工程材料与成型技术基础教案

第一章工程材料常见的工程材料按组成可以进行如下分类：1.金属材料金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能，是目前应用最广泛的材料。

2.高分子材料高分子材料的原料丰富，成本低，加工方便。

3.无机非金属材料无机非金属材料具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高的硬度和良好的耐压性。

4.复合材料复合材料既有组成材料的特性，又具有组成后的新特性，且它的力学性能和功能可以根据使用需要进行设计、制造。

5.功能材料功能材料是一种具有某种特殊物理性能、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，是材料高性能化、功能化和复合化的产物。

一、使用性能使用性能是指在服役条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的力学性能、物理性能、化学性能等。

对绝大多数工程材料来说，其力学性能是最重要的使用性能。

1.静载时材料的力学性能包括强度、塑性和硬度。

2.其它载荷作用下的力学性能包括冲击韧性、断裂韧性、疲劳强度、磨损。

二、工艺性能工艺性能是指材料的可加工性。

其中包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性等。

一、金属的晶体结构固体物质按其原子（或分子）的聚集状态分为晶体和非晶体两大类。

1.晶体是原子（或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列的固体，它具有固定的熔点、规则的几何外形和各向异性的特性。

2.非晶体是由原子（或分子）无规则地堆砌而形成的，它没有固定的熔点，且各向同性。

绝大多数金属都具有比较简单的晶体结构，其中最常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方结构晶格3种类型。

二、金属的实际晶体结构在实际金属中存在着晶体缺陷，这些缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷3种类型。

三、金属材料的结构特点1.金属材料主要由金属晶体组成，对纯金属而言，其结构主要指晶体结构的类型，以及这些晶体的显微组织形态和缺陷状态。

2.机械工业中使用的金属材料主要是合金。

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的、具有金属特性的物质。

常见的合金中存在的相可以归纳为两大类：固溶体和金属化合物。

一、陶瓷材料结构特点1.陶瓷材料的键合类型陶瓷材料的结合键主要为离子键和共价键，但它通常不是单一的键合类型，而是两种或两种以上的混合键。

2.陶瓷材料的组织陶瓷材料的组成结构很复杂，一般由晶体相、玻璃相和气相组成。

二、高分子材料结构特点1.大分子链的形态高聚物的结构形式按其大分子链的几何形状，可分为线型结构和体型结构两种。

2.大分子的聚集态结构按照大分子几何排列是否有序，固态高聚物的结构分无定型和结晶型两种，结晶型高聚物的分子排列规整有序，无定型高聚物的分子排列杂乱不规则。

3.高聚物的物理、力学状态温度不同，线型无定型高聚物可处于玻璃态、高弹态或黏流态。

4.高分子材料的老化老化现象的实质是高分子材料的主要组分——大分子链的结构通过交联或降解发生变化。

一、晶体的同素异构金属在固态下由于温度改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。

二、同分异构化学成分相同而分子结构中原子排列不同的现象称为同分异构。

铁碳合金相图是研究平衡状态下铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具。

一、铁碳合金的基本组织1.铁素体：强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。

2.奥氏体：硬度较低而塑性较高，易于塑性成形。

3.渗碳体：硬度很高而脆性极大，塑性和冲击韧性几乎等于零。

4.珠光体：是铁素体与渗碳体的机械混合物，具有良好的力学性能。

5.莱氏体：是奥氏体和渗碳体的机械混合物，力学性能与渗碳体相近。

二、铁碳合金相图的分析1.相图中用字母标出的点都具有一定的特性，称为特性点。

2.相图中的各条线表示合金内部组织发生转变的界线，称为组织转变线。

三、铁碳合金的组织和性能的变化规律1.相的变化规律随着碳的质量分数的增加，铁素体的质量分数呈直线关系减少，而渗碳体的质量分数由零直线增加。

2.组织形态的变化固溶体转变生成的单相铁素体为块状；共析体中的铁素体则主要呈交替片状。

3.力学性能的变化随着碳的质量分数的增加，合金的硬度呈直线增高；强度提高一段后迅速下降；塑性和韧性不断降低。

一、表面淬火通过快速加热，在零件表面很快达到淬火温度而内部还没有达到临界温度时迅速冷却，使零件表面获得马氏体组织而心部仍然保持塑性、韧性较好的原始组织的局部淬火方法。

表面淬火的加热方式有火焰加热、感应加热、电接触加热、电解液加热等多种。

二、化学热处理将工件放在一定的活性介质中加热保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而改变表层的化学成分、组织和性能的工艺方法称为化学热处理。

钢的化学热处理以渗碳、渗氮和碳氮共渗最为常用。

一、钢铁氧化、磷化与镀层钝化1.氧化处理把钢铁工件放在沸腾的含浓碱和氧化剂（亚硝酸钠或硝酸钠）溶液中加热，使其表面形成一层厚约0.5～1.5μm的致密的氧化膜，既可以防止金属腐蚀和机械磨损，又可作为装饰性加工。

2.磷化处理将钢铁零件浸入磷酸盐溶液中，其表面形成一层5～15μm厚的磷化膜。

磷化膜为多孔膜层，它能使基体表层的吸附性、抗蚀性、减摩性得到改善。

3.钝化处理钝化处理是指经阳极氧化或化学氧化等方法处理后的金属零件，由活泼状态转变为不活泼状态的过程。

二、电火花表面强化和喷丸表面强化技术1.电火花表面强化电火花表面强化是通过电火花放电的作用，把一种导电材料涂敷熔渗到另一种导电材料的表面，从而改变后者表面物理和化学性能的工艺方法。

2.喷丸表面强化喷丸表面强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面，使表面产生强烈的塑性变形，从而获得一定厚度的强化层表面。

3.离子注入材料改性技术离子注入是把工件（金属、合金、陶瓷等）放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面的一种工艺。

一、碳钢1.碳钢的分类(1)按碳的质量分数分类低碳钢：碳的质量分数小于0.25％；中碳钢：碳的质量分数为0.25％～0.60％；高碳钢：碳的质量分数大于0.60％。

(2)按用途分类碳素结构钢和碳素工具钢。

2.碳钢的牌号(1)碳素结构钢：由代表屈服强度的字母、屈服强度的数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。

(2)优质碳素结构钢：采用两位数字表示，表示该钢号的平均碳的质量分数的百分数。

(3)碳素工具钢：其牌号由字母T和数字组成。

T表示碳素工具钢，数字表示平均碳的质量分数的千分数。

二、合金钢1.合金元素的作用：①提高钢的力学性能；②改善钢的热处理工艺性能；③能使钢获得特殊的性能。

2.合金结构钢的分类：①合金调质钢；②表面硬化钢；③合金弹簧钢。

3.合金工具钢和特殊性能钢(1)合金工具钢：要求具有高的硬度和耐磨性以及足够的强度和韧性。

主要用于制造刃具、模具、量具等工具。

(2)特殊性能钢：是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊的物理和化学性能的钢。

一、铸铁的成分和性能铸铁的抗拉强度、塑性和韧性虽然比钢差，又不能进行锻造，但是它却具有良好的铸造性、耐磨性、减振性等一系列优良性能，而且生产简便，价格低廉，所以在机械制造中得到广泛应用。

二、铸铁的分类根据铸铁组织中石墨存在形态的差异，灰口铸铁又划分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。

1.白口铸铁：碳绝大部分以渗碳体的形式存在，断口呈银白色。

2.灰铸铁：碳大部分或全部以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。

3.可锻铸铁：用碳、硅的质量分数较低的铁液浇注成白口铸铁件，再经过长时间的高温退火，使渗碳体分解成团絮状的石墨而制成。

4.球墨铸铁：在浇注前向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂，使碳呈球状析出而制成。

5.蠕墨铸铁：一种新型高强度铸铁，石墨形状短、厚，端部圆滑呈蠕虫状。

一、铝及铝合金纯铝熔点为660℃，面心立方晶格，无同素异构转变，并具有良好的导电、导热性，塑性好，但强度不高。

不宜用来制作承力结构件，主要用来制造电线、电缆、强度要求不高的器皿、用具以及配制各种铝合金等。

铝合金按其加工方法可分为形变铝合金和铸造铝合金。

二、铜及铜合金纯铜熔点为1083℃，面心立方结构，无同素异构转变，无磁性，具有良好的导电、导热性能，有较高的塑性和耐腐蚀性，但强度、硬度低，不能通过热处理强化。

铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三类。

三、钛及钛合金纯钛熔点为1667℃，室温下为密排六方结构（晶格）。

钛有同素异构转变，低于882.5℃为密排六方结构，称为α-Ti，高于882.5℃为体心立方结构，称为β-Ti。

钛合金按其退火组织可分为α型、β型、α+β型。

一、工程塑料塑料是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，通常可在加热、加压条件下塑制成形，故称为塑料。

塑料按照热性能分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。

二、橡胶橡胶是优良的高弹性体材料，同时还具有良好的耐磨、隔音和绝缘等性能，是重要的工业原料之一。

三、胶黏剂胶黏剂是以富含黏性的物质为基料，再加入各种添加剂后组成的。

借助胶粘剂实现的连接称为胶接。

胶接的优点是劳动强度低、工艺操作简单、生产率高，缺点是胶接强度低。

一、陶瓷材料的性能及分类陶瓷材料通常具有强度高、硬度高、化学和热稳定性好，且耐高温、耐腐蚀等特点。

由于陶瓷的键合特点，陶瓷材料还具有绝电、绝热的性能。

工业陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。

二、常用特种陶瓷1.氧化物陶瓷常用的氧化物陶瓷包括：①氧化铝陶瓷；②氧化铍陶瓷；③氧化锆；④氧化镁/钙陶瓷；⑤氧化钍/铀陶瓷。

2.碳化物陶瓷最常见的碳化物陶瓷包括：①碳化硅陶瓷；②碳化硼陶瓷。

3.氮化物陶瓷最常见的氮化物陶瓷包括：①氮化硅陶瓷；②氮化硼陶瓷。

4.硼化物陶瓷一、复合材料的性能及分类按基体材料不同，复合材料可分为非金属基复合材料和金属基复合材料两种。

按其结构特点，复合材料又可分为纤维复合材料、层合复合材料、颗粒复合材料和骨架复合材料等。

复合材料和其他材料相比具有比强度和比模量高，抗疲劳性能和抗断裂性能好，减摩、耐磨、减振性能优良等特点。

二、常用复合材料1.颗粒增强复合材料应用较多的是：①碳化物基金属陶瓷；②氧化物基金属陶瓷。

2.纤维增强复合材料常见的有：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维增强复合材料；③其他纤维增强复合材料。

3.层合复合材料一、超导材料超导合金是超导材料中强度高、应力应变小、磁场强度低的超导体，广泛应用的有Nb-Zr 系和Ti-Nb系合金。

二、贮氢材料贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。

目前，贮氢材料主要有镁系贮氢合金、稀土系合金和钛系贮氢合金。

三、形状记忆合金具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金。

已发现的形状记忆合金可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。

四、非晶态合金以极高速度使熔融的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。

它具有超耐蚀性、高磁导率、恒弹性、高强韧性、低热膨胀系数和磁致伸缩等许多优异性能。