙度不仅决定于毛坯类型，而且可进一步选用精密铸造 7

或精密锻造等少余量或无余量的精密零件或毛坯。 （5）工厂现有设备、技术力量及生产能力，可改变原定的毛坯选定方案。例如大型件原可采用整体铸件，但受设备、厂房限制只能采用以小拼大的铸-焊结构；复杂程度高的铸件由于技术力量与生产能力的影响，只能化难为易采用铸—焊结构。有些情况甚至将铸件改为锻件。 （6）当毛坯几种制造方法均可制造时，应选用最佳经济方案。 2.检验毛坯选择是否合理的标准 （1）使用性：满足零件使用要求。 （2）工艺性：加工方便，易获优质产品。 （3）经济性：成本最低，消耗最少。 （2）选接近零件形状的模锻件 铸造毛坯 （1）必须能制出与零件形状相近的，并保证尺寸正确、轮廓清晰。 （2）必须具备熔炼设备，能熔炼出质量与温度合适的金属。 （3）熔炼金属应平稳地进入型腔，不与铸型发生反应；气体、夹渣易于排除，铸型充满不产生冷隔及浇铸不足现象。 （4）设计的铸件在冷却凝固时，不产生铸造应力、裂纹及变形。缩孔可以切除获完整的毛坯。 （5）必须方便地从铸型中取出铸件。 （6）必须能清除铸件内外型砂及芯砂、浇冒系统及附在铸件上的一切多余部分 锻造毛坯 凡受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件，不适宜采用铸造毛坯，因为铸造毛坯缺陷 8

较多，质量也不易控制。多采用锻件。航空锻造零件根据工作重要性分以下四类： （1） 特别重要的高载荷零件。如涡轮轴、桨轴等，对锻造质量要求极为严格。 （2） 较为重要的中载零件。涡轮盘、叶片等，需做低倍、高倍显微组织观察，做硬度检查。 （3） 低载零件,抽样机械性能与金相。 （4）普通零件,仅检查硬度。 焊接毛坯 焊接结构重量轻，节约金属；可以简化大型火形状复杂的结构的制造工艺；焊接头力学性能高；易于操作。 但应该做到： 选择合理的材料； 确定焊缝位置； 设计接头型式； 选择焊接方法和焊接材料；。