工程材料与材料成型基础 综合性训练指导 沙 洲 工 学 院 机 电 工 程 系 2005年10月 前 言 综合性训练是指一种全方位提高学生素质的教学环节。通过综合性训练能够把单纯的教学环节中获得的比较离散的、肤浅的知识加以整理和运用，从而培养学生的分析能力、总体认识能力和应变思维能力。 1．综合性训练构思 综合性训练的目的在于使理论知识系统化，使理论知识与实践知识一体化。系统化和一体化要围绕一个核心实现，“一心两化”是设计综合性训练的基本点。核心是教学大纲中明确规定的，系统是通过知识的内在联系构成的，综合性训练则是让学生根据这个框架去追求知识与知识、理论与实践的联系，去构筑“一心两化”的作品。 2．综合性训练内容的构成 综合性训练的内容由训练目的、训练提纲、综合联系图和小结四部分构成。其中，训练提纲是对每个综合性训练内容给出一套逻辑性很强的启发、诱导提纲，每个纲目可以是要求说明一个道理，也可以是要求完成一个对比分析的表格，也可以是要求回答一个问题。综合联系图是描述综合性训练中各部分内容之间构成的直接或间接的联系，每部分可以是简图，也可以是表格或简要的文字说明。 3．综合性训练说明 学生的综合性技能训练安排在课外进行，训练题目必须从规定的题目中选择两个，其中1-3中任选一题，4-6中任选一题。学生按训练提纲要求，进行分析总结，完成综合联系图，小结及训练体会，并及时上交训练报告。训练成绩考核主要根据运用知识的能力，创新思维的能力，适应社会的能力和包装设计的能力。 目 录 一、金属力学性能综合性技能训练 二、铁碳合金综合性技能训练 三、钢的热处理综合性技能训练 四、金属材料工艺性能综合性技能训练 五、零件结构工艺性能综合性技能训练 六、工件残余应力综合性技能训练 一、金属力学性能综合性技能训练 综合性训练目的 使学生加深对金属在外力作用下所显示性能的理解；初步掌握金属力学性能的主要判据；初步掌握布氏、洛氏硬度的测试方法；了解拉伸试验过程和冲击吸收功的测试方法。 2．综合性训练提纲 2．1金属静态力学性能行为及判据 金属在静态拉应力作用下可能表现出哪些行为？ 你认为金属的弹性对金属的成形加工会产生什么影响？ 为何工件在加工和使用中都要具有一定的刚度？加工系统的刚度对成形加工将产生什么影响？ 金属的塑性对金属的加工和金属制品的使用有什么意义？ 金属的强度对金属的加工和金属制品的使用有什么意义？ 在拉伸曲线上指出金属在静态拉应力作用下的弹性和刚度行为、塑性和强度行为、屈服和强化行为、缩颈和断裂行为，指出如何确定σp、σs、σ0.2、σb、δ、ψ。 屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，从使用可靠性考虑，屈强比小一些好还是大一些好？从强度利用率考虑，屈强比小一些好还是大一些好？一般来说，金属材料的屈强比小一些好还是大一些好？ 金属在静压应力作用下可能表现出哪些行为？有无弹性和刚度行为？塑性和强度行为？屈服和强化行为以及断裂行为？ 布氏硬度和洛氏硬度的测试原理有什么区别？ 在生产中为什么广泛采用硬度试验而不采用拉伸试验？ 为什么说硬度是一项使用性能指标，又是一项工艺性能指标？ 耐磨性是指机械零件工作表面抵抗磨损的能力。一般来说，耐磨性与硬度之间具有何种关系？ 2．2金属动态力学性能行为及判据 （13）机械零件受冲击力的破坏作用比静拉伸力大得多。金属在冲击力作用下表现出哪些行为？ （14）金属的韧性对金属的成形加工和金属制品的使用有什么影响？ （15）大能量少周次冲击韧性便于测定，小能量多周次冲击韧性更接近机械零件的工作情况。为何冲击韧性一般不用于强度计算,而只作为设计构件的参考指标? （16）研究冲击问题表明：小能量多周次冲击的脆断主要取决于材料的强度；大能量少周次冲击的脆断主要取决于材料的塑性。为了避免机械零件脆断，应如何选择材料？球墨铸铁的冲击功仅为12J，为什么常用于制造曲轴？ （17）碳素结构钢在高寒地区冬季常发生脆断现象的根本原因上什么？ （18）金属在交变应力作用下表现出的行为有哪些？ （19）金属的疲劳对金属的成形加工和金属制品的使用有什么影响？ （20）在交变应力作用下的机械零件选材时应如何确定其循环次数和疲劳强度？一般情况下，屈服点和疲劳极限哪个数值大？ 3.绘制综合联系图 以金属材料的力学行为为核心，表达内在质量与实验之间的联系；表达金属力学性能主要判据与选材之间的联系。金属力学性能联系图的参考格式如图1所示。  图1 金属力学性能联系图的参考格式 4.小结 （1）强度、塑性是通过拉伸试验确定金属力学性能；强度、塑性指标是金属材料重要的工艺性能指标和使用性能指标。 （2）硬度主要是通过压痕硬度试验确定的金属力学性能。硬度试验基本上是非破坏性试验，比拉伸试验更适应于生产。硬度指标也是金属材料重要的工艺性能指标和使用性能指标。 （3）冲击韧性和疲劳强度是在动态力作用下测试的，更接近于机械零件的实际工作状态。但影响因素复杂，测定值不够稳定。冲击功、韧脆转变温度、疲劳极限等也是金属材料重要的工艺性能指标和使用性能指标。 （4）金属力学性能的主要判据是选材的主要依据。 二、铁碳合金综合性技能训练 1．综合性训练目的 使学生加深对成分与性能、结构与性能、组织与性能等关系的理解；熟练地运用Fe-Fe3C相图分析铁碳合金的结构、组织及性能的变化规律；初步掌握选择碳钢的方法。 2．综合性训练提纲 2．1成分与性能 （1）通过高炉炼铁工艺把铁矿石转变炼钢生铁和铸造生铁。比较铁矿石与生铁的成分、性能及应用。 （2）通过炼钢工艺把炼钢生铁转变为钢。比较炼钢生铁与钢的成分、性能及应用。 （3）比较镇静钢和沸腾钢的成分、性能及应用。 （4）比较碳素结构钢、优质碳素结构钢、高级优质碳素结构钢中硫、磷等有害杂质的含量及其对钢的性能、应用的影响。 （5）比较碳素结构钢与碳素工具钢的成分、性能及应用。 2．2结构与性能 （6）从金属学观点，解释趁热打铁（钢）才能（实现）成功（成形）的道理。 （7）比较奥氏体、铁素体和渗碳体的结构、性能及应用。 （8）解释晶体缺陷与强化金属材料基本途径之间的关系。 2．3组织与性能 （9）为何细化晶粒可提高强度？ （10）铁碳合金的抗拉强度与钢的含碳量有何关系？为什么？ （11）为什么钢中硫含量较高时，会对钢的力学性能和形变加工性能产生不良影响？ （12）分析高碳钢的切削加工性能与其组织之间的关系。 2．4碳钢材料分析 分析常用碳素结构钢成分与性能的关系。 （14）分析常用优质碳素结构钢成分与性能的关系，较高含锰量的钢比正常含锰量的钢强度较高的原因何在？ （15）碳素工具钢成分、性能及用途的关系，指出退火状态下，钢中含碳量与硬度之间的关系。T13、T8钢的使用条件有何不同？ （16）指出ZG200-400和ZG340-640的使用条件有何不同？ 3．绘制综合联系图 以Fe-Fe3C相图为核心，表达合金状态随温度轴的变化规律，表达相组成、组织组成、力学性能等随成分轴的变化规律。铁碳合金综合联系图的参考格式如图2所示。  图2 铁碳合金综合联系图的参考格式 4．小结 （1）根据金属的成分、结构、组织等判断其性能是分析金属性能的基本方法。 （2）Fe-Fe3C相图是铁碳合金理论的核心。 （3）碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢是最常用的机械工程材料。 三、钢的热处理综合性技能训练 1．综合性训练目的 使学生加深对钢组织转变理论的理解；初步具有选择常规热处理工艺的能力；初步了解零件的结构工艺性概念。 2．综合性训练提纲 2．1钢的组织转变 （1）钢的加热和保温的质量与钢的使用状态成何关系？ （2）影响奥氏体晶粒度的本质因素和工艺因素有哪些？影响如何？ （3）实际生产中的冷却方式、冷却速度对过冷奥氏体转变产物的组织性能会产生什么影响？ （4）过冷奥氏体等温转变类型有哪些？其组织和性能如何？ （5）说明珠光体的形态与过冷度的关系、贝氏体的形态与碳原子扩散能力的关系、马氏体的形态与含碳量之间的关系 （6）亚共析钢、过共析钢的过冷奥氏体C曲线与共析钢的过冷奥氏体C曲线有何区别？为什么？ （7）过冷奥氏体连续转变曲线与等温转变曲线有何区别？为什么？ （8）为什么马氏体转变是不完全转变，并产生内应力，引起变形和开裂？ 2．2工艺与性能 （9）举例说明正火对改善钢的工艺性能和使用性能的意义。 （10）单是淬火能否改善钢的使用性能？ （11）举例说明退火可以改善钢的加工工艺性能的道理。 （12）感应加热表面淬火为何能使中碳钢工件表面获得高硬度和耐磨性？哪类零件常采用表面渗碳淬火工艺？以上零件的整体力学性能有何特点？如何保证？ （13）理想淬火方法为何既能保证马氏体转变，又能减少淬火应力、变形和开裂倾向？ （14）淬透性与淬硬性有无关系？ （15）提高淬透性有何意义？提高淬透性的主要措施有哪些？ 2．3常用碳钢的热处理工艺 （16）碳素结构钢为什么通常在供应状态下使用？供应状态指什么状态？ （17）碳素工具钢为什么通常在退伙状态供应？其使用性能如何保证？ （18）一般工程用铸造碳钢件在什么情况下采用退火、正火工艺？在什么情况下采用淬火、回火工艺？ 2．4零件结构的热处理工艺性 （19）零件结构应符合使用、工艺两方面的要求。工艺对结构的要求主要是指什么？ （20）举例说明忽视热处理工艺对零件结构的要求将造成的严重后果。 3．绘制综合联系图 以共析钢过冷奥氏体等温转变曲线为核心，表达碳钢的组织转变规律。热处理工艺特点及应用。钢的热处理综合联系参考图格式如图3所示。  图3 钢的热处理综合联系参考图格式 4．小结 （1）利用钢的组织转变规律可以使同一种材料获得不同的使用状态。 （2）钢的C曲线是钢热处理理论的核心。 （3）钢材基本上都是经热处理后投入使用的。 （4）零件结构设计必须考虑工艺的要求。 四、金属材料工艺性能综合性技能训练 1．综合性训练目的 使学生加深对金属材料与制造工艺之间联系的认识，初步学会根据使用性能和工艺性能两方面选材的方法。 2．综合性训练提纲 2.1金属材料工艺性能的概念 （1）举例说明金属材料的工艺性能对工艺过程的影响。 （2）在选用材料时应如何考虑金属材料工艺性能与使用性能之间的关系？评定金属材料的工艺性能与使用性能判据有什么区别和联系？ 2．2轧、拉性能 （3）铁矿石经高炉冶炼成铸造生铁和炼钢生铁。为什么这两种生铁不能进行轧制，拉丝加工（提示：轧制，拉丝工艺性极差？） （4）炼钢生铁经转炉或电炉冶炼成沸腾钢或镇静钢。为什么这两种钢能进行轧制，拉丝加工？通过对钢锭的轧制，拉丝加工获得哪种类型的原材料？ 2．3热处理性能 （5）钢的淬硬性和淬透性（或产生淬火变形与裂纹的倾向性）是钢淬火性能的主要指标。从这一点考，高碳钢和低碳钢的淬火性能有什么区别和联系？ （6）合金钢受合金元素的影响，其淬火性能较好的根本原因是什么？（提示：过冷奥氏体较稳定，临界冷却速度较小，C曲线位置靠右，淬透性较好。） 2．4铸造性能 （7）举例说明灰铸铁适用于铸造的原因。 （8）举例说明必须采取严格的铸造工艺措施才能获得满意的铸钢件的原因。 2．5锻造性能 （9）金属材料锻造性能的主要指标是塑性和变形抗力。举例说明钢适于锻造的原因。 （10）说明灰铸铁材料不适于锻造的原因。 2．6冲压性能 （11）金属材料冲压性能的主要指标是什么？ （12）为什么平板冲裁件要求材料的断后伸长率δ应为1～5%，而复杂拉深件要求材料的δ为33～45%？ （13）δ＜1%的金属材料是否适于冲压？ 2．7焊接性能 （14）举例说明Q345钢焊接性能好的原因。 （15）举例说明铸铁或铝合金或铜合金焊接性能不好的原因。 2．8切削加工性能 （16）金属材料切削加工性能的主要指标是指定刀具耐用度和相对切削加工性。金属材料的硬度为170-230HBS时为什么切削性能较好？ （17）举例说明热处理是调整金属材料切削加工性能的常用方法。 3．绘制综合联系图 以金属材料的工艺性能为核心，表达金属材料与成形工艺，改进工艺之间的联系，从而形成对金属工艺全过程的认识。金属材料的工艺性能综合联系图参考格式如图4所示。  图4 金属材料的工艺性能综合联系图参考格式 4．小结 （1）不同的金属材料对于同一种成形工艺或切削加工工艺的适应性可能大不相同。因此，不仅要按使用性能选材，还必须按工艺性能选材。 （2）选材与选工艺之间联系紧密。生产中常采用工艺措施改善材料的工艺性能。 （3）系统地分析金属材料的工艺性能，实际上是从一个侧面认识金属工艺全过程。 五、零件结构工艺性综合性技能训练 1．综合性训练目的 使学生加深对零件结构形状与制造工艺之间联系的认识，初步弄懂从使用性能和结构工艺性能两方面考虑设计零件结构的道理。 综合性训练提纲 2．1零件结构形状工艺性的概念 （1）零件结构形状工艺性，是指零件结构形状在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。举例说明当设计人员对工艺缺乏了解时，只注意零件使用方面的要求而忽视工艺方面的要求时，可能造成的严重后果。 （2）为什么说零件结构形状工艺性是评定零件结构优劣的重要指标？ 2．2零件结构的形状的热处理工艺性 （3）举例说明零件结构形状不合理对淬火变形甚至开裂的影响。 （4）举例说明零件结构形状的合理设计将减少产生淬火变形开裂的倾向。 2．3零件结构形状的铸造工艺性 （5）举例说明零件结构形状不合理将可能使铸造工艺复杂，甚至无法实现。 （6）举例说明零件结构形状的合理设计将明显简化铸造工艺，又同时降低成本。 2．4零件结构形状的锻造工艺性 （7）举例说明零件结构形状不合理将可能使锻造工艺复杂，甚至无法实现。 （8）举例说明零件结构形状的合理设计将明显简化锻造工艺，又同时降低成本。 2．5零件结构形状的冲压工艺性 （9）举例说明零件结构形状不合理将可能使冲压工艺复杂，甚至无法实现。 （10）举例说明零件结构形状的合理设计将明显简化冲压工艺，又同时降低成本。 2．6焊接结构形状的工艺性 （11）举例说明焊接结构形状不合理（主要指焊缝布置不合理）将可能使焊接工艺复杂，甚至无法实现；也可能使焊接结构可靠性变差，甚至潜在危险。 （12）举例说明焊接结构形状的合理（主要指焊缝布置合理）将简化焊接工艺并提高焊接结构的可靠性。 2．7零件结构形状的切削加工工艺性 （13）举例说明零件结构形状不合理将可能使车削或磨削等不便，甚至无法实现。 （14）举例说明零件结构形状的合理设计将明显简化切削加工工艺，又同时降低成本。 2．8零件结构形状的装配工艺性 （15）举例说明零件结构形状不合理将可能导致无法实现装拆。 （16）举例说明零件结构形状的合理设计将明显简化装配工艺。 绘制综合联系图 以零件结构形状工艺性为核心，表达零件结构形状与成形工艺、切削加工工艺之间的联系，从而形成对金属工艺全过程的认识。零件结构形状工艺性综合联系图参考格式如图5所示。  图5 零件结构形状工艺性综合联系图参考格式 小结 （1）设计零件结构形状不仅要考虑使用要求，还必须考虑工艺要求。 （2）零件结构形状工艺性是评定零件结构优劣的重要指标。 （3）系统地分析零件结构形状工艺性，实际上是从另一个侧面认识金属工艺全过程。 六、工件残余应力综合性技能训练 综合性训练目的 使学生加深对残余应力的产生原因及其导致不良影响的认识，了解残余应力与各种工艺方法之间的关系；初步掌握控制残余应力的措施和减少、消除残余应力的方法。 综合性训练提纲 2．1残余应力（内应力）的概念 （1）残余应力是指留在金属材料内部的应力，与材料承受的外力无关。具有残余应力的金属晶格结构有什么特点？ （2）机械零件在制造过程中由于加热不均匀，冷却不均匀，组织转变不均匀，塑性变形不均匀等都会产生残余应力。铸件、锻件、冲压件、焊接结构件、热处理件、切削加工件等的残余应力是如何产生的？ （3）残余应力的特点是在金属内部成对出现，互相平衡；稍有干扰，即平衡破坏。由此可见，残余应力对工件的加工精度和零件的使用将产生何种不良影响？ （4）消除内应力的有效方法是什么？ 2．2淬火内应力 （5）淬火内应力因热应力和组织应力形成。热应力和组织应力在淬火时能否避免？将产生何种影响？ （6）举例说明通常采用何种工艺措施避免过大的淬火内应力？通常采用何种工艺措施消除淬火内应力？ 2．3铸造内应力 （7）铸造内应力因铸造热应力和铸件收缩应力形成。热应力和收缩应力在铸造是能否避免？将产生何种影响？ （8）避免铸造热应力过大的主要工艺措施是什么？避免铸造收缩应力过大的主要工艺措施是什么？ 2．4锻压内应力 （9）锻压内应力，主要指工件在锻压过程中由于各部分（如心部和表层）变形程度不均匀而残留在工件内部的应力。锻压件的内应力能否避免？锻压件的内应力将产生何种后果？ （10）压力机上锻件与锤上锻件的内应力为什么不同？消除锻件内应力的根本措施是什么？ 2．5焊接内应力 （11）焊接内应力是指因焊接残留在焊件内部的应力。为什么说焊接内应力比铸造、锻压内应力大得多？焊接内应力将产生何种不良影响？ （12）预防焊接内应力的主要工艺措施是什么？消除焊接内应力的主要工艺措施是什么？ 2．6切削加工内应力 （13）切削加工内应力，是指刀具在切除切削层金属时由于第Ⅰ、第Ⅱ变形区的影响而残留在工件内的应力。切削加工内应力将产生何种不良的影响？ （14）消除切削加工内应力的主要工艺措施是什么？ 2．7装配内应力 （15）装配内应力是指相互结合的零件在实现结合之后由于过盈量或紧固件的弹性变形而产生的内应力。装配内应力对产品的使用是有益还是有害？ （16）装配生产中应如何控制装配内应力？ 3．绘制综合联系图 以残余应力为核心，表达残余应力与成形工艺、切削加工、装配之间的联系，从而形成对金属工艺全过程的认识。工件残余应力综合联系图参考格式如图6所示。  图6 工件残余应力综合联系图参考格式 4．小结 （1）机械零件在制造过程中由于不均匀转变或变化都会产生残余应力。内应力（除装配内应力外）通常会带来不良的影响，必须及时消除。 （2）装配内应力能保证零件之间形成牢固结合、传递一定转矩等，必须控制过盈量或紧固件的弹性变形量来或得必要的装配内应力。 （3）系统地分析工艺过程中产生的残余应力，实际上是从第三个侧面看金属工艺全过程。