工程材料与成形技术基础概念定义原理规律小结
一、 材料部分
材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。
材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。
拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的点应力σS ，称为材料的屈服点。
拉伸曲线上D 点的应力σb 称为材料的抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。 硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。
韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。 材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。
晶体的结构：在晶体中，原子(或分子) 按一定的几何规律作周期性地排列；晶体表现出各向异性；具有的凝固点或熔点。而在非晶体中，原子(或分子) 是无规则地堆积在一起。常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格的致密度比面心立方晶格结构的小。
晶体的缺陷：1) 点缺陷2) 线缺陷 3) 面缺陷
1）点缺陷 — 空位和间隙原子
在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。
2）线缺陷 — 位错
晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。
3）面缺陷——晶界和亚晶界
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
概念：1、凝固：物质由液态转变成固态的过程；2、结晶：物质由液态转变成固态晶体的过程；
3、理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度。（实际液态金属的结晶总是在有过冷度的条件下才进行的。）
金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。
晶粒大小与性能之间的关系：一般情况下，晶粒越小，其强度、塑性、韧度越好。
晶粒大小的控制方法：
1) 提高冷却速度，增加过冷度，增加形核的数量，从而细化晶粒；
2) 针对大体积的液态金属进行变质处理，加入人工晶核(非自发形核) ；
3) 采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，使枝晶破碎。
有些金属(铁、钛等) 在固态下，其晶体结构会随温度变化而变化。这种固态金属在一定的温度下，由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为金属的同素异晶转变。
纯铁的同素异晶转变反应式：
由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性
的物质称为合金；合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。
通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强
化，它是金属材料强化的重要途径之一。（马氏体型转变、合金化）
金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，
称为金属的结晶过程。金属从一种固态过渡为另一种固态的转变即相变，称为二次结晶或重结晶。
实验证明，在一般的情况下，晶粒长大对材料力学性能不利，使强度、塑性、韧性下降。晶粒越
细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此，晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。
相图：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为平衡相
图或状态图。
二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元
匀晶相图。
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系
的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶
1148C −−−→Ld (A E +Fe3C F ) 相图。共晶反应：L C ←−−−
在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程
称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图。
在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为
727C −−−→P (F P +Fe 3C K ) 共析转变，发生共析转变的相图称为共析相图。共析反应：A S ←−−−
铁碳相图：（要掌握）
铁素体-碳溶于α-Fe 中的间隙固溶体，以符号F 表示。体心立方晶格
奥氏体-碳溶于γ-Fe 中的间隙固溶体，以符号A 表示。面心立方晶格
渗碳体-是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，分子式为Fe 3C 。
珠光体—是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号P 表示。
莱氏体-是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号L d 表示。
一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于0．25％的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.3％~0.55％的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.6％~0.85％的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.7％~0.9％的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.0％~1.3％的钢制造。
钢在高温时为奥氏体组织，而奥氏体的强度低、塑性好，有利于塑性变形。因此，钢材的轧制或锻压，一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。
钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏体化。奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性和韧性越好。
随着合金中碳质量分数的增加，合金的熔点越来越低，所以铸钢的熔化温度与浇注温度都要比铸铁高得多。
共晶成分的铁碳合金，不仅其结晶温度最低，其结晶温度范围亦最小(为零) 。因此，共晶合金有良好的铸造性能。
热处理是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺。
C 曲线（等温转变曲线，也称为“TTT ”曲）表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。
1． 珠光体型转变——高温转变(A1~550℃) ：珠光体(P)、索氏体(S)和托氏体(T)。
2． 贝氏体型转变——中温转变(550℃~Ms) 下贝氏体强度和硬度高(50—60HRC) ，并且具有良
好的塑性和韧度。
3．马氏体型转变——低温转变(Ms~Mf ) 马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。产生很强的固溶强化效应，使马氏体具有很高的硬度。
在c 曲线的下面还有两条水平线，上面一条为马氏体转变开始的温度线(以Ms 表示)
，下面一条
为马氏体转变终了的温度线(以Mf 表示) 。
退火：将钢加热到一定温度并保温一定时间．然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。
正火：将钢加热到Ac3(对于亚共析钢) 或A Ccm (对于过共析钢) 点以上30-50℃，保温一定时间后，在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。
淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，最常用的淬火冷却介质是水和油。提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。
回火：将淬火钢重新加热到Ac 1以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理工艺。
过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(CCT曲线) Ps和Pf 分别为过冷奥氏体转变
为珠光体的开始线和终了线，两线之间为转变的过度区，KK' 线为转变的终止线，当冷却到达此线时，过冷奥氏体便终止向珠光体的转变，一直冷到Ms 点又开始发生马氏体转变。
v 1相当于炉冷(退火) ，转变产物为珠光体。v 2和v 3相当于以不同速度的空冷(正火) ，转变产物为索氏体和托氏体。v 4相当于油冷，转变产物为托氏体、马氏体和残余奥氏体。V 5相当于水冷，转变产物为马氏体和残留奥氏体。
调质处理：淬火后再进行高温回火处理。调质处理得到的是回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。
冷处理：把淬冷至室温的钢继续冷却到-70—80℃(或更低的温度) 保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。
时效：将淬火后的金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间，以提高金属强度（和硬度）的热处理工艺。
表面淬火：将工件表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好，而心部韧性好。
化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。
可控气氛热处理：向炉内通人一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳。
形变热处理：将形变与相变结合在一起的一种热处理新工艺。能获得形变强化与相变强化的综合作，是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和韧性的最有效的方法。
激光热处理：(1)激光加热表面淬火；(2)激光表面合金化。
气相沉积技术：利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。
钢的牌号：普通碳素结构钢如Q235—A 。
优质碳素结构钢：两位数字表示平均碳质量分数，单位为万分之一如钢号45。
碳素工具钢： “T ”后跟碳质量分数的千分之几如 “T8”。
铸钢 ZG270--500表示屈服强度为270MPa 、抗拉强度为500MPa 的铸钢。
合金结构钢 该类钢的钢号由“数字+合金元素+数字”三部分组成。前两位数字表示钢中
平均碳质量分数的万分之几；合金元素用化学元素符号表示，元素符号后面的数字表示该元素平均质量分数。当其平均质量分数
合金工具钢：编号前用一位数字表示平均碳质量分数的千分数，如9CrSi 钢，表示平均碳质
量分数为0.9％(当平均碳质量分数≥1%时，不标出其碳质量分数) ，合金元素Cr 、Si 的平均质量分数都小于1.5％的合金工具钢。高速钢（高合金工具钢）的钢号中一般不标出碳质量分数，仅标出合金元素的平均质量分数的百分数，如W6Mo5Cr4V2。
滚动轴承钢 高碳铬轴承钢属于专用钢，该类钢在钢号前冠以“G ”，其后为Cr+数字来表示，
数字表示铬质量分数的千分之几。例如GCrl5钢，表示的平均质量分数铬为1.5％的滚动轴承钢。
特殊性能钢 特殊性能钢的碳质量分数也以千分之几表示。如“9Crl8" 表示该钢平均碳质量
分数为0.9％；1Cr18Ni9Ti 表示该钢平均碳质量分数为0. １％左右，铬平均质量分数铬为1８％，镍平均质量分数铬为９％，钛平均质量分数铬为1％左右。但当钢的碳质量分数≤0.03％及≤0.08％时，钢号前应分别冠以00及0表示。如00Crl8Nil0，0Crl9Ni9等。
合金元素在钢中的作用：1．强化铁素体--溶于铁素体，产生固溶强化作用；2．形成合金碳化物；3．阻碍奥氏体晶粒长大；4、提高钢的淬透性；5．提高回火稳定性。
渗碳钢通常是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢，碳在0.10％~0.25％之间。
调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢，碳0.27％~0.50％之间。
铸铁是碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。铸铁具有优良的铸造性、切削加上性、减摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造业中最重要的材料之一。
铸铁力学性能标注部分为一组数据时表示其抗拉强度值；为两组数据时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示伸长率值，两组数字之间用“—”隔开。
有色金属及其合金又称非铁材料，是指除铁、铬、锰之外的其他所有金属材料。
纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝不能热处理强化，冷加工是提高纯铝强度的唯一手段。
铝合金的强化：固态铝无同素异构转变，因此不能象钢一样借助于热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化织织强化。
钛及其合金的主要特点是比强度高、耐腐蚀。。钛具有同素异构转变，在882．5℃以下为密排六方晶格的α—Ti 相，在该温度以上为体心立方晶格的β——Ti 相。合金元素可提高钛的强度，也影响到钛的同素异晶转变温度。钛合金的热处理方法有退火、淬火+时效和化学热处理等。
铜及其合金按其表面颜色，分为纯铜、黄铜、青铜和白铜，其中后三种为铜合金。
黄铜是以锌为主加元素的铜合金，只含锌黄铜称为普通黄铜。白铜是以镍为主加元素的铜合金；青铜是除锌和镍以外的其他元素作为主加元素的铜合金。
滑动轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金，应具备以下基本性能：
．
(3)有良好的磨合性和抗蚀性能。
轴承合金的组织特点应是在软基体上均匀分布着硬质点或硬基体上分布着软质点。
高分子材料是由相对分子质量104以上的（有机）化合物构成的材料。它是以聚合物为
基本组分的材料，所以又称聚合物材料或高聚物材料。
线型和支链型聚合物加热能变软、而冷却能变硬的可逆的物理特性，称为“热塑性”。
网状结构的聚合物不易溶于溶剂，加热时不熔融，具有良好的耐热性和强度，但其弹性差、塑性低、脆性大，只能在形成网状结构之前进行一次成型，不能重复使用。这种性质称为“热固性”。
高聚物的一些力学性能，如抗拉强度，抗冲击强度、弹性模量、硬度等，都随分子量的增加而增加。 结晶度越高，分子链排列越紧密，分子间的作用力就越强，硬度、强度和弹性模量增加，但伸长率相应地减小。
塑料制品是指以有机合成树脂为主要成分，添加多种起不同作用的添加剂，然后经过加热、加压而制成的产品。
工程塑料的成形 (主要有注塑、挤压、吹塑、压延、浇注等方法)
注塑成形 注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。
合成纤维是由合成高分子为原料通过拉丝工艺而制成的。
橡胶的突出特点是在很宽的温度(-40~150℃) 范围内具有高弹性，所以又称高弹体，它还有较好的抗撕裂、耐疲劳特性，在使用中经多次弯曲、拉伸、剪切和压缩不受损伤，并还具有不透水、不透气、耐酸碱和绝缘等性能。
胶粘剂(或粘合剂) 指能把同种的或不同种的固体材料连接在一起的媒介物质。是采用合成高分子化合物作为主剂，配合各种固化剂、增塑剂、稀释剂、填料以及其他助剂等配制而成。
涂料属于一种特殊的液态物质，它可以涂覆到物体的表面上，固化后形成一层连续致密的保护膜或特殊功能膜。涂料一般由不挥发成分和稀释剂两大部分组成，涂料经涂覆后，稀释剂逐渐挥发，留下不挥发成分固化成膜。
陶瓷材料可定义为：经高温处理工艺所合成的无机非金属材料。
生产工艺包括：原料制备—坯料成形—烧结三大步骤。陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性、耐高温、绝缘性能及其他一些特殊的功能
复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的材料，以宏观或微观的方式复合形成的新型材料，它一般由基体组元和增强体或功能组元所组成。在工程上，复合材料主要是为了克服金属、高聚物及陶瓷等传统的单一材料的某些不足，实现材料强度、韧性、质量以及稳定性等方面综合性能的全面改善和提高。如钢筋混凝土、玻璃钢。
结构复合材料是指用于结构零件的复合材料，一般是由高强度、高模量的增强体与强度低、韧性好、低模量的基体组成。
复合材料的性能：
1．高的比强度和比模量。2．抗疲劳性能和抗断裂性能良好。3．减摩与减振性能。4．高温性能优良。 二、成形技术部分
金属材料成型与工艺性--包括铸造、压力加工、焊接和机械加工等四种成形和加工方法。
铸造--是熔炼金属、制造铸型并将熔融金属流入铸型、凝固后获得一定形状和性能的铸件成形方法。 （将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。）
铸造的方法很多，目前应用最为普遍的是砂型铸造。其它铸造方法统称为特种铸造。常用的特种铸造方法有：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等。
铸造生产特点：适应性强, 成本低廉. 不足之处：铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷，因而铸件的机械性能一般不如锻件.
合金的收缩：体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。
线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。 防止铸件变形的方法：
1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。
铸件的裂纹与防止
1、热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。
热裂的防止：
① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。
② 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。
③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。
2、冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。
冷裂的防止： 1）使铸件壁厚尽可能均匀；
2）采用同时凝固的原则；
3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。
金属型铸造--将液态金属浇入金属型，获得铸件的生产方法。
获得熔模铸造--在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。
低压铸造--是在0.2~0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。 压力铸造--液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。 连铸--是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件连续不断地从结晶器的另一端拉出，以获得任意长或特定的长度的铸件。
冒口--是在铸型中设置的一个储存补缩用金属液的空腔。
浇注系统--引导金属液进入铸型型腔的一系列通道的总称。
型芯--功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。
芯头的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排气作用。
分型面—是指铸件组元间的结合面，即分开铸型便于起模的结合面。
分型面的选择
1. 分型面应选在铸件的最大截面处。
2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。
3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。
4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。
铸件结构设计
一、铸件壁厚的设计 1 合理设计铸件壁厚--在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚 在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。
2 ．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面
二、铸件壁的连接 1 ．铸件的结构圆角；2 ．避免锐角连接
3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡；4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍。
三、铸件外形的设计 1 ．避免外部侧凹、凸起；2 ．分型面应尽量为平直面； 3 ．凸台、筋条的设计应便于起模。
四、铸件内腔的设计
1 ．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。2 ．便于型芯的固定、排气和清理。
压力加工:是在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。
工业生产中所用不同截面的型材、板材、线材等原材料大多是经过轧制、挤压、拉拔等方法生产的；而各种机器零件的毛坯或成品，如轴、齿轮、连杆、汽车大梁、油箱等多数是采用自由锻、模锻和冲压方法生产出来的。
金属的可锻性--是金属材料在压力加工时成形的难易程度。用金属材料的塑性和变形抗力来衡量，塑性愈大，变形抗力愈小，金属材料的可塑性愈好。
1 . 可锻性的衡量指标 1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。
2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。
2 . 影响可锻性的因素
1）金属的本质--①化学成分：Me 越低，材料的可锻性越好。
②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。
2）变形条件
①变形温度：T 温越高，材料的可锻性越好。②变形速度：V 变越小，材料的可锻性越好。
③应力状态：三向压应力 — 塑性最好、变形抗力最大。
三向拉应力 — 塑性最差、变形抗力最大。
生产中常以改变变形条件(变形温度, 变形速度, 应力状态) 做为手段，来提高金属材料的可锻性，以利于金属坯料的压力加工成形。
力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。
金属材料的冷加工硬化现象就是在加工过程中，金属内部位错密度增大而引起的金属材料硬化。 金属在塑性变形过程中，钢的组织和性能都会发生变化。其中最重要的是加工硬化。加工硬化也称形变强化或冷作硬化。它是金属在塑性变形过程中，随着亚晶粒的增多和位错密度的增加，位错间的交互作用增强，位错滑移发生困难，使金属塑性变形的抗力增大，其强度和硬度显著升高，塑性和韧性下降。
金属的加工硬化现象是工业生产中用以提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一。
冷变形金属若要在消除残余内应力的同时仍保持冷变形强化状态的话，就可以采取回复处理，进行一次250~300'C的低温退火。
当冷变形金属加热温度高于回复阶段温度后，原子的扩散能力进一步增强，塑性变形时被破碎、拉长的晶粒全部被转变成均匀细小的等轴晶粒，位错密度降低，内应力完全消除，使冷变形造成的加工硬化消失，金属的性能又恢复到金属变形前的性能。这个过程称为“再结晶”或再结晶退火。再结晶不发生相变。
各种纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在如下关系：T 再=(0.35~0.40)T熔
金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工；金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工。 自由锻:将金属坯料放在上、下砥铁之间，施以冲击力和静压力，使其产生变形的加工方法.
模锻:将金属坯料放在具有一定形状的锻模模膛内，施以冲击力或静压力而使金属坯料产生变形的加工方法.
轧制:金属坯料在一对回转轧辊的孔隙(或孔型) 中，靠摩擦力的作用．连续进入轧辊而产生变形的加工方法。
挤压:将金属坯料放入挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出而变形的加工方法称为。 拉拔:将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。
板料冲压:利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法.
冲裁--使坯料沿封闭轮廓分离的工序。（落料-冲下的为工件，以凹模为设计基准。冲孔-冲下的为废料，以凸模为设计基准）。拉深--使坯料在凸模的作用下压入凹模，获得空心体零件的冲压工序。
压力加工方法的主要优点在于通过金属材料的塑性变形改善金属的内部组织。金属材料经过塑性变形后，能压合铸坯的内部缺陷(如微裂纹、缩松、气孔等) ，使其组织致密，通过再结晶可使晶粒细化，提高金属的机械性能，从而在保证机械零件强度和韧性的前提下，减少零件的截面尺寸和重量，节省金属材料和加工工时。
压力加工方法的不足之处，是压力加工只适用于加工塑性金属材料，对于脆性材料如铸铁、青铜等则无能为力；而且不适于加工形状太复杂的零件。
自由锻件结构工艺性
1. 避免斜面和锥度，2. 避免曲面相交，3. 避免加强筋和凸台，4. 采用组合工艺。
金属焊接是借助原子间的结合，使分离的两部分金属形成不可拆卸的连接的工艺方法。
焊接过程中必须采用加热、加压或同时加热又加压等手段．促进金属原子接触、扩散、结晶，以达到焊接的目的。 金属焊接按其过程特点可分为三大类。
1．熔焊：将工件需要焊接的部位加热至熔化状态，一般须填充金属并形成共同的熔池，待冷却凝固后，使分离工件连接成整体的焊接工艺称为熔焊。有电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等。
2. 压焊：在压力(或同时加热) 作用下，被焊的分离金属结合面处产生塑性变形(有的伴随有熔化结晶过程) 而使金属连接成整体的工艺称为压焊。有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等。
3．钎焊：熔点低于被焊金属的钎料熔化后，填充到被焊金属结合面的空隙之中，钎料凝固而将两部 分金属连接成整体的焊接工艺称为钎焊。有软钎焊、硬钎焊（钎料的熔点在450 ℃以上）。
焊接技术的优点：一是相同结构．采用焊接工艺与铆接相比，可以节省金属材料、节省制造工时，接头密封性好。以焊代铆，不钻孔，不用辅助材料，节省划线、钻孔等工序。二是对某些结构可以来用铸焊或锻焊联合结构，取代整铸或整锻结构，从而做到以小拼大，以简拼繁，它不仅节省金属材料，还简化了坯料准备工艺，从而降低了制造成本。三是便于制造双金属结构，如切削刀具的切削部分(刀片) 与夹固部分(刀柄与刀体) 可用不同材料制造后焊接成整体。也可用此法制造电气工程中使用的过渡接头(如铝和铜) 等。重量轻、加工装配简单。
焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。
焊接接头金属组织与性能
1. 焊接热循环
2. 焊接接头金属组织与性能的变化
1） 焊缝区 熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。
2） 焊接热影响区
焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。
① 熔合区：是焊缝和母材金属 的交界区。（0.1-1mm ） 加热温度：T 液~T固
强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。
② 过热区：在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm ）
加热温度：T 固~1100 ℃ 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。
③ 正火区：在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm ）
加热温度：1100 ℃~AC3 ； 力学性能优于母材。
④ 部分相变区：在热影响区内发生部分相变的区域。
加热温度：A C3~AC1；力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区。
3）减小和消除焊接热影响区的方法：
① 小电流、快速焊接；② 采用先进的焊接方法；③ 焊前预热、焊后热处理（正火）。
碳钢的焊接
1. 低碳钢的焊接 C
2. 中碳钢的焊接 C
焊接性由良好
。
问题：焊缝区易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹。
措施：焊前预热（150~250 ℃ ），焊后缓冷。 选用低氢型焊条。
焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。
3. 高碳钢的焊接 C>0.60%；CE >0.60%；焊接性差。
问题：焊缝区易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹。
措施：焊前预热（250~350 ℃ ），焊后缓冷。选用低氢型焊条。
焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。
避免选用高碳钢作为焊接结构件。
金属材料的焊接性
1. 金属材料的焊接性
指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。
焊接接头产生工艺缺陷的倾向。 ① 工艺焊接性：
尤其指出现各种裂纹的可能性。 焊接性
② 使用焊接性：焊接接头在使用中的可靠性。
包括力学性能及其它特殊性能。
2. 影响焊接性的因素
1）焊接方法；2）焊接材料；3）焊件化学成分；4） 工艺参数。
3. 焊接性的评定方法--碳当量估算法
C — 影响最显著— 基本元素
其它元素— 折合成碳的相当含量对焊接性的影响
C E = C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15
C E 0.6%—焊接性差。
三、材料与成形工艺选择部分
机械零件的失效形式
每种机械零件都具有一定的功能，比如承受载荷、传递力或能量等，如果丧失其所规定的功能即发生了失效。
主要有三类：
(1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，从而使机器设备无法正常工作或虽能正常工作但达不到预期的效果的现象。
(2)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。
（3表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。
材料表面处理主要分两类：表面强化和表面防护。
常用的工艺方法有：表面热处理、气相沉积、热喷涂、堆焊、氧化磷化处理、电镀化学镀、涂装等。 预处理-一般包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。
除油--目的是去除材料表面的油脂和污物，常用碱性除油工艺。
除锈--目的是去除金属材料表面的氧化物，从而显露出清净金属表面。常用方法有化学法（如酸洗）和机械法（如打磨、切削和喷砂）。
常用表面强化性处理方法
1、热喷涂—将喷涂材料加热熔化，以高速气流雾化成极细颗粒，并以一定速度喷射到事先准备好的工件表面上，形成涂层。
2、堆焊和喷焊 堆焊：将合金丝或焊条熔化堆结在工件表面形成冶金结合层的方法。
喷焊：是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，颗粒熔化生成涂层，使颗粒间和基体表面达到良好结合的方法。
3、电火花表面强化技术 是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和机械性能得到改善的工艺．
4、气相沉积 是利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。
常用表面防护性处理方法
钢铁的氧化处理:将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe3O 4) 的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色，所以又称其为“发蓝”。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的方法。
钢铁的磷化处理:是将零件浸入磷酸盐溶液中化学处理，在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化”。磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。
铝及铝合金零件在电解液中进行电化学氧化，其工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。
铝及铝合金的化学氧化是不用外来电流而仅把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作用。很快便生成Al 2O 3和Al(OH)3的薄膜.
铝及铝合金氧化膜的着色铝及铝合金经氧化处理后，得到新鲜的氧化膜层，它具有多孔性、吸附能力强，容易染上各种颜色，具有良好的装饰效果。
镀层装饰技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的表面装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。
按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层两类。按镀层装饰技术可分为电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等。镀层装饰的金属有Cu 、Ni 、Cr 、Fe 、Zn 、Sn 、Al 、Pb 、Au 、Ag 、Pt 及其合金。 电镀-是将金属工件浸入要镀金属盐溶液中并作为阴极，通以直流电，在直流电场作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积形成电镀层。
化学镀是一种在无外加电流的情况下, 利用还原剂在具有催化活性的表面进行氧化还原反应而沉积出镀层的方法。溶液中一般含有主盐，提供形成镀层的主要成分；还原剂，还原主盐中的离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH 值范围, 提高沉积速度, 改善镀层光洁致密性, 防止镀液中沉淀的析出, 增加其稳定性并延长使用寿命；稳定剂，抑制镀液自发分解；和缓冲剂。
涂料及其涂装工艺 涂料旧称油漆。准确的名称应为“有机涂料”，简称涂料。
所谓涂料就是涂敷在物体表面，经过物理变化、化学变化、能够形成具有一定附着力和机械强度的薄膜，起着装饰、保护及其他作用的液体或粉末状的有机高分子胶体混合物的总称。所形成的薄膜称为涂膜或漆膜。
涂料的性质即色彩、光泽、涂膜的硬度、附着性、耐蚀性、耐候性等。
涂料的作用: 对于工业产品来说，涂料具有保护作用、装饰作用、特殊作用三大功能。
1．保护作用:涂料在产品表面所形成的一层硬薄膜能够将物质与空气、水分、阳光、微生物以及其它腐蚀介质隔离开，既可防止产品表面化学性锈蚀或腐朽变质，起到一种屏蔽作用，又可避免产品表面直接受到机械外力的摩擦和冲击碰撞而损坏，起到一定的机械保护作用。
2．装饰作用:涂料的装饰作用主要是通过色彩、光泽、纹理三个方面实现的。
3．特殊作用:在一些特定的场合涂料具有其特殊的作用。如电器的绝缘往往借助于绝缘漆；为了防止海洋微生物的粘附，保护船底的光滑平整，使用船底防污漆；高温条件下的超温报警可用示温涂料；在战场上为了伪装武器设备，则用伪装涂料；其它诸如导电涂料、防红外线涂料、反雷达涂料等的功能，均属涂料的特殊作用。
材料与成形工艺的选择
一般可遵循四条基本原则：使用性能足够、工艺性能良好、经济性合理和环保性原则。
根据使用性能选材：根据工作条件、失效(丧失正常工作能力) 形式，提出对使用性能的要求，作为选材的主要依据, 保证产品内在质量。金属制品的失效形式有变形、断裂和表面损伤三种基本类型。
根据工艺性能选材：满足零件工艺性能的要求，提高加工成品率；
铸造性能：金属构件中，承载不大，受力简单而结构复杂，尤其有复杂内腔结构的，选择铸造成型。锻造性能：承载较大、受力复杂的构件进行锻造成型。
焊接性能 ：一般体积较大，要求气密性好，能承受一定的压力，如容器、输送管道、蒸汽锅炉等产品及工程结构，采用焊接成形。
切削加工: 材料的切削加工性能是指材料进行切削加工时的难易程度。评价材料的切削加工性能可以从切削后工件的表面粗糙度、切削速度、断屑能力及刀具磨损等方面加以考虑。金属的硬度对其切削加工性能有较大的影响。经验证明，当材料硬度处于170—230HBS 时切削加工性能最好。硬度低时切削速度低，断屑能力差；硬度高时，对刀具的磨损较严重。
热处理工艺性: 对大多数金属材料来说，热处理是保证材料达到最终使用性能要求的重要工艺手段。如果材料的热处理工艺性能不好，容易产生严重的变形与开裂，使所有的前期加工报废，造成极大的浪费与损失。热处理工艺性包括淬硬性、淬透性、变形开裂倾向、回火稳定性、回火脆性等，对于要求截面力学性能均匀的零件，通常考虑淬透性更多一些。一般含Mn 、Cr 、Ni 、B 等合金元素的合金钢淬透性比较好，可以用在一些尺寸较大的重要零件上。碳钢的淬透性较差，只适合制作尺寸较小，形状简单、强韧性要求不高的零件。热处理时的变形与开裂是一个比较复杂的问题。除了与热处理工艺有关外，也应从零件的结构设计方面加以考虑，比如零件上应避免尖角或截面突变，应采用封闭、对称式结构等。 选材的经济性原则：满足使用性能和工艺性能要求的条件下，符合造型要求，避稀贵就价廉、避远就近、尽量采用标准化、系列化材料, 降低成本，获得大的经济效益。
环保性原则 以无毒无害材料代替有毒有害材料；尽可能循环重复利用，废弃物综合利用；减少材料成形过程及废物对环境的污染。
合理选择毛坯
在机器制造业中常用的毛坯有铸件、锻件、焊接件、各种轧制型材件及粉末坯件。
在满足使用性能要求的前提下，选择零件毛坯的形式时主要考虑零件的外形尺寸特点、加工工艺性及生产批量等方面，使其易于加工效率高、材料与能源消耗少，总的加工成本低等。
一般形状复杂的零件，如箱体等，常用铸件毛坯；
外形相对简单的零件则制成锻件；单件或小批量生产时，采用自由锻件毛坯可以缩短生产周期、节省模具费用；而大批量生产时，多采用模锻件或精密铸件毛坯以减少机械加工工时，提高生产效率。
焊接件常用于要求尺寸大、质量小、刚性大的零件。
材料与成形工艺选择的具体方法和依据
1、依据零件的结构特征选择
轴类--采用锻造成形，中碳钢（如45）或中碳合金钢（如40Cr ）。
盘类（齿轮）--中碳钢锻造或铸造，小齿轮可用圆钢或冲压或挤压。
箱体类—铸件。
支架类—小批量用焊接。
2、依据生产批量选择
单件小批量—铸造手工砂型；锻件自由锻或胎膜锻；焊接件手工或半自动；薄板用钣金、钳工。 大批量—分别采用机器造型、模锻、埋弧自动焊及板料冲压。各种批量的工艺方法见表13-4。 3、依据最大经济性选择-多方案比较。
4、依据力学性能要求选择
1）以综合力学性能为主的选材
一般轴类、连杆、重要螺栓和低速轻载齿轮承受循环载荷与冲击载荷，失效主要是过量变形和断裂，需要较高的强度和疲劳极限与良好的塑性和韧性。
一般零件选调质或正火的中碳钢；淬火并低温回火的低碳钢；正火或等温淬火状态的球墨铸铁。 重要零件选合金调质钢或经控制锻造的合金非调质钢或超高强钢。
2）以抗磨损性能为主的选材—磨损为主要失效形式
受力较小、不受大的冲击或振动，摩擦剧烈的零件-如钻套顶尖冷冲模切削刀具等，主要要求高硬度。一般选淬火低温回火的高碳钢或高碳合金钢；铸件可用耐磨铸铁。
同时受磨损与交变应力或冲击载荷的零件—要求较高的耐磨性及较高的强度塑性和韧性，即表硬里韧。优先满足心部强韧性，再用表面硬化方法满足耐磨性。如机床齿轮、凸轮轴，选用中碳钢或中碳合金钢，正火或调质后表面淬火或渗氮。有较高冲击的汽车变速齿轮可选低碳钢或低碳合金钢，渗碳淬火及低温回火。
3）以抗疲劳为主的选材—发动机轴、滚动轴承、弹簧
可选用:低碳钢或低碳合金钢淬火及低温回火; 中碳钢或中碳合金钢调质或淬火及中温回火，
超高强钢等温淬火及低温回火，提高抗疲劳性能。
可用表面淬火、渗碳、渗氮、喷丸、滚压等表面强化处理提高疲劳抗力。
4）以防过量变性为主的选材-如机床主轴导轨、镗杆、机座
防止过量弹性变形选用弹性模量高的材料。防止过量塑性变形选用屈服点高的材料。
1）铸造成形 球墨铸铁是铸造曲轴最常用的材料，在轿车发动机中应用很广泛。常用的铸造曲轴用的球墨铸铁有QT600-2、QT700-2、QT900-2等。一般汽车发动机曲轴选用的球墨铸铁强度应不低于600MPa ，制造农用柴油发动机曲轴的球墨铸铁强度则不应低于800MPa 。
典型轴类零件的选材
1） 铸造成形:一般在调质或正火后采用中频感应淬火对轴颈进行表面强化处理。
某些汽车、拖拉机发动机的曲轴轴颈也有采用氮碳共渗处理，以提高曲轴的疲劳强度和耐磨性。 铸造质量是影响铸造曲轴质量的关键因素，必须保证铸造毛坯球化良好并无铸造缺陷。正火的目的是通过增加组织中珠光体的含量并使其细化来提高其强度、硬度与耐磨性；高温回火的目的在于消除正火过程中造成的内应力。 铸造曲轴的工艺路线为：
铸造一正火（或调质）一矫直一切削加工一去应力退火一轴颈气体渗氮(或氮碳共渗) 一矫直一精加工一零件
2）锻造成形:如机床主轴是机床的重要零件之一，在进行切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够的刚度、强度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。
根据机床主轴所选用的材料和热处理方式，可以将其分为四种类型：局部淬火主轴、渗碳主轴、渗氮主轴和调质(正火) 主轴，对一般的中等载荷、中等转速，冲击载荷不大的主轴，选用45钢或40Cr 、40MnB 中碳合金钢等即可满足要求，对轴颈、锥孔等有摩擦的部位要进行表面硬化处理。当载荷较大，同时要承受较大的疲劳载荷与冲击载荷的主轴，则应采用20CrMnTi 合金渗碳钢或38CrMoAl 渗氮钢制造，并进行相应的渗碳或渗氮化学热处理。 一般选用45钢或40Cr 钢制造，锻造成形机床主轴加工工艺路线为：
下料一锻造一正火一粗加工一调质一半精加工一局部表面淬火+低温回火一磨削加工一零件
整体的调质处理
可使轴得到较高的综合力学性能与疲劳强度．硬度可达220—250HBS ，调质后组织为回火索氏体。
在轴颈和锥孔处进行表面淬火与低温回火处理后，硬度52HBC ，可以满足局部高硬度与高耐磨性的要求。
典型齿轮选材举例
对齿轮材料提出的性能要求如下：
1) 高的表面硬度和耐磨性；2) 足够高的齿心强度和韧性；3) 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
此外，还要求材料有较好的加工工艺性能，如切削加工性好、淬透性好、热处理变形小等。
例如：机床齿轮的工作条件较好、载荷不大、转速中等、工作平稳、少有强烈的冲击。除了要有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性等要求外，还应能保证高的传动精度和小的工作噪声。一般情况下可以选用45钢或40Cr 、40MnB 中碳合金钢制造，后者的淬透性更好。
机床齿轮的工艺路线一般为：
下料一锻造一正火一粗加工一调质或正火一精加工一齿部高频表面淬火+低温回火一精磨 请回答上述工艺路线中①、②、③的热处理工艺的目的及工艺 ? ①②③
锻造：细化晶粒、改善组织，提高力学性能；压合铸造缺陷；使纤维组织不被切断，并沿制件外形合理分布。 正火作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工。
的目的是为齿轮提供较高的综合力学性能，保证齿的心部具有足够的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷。同时还可以减少淬火后的变形。（对于性能要求不高的齿轮可以不进行调质处理。） 处理可以使齿面的硬度超过50HRC ，有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳抗力。特别是在高频表面淬火处理后，齿面存在残余压应力，有利于提高齿轮的疲劳抗力，防止表面发生麻点剥落。
箱体、支架类零件选材
各种机械的机身、底座、支架、主轴箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等，都可视为箱体、支架类零件。一般多用铸造：
受力大强度韧性高的用铸钢；正火或完全退火。
受力不大、不受冲击的用灰铸铁；去应力退火。
受力不大、要自重轻或导热好的选铸造铝合金；退火或淬火时效。
受力很小、要自重轻的可选工程塑料；
受力较大，但形状简单批量小，可选型钢焊接。
工程材料与成形技术基础概念定义原理规律小结
一、 材料部分
材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。
材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。
拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的点应力σS ，称为材料的屈服点。
拉伸曲线上D 点的应力σb 称为材料的抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。 硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。
韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。 材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。
晶体的结构：在晶体中，原子(或分子) 按一定的几何规律作周期性地排列；晶体表现出各向异性；具有的凝固点或熔点。而在非晶体中，原子(或分子) 是无规则地堆积在一起。常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格的致密度比面心立方晶格结构的小。
晶体的缺陷：1) 点缺陷2) 线缺陷 3) 面缺陷
1）点缺陷 — 空位和间隙原子
在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。
2）线缺陷 — 位错
晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。
3）面缺陷——晶界和亚晶界
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
概念：1、凝固：物质由液态转变成固态的过程；2、结晶：物质由液态转变成固态晶体的过程；
3、理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度。（实际液态金属的结晶总是在有过冷度的条件下才进行的。）
金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。
晶粒大小与性能之间的关系：一般情况下，晶粒越小，其强度、塑性、韧度越好。
晶粒大小的控制方法：
1) 提高冷却速度，增加过冷度，增加形核的数量，从而细化晶粒；
2) 针对大体积的液态金属进行变质处理，加入人工晶核(非自发形核) ；
3) 采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，使枝晶破碎。
有些金属(铁、钛等) 在固态下，其晶体结构会随温度变化而变化。这种固态金属在一定的温度下，由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为金属的同素异晶转变。
纯铁的同素异晶转变反应式：
由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性
的物质称为合金；合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。
通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强
化，它是金属材料强化的重要途径之一。（马氏体型转变、合金化）
金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，
称为金属的结晶过程。金属从一种固态过渡为另一种固态的转变即相变，称为二次结晶或重结晶。
实验证明，在一般的情况下，晶粒长大对材料力学性能不利，使强度、塑性、韧性下降。晶粒越
细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此，晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。
相图：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为平衡相
图或状态图。
二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元
匀晶相图。
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系
的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶
1148C −−−→Ld (A E +Fe3C F ) 相图。共晶反应：L C ←−−−
在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程
称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图。
在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为
727C −−−→P (F P +Fe 3C K ) 共析转变，发生共析转变的相图称为共析相图。共析反应：A S ←−−−
铁碳相图：（要掌握）
铁素体-碳溶于α-Fe 中的间隙固溶体，以符号F 表示。体心立方晶格
奥氏体-碳溶于γ-Fe 中的间隙固溶体，以符号A 表示。面心立方晶格
渗碳体-是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，分子式为Fe 3C 。
珠光体—是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号P 表示。
莱氏体-是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号L d 表示。
一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于0．25％的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.3％~0.55％的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.6％~0.85％的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.7％~0.9％的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.0％~1.3％的钢制造。
钢在高温时为奥氏体组织，而奥氏体的强度低、塑性好，有利于塑性变形。因此，钢材的轧制或锻压，一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。
钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏体化。奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性和韧性越好。
随着合金中碳质量分数的增加，合金的熔点越来越低，所以铸钢的熔化温度与浇注温度都要比铸铁高得多。
共晶成分的铁碳合金，不仅其结晶温度最低，其结晶温度范围亦最小(为零) 。因此，共晶合金有良好的铸造性能。
热处理是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺。
C 曲线（等温转变曲线，也称为“TTT ”曲）表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。
1． 珠光体型转变——高温转变(A1~550℃) ：珠光体(P)、索氏体(S)和托氏体(T)。
2． 贝氏体型转变——中温转变(550℃~Ms) 下贝氏体强度和硬度高(50—60HRC) ，并且具有良
好的塑性和韧度。
3．马氏体型转变——低温转变(Ms~Mf ) 马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。产生很强的固溶强化效应，使马氏体具有很高的硬度。
在c 曲线的下面还有两条水平线，上面一条为马氏体转变开始的温度线(以Ms 表示)
，下面一条
为马氏体转变终了的温度线(以Mf 表示) 。
退火：将钢加热到一定温度并保温一定时间．然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。
正火：将钢加热到Ac3(对于亚共析钢) 或A Ccm (对于过共析钢) 点以上30-50℃，保温一定时间后，在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。
淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，最常用的淬火冷却介质是水和油。提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。
回火：将淬火钢重新加热到Ac 1以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理工艺。
过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(CCT曲线) Ps和Pf 分别为过冷奥氏体转变
为珠光体的开始线和终了线，两线之间为转变的过度区，KK' 线为转变的终止线，当冷却到达此线时，过冷奥氏体便终止向珠光体的转变，一直冷到Ms 点又开始发生马氏体转变。
v 1相当于炉冷(退火) ，转变产物为珠光体。v 2和v 3相当于以不同速度的空冷(正火) ，转变产物为索氏体和托氏体。v 4相当于油冷，转变产物为托氏体、马氏体和残余奥氏体。V 5相当于水冷，转变产物为马氏体和残留奥氏体。
调质处理：淬火后再进行高温回火处理。调质处理得到的是回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。
冷处理：把淬冷至室温的钢继续冷却到-70—80℃(或更低的温度) 保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。
时效：将淬火后的金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间，以提高金属强度（和硬度）的热处理工艺。
表面淬火：将工件表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好，而心部韧性好。
化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。
可控气氛热处理：向炉内通人一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳。
形变热处理：将形变与相变结合在一起的一种热处理新工艺。能获得形变强化与相变强化的综合作，是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和韧性的最有效的方法。
激光热处理：(1)激光加热表面淬火；(2)激光表面合金化。
气相沉积技术：利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。
钢的牌号：普通碳素结构钢如Q235—A 。
优质碳素结构钢：两位数字表示平均碳质量分数，单位为万分之一如钢号45。
碳素工具钢： “T ”后跟碳质量分数的千分之几如 “T8”。
铸钢 ZG270--500表示屈服强度为270MPa 、抗拉强度为500MPa 的铸钢。
合金结构钢 该类钢的钢号由“数字+合金元素+数字”三部分组成。前两位数字表示钢中
平均碳质量分数的万分之几；合金元素用化学元素符号表示，元素符号后面的数字表示该元素平均质量分数。当其平均质量分数
合金工具钢：编号前用一位数字表示平均碳质量分数的千分数，如9CrSi 钢，表示平均碳质
量分数为0.9％(当平均碳质量分数≥1%时，不标出其碳质量分数) ，合金元素Cr 、Si 的平均质量分数都小于1.5％的合金工具钢。高速钢（高合金工具钢）的钢号中一般不标出碳质量分数，仅标出合金元素的平均质量分数的百分数，如W6Mo5Cr4V2。
滚动轴承钢 高碳铬轴承钢属于专用钢，该类钢在钢号前冠以“G ”，其后为Cr+数字来表示，
数字表示铬质量分数的千分之几。例如GCrl5钢，表示的平均质量分数铬为1.5％的滚动轴承钢。
特殊性能钢 特殊性能钢的碳质量分数也以千分之几表示。如“9Crl8" 表示该钢平均碳质量
分数为0.9％；1Cr18Ni9Ti 表示该钢平均碳质量分数为0. １％左右，铬平均质量分数铬为1８％，镍平均质量分数铬为９％，钛平均质量分数铬为1％左右。但当钢的碳质量分数≤0.03％及≤0.08％时，钢号前应分别冠以00及0表示。如00Crl8Nil0，0Crl9Ni9等。
合金元素在钢中的作用：1．强化铁素体--溶于铁素体，产生固溶强化作用；2．形成合金碳化物；3．阻碍奥氏体晶粒长大；4、提高钢的淬透性；5．提高回火稳定性。
渗碳钢通常是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢，碳在0.10％~0.25％之间。
调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢，碳0.27％~0.50％之间。
铸铁是碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。铸铁具有优良的铸造性、切削加上性、减摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造业中最重要的材料之一。
铸铁力学性能标注部分为一组数据时表示其抗拉强度值；为两组数据时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示伸长率值，两组数字之间用“—”隔开。
有色金属及其合金又称非铁材料，是指除铁、铬、锰之外的其他所有金属材料。
纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝不能热处理强化，冷加工是提高纯铝强度的唯一手段。
铝合金的强化：固态铝无同素异构转变，因此不能象钢一样借助于热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化织织强化。
钛及其合金的主要特点是比强度高、耐腐蚀。。钛具有同素异构转变，在882．5℃以下为密排六方晶格的α—Ti 相，在该温度以上为体心立方晶格的β——Ti 相。合金元素可提高钛的强度，也影响到钛的同素异晶转变温度。钛合金的热处理方法有退火、淬火+时效和化学热处理等。
铜及其合金按其表面颜色，分为纯铜、黄铜、青铜和白铜，其中后三种为铜合金。
黄铜是以锌为主加元素的铜合金，只含锌黄铜称为普通黄铜。白铜是以镍为主加元素的铜合金；青铜是除锌和镍以外的其他元素作为主加元素的铜合金。
滑动轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金，应具备以下基本性能：
．
(3)有良好的磨合性和抗蚀性能。
轴承合金的组织特点应是在软基体上均匀分布着硬质点或硬基体上分布着软质点。
高分子材料是由相对分子质量104以上的（有机）化合物构成的材料。它是以聚合物为
基本组分的材料，所以又称聚合物材料或高聚物材料。
线型和支链型聚合物加热能变软、而冷却能变硬的可逆的物理特性，称为“热塑性”。
网状结构的聚合物不易溶于溶剂，加热时不熔融，具有良好的耐热性和强度，但其弹性差、塑性低、脆性大，只能在形成网状结构之前进行一次成型，不能重复使用。这种性质称为“热固性”。
高聚物的一些力学性能，如抗拉强度，抗冲击强度、弹性模量、硬度等，都随分子量的增加而增加。 结晶度越高，分子链排列越紧密，分子间的作用力就越强，硬度、强度和弹性模量增加，但伸长率相应地减小。
塑料制品是指以有机合成树脂为主要成分，添加多种起不同作用的添加剂，然后经过加热、加压而制成的产品。
工程塑料的成形 (主要有注塑、挤压、吹塑、压延、浇注等方法)
注塑成形 注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。
合成纤维是由合成高分子为原料通过拉丝工艺而制成的。
橡胶的突出特点是在很宽的温度(-40~150℃) 范围内具有高弹性，所以又称高弹体，它还有较好的抗撕裂、耐疲劳特性，在使用中经多次弯曲、拉伸、剪切和压缩不受损伤，并还具有不透水、不透气、耐酸碱和绝缘等性能。
胶粘剂(或粘合剂) 指能把同种的或不同种的固体材料连接在一起的媒介物质。是采用合成高分子化合物作为主剂，配合各种固化剂、增塑剂、稀释剂、填料以及其他助剂等配制而成。
涂料属于一种特殊的液态物质，它可以涂覆到物体的表面上，固化后形成一层连续致密的保护膜或特殊功能膜。涂料一般由不挥发成分和稀释剂两大部分组成，涂料经涂覆后，稀释剂逐渐挥发，留下不挥发成分固化成膜。
陶瓷材料可定义为：经高温处理工艺所合成的无机非金属材料。
生产工艺包括：原料制备—坯料成形—烧结三大步骤。陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性、耐高温、绝缘性能及其他一些特殊的功能
复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的材料，以宏观或微观的方式复合形成的新型材料，它一般由基体组元和增强体或功能组元所组成。在工程上，复合材料主要是为了克服金属、高聚物及陶瓷等传统的单一材料的某些不足，实现材料强度、韧性、质量以及稳定性等方面综合性能的全面改善和提高。如钢筋混凝土、玻璃钢。
结构复合材料是指用于结构零件的复合材料，一般是由高强度、高模量的增强体与强度低、韧性好、低模量的基体组成。
复合材料的性能：
1．高的比强度和比模量。2．抗疲劳性能和抗断裂性能良好。3．减摩与减振性能。4．高温性能优良。 二、成形技术部分
金属材料成型与工艺性--包括铸造、压力加工、焊接和机械加工等四种成形和加工方法。
铸造--是熔炼金属、制造铸型并将熔融金属流入铸型、凝固后获得一定形状和性能的铸件成形方法。 （将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。）
铸造的方法很多，目前应用最为普遍的是砂型铸造。其它铸造方法统称为特种铸造。常用的特种铸造方法有：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等。
铸造生产特点：适应性强, 成本低廉. 不足之处：铸造组织的晶粒比较粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷，因而铸件的机械性能一般不如锻件.
合金的收缩：体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。
线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。 防止铸件变形的方法：
1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。
铸件的裂纹与防止
1、热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。
热裂的防止：
① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。
② 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。
③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。
2、冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。
冷裂的防止： 1）使铸件壁厚尽可能均匀；
2）采用同时凝固的原则；
3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。
金属型铸造--将液态金属浇入金属型，获得铸件的生产方法。
获得熔模铸造--在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。
低压铸造--是在0.2~0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。 压力铸造--液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。 连铸--是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件连续不断地从结晶器的另一端拉出，以获得任意长或特定的长度的铸件。
冒口--是在铸型中设置的一个储存补缩用金属液的空腔。
浇注系统--引导金属液进入铸型型腔的一系列通道的总称。
型芯--功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。
芯头的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排气作用。
分型面—是指铸件组元间的结合面，即分开铸型便于起模的结合面。
分型面的选择
1. 分型面应选在铸件的最大截面处。
2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。
3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。
4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。
铸件结构设计
一、铸件壁厚的设计 1 合理设计铸件壁厚--在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚 在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。
2 ．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面
二、铸件壁的连接 1 ．铸件的结构圆角；2 ．避免锐角连接
3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡；4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍。
三、铸件外形的设计 1 ．避免外部侧凹、凸起；2 ．分型面应尽量为平直面； 3 ．凸台、筋条的设计应便于起模。
四、铸件内腔的设计
1 ．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。2 ．便于型芯的固定、排气和清理。
压力加工:是在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。
工业生产中所用不同截面的型材、板材、线材等原材料大多是经过轧制、挤压、拉拔等方法生产的；而各种机器零件的毛坯或成品，如轴、齿轮、连杆、汽车大梁、油箱等多数是采用自由锻、模锻和冲压方法生产出来的。
金属的可锻性--是金属材料在压力加工时成形的难易程度。用金属材料的塑性和变形抗力来衡量，塑性愈大，变形抗力愈小，金属材料的可塑性愈好。
1 . 可锻性的衡量指标 1）塑性：材料的塑性越好，其可锻性越好。
2）变形抗力：材料的变形抗力越小，其可锻性越好。
2 . 影响可锻性的因素
1）金属的本质--①化学成分：Me 越低，材料的可锻性越好。
②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。
2）变形条件
①变形温度：T 温越高，材料的可锻性越好。②变形速度：V 变越小，材料的可锻性越好。
③应力状态：三向压应力 — 塑性最好、变形抗力最大。
三向拉应力 — 塑性最差、变形抗力最大。
生产中常以改变变形条件(变形温度, 变形速度, 应力状态) 做为手段，来提高金属材料的可锻性，以利于金属坯料的压力加工成形。
力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。
金属材料的冷加工硬化现象就是在加工过程中，金属内部位错密度增大而引起的金属材料硬化。 金属在塑性变形过程中，钢的组织和性能都会发生变化。其中最重要的是加工硬化。加工硬化也称形变强化或冷作硬化。它是金属在塑性变形过程中，随着亚晶粒的增多和位错密度的增加，位错间的交互作用增强，位错滑移发生困难，使金属塑性变形的抗力增大，其强度和硬度显著升高，塑性和韧性下降。
金属的加工硬化现象是工业生产中用以提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一。
冷变形金属若要在消除残余内应力的同时仍保持冷变形强化状态的话，就可以采取回复处理，进行一次250~300'C的低温退火。
当冷变形金属加热温度高于回复阶段温度后，原子的扩散能力进一步增强，塑性变形时被破碎、拉长的晶粒全部被转变成均匀细小的等轴晶粒，位错密度降低，内应力完全消除，使冷变形造成的加工硬化消失，金属的性能又恢复到金属变形前的性能。这个过程称为“再结晶”或再结晶退火。再结晶不发生相变。
各种纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在如下关系：T 再=(0.35~0.40)T熔
金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工；金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工。 自由锻:将金属坯料放在上、下砥铁之间，施以冲击力和静压力，使其产生变形的加工方法.
模锻:将金属坯料放在具有一定形状的锻模模膛内，施以冲击力或静压力而使金属坯料产生变形的加工方法.
轧制:金属坯料在一对回转轧辊的孔隙(或孔型) 中，靠摩擦力的作用．连续进入轧辊而产生变形的加工方法。
挤压:将金属坯料放入挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出而变形的加工方法称为。 拉拔:将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。
板料冲压:利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法.
冲裁--使坯料沿封闭轮廓分离的工序。（落料-冲下的为工件，以凹模为设计基准。冲孔-冲下的为废料，以凸模为设计基准）。拉深--使坯料在凸模的作用下压入凹模，获得空心体零件的冲压工序。
压力加工方法的主要优点在于通过金属材料的塑性变形改善金属的内部组织。金属材料经过塑性变形后，能压合铸坯的内部缺陷(如微裂纹、缩松、气孔等) ，使其组织致密，通过再结晶可使晶粒细化，提高金属的机械性能，从而在保证机械零件强度和韧性的前提下，减少零件的截面尺寸和重量，节省金属材料和加工工时。
压力加工方法的不足之处，是压力加工只适用于加工塑性金属材料，对于脆性材料如铸铁、青铜等则无能为力；而且不适于加工形状太复杂的零件。
自由锻件结构工艺性
1. 避免斜面和锥度，2. 避免曲面相交，3. 避免加强筋和凸台，4. 采用组合工艺。
金属焊接是借助原子间的结合，使分离的两部分金属形成不可拆卸的连接的工艺方法。
焊接过程中必须采用加热、加压或同时加热又加压等手段．促进金属原子接触、扩散、结晶，以达到焊接的目的。 金属焊接按其过程特点可分为三大类。
1．熔焊：将工件需要焊接的部位加热至熔化状态，一般须填充金属并形成共同的熔池，待冷却凝固后，使分离工件连接成整体的焊接工艺称为熔焊。有电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等。
2. 压焊：在压力(或同时加热) 作用下，被焊的分离金属结合面处产生塑性变形(有的伴随有熔化结晶过程) 而使金属连接成整体的工艺称为压焊。有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、爆炸焊、高频焊、扩散焊等。
3．钎焊：熔点低于被焊金属的钎料熔化后，填充到被焊金属结合面的空隙之中，钎料凝固而将两部 分金属连接成整体的焊接工艺称为钎焊。有软钎焊、硬钎焊（钎料的熔点在450 ℃以上）。
焊接技术的优点：一是相同结构．采用焊接工艺与铆接相比，可以节省金属材料、节省制造工时，接头密封性好。以焊代铆，不钻孔，不用辅助材料，节省划线、钻孔等工序。二是对某些结构可以来用铸焊或锻焊联合结构，取代整铸或整锻结构，从而做到以小拼大，以简拼繁，它不仅节省金属材料，还简化了坯料准备工艺，从而降低了制造成本。三是便于制造双金属结构，如切削刀具的切削部分(刀片) 与夹固部分(刀柄与刀体) 可用不同材料制造后焊接成整体。也可用此法制造电气工程中使用的过渡接头(如铝和铜) 等。重量轻、加工装配简单。
焊接应力变形大，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷。
焊接接头金属组织与性能
1. 焊接热循环
2. 焊接接头金属组织与性能的变化
1） 焊缝区 熔池金属冷却结晶所形成的铸态组织。
2） 焊接热影响区
焊缝两侧的母材，由于焊接热的作用，其组织和性能发生变化的区域。
① 熔合区：是焊缝和母材金属 的交界区。（0.1-1mm ） 加热温度：T 液~T固
强度、塑性、韧性极差，是裂纹和局部脆断的发源地。
② 过热区：在热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。（1-3mm ）
加热温度：T 固~1100 ℃ 塑性和韧性很低，是裂纹的发源地。
③ 正火区：在热影响区内相当于受到正火处理的区域。（1.2-4mm ）
加热温度：1100 ℃~AC3 ； 力学性能优于母材。
④ 部分相变区：在热影响区内发生部分相变的区域。
加热温度：A C3~AC1；力学性能较母材稍差。力学性能最差的区域：熔合区和过热区。
3）减小和消除焊接热影响区的方法：
① 小电流、快速焊接；② 采用先进的焊接方法；③ 焊前预热、焊后热处理（正火）。
碳钢的焊接
1. 低碳钢的焊接 C
2. 中碳钢的焊接 C
焊接性由良好
。
问题：焊缝区易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹。
措施：焊前预热（150~250 ℃ ），焊后缓冷。 选用低氢型焊条。
焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。
3. 高碳钢的焊接 C>0.60%；CE >0.60%；焊接性差。
问题：焊缝区易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹。
措施：焊前预热（250~350 ℃ ），焊后缓冷。选用低氢型焊条。
焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。
避免选用高碳钢作为焊接结构件。
金属材料的焊接性
1. 金属材料的焊接性
指被焊金属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。
焊接接头产生工艺缺陷的倾向。 ① 工艺焊接性：
尤其指出现各种裂纹的可能性。 焊接性
② 使用焊接性：焊接接头在使用中的可靠性。
包括力学性能及其它特殊性能。
2. 影响焊接性的因素
1）焊接方法；2）焊接材料；3）焊件化学成分；4） 工艺参数。
3. 焊接性的评定方法--碳当量估算法
C — 影响最显著— 基本元素
其它元素— 折合成碳的相当含量对焊接性的影响
C E = C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15
C E 0.6%—焊接性差。
三、材料与成形工艺选择部分
机械零件的失效形式
每种机械零件都具有一定的功能，比如承受载荷、传递力或能量等，如果丧失其所规定的功能即发生了失效。
主要有三类：
(1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，从而使机器设备无法正常工作或虽能正常工作但达不到预期的效果的现象。
(2)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。
（3表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。
材料表面处理主要分两类：表面强化和表面防护。
常用的工艺方法有：表面热处理、气相沉积、热喷涂、堆焊、氧化磷化处理、电镀化学镀、涂装等。 预处理-一般包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。
除油--目的是去除材料表面的油脂和污物，常用碱性除油工艺。
除锈--目的是去除金属材料表面的氧化物，从而显露出清净金属表面。常用方法有化学法（如酸洗）和机械法（如打磨、切削和喷砂）。
常用表面强化性处理方法
1、热喷涂—将喷涂材料加热熔化，以高速气流雾化成极细颗粒，并以一定速度喷射到事先准备好的工件表面上，形成涂层。
2、堆焊和喷焊 堆焊：将合金丝或焊条熔化堆结在工件表面形成冶金结合层的方法。
喷焊：是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，颗粒熔化生成涂层，使颗粒间和基体表面达到良好结合的方法。
3、电火花表面强化技术 是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和机械性能得到改善的工艺．
4、气相沉积 是利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。
常用表面防护性处理方法
钢铁的氧化处理:将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe3O 4) 的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色，所以又称其为“发蓝”。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的方法。
钢铁的磷化处理:是将零件浸入磷酸盐溶液中化学处理，在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化”。磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。
铝及铝合金零件在电解液中进行电化学氧化，其工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。
铝及铝合金的化学氧化是不用外来电流而仅把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作用。很快便生成Al 2O 3和Al(OH)3的薄膜.
铝及铝合金氧化膜的着色铝及铝合金经氧化处理后，得到新鲜的氧化膜层，它具有多孔性、吸附能力强，容易染上各种颜色，具有良好的装饰效果。
镀层装饰技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，这是一种较典型的表面装饰技术。金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，由于有优异的镀层，常常使制品的品位和档次得到提高。
按镀层的表面状态可分成镜面镀层和粗面镀层两类。按镀层装饰技术可分为电镀、化学镀、真空蒸发沉积镀、气相镀等。镀层装饰的金属有Cu 、Ni 、Cr 、Fe 、Zn 、Sn 、Al 、Pb 、Au 、Ag 、Pt 及其合金。 电镀-是将金属工件浸入要镀金属盐溶液中并作为阴极，通以直流电，在直流电场作用下，金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积形成电镀层。
化学镀是一种在无外加电流的情况下, 利用还原剂在具有催化活性的表面进行氧化还原反应而沉积出镀层的方法。溶液中一般含有主盐，提供形成镀层的主要成分；还原剂，还原主盐中的离子；络合剂，拓宽镀液工作的pH 值范围, 提高沉积速度, 改善镀层光洁致密性, 防止镀液中沉淀的析出, 增加其稳定性并延长使用寿命；稳定剂，抑制镀液自发分解；和缓冲剂。
涂料及其涂装工艺 涂料旧称油漆。准确的名称应为“有机涂料”，简称涂料。
所谓涂料就是涂敷在物体表面，经过物理变化、化学变化、能够形成具有一定附着力和机械强度的薄膜，起着装饰、保护及其他作用的液体或粉末状的有机高分子胶体混合物的总称。所形成的薄膜称为涂膜或漆膜。
涂料的性质即色彩、光泽、涂膜的硬度、附着性、耐蚀性、耐候性等。
涂料的作用: 对于工业产品来说，涂料具有保护作用、装饰作用、特殊作用三大功能。
1．保护作用:涂料在产品表面所形成的一层硬薄膜能够将物质与空气、水分、阳光、微生物以及其它腐蚀介质隔离开，既可防止产品表面化学性锈蚀或腐朽变质，起到一种屏蔽作用，又可避免产品表面直接受到机械外力的摩擦和冲击碰撞而损坏，起到一定的机械保护作用。
2．装饰作用:涂料的装饰作用主要是通过色彩、光泽、纹理三个方面实现的。
3．特殊作用:在一些特定的场合涂料具有其特殊的作用。如电器的绝缘往往借助于绝缘漆；为了防止海洋微生物的粘附，保护船底的光滑平整，使用船底防污漆；高温条件下的超温报警可用示温涂料；在战场上为了伪装武器设备，则用伪装涂料；其它诸如导电涂料、防红外线涂料、反雷达涂料等的功能，均属涂料的特殊作用。
材料与成形工艺的选择
一般可遵循四条基本原则：使用性能足够、工艺性能良好、经济性合理和环保性原则。
根据使用性能选材：根据工作条件、失效(丧失正常工作能力) 形式，提出对使用性能的要求，作为选材的主要依据, 保证产品内在质量。金属制品的失效形式有变形、断裂和表面损伤三种基本类型。
根据工艺性能选材：满足零件工艺性能的要求，提高加工成品率；
铸造性能：金属构件中，承载不大，受力简单而结构复杂，尤其有复杂内腔结构的，选择铸造成型。锻造性能：承载较大、受力复杂的构件进行锻造成型。
焊接性能 ：一般体积较大，要求气密性好，能承受一定的压力，如容器、输送管道、蒸汽锅炉等产品及工程结构，采用焊接成形。
切削加工: 材料的切削加工性能是指材料进行切削加工时的难易程度。评价材料的切削加工性能可以从切削后工件的表面粗糙度、切削速度、断屑能力及刀具磨损等方面加以考虑。金属的硬度对其切削加工性能有较大的影响。经验证明，当材料硬度处于170—230HBS 时切削加工性能最好。硬度低时切削速度低，断屑能力差；硬度高时，对刀具的磨损较严重。
热处理工艺性: 对大多数金属材料来说，热处理是保证材料达到最终使用性能要求的重要工艺手段。如果材料的热处理工艺性能不好，容易产生严重的变形与开裂，使所有的前期加工报废，造成极大的浪费与损失。热处理工艺性包括淬硬性、淬透性、变形开裂倾向、回火稳定性、回火脆性等，对于要求截面力学性能均匀的零件，通常考虑淬透性更多一些。一般含Mn 、Cr 、Ni 、B 等合金元素的合金钢淬透性比较好，可以用在一些尺寸较大的重要零件上。碳钢的淬透性较差，只适合制作尺寸较小，形状简单、强韧性要求不高的零件。热处理时的变形与开裂是一个比较复杂的问题。除了与热处理工艺有关外，也应从零件的结构设计方面加以考虑，比如零件上应避免尖角或截面突变，应采用封闭、对称式结构等。 选材的经济性原则：满足使用性能和工艺性能要求的条件下，符合造型要求，避稀贵就价廉、避远就近、尽量采用标准化、系列化材料, 降低成本，获得大的经济效益。
环保性原则 以无毒无害材料代替有毒有害材料；尽可能循环重复利用，废弃物综合利用；减少材料成形过程及废物对环境的污染。
合理选择毛坯
在机器制造业中常用的毛坯有铸件、锻件、焊接件、各种轧制型材件及粉末坯件。
在满足使用性能要求的前提下，选择零件毛坯的形式时主要考虑零件的外形尺寸特点、加工工艺性及生产批量等方面，使其易于加工效率高、材料与能源消耗少，总的加工成本低等。
一般形状复杂的零件，如箱体等，常用铸件毛坯；
外形相对简单的零件则制成锻件；单件或小批量生产时，采用自由锻件毛坯可以缩短生产周期、节省模具费用；而大批量生产时，多采用模锻件或精密铸件毛坯以减少机械加工工时，提高生产效率。
焊接件常用于要求尺寸大、质量小、刚性大的零件。
材料与成形工艺选择的具体方法和依据
1、依据零件的结构特征选择
轴类--采用锻造成形，中碳钢（如45）或中碳合金钢（如40Cr ）。
盘类（齿轮）--中碳钢锻造或铸造，小齿轮可用圆钢或冲压或挤压。
箱体类—铸件。
支架类—小批量用焊接。
2、依据生产批量选择
单件小批量—铸造手工砂型；锻件自由锻或胎膜锻；焊接件手工或半自动；薄板用钣金、钳工。 大批量—分别采用机器造型、模锻、埋弧自动焊及板料冲压。各种批量的工艺方法见表13-4。 3、依据最大经济性选择-多方案比较。
4、依据力学性能要求选择
1）以综合力学性能为主的选材
一般轴类、连杆、重要螺栓和低速轻载齿轮承受循环载荷与冲击载荷，失效主要是过量变形和断裂，需要较高的强度和疲劳极限与良好的塑性和韧性。
一般零件选调质或正火的中碳钢；淬火并低温回火的低碳钢；正火或等温淬火状态的球墨铸铁。 重要零件选合金调质钢或经控制锻造的合金非调质钢或超高强钢。
2）以抗磨损性能为主的选材—磨损为主要失效形式
受力较小、不受大的冲击或振动，摩擦剧烈的零件-如钻套顶尖冷冲模切削刀具等，主要要求高硬度。一般选淬火低温回火的高碳钢或高碳合金钢；铸件可用耐磨铸铁。
同时受磨损与交变应力或冲击载荷的零件—要求较高的耐磨性及较高的强度塑性和韧性，即表硬里韧。优先满足心部强韧性，再用表面硬化方法满足耐磨性。如机床齿轮、凸轮轴，选用中碳钢或中碳合金钢，正火或调质后表面淬火或渗氮。有较高冲击的汽车变速齿轮可选低碳钢或低碳合金钢，渗碳淬火及低温回火。
3）以抗疲劳为主的选材—发动机轴、滚动轴承、弹簧
可选用:低碳钢或低碳合金钢淬火及低温回火; 中碳钢或中碳合金钢调质或淬火及中温回火，
超高强钢等温淬火及低温回火，提高抗疲劳性能。
可用表面淬火、渗碳、渗氮、喷丸、滚压等表面强化处理提高疲劳抗力。
4）以防过量变性为主的选材-如机床主轴导轨、镗杆、机座
防止过量弹性变形选用弹性模量高的材料。防止过量塑性变形选用屈服点高的材料。
1）铸造成形 球墨铸铁是铸造曲轴最常用的材料，在轿车发动机中应用很广泛。常用的铸造曲轴用的球墨铸铁有QT600-2、QT700-2、QT900-2等。一般汽车发动机曲轴选用的球墨铸铁强度应不低于600MPa ，制造农用柴油发动机曲轴的球墨铸铁强度则不应低于800MPa 。
典型轴类零件的选材
1） 铸造成形:一般在调质或正火后采用中频感应淬火对轴颈进行表面强化处理。
某些汽车、拖拉机发动机的曲轴轴颈也有采用氮碳共渗处理，以提高曲轴的疲劳强度和耐磨性。 铸造质量是影响铸造曲轴质量的关键因素，必须保证铸造毛坯球化良好并无铸造缺陷。正火的目的是通过增加组织中珠光体的含量并使其细化来提高其强度、硬度与耐磨性；高温回火的目的在于消除正火过程中造成的内应力。 铸造曲轴的工艺路线为：
铸造一正火（或调质）一矫直一切削加工一去应力退火一轴颈气体渗氮(或氮碳共渗) 一矫直一精加工一零件
2）锻造成形:如机床主轴是机床的重要零件之一，在进行切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够的刚度、强度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。
根据机床主轴所选用的材料和热处理方式，可以将其分为四种类型：局部淬火主轴、渗碳主轴、渗氮主轴和调质(正火) 主轴，对一般的中等载荷、中等转速，冲击载荷不大的主轴，选用45钢或40Cr 、40MnB 中碳合金钢等即可满足要求，对轴颈、锥孔等有摩擦的部位要进行表面硬化处理。当载荷较大，同时要承受较大的疲劳载荷与冲击载荷的主轴，则应采用20CrMnTi 合金渗碳钢或38CrMoAl 渗氮钢制造，并进行相应的渗碳或渗氮化学热处理。 一般选用45钢或40Cr 钢制造，锻造成形机床主轴加工工艺路线为：
下料一锻造一正火一粗加工一调质一半精加工一局部表面淬火+低温回火一磨削加工一零件
整体的调质处理
可使轴得到较高的综合力学性能与疲劳强度．硬度可达220—250HBS ，调质后组织为回火索氏体。
在轴颈和锥孔处进行表面淬火与低温回火处理后，硬度52HBC ，可以满足局部高硬度与高耐磨性的要求。
典型齿轮选材举例
对齿轮材料提出的性能要求如下：
1) 高的表面硬度和耐磨性；2) 足够高的齿心强度和韧性；3) 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
此外，还要求材料有较好的加工工艺性能，如切削加工性好、淬透性好、热处理变形小等。
例如：机床齿轮的工作条件较好、载荷不大、转速中等、工作平稳、少有强烈的冲击。除了要有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性等要求外，还应能保证高的传动精度和小的工作噪声。一般情况下可以选用45钢或40Cr 、40MnB 中碳合金钢制造，后者的淬透性更好。
机床齿轮的工艺路线一般为：
下料一锻造一正火一粗加工一调质或正火一精加工一齿部高频表面淬火+低温回火一精磨 请回答上述工艺路线中①、②、③的热处理工艺的目的及工艺 ? ①②③
锻造：细化晶粒、改善组织，提高力学性能；压合铸造缺陷；使纤维组织不被切断，并沿制件外形合理分布。 正火作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工。
的目的是为齿轮提供较高的综合力学性能，保证齿的心部具有足够的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷。同时还可以减少淬火后的变形。（对于性能要求不高的齿轮可以不进行调质处理。） 处理可以使齿面的硬度超过50HRC ，有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳抗力。特别是在高频表面淬火处理后，齿面存在残余压应力，有利于提高齿轮的疲劳抗力，防止表面发生麻点剥落。
箱体、支架类零件选材
各种机械的机身、底座、支架、主轴箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等，都可视为箱体、支架类零件。一般多用铸造：
受力大强度韧性高的用铸钢；正火或完全退火。
受力不大、不受冲击的用灰铸铁；去应力退火。
受力不大、要自重轻或导热好的选铸造铝合金；退火或淬火时效。
受力很小、要自重轻的可选工程塑料；
受力较大，但形状简单批量小，可选型钢焊接。