1、課程：機械制造基礎課程：機械制造基礎教教 師：李師：李 艷艷 學學 時：時：48學時學時 時時 間：間：2014/2015學年學年一、課程內容結構一、課程內容結構 內容：研究加工金屬機件工藝方法的綜合性技術基內容：研究加工金屬機件工藝方法的綜合性技術基礎課。主要介紹礎課。主要介紹 把金屬材料制成機器零件的加工方法把金屬材料制成機器零件的加工方法 各種加工方法的工藝特點及應用各種加工方法的工藝特點及應用 常用金屬材料對工藝的影響、常用金屬材料對工藝的影響、 金屬機件的加工過程和結構工藝性金屬機件的加工過程和結構工藝性 各種加工工藝方法的綜合比較等。各種加工工藝方法的綜合比較等。二、理論教學內容二

2、、理論教學內容 第一篇：機械工程材料基礎（第一篇：機械工程材料基礎（24學時）學時） 第二篇：第二篇：（熱（熱加工）鑄、壓力加工、焊；（加工）鑄、壓力加工、焊；（24學時）學時） 第三篇：（第三篇：（冷冷加工）切削加工加工）切削加工三三.參考文獻參考文獻 金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理 史美堂史美堂 上?？茖W技術出版社 砂型鑄造及工裝設計砂型鑄造及工裝設計 鑄造及工裝設計編寫組鑄造及工裝設計編寫組 北京出版社 鍛造工藝學鍛造工藝學 張志文張志文 機械工業出版社 電弧焊及電渣焊電弧焊及電渣焊 姜煥中姜煥中 上海交通大學 機械工業出版社 金屬工藝學金屬工藝學上下冊上下冊 鄧文英鄧文英 高等教育出

3、版社高等教育出版社第一章第一章 晶體結構與結晶晶體結構與結晶 物質由物質由原子原子組成。組成。原子的結合方式和原子的結合方式和排列方式決定了物質的性能。排列方式決定了物質的性能。 原子、離子、分子間的結合力原子、離子、分子間的結合力 稱為稱為結合鍵結合鍵。它們的具體結合狀態稱為它們的具體結合狀態稱為結構結構。在金屬晶體中，金屬原子是以在金屬晶體中，金屬原子是以“金屬鍵金屬鍵”的方式結合。的方式結合。1 金屬的晶體結構金屬的晶體結構一、晶體結構中的幾個基本概念一、晶體結構中的幾個基本概念 在自然界中除了一些少數的在自然界中除了一些少數的物質（如普通玻璃、松香等）以物質（如普通玻璃、松香等）以外，

4、包括金屬在內的絕大多數固外，包括金屬在內的絕大多數固體都是晶體。體都是晶體。1晶體晶體 所謂晶體是指其原子（離子所謂晶體是指其原子（離子或分子）在空間呈規則排列的物或分子）在空間呈規則排列的物體。有固定的熔點體。有固定的熔點非晶體晶體圖1-1 晶體與非晶體示意圖晶體結構（晶體點陣）晶體結構（晶體點陣） 如果把理想晶體中原子抽象成不動的原子，得到一個在三維如果把理想晶體中原子抽象成不動的原子，得到一個在三維空間中的規則陣列結構。原子抽象成幾何點叫陣點或節點?？臻g中的規則陣列結構。原子抽象成幾何點叫陣點或節點。晶格晶格 示意地將原子縮小看成一個小球示意地將原子縮小看成一個小球,并用假想線條將各原子

5、的并用假想線條將各原子的中心連接起來中心連接起來,形成的格架稱為晶格。形成的格架稱為晶格。晶胞晶胞 取晶格中取晶格中 一個能夠完整反映晶一個能夠完整反映晶 格特征的最小幾何單元為晶格特征的最小幾何單元為晶胞。構成晶格的最基本單元。胞。構成晶格的最基本單元。 由于晶體中原子排列的規律性，可以用晶胞來描述其排列特征。由于晶體中原子排列的規律性，可以用晶胞來描述其排列特征。晶格常數晶格常數 晶胞的棱邊長度晶胞的棱邊長度a、b、c和棱間和棱間夾角夾角、是衡量晶胞大小和形是衡量晶胞大小和形狀的六個參數，其中狀的六個參數，其中a、b、c稱為稱為晶格常數或點陣常數。其大小以晶格常數或點陣常數。其大小以A（埃

6、）為計量單位（埃）為計量單位 （1A=10-8cm） 若若a=b=c，=90這種晶胞這種晶胞就稱為簡單立方晶胞。具有簡單就稱為簡單立方晶胞。具有簡單立方晶胞的晶格叫做簡單立方晶立方晶胞的晶格叫做簡單立方晶格（非金屬晶體中）。格（非金屬晶體中）。XYZabc晶格常數晶格常數a，b，c 晶面：晶面：點陣中的結點（晶體中一系列原子）所構成的平面點陣中的結點（晶體中一系列原子）所構成的平面晶向：晶向：點陣中的結點所組成的直線（晶體中任意兩個原子點陣中的結點所組成的直線（晶體中任意兩個原子 之間的連線）之間的連線）XYZabcXYZabc二、常見金屬的晶體結構類型二、常見金屬的晶體結構類型（一）體心立方

7、晶格（一）體心立方晶格晶格常數晶格常數a=b=c，通常只用，通常只用a表示。表示。這種晶胞在其立方體的對角線這種晶胞在其立方體的對角線 方向上原子是緊密接觸排列著的。故其對方向上原子是緊密接觸排列著的。故其對角線長度角線長度 a這樣可計算出其這樣可計算出其原子半徑原子半徑 ： 配位數配位數：晶格中任一原子周圍所緊鄰的等距離的原子數。在這種晶胞中，：晶格中任一原子周圍所緊鄰的等距離的原子數。在這種晶胞中，因每個頂點上的原子是同時屬于周圍八個晶胞所共有，所以配位數是因每個頂點上的原子是同時屬于周圍八個晶胞所共有，所以配位數是8。原子數原子數：每個體心立方晶胞中僅含有：每個體心立方晶胞中僅含有： 個

8、原子。個原子。 致密度致密度： 原子排列的緊密程度。一個原子的體積占晶胞的體積。原子排列的緊密程度。一個原子的體積占晶胞的體積。0.68屬于這種體心立方晶格的金屬有屬于這種體心立方晶格的金屬有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。等。321881ar43（二）面心立方晶格（二）面心立方晶格晶格常數晶格常數a=b=c，通常只用，通常只用a表示。表示。原子半徑原子半徑：在這種晶胞中，在每個面的對角線上各原子彼此相互接觸，：在這種晶胞中，在每個面的對角線上各原子彼此相互接觸，因而其原子半徑：因而其原子半徑： 原子數原子數：因每一面心位置上的原子是同時屬于兩個晶胞所共有，故面心：因每一面心位置

9、上的原子是同時屬于兩個晶胞所共有，故面心立方晶格的晶胞中包含有：立方晶格的晶胞中包含有： 個原子。個原子。配位數配位數:12。（書。（書P11，圖，圖1-16）致密度致密度：K=0.74屬于這種晶格的金屬有：屬于這種晶格的金屬有： Fe(912,-Fe)、 Al、Cu、Ni、Pb等。等。ar424621881（三）密排六方晶格（三）密排六方晶格密排六方晶格由密排六方晶格由12個原子構成的簡單六方晶體，且在上下個原子構成的簡單六方晶體，且在上下兩個六方面心還各有一個原子，而且簡單六方體中心還有兩個六方面心還各有一個原子，而且簡單六方體中心還有3個原子。個原子。晶格常數晶格常數abc，c/a=1.

10、633，典型金屬原子半徑，典型金屬原子半徑a/2密排六方晶格晶胞中所含密排六方晶格晶胞中所含原子數原子數： 個原個原子子致密度致密度K=0.74屬于這種晶格的金屬有屬于這種晶格的金屬有Be、Mg、 Zn等。等。 632211261密排六方晶格密排六方晶格三種晶體結構對比：三種晶體結構對比：三、金屬的實際結構和晶體缺陷三、金屬的實際結構和晶體缺陷（一）單晶體與多晶體（一）單晶體與多晶體單晶體：單晶體：內部晶格位向完全一致的晶體。內部晶格位向完全一致的晶體。在一塊很小的金屬中也含著許多的小晶體，每個小晶體的內部，晶格位在一塊很小的金屬中也含著許多的小晶體，每個小晶體的內部，晶格位向都是均勻一致的，

11、而各個小晶體之間，彼此的位向都不相同。這種小向都是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向都不相同。這種小晶體的外形呈顆粒狀，稱為晶體的外形呈顆粒狀，稱為“晶粒晶?！?。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界晶界”。多晶體：多晶體：實際上由多個晶粒組成的晶體結構稱為實際上由多個晶粒組成的晶體結構稱為“多晶體多晶體”。在晶界處，原子排列為了適應兩晶粒間在晶界處，原子排列為了適應兩晶粒間不同晶格位向的過度，總是不規則的。不同晶格位向的過度，總是不規則的。 對于單晶體，由于各個方向上原子對于單晶體，由于各個方向上原子排列不同，導致各個方向上的性能排列不同，導致各個方向上的性能不同，即不

12、同，即“各向異性各向異性”的特點；的特點； 而多晶體對每個小晶粒具有而多晶體對每個小晶粒具有“各向各向異性異性”的特點，而就多晶體的整體，的特點，而就多晶體的整體，由于各小晶粒的位向不同，表現的由于各小晶粒的位向不同，表現的是各小晶粒的平均性能，故具備是各小晶粒的平均性能，故具備“各向同性各向同性”的特點。的特點。單晶體 多晶體 各晶粒位向1.點缺陷點缺陷晶體中的晶體中的空位空位、間隙原子間隙原子、雜質雜質原子原子都是點缺陷。都是點缺陷。在空位和間隙原子附近，由于原子在空位和間隙原子附近，由于原子間作用力的平衡被破壞，使周圍原子間作用力的平衡被破壞，使周圍原子發生靠攏或撐開，因此，發生發生靠攏

13、或撐開，因此，發生晶格畸晶格畸變變，使金屬的，使金屬的強度提高強度提高，塑性下降塑性下降。 點缺陷示意圖（二）晶體缺陷（二）晶體缺陷按其幾何形式的特點，分為如下三類：按其幾何形式的特點，分為如下三類：2.線缺陷線缺陷晶體中的線缺陷通常是指各種晶體中的線缺陷通常是指各種 類型的類型的位錯位錯。位錯就是在晶體中某處有一列位錯就是在晶體中某處有一列或或 若干列原子發生了某種若干列原子發生了某種有規律有規律的錯排的錯排現象?，F象。刃型位錯刃型位錯（額外半原子面在上為正，（額外半原子面在上為正， 反之為負）反之為負） 螺型位錯（螺型位錯（位錯線附近原子按螺旋形位錯線附近原子按螺旋形排列）排列）線缺陷示意

14、圖位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。 電子顯微鏡下的位錯電子顯微鏡下的位錯（二）晶體缺陷（二）晶體缺陷3.面缺陷：面缺陷：主要指主要指晶界晶界與與亞晶界亞晶界。晶界晶界處實際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層。處實際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層。 寬度為寬度為5-10個原子間距，位向差為個原子間距，位向差為20-40亞晶界亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所組成的小角度晶界。組成晶粒的尺實際上是由一系列刃型位錯所組成

15、的小角度晶界。組成晶粒的尺寸小，位向差也很小寸小，位向差也很小2-10 晶體缺陷與性能的關系晶體缺陷與性能的關系 凡晶格缺陷處及附近，均有明顯的點陣凡晶格缺陷處及附近，均有明顯的點陣畸變畸變，引起晶格，引起晶格能量提高能量提高。晶格缺陷相對于完整的晶體來說是處于不穩定狀態，在外界條件（溫晶格缺陷相對于完整的晶體來說是處于不穩定狀態，在外界條件（溫度外力等）變化時會首先發生變化，從而引起度外力等）變化時會首先發生變化，從而引起金屬性能的變化金屬性能的變化。如晶。如晶界和亞晶界愈多，位錯密度愈大，金屬的強度便愈高。界和亞晶界愈多，位錯密度愈大，金屬的強度便愈高。晶體缺陷的存大影響金屬的晶體缺陷的存

16、大影響金屬的強度強度，一般情況下，強度隨晶體缺陷的增，一般情況下，強度隨晶體缺陷的增加而增加，可通過增加缺陷的辦法，加而增加，可通過增加缺陷的辦法，提高金屬的強度。提高金屬的強度。 點缺陷點缺陷 合金化合金化增加缺陷的辦法增加缺陷的辦法 線缺陷線缺陷 增加塑性變形（如加工硬化）增加塑性變形（如加工硬化） 面缺陷面缺陷 晶粒細化晶粒細化2 金屬的結晶金屬的結晶一一、純金屬的冷卻曲線和過冷現象、純金屬的冷卻曲線和過冷現象一切物質從液態到固態的轉變過程稱為凝固，如凝一切物質從液態到固態的轉變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體結構，則稱為固后形成晶體結構，則稱為結晶結晶。 純金屬的結晶是在固定溫度下進行的

17、，這個溫度純金屬的結晶是在固定溫度下進行的，這個溫度是熔點，也是結晶溫度，其測量用是熔點，也是結晶溫度，其測量用熱分析法熱分析法。1、 通過通過熱分析法熱分析法測定冷卻曲線測定冷卻曲線純金屬冷卻曲線純金屬冷卻曲線tTT0Tn理論結晶溫度理論結晶溫度開始結晶溫度開始結晶溫度 T T= T0 - Tn理論冷卻曲線理論冷卻曲線實際冷卻曲線實際冷卻曲線2、 冷卻曲線分析冷卻曲線分析 純金屬結晶時，在冷卻曲線上出現水平臺階的原因，純金屬結晶時，在冷卻曲線上出現水平臺階的原因，是由于金屬在結晶過程中，是由于金屬在結晶過程中，釋放的結晶潛熱補償了外釋放的結晶潛熱補償了外界散失的熱量界散失的熱量，使溫度并不隨

18、冷卻時間的增加而下降，使溫度并不隨冷卻時間的增加而下降，直到金屬結晶終了后，已沒有結晶潛熱補償散失的熱直到金屬結晶終了后，已沒有結晶潛熱補償散失的熱量，故溫度又重新下降。量，故溫度又重新下降。3、 過冷現象過冷現象 金屬的實際結晶溫度金屬的實際結晶溫度T Tn n低于理論結晶溫度低于理論結晶溫度T T0 0的現象。的現象。 過冷度過冷度T= TT= T0 0T Tn n，過冷是結晶的，過冷是結晶的必要條件必要條件。 同一金屬，結晶時冷卻速度越大，過冷度越大，金屬同一金屬，結晶時冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實際結晶溫度越低。的實際結晶溫度越低。二、純金屬的結晶過程二、純金屬的結晶過程 結晶的

19、過程是不斷結晶的過程是不斷形核形核和和長大長大的過程。的過程。金屬的結晶過程金屬的結晶過程1. 形核形核 當液體金屬冷到實際結晶溫度后，液體中存在著許多類似當液體金屬冷到實際結晶溫度后，液體中存在著許多類似于晶體的小集團，這些小集團中的一部分就成為穩定的結于晶體的小集團，這些小集團中的一部分就成為穩定的結晶核心，稱為晶核心，稱為晶核晶核。 形核有形核有自發形核自發形核和和非自發形核非自發形核兩種方式。兩種方式。 自發形核是在一定條件下，從液態金屬中直接產生，原子自發形核是在一定條件下，從液態金屬中直接產生，原子呈規則排列的結晶核心；呈規則排列的結晶核心； 非自發形核是液態金屬依附在一些未溶顆粒

20、表面所形成的非自發形核是液態金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發形核所需能量較少，它比自發形核容易得多。晶核，非自發形核所需能量較少，它比自發形核容易得多。形核和核長大方式2、 長大長大 晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液固固界面向液體中推移的過程。界面向液體中推移的過程。 長大方式：長大方式：樹枝狀生長樹枝狀生長（P18，圖1-28）三三. 影響晶核形成和長大的因素影響晶核形成和長大的因素過冷度和液體中的不熔雜質過冷度和液體中的不熔雜質 1）過冷度：）過冷度：T大，形核率大，形核率N和長大速度和長大速度G都大，且都大，且N的

21、增的增加比加比G增加得快，提高了增加得快，提高了N與與G的比值，晶粒變細。（單位的比值，晶粒變細。（單位時間內產生大量的晶核得到時間內產生大量的晶核得到的晶粒會越細）的晶粒會越細）成核速率、長大速度與過冷度的關系成核速率、長大速度與過冷度的關系 NG 2）變質處理變質處理：金屬結晶時，向液體金屬中加入微量某種：金屬結晶時，向液體金屬中加入微量某種難熔雜質，以求細化金屬晶粒的工藝方法。變質處理使難熔雜質，以求細化金屬晶粒的工藝方法。變質處理使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒的處理方法。晶粒的處理方法。3）振動結晶）振動結晶機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數增加，晶粒細化。振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數增加，晶粒細化。 細化晶粒的方法細化晶粒的方法: 1.提高冷卻速度（增加過冷度）提高冷卻速度（增加過冷度） 冷卻速度冷卻速度生核率生核率晶粒愈細小晶粒愈細小. 2.加入高熔質點加入高熔質點 3.附加振動附加振動四、晶粒大小對金屬力學性能的影響四、晶粒大小對金屬力學性能的影響 在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、在常溫下的細晶粒金