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1、机械工程材料 摘要：本文扼要地回顾了材料的发展史和兴起过程，简单地介绍了金属材料的概念、特质及其性能，着重阐述了金属材料的分类、金属材料科学的制备及合成以及金属材料的成型工艺, 同时就金属材料的应用及发展前景提出了看法【关键词】 机械材料 金属材料 材料分类 材料性能一、材料的分类1.按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属和有色金属。有色金属用量虽只占金属材料的5,但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性和高的比强度等，而在机械工程中占有重要的地位。非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。前者除传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外,还包括氮化硅、碳化硅等
2、新型材料以及碳素材料（见碳和石墨材料）等。后者除了天然有机材料如木材、橡胶等外，较重要的还有合成树脂（见工程塑料）。此外，还有由两种或多种不同材料组合而成的复合材料。2.工程材料的分类按成分分类：金属材料、非金属材料、复合材料。金属是工业中应用广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；非金属材料中，合成高分子材料、特别是塑料的使用广泛；而陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要用于化工设备、电器绝缘件、机械加工刀具、发动机耐热元件等；复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，复合材料一般综合了各组分材料的优良性能，在生活用品、机器制造等各个领域已
3、得到广泛应用。非金属材料、复合材料等是未来发展的趋势。3.机械工程材料也可按用途分类，如结构材料（结构钢）。工模具材料（工具钢）。耐蚀材料（不锈钢）、耐热材料（耐热钢）、耐磨材料（耐磨钢）和减摩材料等。由于材料与工艺紧密联系，也可结合工艺特点来进行分类，如铸造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。粉末冶金可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，也可直接制造各种精密机械零件，已发展成一类粉末冶金材料。结构材料（如机械零件、工程构件）、工具材料（如量具、刃具、模具）、功能材料（如磁性材料、超导材料等）。4.按领域分类：建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料。这些都是现代机械工业的
4、产物。二、材料的性能1、物理性能【一】强度材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力. 一般来讲，材料强度仅指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，像弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限和蠕变极限等。材料在常温下的强度指标有屈服强度和抗拉（压）强度。屈服强度表示材料抵抗开始产生大量塑性变形的应力。抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力。在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比），根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小材料制造的零件具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂
5、。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。 在化工炼油设备中，很多零部件是长期在高温下工作的，对于制造这些零部件的金属材料的屈服限ss、抗拉强度限sb都会发生显著变化，必须考虑温度对力学性能的影响。通常随着温度升高，金属的强度降低而塑性增加。另外，金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时间的延长缓慢地不断发生塑性变化的现象，称为“蠕变”现象。例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用蠕变极限sn表示。
6、蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或第阶段的蠕变速度等于某规定值时的最大应力。 对于长期承受交变应力作用的金属材料，还有考虑“疲劳破坏”。所谓“疲劳破坏”是指金属材料在小于屈服强度极限的循环载荷长期作用下发生破坏的现象。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此具有很大的危险性，常常造成严重的事故。金属材料在循环应力下，经受无限次循环而不发生破坏的最大应力称为“疲劳强度”，以sr（见（a）式）表示 ，称为应力循环系数或应力比，在对称循环时，(r=-1）表示。对于一般
7、钢材，以106107次不被破坏的应力，作为疲劳强度。【2】塑性塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。材料的塑性是指材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的变形而不即行断裂的性质。工程上以延伸率d和断面收缩率y作为衡量金属静载荷下塑性变形能力的指标。 1 延伸率（d） 延伸率主要反映材料均匀变形的能力。 它以试件拉断后，总伸长的长度与原始长度的比值百分率d（%）来表示。 （2-1）（2-1） 式中 l-试件断裂后的标距长
8、度，mm2； l0-试件原始的标距长度，mm2； l-断裂后试件的绝对伸长量，mm2。延伸率的大小与试件尺寸有关，为了便于进行比较，须将试件标准化。现国内采用的拉伸试样有：长圆试样用l0/d0=10（d0 为试样直径）、短圆试样用l0/d0=5，分别在延伸率下标以d10和d5来表示。 2 断面收缩率y 断面收缩率主要反映材料局部变形的能力。 它以试件拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积比值的百分率y（%）来表示。 （2-2） 式中 A-试件断裂后的最小截面积，mm2；A0-试件的原始截面积，mm2。 断面收缩率的大小与试件尺寸无关。它不是一个表征材料固有性能的指标，但它对材料的组织变化比较敏感
9、，尤其对钢的氢脆以及材料的缺口比较敏感。 材料的延伸率与断面收缩率值愈大，材料塑性愈好。塑性指标在化工设备设计中具有重要意义，有良好的塑性才能进行成型加工，如弯卷和冲压等；良好的塑性性能可使设备在使用中产生塑性变形而避免发生突然的断裂。承受静载荷的容器及零件，其制作材料都应具有一定塑性，一般要求d51020。过高的塑性常常会导致强度降低。 金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑
10、性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标【3】耐久性金属材料的耐久性是指在金属材料在使用过程中经受环境的作用，而能保持其使用性能的能力。【4】硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。硬度是指固体材料对外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。它是由采用不同的试验方法来表征不同的抗力。硬度不是金属独
11、立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。 在工程技术中应用最多的是压入硬度，常用的指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、 HRB)和维氏硬度(HV)等。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗压入物体(钢球或锥体)所引起局部塑性变形的抗力大小。 一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而切削加工性能较差。 根据经验， 大部分金属的硬度和强度之间有如下近似关系： 低碳钢 sb0.36 HB高碳钢 sb0.34 HB灰铸铁 sb0.1 HB 因而可用硬度近似地估计抗拉强度。2. 机械性能 复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Ma
12、trix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710的某一适当温度进行长
13、时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”。三、金属材料的制备与合成（一）、高炉炼铁1、高炉炼铁原料炼铁的主要原料是铁矿石（赤铁矿石、磁铁矿石、褐铁矿石、菱铁矿石），它是由铁的氧化物和含SiO2、Al2O3、CaO、MgO等成分的脉石构成。铁矿石的主要作用是提供铁元素。冶炼前铁矿石经选矿筛分后，破碎磨成粉料，然后烧结成块以备后续冶炼使用。另外，炼铁原料还有燃烧（焦炭）和造渣用的熔剂（石灰石）。焦炭在高炉中的主要作用一是为炼铁提供热源，二是作为还原剂把铁和其它元素从矿石中还原出来。熔剂石灰石的作用是在高炉内受热分解形成CaO和MgO。2、炼铁设备及
14、过程炼铁是在高炉中进行的，高炉炉体是由耐火材料砌成，外面包裹钢板的圆截面炉子。为使矿石在炉内充分还原，炉子高度可达几十米。高炉底部和炉腹被焦炭填充，炉身中装有层层相间的铁矿石、焦炭和石灰石。冶炼过程中，炉底焦炭燃烧产生的高温炉气向上运动，把热量传给炉料，经过一系列的物理化学过程，形成铁液和炉渣滴入炉内。每隔3-4小时放一次铁液，每隔1-1.5小时放一次炉渣。下图为炼铁高炉剖面图。3、高炉内发生的基本反应自然界中铁都是以化合物形式存在于铁矿石中，炼铁的实质是在高炉中将铁矿石中的铁还原；将氧化物、磷酸盐、焦炭和矿石中的锰、硅、磷、硫还原，并与碳一起溶于铁液中的一系列物理化学过程。（1）燃料的燃烧
15、焦炭的燃烧反应因条件不同，碳与氧之间可能发生四种不同的化学反应。空气供应充足时，发生完全燃烧反应：C+O2CO2+34070KJ/kg空气供应不充足时，发生不完全燃烧反应：C+1/2O2CO+10270KJ/kgCO遇到空气时，会燃烧：CO+1/2O2CO2+23800KJ/kg焦炭除以上外，还有一个还原吸热反应：CO2+CCO2-12628 KJ/kg（2）冶金反应1）铁的还原。铁主要存在于矿石中的Fe2O3、Fe3O4内，其还原过程是靠高价氧化物向低价转化来实现的。炼铁的主要还原剂是CO，他是由高炉底部厚厚的焦炭层在高温下不完全燃烧产生的。它的还原能力并不强但由于容易在矿石中扩散，故还原效果大大提高。i）一氧化碳还原铁的氧化物。在1000以上还原能力大大提高，它是炼铁过程中的主要还原剂。570以上主要还原反应如下：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO2ii）固体碳还原铁的氧化物。固体碳的还原作用主要经CO的还原和碳的气化反应共同完成的，即FeO+CO=Fe+CO2CO2+C=2CO2iii）氢还原铁的氧化物。反应式如下：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+ H2=3Fe
