材料成型及控制工程专业英语翻译

1.1 制造工艺

我们如今所享受到的文明的好处从本质上来说是源于我们所能利用的产品质量的提高。产品质量的提高可以通过包括功能和制造方面的需求的合理设计来获得。设计过程会合理的考虑使用同样理想的制造工艺。这可以保证产品在经济的成本下制得。

制造就是将未加工的材料转变为为某种目的而使用的成品。以往我们对材料的一些外部性能如耐高温，耐高速，和高负荷的要求不断提高这反过来也需要一系列的新材料和与之关联的工艺过程。而且，现代工业操作所需要的外部环境也对制造工业有很大要求。

而且制造过程的经济性是一个很重要的考量，为了在现代环境侠可行，一件产品必须在出功能与美学要求外完全定价。所以对一个工程师来说考虑到制造的各个方面是必须的。

制造工艺是一个很基础的课题，因为他不仅涉及到制造工程师的利益，事实上也关乎几乎所有工程学科的利益。之所以如此是因为工程是一个为人类消费提供各种材料的整体。对许多如化学工业，文职，电力，电气，纺织等需要的工业机器制造工艺都是至关重要的部分、

因此对制造工艺的详尽的了解对每一个工程师来说都是必要的。这可以帮组他来判别各种制造工艺的性能，优缺点。这反过来也对他对所需产品的合理设计有所帮助。首先他能够从它的设计来评估制造的可行性。他也可以找到不止一种制造过程来生产一件特殊的产品，从而对能以最低的制造成本来造出所需质量的产品的工艺做出合理的选择。他也可以轻微地修改它的设计部来适应他所选择的制造工艺。

制造被韦伯词典定义为：制造出可供使用的产品。直到18世纪末的第一次工业革命制造仍然被定义为生产小体积，低价格的产品的手工工艺。个别的部件的生产和整体装配需要高度熟练的手工艺。在任何机器都没有的情况下，缓慢而昂贵是唯一可能发生的情况，蒸汽机和燃煤火炉的使用使大量蒸汽驱动的机器被发明，从而极大增加制造能力。这一时期出现了大量与机器有关的发明，并持续至19世纪末。至19世纪末随着电力和更好的工程材料的发明，机器操作变得更具生产力。二十世纪初，汽车制造业的发展，对制造方法和生产实践的发展有极大的帮助。

1.1.1铸造工艺

这是唯一一个用到液态金属的工艺，铸造也是已知的最古老的生产工艺之一，需要极其类似于最终制造产品外形的型腔。熔化的金属被注入难熔的型腔，然后凝固，再把凝固后的零件重新加工取出，铸造工艺被广泛应用于广泛系列产品的制造中，原始的铸造工艺是砂模铸造，这一过程中砂模被用作难熔型腔，砂模铸造适用于小批量生产同样也适用于大批量生产。

1.1.2成型工艺

这些固态制造过程包含最少的材料损耗和最快的生产速度，在成型过程中，材料被加热到稍低于固相线的温度，然后，施加一个很大的压力使材料流动从而形成所需外形，所需外形通过一套叫做模具的工具来控制，在制造过程中，模具可能是全封闭的也可能是部分封闭的，这些生产过程通常被用于大规模生产，通常这些生产过程是经济的，而且可以在很多方面提高机械性能。

1.1.3装配工艺

这是制造工艺的第二步，在这一步中，原材料是先前所描述的制造工艺的任意一种。从本质上装配工艺包括连接，无论是永久性连接还是暂时连接，以使他们可以表现出必须的功能，这种连接可以通过加热或加压或两着兼具或使用一种连接材料来获得。我们所见到很多钢结构都是先被粗制然后通过一种装配工艺连接起来。

1.1.4材料移除工艺

有一种第二步的制造工艺，在这一步中额外的不需要的材料被坚硬的工具从单一材料中移除，形成一个缺口来获得最终所需的形状，材料移除工艺通常是最昂贵的制造过程，以为

它消耗了更多的能量，同时也产生了巨大的材料浪费，但是它仍然被广泛应用因为他可以形成精确的空间尺寸和良好的外形及精确的轮廓。材料移除工艺也叫做机加工。

所有这些制造工艺，都在持续不断的发展，以获得低成本的良好产品。计算机及其在制造工艺中的影响对制造工艺有莫大的好处，计算机的出现对绝大部分制造工艺产生了显著的影响也极大的促进了自动化和设计过程。

1.2经济可行性分析

工程师的一个重要职责是选择一个以尽可能低的成本制造出所需质量的产品的制造过程。为了实现这两方面的目标，工程师必须针对给定的目标对不同的制造过程做出适当的盈亏平衡分析，在盈亏平衡分析中要考虑两方面的成本，固定成本与制造过程相关联的所有设备和工具的投资是固定成本，固定成本是固定的，不以产量而异，另一方面是可变成本，因实际产量不同而有差别。可变成本计算进的所需原材料消耗、能量消耗劳动力成本、特殊工具成本和其他的行政管理费用，这些通常和产量是成比例的。

如果一位工程师必须制造同一产品的两种不同工艺做出选择，他必须首先估计两种工艺的总的固定成本和可变成本，然后绘制总成本曲线，这些曲线的交点叫做盈亏平衡点，这意味着如果产量比盈亏平衡点低第一种工艺是经济的，如果产量超过该点那么，第二种是经济的。

2.1工程性质

元件的制造通常被工程材料的机械性能和热学性能所影响，而且材料的机械性能也会被所采用的工艺所影响。无论如何，对工程材料的机械性能的了解对制造工程师是重要的。

2.1.1应力

外力作用在材料商所产生的变形叫做应力。根据所施加负荷的不同应力可分为拉力、压力、或剪切应力。施加负荷后材料产生弹性变形叫做张力，张力可以被定义为尺寸变化量与原始尺寸之比。

在材料中引起的变形可以分为两种类型，弹性变形和塑性变形，弹性变形是指材料上所施加的载荷被移除后能恢复原来形状的变形。塑性变形是另一方面，永久的不可回复的变形。

拉应力通过在一种通用的测试机上实施的测试实验测得。包括图2.1所示作为标准的样本的准备。样本可以是矩形的也可以是圆柱形的，矩形的通常被用于板式样本，必须保证样本的表面是平滑的、没有任何裂缝或刻痕。

拉伸试验机由一个带有一个较低的横梁和一个在样本上施加拉力的联杆器的巨大测试机架组成。样本只能装在两个抓爪间，一个附加在横梁上，另一个附加在连杆器上，当施加负载时一个伸长仪被加到样品上来测量测试样本的伸长量。然后一个均匀增加的载荷被施加到样本上，连杆器和横梁的相对运动在样本上形成张力和一个相应的载荷。随着载荷的增加，样本首先产生弹性变形，如图2.1所示，相比之下中心部分比引人瞩目的区域要小。继续加载荷，当材料超过弹性范围样本在一些点处会变窄。在载荷的作用下样本减少的宽度会减少，当测试结束时样本会最终断裂。如果断裂没有在标准刻度内发生，测试需要用不同的样本重新做。在测试中应持续记载载荷和相应的伸长量。应力和张力可以由上述数据计算并被绘制成图2.3所示图标。

可以观察到所施加的力和诱发的张力直接成比例，这一点可以有延伸到A点的线性曲线表示，A点叫做比例极限。线性部分的终点叫做屈服点，在屈服点以上材料开始弹性变形，拱形曲线表明在弹性范围内，应力与张力之间没有明显的线性关系。最终样本在所施加载荷超过材料所能承受的极限时发生断裂。

比例极限通常难以计算，因此，两种特殊的测量方法，补偿屈服应力和延伸屈服被发展用于近似代替比例极限。点b通过在弹性范围内构造一条平行线x-b表示补偿屈服应力。X-B线补偿了拉伸长度O-X所表示的的应力的0.2%。点C通过在在载荷下的拉伸量并构成曲线

Y-C来表示屈服应力。Y-C线补偿拉伸长度O-Y所表示的应力的0.5%。最终的拉伸应力或顶点应力由点D表示。总伸长量，包括弹性变形和塑性变形，是断裂时的单轴应变，由Z点的应变表示。断裂点的单一伸长量由移动抓爪间的断裂样本决定。他和断裂点相配合来测量定位刻度间的距离。

2.1.2硬度

硬度是非常重要的性能，因为制造在很大程度上依赖与他，硬度是材料对压力的抵抗力莫氏硬度测量基于表2.1所示的十种标准矿物。通常可以由一种坚硬的材料造成的压痕来测量。压痕取决于所施加负载，压痕的清晰度取决于负载应用的时间。

同场还有许多硬度测试方法来测量材料的硬度。这些测试方法通常是在指定的负载下把由坚硬的材料制成的团块、圆锥体或球椎体压入材料，偶测量这些所产生的永久压痕来在测试给定的范围内对材料的硬度做出指示。

2.1.3延展性

延展性是对一种材料在拉力作用下不断裂所能承受的弹性变形量的估量。材料到断裂时的伸长量与原始长度的比例定量地表示成一种百分关系。材料在拉伸试验中突然断裂时的拉伸估计值可以被做延展性。因为伸长量取决于拉伸试验选择的标距长度，所以标距长度须由伸长估计值规定。二者选一的，他也可以被表示为断裂样本的代表性区域与原始区域的延伸比率。也可以表示为材料被拉成线状的能力，因为只有延展性材料才可以在不断裂的情况下被拉成线状。除了拉伸试验外，特殊的基于所期望功能的实验可以用弯曲试验，杯状测试来测试薄片材料的延展性。

2.1.4韧性

这是表示材料在冲击载荷下断裂时吸收能量数量的性能。简言之，就是抵抗冲击载荷的能力。韧性可以被看做应力应变曲线下方的整体区域，因为韧性是不引起断裂情况下作用与材料的功的总量。因此韧性可以被看做是应力和延展性的组成参数。一种材料的韧性可以通过冲击试验来测得，在这个实验中，一个有测试材料做成的有凹口的棒被老虎钳夹住，然后一个重物沿棒的轨道从已知高度摆下并击断他，因为材料在断裂时吸收了能量，所以摆动物块失去了一部分能量故而无法达到他的起始高度。高度损失随样品吸收的能量的增加而增加，这可以在实验中用显示计直接测量。

在沙皮尔冲击实验中，试样被夹在两个手柄中，然而在悬臂冲击实验中，试样的一段被夹住，就像悬臂一样，如图2.4沙皮尔悬臂测试法中，标准试样是由截面边长为10mm的正方形的试样组成，细节如图2.5.抗冲击性主要是由材料的组成物和热处理工艺决定，退火材料的韧性一般比相对标准化的和淬火材料高，粗糙晶粒结构的材料比细晶粒结构的材料更倾向于拥有搞得塑性和韧性。

2.2.含铁材料

日常生活中，我们使用不同种类的金属，非金属和它们的化合物，例如汽车中就含有下列材料：

依据它们的基本和化合材料，材料可大致分为如图2.6所示那样

在材料中，由于多变的机械性能和低成本，含铁材料到现仍是应用最广泛的。

2.2.1铁

所有铁和刚的基本来源都是铁矿，这些铁矿石混合有铝，硅，磷，硫和其它材料的氧化物，这些铁矿主要为赤铁矿和磁铁矿，约占铁量的55%

生铁，这种作为所有钢熔炉的基本材料，是爆炸炉产生的产品，生铁包含（约4%）的碳。1%硅，1%的镁和少量百分比的磷和硫；生铁硬而脆，缺少钢所拥有的较好的强度，塑性和抗震性。

绝对纯铁是很获得的，在这种情况下，它是一种有轻灰色和具有重量为7.86额柔软和较高塑性的金属。

纯铁的唯一应用是基于它的高导磁性，用它来做成磁铁，另外的铁的广泛应用是它含有大量的合金，他可以和其它元素化合在一起，铁碳合金在工程材料中被广泛使用，它含有一定的硅，镁，铬，嗫和其它元素。

在进行铁碳合金学习前，对材料结构的简单了解将有助于我们更好地理解这个科目。

2.2.2.材料结构

在原子排列和它们的组成质点中的所有结晶固体都能获得一定的几何排列，这些质点在固体中以集合体的方式聚集，它们构成空间或晶体晶格

这些任何固体的空间点阵组成了原子排列有序的晶胞单元结合，整个材料在三维空间仍保持有序的原子排列则成为晶胞，这是整个填满空间点阵最为简单的体积单元，它有着完整晶体的所有特性。

图2.7展示了被称为体积立方体的一个晶胞

8个原子位于立方体 8个角，中心也有一个原子，这种晶胞并不是独立的，在它的周围都分布着与其相似的晶胞，这样，角上的原子就会被相邻的8个晶胞所分享

与其相似的是面心和密排六方体，常温下铁是棱边边境点际常数为0.24924的体心立方体结构，下面是一些金属和它们晶胞结构

一些材料依据温度的不同存在不止一种形式，下面列出一些同素异形体，

与合金相相比纯金属很少被用到，合金在组成上是复杂的金属固态，它们的形成是由两种或两种以上的元素的熔化液体凝固形成的。合金拥有一种组成物或这些组成物的性能，甚至拥有优胜于而且不同于这些组成物的性能

合金使用不同的方法将不同的金属结合在一起，一个主要的组成就是固溶体，固溶体是由溶质溶于溶剂而形成的，和熟知的溶液相类似，获得固溶体也是易行的，如果溶液在没有分离成分的情况下，凝固这会得到固溶体，在固溶体中，材料会以混合物而不是化学成分出现，固溶体从本质上讲属于合金的一部分

一般来说有两种类型的固溶体，一种是间隙固溶体，另一种是置换固溶体，在间隙固溶体中，溶解原子占据着由两个原子形成的间隙两个间隙原子间的空位。这种情况只出现在溶剂原大于溶质原子的时候。溶解能力取决于原子尺寸的不同，例如，碳和铁就能形成间隙固溶体。

在720℃时会转变为面心立方体机构，在730℃时铁的面心立方体结构中的一个铁原子被碳原子占据了，那么铁原子之间过距离将变为0.0430纳米，常温下，在体心立方结构中，一个铁原子被碳原子占据了，铁原子的距离变为0.111纳米。因为这样的变形。室温下，铁最多能溶解0.006%的碳原子，而超过730℃时，溶解量会增大到2%。

在置换固溶体中，溶质原子将会取代溶剂原子，这种可能也只能发生在两种原子尺寸相当的情况从下。

扩散是原子从浓度高的地方移动到浓度低的地方或空缺的地方的一个过程。原子扩散在温度高和液相中会相对快些，它也是一个依时间而决定的现象。因为原子必须亲自从一个地方转移到另一地方

在一个合金系统中，一定的温度范围内金属组成会结合起来形成两种均匀化的共同存在部分。每个部分可能会有不同的组成物和不同的性能，这些在物理上不同但却均匀的系统叫做相。相的定义是：拥有不同物理特性的化学系统个均匀的，从物理角度来说，组成一个单独的相，不均匀化可能发生在当一个合金从液态转化为同态的时候等。这些就会形成多个固相。

有时候，在某些合金系统中化合金属溶解是超出时，木系金属和合金就会共同形成金属间化合物。虽然金属间化合物是通过化学式表示例如Fe3c,但是他们并不是co2这样的化合物，是通过化学放应产生的就目前来看它仅仅只是一个原子的排列而已，金属间化合物通常很硬，即使只有一小部分的金属化合物呈现出来，合金也可以将固溶体的任性和金3间化合物的硬度结合起来变现出来。

共晶化合物，在某些合金系统中，在某些合成物中，化合可造成一个低的熔点，这个系统被成为共晶化合物，它的熔点是最低的，例如，62%的锡和38%的铅的合金的熔点是183℃，然而铅的熔点是327℃，锡的熔点是232 ℃，合金的这种低的熔点能够在不加热破坏的条件下将金属易碎部分焊接起来。

合金相图：对于已知的金属或合金冷却曲线的获得可通过可温度除以时间，在图中可表示出来，但是对一个 由组成元素构成的不同化合物来说，在一个单独的表格中，用不同温度和组成物来绘制存在的相来画出相图或合金相图却是必要的，合金相图可概括为研究给定的合金系统中凝固的过程和结构与相的转变。

相图可判断不同组成物构成的合金起始融化温度和结束温度，合金条件下，不同温度时合金的结构，在冷却或加热过程中，合金的转变，合金条件意味着在充足的时间相转变发生的可能性。

合金相图是通过将两个组成合金的浓度百分比标定在纵坐标上，将温度标定在横坐标上绘制出来的，相图的任何一个点都表示早一个特定的温度下，合金的精确组成比例

形核和晶体长大，通过温度和压力的作用，使母相中自由能减少会产生一个驱动力促使其结晶，例如，在熔点，热起伏会导致早母相中的子相部分形成细小的颗粒，这些细小的颗粒有可以从母相基体分离出来的界面，它的成长通过相交原子的转移。

首先形成稳定的细小颗粒的过程叫做形核。

这些颗粒尺寸增大发的过程叫做晶体长大。

子相中晶体的尺寸依赖于形核率和成长率，颗粒形核的最终的产物是一个晶体，因此，高的形核率味着可获得大量的晶体。当形成在一个较低的形核率下时埋在颗粒成长缓慢的母体中接下来的形核发生则需要更多的时间，高的形核率和较低的成长率将会得到细小的晶粒，而较低的形核率和较高的成长率会产生粗大的晶粒。

最大形核率的温度比最大成长率的温度低，增加会冷却透率会降低有效转变温度，会导致在高的形核率和相对较低的成长率，最终产生细小晶粒。晶体如图2.9，在这个图形中每个区域代表一个晶胞。

和洗晶粒钢相比，粗晶粒钢强度较低，并且更倾向于变形，但它却有优良的切削性和深度硬化品质。细晶粒钢有更高的韧性和塑形，并且在热处理过程中不易变形和断裂。

2.2.3普通碳钢

如之前提到的，由于缺少抗拉强度和硬度，纯铁不被用作工程材料，但是当加入其它元素后，它的性能会得到很好的控制，在这些化合元素中碳是最为重要的，因为在所有的铁合金中都能发现它。

铁中碳的最大含量为6.67%，含碳量达到2%的称为合金钢，大于2%的称为铸钢，除了碳之外，合金中也含有少量的镁、硫、磷、和硅，它们通常被认为是杂质，因此需要被控制，然而，在某些条件下，一些元素别认为是合金元素，例如：硅

通过增加碳的含量，钢的性能会有明显的影响，有一点必须记住：碳含量的基本功效是，在所有化合有其他元素的钢中通过热处理后可获得最大硬度。

低碳钢：低碳钢以软钢著称，它应用是在塑形和韧性而不需要较高的抗拉强度的时候，它们很坚韧，但不耐磨因为其很柔软，容易成形并且这之后可通过渗碳来提高硬度和耐磨性

低碳钢应用于旋转，冷弯，铆接，模锻等操作，平常的热处理对它们不起作用，但是表面硬化却能起作用，作为最便宜的工程材料，它们占钢产品的大部分比例，像螺丝、钉子、螺母、螺栓、钢丝网，轻或重的结构零件、机械零件、锻造零件都是由低碳钢做成的，它同样应用于镀锡铁皮和汽车车身钢板，它也可以制成薄片、方形、圆、平板或线的形状。

中碳钢：相比于低碳钢来说，它们塑性较低，但硬度和抗拉强度却较高。它们具有优良的加工性能，而且热处理对其也有作用。

它们被广泛应用于工业中，中碳钢被用作轴、连杆、纱锭、火车轮轴、齿轮、涡轮机叶片、转向垂臂和其他要求中等强度和耐磨表面的机械零件

高碳钢：相比普通碳钢来说，它们具有较高的抗拉强度，而且更加硬，热处理对它们也起作用，它们被应用制作像扳手、凿子、挫、钻子这样的切削工具、木工工具、火车轮、轨道加强筋结构等。

其它少量元素的影响：除碳外，普通碳钢还含有被视作杂质的其它少量元素，它们通过下列方式来影响碳钢性能。

硫：铁中硫是以硫化铁形式存在，硫化亚铁中，凝固在晶体周围的硫，使钢变脆。同样会使像塑形这样的热加工性能变得更低，如果是适量的镁加入，在钢中会形成硫化镁（MgS）这样会减少硫带来的破坏性，通常认为加入镁的量是硫的三倍，当然少量的硫（0.075%-0.15%）能使钢拥有优良的加工性能。

磷：少量的磷能增加钢的强度和硬度，大多数钢中含有少量的磷，约为0.05%

硅：少量的硅，加低于0.2%的量对钢没有任何影响，当含量在0.2%-0.4%之间时。在不降低塑性的前提下能提高刚的弹性极限和最大强度，超过这个时将会减低钢的塑性

2.2.4铁-碳相图

室温下纯铁组织被称为铁素体或@铁，铁素体柔且软，因为它是体心立方结构，内部原子间隙细小而且非常扁平，即使一个很小的碳原子也容纳不下。因此，铁素体中碳的溶解量是很低的，室温下约为0.006%。在273℃时铁素体中碳的最大溶解量是0.05%，除碳外，少量的硅、磷、，镁，也在铁素体中被发现。

铁的面心变形称为奥氏体或γ-铁，在910℃到1400℃之间，它在纯铁中是很稳定的，在稳定的室温下，奥氏体是柔软且有韧性的，这使它能很好地应用于加工过程。拥有面心立方结构的铁比铁素体拥有更大的内部原子间隙，虽然这样，面心立方结构中的间隙也刚刚勉强能容下碳原子，而且会产生晶格应变。所以，并不是所有间隙位置在任何时候都能被填满，在1130℃5时，最大碳溶解量为2%

大约1400℃时，奥氏体不是最稳定的铁结构，并且他的晶格结构又会变成被称为δ铁的体心立方结构，除了温度范围不同外，它和@铁是一样的，δ铁的碳溶解量也是很小的，但明显比@铁大这主要由于其温度较高，在1490℃时，δ铁中碳的最大溶解量为0.1%。

铁碳合金中，含碳量超出溶解度极限时会形成被称为渗碳体的第二相。

碳化铁的化学式为、、、，但这并不意味着它的存在是以、、、的分子形式，这仅仅只是表示晶体点际中铁和碳原子的比例为3:1，、、、有在每个晶胞中存在12个铁原子和4个碳原子的正交晶胞单元，并且它的碳含量为、、、，

和奥氏体与铁素体相比，金属间化合物渗碳体是非常硬而脆的，碳化铁中铁素体的比例能提高钢的强度。

铁碳相图如图2.11熔化了的铁碳液体的凝固从液相线开始，在图中用ABCD先来表示液相线上；合金为液相，并且是一个均匀化的系统，在液相线AB上，r铁中的碳的固溶体会从液相中被分离出来。

组分为0.18%-2.0%范围之间时，在bc线上奥氏体晶体会从液体中被分离出来，合金的完全凝是在固相线hjce上，含碳是0.18%-2.0%之间的合金在固相线hje上会析出固体。碳

合是为2.0%-4.3%的合金完全凝固是在bc线上。碳含量到4.3%的最后部分的液相的凝固也在这条线上，所有的液体在1130时℃都完全凝固了，同时含碳量为2%的奥氏体和含碳量为6.67%的渗碳体会被分离出来，含碳是为4。3%-6。67%的合金的凝固在cd线上，并且一次渗碳体会被分离出来

在较低的273℃时，会有由一种固相变为两种固相的共析反应发生，这个温度称为共析温度，在这个反应中产生的组成物称为共析反应物，反应如下

在这个反应中，在273摄氏度时碳含量为0.80%的组成物会同时发生铁素体和渗碳体从奥氏体中析出，最终在这个混合物中会有将近12%的铁碳化合物和稍大于88%的铁素体，同为铁素体和渗碳体是同时形成的，所以它们紧密混合在一起，典型的混合物是片状的，它是由铁素体和渗碳体层交替排列组成的，它的显微结构称为珠光体，珠光体在铁和钢的技术中是非常重要的，因为在所有的钢中，通过合适的处理都能得到珠光体

含碳量为0.8%的合金称为共析钢，在273摄氏度之下，只要冷却共析钢，所有奥氏体都会转变为珠光体，含碳量低于0.8%的合金叫做亚共析钢，大于0.80%的则称为过共析钢

当过共析钢在se线下冷却的时候，奥氏体会分解为渗碳体，因为这些渗碳体含碳量为

6.67%，在se线上，在剩余奥氏体中的碳浓度都会发生改变，直到含碳量为0.80%时的共析组织时

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