工程材料与成型技术基础

《工程材料与成型技术基础》是材料科学与工程、机械设计制造及其自动化等工科专业的核心课程，旨在培养学生掌握工程材料的性能特点、选用原则及成型工艺方法。课程内容涵盖金属材料（如工业用钢、铸铁、非铁金属）、高分子材料、陶瓷材料及复合材料的组织结构、性能调控与应用，同时系统介绍铸造、压力加工、焊接、塑料成型等典型成型技术的原理、工艺设计及缺陷控制。通过学习，学生能够根据工程需求合理选材，并理解材料从制备到成型的全流程技术逻辑，为机械零件设计、制造工艺优化及新材料研发奠定理论基础。课程注重理论与实践结合，强调材料性能-加工工艺-产品性能的关联性，是连接材料科学与机械制造的重要桥梁。

工程材料与成型技术基础

• 第一篇 工程材料基础理论
  • 第一章 工程材料的分类与性能（3节）
    • 材料的分类
      • 按成分分类：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料
      • 按用途分类：结构材料、功能材料、特种材料（如耐磨、耐腐蚀）
      • 按性能分类：高强度材料、耐高温材料、导电/绝缘材料 重点：掌握分类逻辑，理解材料性质与用途的关联。
    • 材料的性能指标
      • 力学性能：强度、塑性、硬度、韧性
      • 物理性能：密度、熔点、导热性、导电性
      • 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、高温稳定性 重点：力学性能是工程设计的核心依据。
    • 材料性能的测试方法
      • 力学测试：拉伸试验、硬度试验（布氏、洛氏）、冲击试验
      • 物理性能测试：金相分析、密度测量、热膨胀系数测定
      • 化学性能测试：腐蚀试验、氧化实验 重点：测试方法需与性能指标对应，确保数据可靠性。
  • 第二章 金属与合金的晶体结构和二元合金相图
    • 金属的晶体结构
      • 常见晶格类型：体心立方（Fe-α）、面心立方（Cu）、密排六方（Mg）
      • 晶体缺陷：点缺陷（空位）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界）
      • 实际金属结构：多晶体特性、各向异性 重点：位错运动是金属塑性变形的主要机制。
    • 合金的相图
      • 匀晶相图（Cu-Ni）：固溶体形成条件
      • 共晶相图（Pb-Sn）：共晶反应与合金分类（亚共晶、共晶、过共晶）
      • 包晶相图（Fe-C局部）：包晶反应与碳钢组织 重点：相图是分析合金结晶过程与组织的基础工具。
    • 二元合金的凝固与组织
      • 平衡凝固与非平衡凝固（实际冷却速率影响）
      • 杠杆定律计算相组成比例
      • 典型组织：固溶体（α/β）、共晶体（莱氏体）、二次相（珠光体） 重点：非平衡凝固导致组织偏离相图，需结合实际情况分析。
  • 第三章 钢的热处理（5节）
    • 热处理基本原理
      • 奥氏体化：共析钢加热至Ac₁以上形成奥氏体
      • 冷却路径决定组织：空冷（珠光体）、油淬（马氏体）、回火（回火索氏体）
      • 热处理目的：改善力学性能（强度、硬度、韧性） 重点：奥氏体化是热处理的核心步骤。
    • 退火与正火
      • 退火类型：完全退火（消除应力）、球化退火（改善切削性）、去应力退火
      • 正火：空气冷却，细化晶粒，提高低碳钢强度
      • 应用对比：退火用于预备加工，正火用于普通结构件 重点：退火降低硬度，正火提高综合力学性能。
    • 淬火与回火
      • 淬火介质：水（剧烈冷却）、油（中温冷却）、盐浴（可控冷却）
      • 淬火缺陷：内应力开裂、变形、软点（未淬透）
      • 回火阶段：低温回火（保持高硬）、中温回火（韧性优先）、高温回火（综合性能） 重点：淬火+回火是强化钢的经典工艺组合。
    • 表面热处理
      • 渗碳：提高表面碳含量（20CrMnTi齿轮）
      • 渗氮：提高表面硬度与耐磨性（模具钢）
      • 激光淬火：局部快速加热，适用于精密零件 重点：表面处理兼顾心部韧性与表面耐磨性。
    • 热处理缺陷与控制
      • 过热与过烧：温度过高导致晶粒粗大或晶界熔化
      • 变形控制：预热、对称加热、校直工艺
      • 裂纹预防：缓慢冷却、合理设计零件结构 重点：热处理需结合材料特性与工艺参数优化。
• 第二篇 常用工程材料
  • 第四章 工业用钢（6节）
    • 碳素钢的分类与应用
      • 按含碳量：低碳钢（<0.25%，结构件）、中碳钢（0.25-0.6%，轴类）、高碳钢（>0.6%，工具）
      • 质量等级：普通钢、优质钢、高级优质钢（硫磷含量控制）
      • 典型用途：Q235（建筑结构）、45钢（调质零件） 重点：碳含量决定钢的强度与韧性平衡。
    • 低合金钢与微合金钢
      • 合金元素：Mn（固溶强化）、Ti（细化晶粒）、V（沉淀强化）
      • 性能优势：高强度、耐低温（如低温用钢）、耐腐蚀（海洋工程）
      • 典型牌号：Q345（16Mn，桥梁用钢）、HSLA钢（船舶） 重点：少量合金元素显著提升性能。
    • 合金结构钢与工具钢
      • 结构钢：Cr-Mo系列（高压容器）、Cr-Ni系列（调质零件）
      • 工具钢：碳素工具钢（T8锉刀）、合金工具钢（Cr12MoV模具）
      • 热处理特点：结构钢调质处理，工具钢高淬透性+多次回火 重点：工具钢需高硬度与耐磨性，结构钢需综合力学性能。
    • 不锈钢与耐热钢
      • 不锈钢类型：马氏体（1Cr13）、奥氏体（304）、铁素体（430）
      • 耐热钢设计：添加Cr、W、Mo提高高温强度（锅炉管、涡轮叶片）
      • 应用限制：不锈钢强度低，耐热钢加工硬化严重 重点：耐腐蚀性与高温稳定性是核心需求。
    • 轴承钢与弹簧钢
      • 轴承钢：高碳铬钢（GCr15），高硬度、耐磨性、疲劳抗力
      • 弹簧钢：60Si2Mn，高弹性极限、耐松弛性
      • 工艺特点：轴承钢超细化处理，弹簧钢形变热处理 重点：接触疲劳与弹性稳定性是选材关键。
    • 特殊性能钢
      • 耐磨钢：高锰钢（ZGMn13）加工硬化特性
      • 模铸钢：P20（塑料模具）、H13（压铸模具）
      • 其他：磁钢（电工纯铁）、无磁钢（奥氏体不锈钢） 重点：特殊用途需针对性设计成分与工艺。
• 第二篇 常用工程材料
  • 第五章 工业用钢（6节）
    • 碳素钢的分类与性能
      • 按含碳量分类：
        • 低碳钢（C≤0.25%）：塑性好，用于结构件（如桥梁、建筑）
        • 中碳钢（0.25%<C≤0.6%）：调质处理后用于轴类、齿轮
        • 高碳钢（C>0.6%）：高硬度，用于工具（如锉刀、弹簧）
      • 质量等级：普通钢（硫磷含量高）、优质钢（硫磷低）、高级优质钢（超低杂质）
      • 典型牌号：Q235（建筑钢筋）、45钢（调质零件）、T8（工具） 重点：碳含量决定强度与韧性平衡，中碳钢综合性能最佳。
    • 低合金钢与微合金钢
      • 合金元素作用：
        • Mn（固溶强化，提高强度）
        • Ti/V（细化晶粒，提高韧性）
        • Nb（沉淀强化，高温稳定性）
      • 典型用途：
        • Q345（16Mn，桥梁、船舶）
        • HSLA钢（高强度船板、汽车车架）
      • 性能优势：高强度、耐腐蚀、低温冲击韧性 重点：少量合金元素（<5%）显著提升性能，成本低于高合金钢。
    • 合金结构钢与工具钢
      • 结构钢：
        • Cr-Mo钢（高压锅炉、螺栓）
        • Cr-Ni钢（调质零件、航空航天）
      • 工具钢：
        • 碳素工具钢（T7/T8，低速刀具）
        • 合金工具钢（Cr12MoV，复杂模具）
      • 热处理特点：
        • 结构钢需调质处理（淬火+高温回火）
        • 工具钢高淬透性+多次回火（消除残余应力） 重点：工具钢需高硬度与耐磨性，结构钢需综合力学性能。
    • 不锈钢与耐热钢
      • 不锈钢分类：
        • 马氏体不锈钢（1Cr13，手术器械）
        • 奥氏体不锈钢（304，食品设备）
        • 铁素体不锈钢（430，家电外壳）
      • 耐热钢设计：
        • 添加Cr、W、Mo（提高高温强度，如锅炉管）
        • 表面氧化膜保护（如Cr2O3）
      • 应用限制：
        • 不锈钢强度低，加工硬化严重
        • 耐热钢需防止晶界脆化（如加Ti/Nb） 重点：耐腐蚀性与高温稳定性是核心需求。
    • 轴承钢与弹簧钢
      • 轴承钢：
        • GCr15（高碳铬钢，滚动轴承）
        • 性能要求：高硬度、耐磨性、接触疲劳抗力
      • 弹簧钢：
        • 60Si2Mn（汽车悬架弹簧）
        • 性能要求：高弹性极限、耐松弛性
      • 工艺特点：
        • 轴承钢超细化处理+球化退火
        • 弹簧钢形变热处理（热轧后淬火+中温回火） 重点：接触疲劳与弹性稳定性是选材关键。
    • 特殊性能钢
      • 耐磨钢：高锰钢（ZGMn13，挖掘机斗齿）
      • 模铸钢：P20（塑料模具）、H13（压铸模具）
      • 其他：磁钢（电工纯铁）、无磁钢（奥氏体不锈钢） 重点：特殊用途需针对性设计成分与工艺。
  • 第六章 铸铁（3节）
    • 铸铁的分类与性能
      • 灰铸铁：片状石墨，抗压不抗拉（机床床身、底座）
      • 球墨铸铁：球形石墨，高强度（曲轴、齿轮）
      • 可锻铸铁：团絮状石墨，韧性较好（管道接头、扳手）
      • 蠕墨铸铁：蠕虫状石墨，抗热疲劳性优（刹车盘、炉衬） 重点：石墨形态决定性能，球墨铸铁综合性能接近钢。
    • 铸铁的牌号与应用
      • 灰铸铁：HT150（低载荷零件）、HT300（高承压件）
      • 球墨铸铁：QT400-18（汽车底盘）、QT700-2（工程机械）
      • 可锻铸铁：KTH350-10（薄壁件）、KTZ550-04（耐磨件） 重点：牌号数字代表抗拉强度（MPa），后缀为伸长率（%）。
    • 铸铁的熔炼与缺陷控制
      • 熔炼工艺：冲天炉熔化（脱硫增碳）、孕育处理（细化石墨）
      • 常见缺陷：气孔（熔渣卷入）、缩孔（凝固收缩）、冷隔（充型不足）
      • 防止措施：冒口补缩、合理浇注系统设计、孕育剂添加 重点：孕育处理是改善石墨形态的关键步骤。
  • 第七章 非铁金属材料与硬质合金（4节）
    • 铜及铜合金
      • 纯铜：导电性/导热性极佳（电线电缆、散热器）
      • 黄铜（Cu-Zn）：H62（耐腐蚀，阀门）、HPb59-1（铸造件）
      • 青铜（Cu-Sn）：QSn6.5-0.1（耐磨，蜗轮）
      • 白铜（Cu-Ni）：B19（耐蚀，海洋设备） 重点：铜合金以锌/锡/镍为主要成分，兼顾强度与耐腐蚀性。
    • 铝及铝合金
      • 纯铝：轻量、耐腐蚀（电缆、化工容器）
      • 变形铝合金：
        • 防锈铝（LF21，油箱）、硬铝（LY12，飞机蒙皮）
        • 超硬铝（LC4，火箭壳体）
      • 铸造铝合金：ZL101（复杂铸件）、ZL201（活塞） 重点：铝合金通过时效强化（如Al-Cu-Mg系）提升强度。
    • 钛及钛合金
      • α合金（Ti-5Al）：高温强度好（导弹发动机）
      • β合金（Ti-13V-11Cr-3Al）：冷加工性好（航空结构件）
      • α+β合金（Ti-6Al-4V）：综合性能优（人工关节、潜艇部件） 重点：钛合金比强度高、耐腐蚀，但加工成本高。
    • 硬质合金与粉末冶金材料
      • 硬质合金：
        • YG类（WC-Co，加工铸铁/非铁金属）
        • YT类（WC-TiC-Co，加工钢材）
        • YW类（通用型，混合相）
      • 粉末冶金材料：
        • 铁基粉末冶金（油泵齿轮）
        • 含油轴承（青铜基+石墨润滑）
      • 制备工艺：混料→压制→烧结→后处理（浸渍/复压） 重点：硬质合金需钴粘结相，粉末冶金依赖烧结致密化。
• 第三篇 工程材料成型技术基础
  • 第八章 铸造成型（4节）
    • 铸造工艺基础
      • 铸造分类：砂型铸造（低成本）、熔模铸造（高精度）、金属型铸造（高冷却速度）
      • 铸造工艺设计：浇注位置（防错箱）、分型面选择（简化模具）
      • 典型缺陷：气孔（气体卷入）、缩孔（凝固收缩）、裂纹（热应力） 重点：砂型铸造适用于大批量低精度零件，熔模铸造用于精密件。
    • 铸件结构设计
      • 设计原则：避免尖锐棱角（应力集中）、减少厚薄过渡（均匀冷却）
      • 铸造工艺性：最小铸孔尺寸、拔模斜度设计
      • 典型结构：法兰盘（增加强度）、肋板（防缩沉） 重点：结构设计需兼顾工艺可行性和力学性能。
    • 铸造合金与熔炼
      • 铸铁熔炼：冲天炉熔化（脱硫增碳）、孕育处理（细化石墨）
      • 铸钢熔炼：电弧炉氧化脱碳、合金元素调整（如Cr、Ni）
      • 非铁合金：铝合金（熔剂保护）、铜合金（氧化吸收） 重点：熔炼过程需控制化学成分和杂质含量。
    • 特种铸造与新技术
      • 压力铸造：高压高速充型（锌合金零件）、冷室/热室压铸机
      • 离心铸造：圆柱件（钢管、滚筒）双金属铸造（复合轧辊）
      • 快速铸造：3D打印砂型（按需制造） 重点：特种铸造提升精度或效率，但成本较高。
  • 第九章 金属压力加工成型（5节）
    • 压力加工基础
      • 加工方式：轧制（板材、型材）、拉拔（钢丝）、挤压（管材、复杂截面）
      • 塑性变形原理：位错运动、再结晶（消除加工硬化）
      • 加工硬化：冷变形提高强度，但降低塑性 重点：压力加工通过塑性变形改善材料组织与性能。
    • 锻造工艺与应用
      • 自由锻：轴类零件（齿轮轴）、简单形状
      • 模锻：复杂形状（汽车曲轴）、飞边设计（补缩）
      • 锻造比：拔长比>3以保证纤维连续性 重点：模锻精度高但模具成本高，自由锻灵活性强。
    • 板料冲压成型
      • 分离工序：落料（圆形件）、冲孔（螺纹底孔）
      • 成形工序：拉深（茶杯形）、翻边（法兰盘）
      • 缺陷控制：起皱（压边圈）、拉裂（润滑优化） 重点：冲压依赖模具设计，适合大批量薄板件。
    • 挤压与轧制工艺
      • 挤压类型：正挤压（实心件）、反挤压（杯形件）、静液挤压（难变形金属）
      • 轧制工艺：热轧（粗厚板）、冷轧（精密带材）、异步轧制（复合板）
      • 典型应用：无缝钢管（穿孔+轧制）、高铁车轮（整体轧制） 重点：挤压可加工低塑性材料，轧制效率高但精度有限。
    • 压力加工缺陷与质量控制
      • 常见缺陷：折叠（锻不足）、裂纹（过热或终锻温度低）、晶粒粗大（冷却过慢）
      • 质量控制：加热温度控制（防止过烧）、冷却介质选择（正火/退火）
      • 检测方法：超声波探伤（内部裂纹）、金相检验（晶粒度） 重点：温度与变形量是控制缺陷的关键参数。
  • 第十章 焊接与胶接成形（6节）
    • 焊接基础与分类
      • 焊接方法：熔焊（电弧焊、气焊）、压焊（电阻焊、摩擦焊）、钎焊（软/硬钎料）
      • 焊接接头：对接（平板）、角接（框架）、T接（船体）
      • 热影响区（HAZ）：淬火区（高硬度）、正火区（细化晶粒） 重点：熔焊需填充材料，压焊依赖压力形成结合。
    • 电弧焊工艺
      • 手工电弧焊：焊条选型（E4303酸性焊条、E5015碱性焊条）
      • CO₂气体保护焊：短路过渡（薄板）、喷射过渡（厚板）
      • 埋弧自动焊：焊剂覆盖（防气孔）、大电流高熔深 重点：碱性焊条韧性好但需烘干，CO₂焊效率高但飞溅大。
    • 电阻焊与摩擦焊
      • 电阻焊：点焊（薄板连接）、缝焊（密封容器）、对焊（钢筋接续）
      • 摩擦焊：旋转摩擦生热（异种金属焊接，如铜-铝）
      • 工艺参数：电流/电压（电阻焊）、压力/转速（摩擦焊） 重点：电阻焊需表面清洁，摩擦焊适合轴类零件。
    • 钎焊与胶接技术
      • 钎焊分类：软钎焊（Sn-Pb，电子线路）、硬钎焊（Cu-Zn，机械零件）
      • 胶接原理：黏附力（物理吸附）、内聚力（胶层强度）
      • 典型应用：结构胶（汽车车身）、厌氧胶（螺纹锁固） 重点：钎焊温度低但接头强度有限，胶接适应非金属材料。
    • 焊接缺陷与检测
      • 常见缺陷：未熔合（热输入不足）、咬边（电流过大）、气孔（保护不良）
      • 检测方法：射线检测（内部缺陷）、超声检测（HAZ裂纹）、磁粉检测（表面裂纹）
      • 修复技术：碳弧气刨（缺陷清除）、焊补（同材质填充） 重点：焊接质量依赖工艺参数与操作规范性。
    • 焊接应力与变形控制
      • 应力产生原因：不均匀热膨胀（拘束应力）、相变体积变化（马氏体转变）
      • 变形控制：对称焊接（减小弯曲）、预留反变形量（补偿收缩）
      • 消除应力：整体退火（高温回火）、局部锤击（释放残余应力） 重点：预热与缓冷可减少焊接应力与变形。
  • 第十一章 其他工程材料的成形及快速成型技术（4节）
    • 塑料成型工艺
      • 注塑成型：螺杆式注射机（周期短）、模具冷却系统设计
      • 挤出成型：管材/型材（口模定型）、吹塑成型（中空容器）
      • 缺陷控制：翘曲（冷却不均）、熔接痕（多浇口融合不良） 重点：注塑适合大批量精密塑料件，挤出适合连续型材。
    • 复合材料成型
      • 手糊成型：玻璃钢（船舶外壳）、树脂浸渍纤维布
      • 模压成型：SMC片材（汽车部件）、高温高压固化
      • RTM工艺：树脂传递模塑（碳纤维自行车架） 重点：复合材料成型需控制纤维取向与树脂浸润。
    • 陶瓷与粉末冶金成型
      • 陶瓷成型：注浆成型（复杂形状）、干压成型（简单件）
      • 粉末冶金：混料（金属+润滑剂）、烧结（致密化与合金化）
      • 应用案例：轴承（青铜基含油轴承）、刀具（硬质合金） 重点：烧结温度与气氛决定粉末冶金材料性能。
    • 快速成型技术
      • 3D打印技术：SLA（光敏树脂）、SLS（尼龙/金属粉末）、FDM（ABS丝材）
      • 优势与局限：无需模具、复杂结构一体化，但强度/精度较低
      • 应用场景：原型制造（功能验证）、小批量定制（医疗植入物） 重点：快速成型颠覆传统工艺，适合个性化制造。
• 第四篇 工程材料应用及成形工艺的选择
  • 第十二章 机械零件的失效分析与表面处理（2节）
    • 零件失效形式与分析
      • 失效类型：断裂（过载/疲劳）、磨损（磨粒/粘着）、腐蚀（氧化/电化学）
      • 分析方法：断口分析（SEM观察）、金相检验（组织异常）、应力测试（有限元仿真）
      • 案例分析：齿轮失效（齿面剥落）、轴承失效（疲劳点蚀） 重点：失效分析需结合工况与材料性能。
    • 表面处理技术
      • 表面淬火：高频淬火（齿轮表面）、火焰淬火（大型轴类）
      • 化学镀/热喷涂：镀铬（防腐/耐磨）、喷丸强化（抗疲劳）
      • 表面改性：渗碳/氮化（提高硬度）、激光熔覆（修复磨损面） 重点：表面处理延长零件寿命，针对性解决特定失效问题。