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1、第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的主要性能两大类：1 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。包括：力学性能、物理、化学性能2 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。I、金属材料的力学性能：力学性能 - 受外力作用反映出来的性能。一 弹性和塑性 ：1 弹性： 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性 能。力和变形同时存在、同时消失。 如弹簧：弹簧靠弹性工作。2 塑性： 金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。 （金属 之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。塑性变形： 在 外力消失后留下的这部分不可
2、恢复的变形。3 拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、 塑性变形直到断裂的全部力学性能 可用拉伸图形象地表示出来。1）弹性阶段c eCT塑性极限，s屈服点，过s点水2）屈服阶段：过 e 点至水平段右端平段一一说明载荷不增加，式样仍继续伸长。(P 一定，c =P/F 定，但真实应11力P/F T因为变形，F J)发生永久变形3) 强化阶段：水平线右断至 b点P T变形b强度极限，材料能承受 的最大载荷时的应力。4) 局部变形阶段bk 过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。“缩 颈”(试样横截面变小，拉力J)4延伸率和断面收缩率： 表示塑性大小的指标1) 延伸率：S = l 0试样原长，
3、J拉深后长2) 断面收缩率：Fo 原截面，Fi拉断后截面(1) 3、书越大，材料塑性越好(2) &与S区别：拉伸图中 =弹+&塑，3 = mas塑( 3)一般3 5%为塑性材料，3 5%为脆性材料。5条件屈服极限C 0。2有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。 通常规定产生 0.2 塑性变形的应 力作为屈服极限 , 称为条件屈服极限 .二 刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。1 材料本质弹性模量在弹性范围内 , 应力与应变的比值 . 其大小主要决定材料本身 . 相当于单位元元变形所需要的应力。c =E , E =c / =tg a2 几何尺寸、形状、受力相同材料的E相同，但尺寸不同，则其
4、刚度也不同所以考虑材料刚度时要把形状 尺寸同时考虑 . 还要考虑受力情况 .三 强度：强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用力性质的不同，可分为：抗拉强度c +抗压强度c -抗弯强度c w抗剪 强度T b抗扭强度c常用来表示金属材料强度的指标2屈服强度：(Pa N/m ) P s-产生屈服时最大外力,F。-原截面2抗拉强度(Pa N/m ) P b-断裂前最大应力(T s / C b在设计机械和选择评定材料时有重要意义因金属材料不能在超过C s的条件下工作,否则会塑变超过T b工作,机件会断裂 T s T b之间塑性变 形,压力加工四硬度：金属抵抗更硬的物体压入其内的能力一
5、是材料性能的综合物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。1布式硬度HB用直径D的淬火钢球或硬质合金球，在一定压力P下，将钢球垂直地压入金属 表面,并保持压力到规定的时间后卸荷，测压痕直径d(用刻度放大镜测)则2HB=P/F (N/mm)单位一般不写.F-压痕面积.HBS 压头用淬火钢球，HBW压 头用硬质合金球 因钢球存在变形问题，不能测太硬的材料，适于HBSV450,如 铸铁,有色金属,软钢等而HBW 650 特点：压痕大，代表性全面 应用：不 适宜薄件和成品件2洛式硬度HR用金刚石圆锥在压头或钢球，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载 后，测其深度
6、h,由公式求出，可在硬度计上直接读出，无单位不同压头应用 范围不同如下表：HRA588.4硬质合金碳化物HRBd = 1.588淬火钢球980.7退火钢灰铁有色金属HRC120金刚石圆锥1471淬火回火件优点:易操作,压痕小,适于薄件,成品件缺点:压痕小，代表性不全面需多测几点3显微硬度(HV)用于测定金属组织中个别组成体，夹杂物等硬度。显微放大测量显微硬度(查表)与HR有对应关系。如：磨削烧伤表面,看烧伤层硬度变化。五 冲击韧性 ak材料抵抗冲击载荷的能力 常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性 , 标准试样一次击断 , 用 试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示ak2ak=Ak/F(J
7、/m 2) A k=G(H-h) G- 重量 F- 缺口截面1脆性材料一般不开口，因其冲击值低，难以比较差别.1 a kt ,冲击韧性愈好.2 Ak不直接用于设计计算：在生产中，工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏，多是小冲击载荷，多次冲击引起破坏，而此时,主要取决于强度，故设计时，ak只做 校核.3 ak对组织缺陷很敏感，能够灵敏地反映出材料品质，宏观缺陷,纤维组织方面变化.所以 , 冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。 (微裂纹应力集中冲击裂纹扩展)六 疲劳强度： 问题提出：许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下，发生 断裂时的应力远低于该材料的屈服
8、强度，这种现象疲劳破坏。据统计， 80% 机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最 大应力。1疲劳曲线交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。8 7例如：纯弯曲，有色金属 N10钢材 N10 不疲劳破坏2 疲劳破坏原因材料有杂质 ,表面划痕,能引起应力集中 ,导致微裂纹 ,裂纹扩展致使零件不 能承受所加载荷突然破坏 .3 预防措施改善结构形状 ,避免应力集中 , 表面强化 -喷丸处理, 表面淬火等 .U、金属材料的物理，化学及工艺性能：一 物理性能比重: 计算毛坯重量,选材,如航天件 : 轻熔点:铸造 锻造温度（再结晶温度） 热膨胀性 :铁轨 模锻的
9、模具、量具、导热性 : 铸造: 金属型 锻造: 加热速度、导 电性: 电器元件 铜 铝磁性:变压器和电机中的硅钢片 磨床: 工作台二 化学性能化学性能：指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性 能。耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。金属的化学性能 , 决定了不同金属与金属 , 金属与非金属之间形成化合物的 性能 , 使有些合金机械性能高 , 有些合金抗腐蚀性好 , 有的金属在高温下组织性能 稳定. 如耐酸 , 耐碱等，如化工机械 , 高温工作零件等三 工艺性能金属材料能适应加工工艺要求的能力 .铸造性能： 指金属或合金
10、是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、 充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。焊接性能： 指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法， 把两个或两个以上 金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。冷弯性能： 指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。 弯曲程度一般用 弯曲角度a （外角）或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈 小，则材料的冷弯性愈好。冲压性能： 金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。 在常温进行冲压叫 冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。锻造性能： 金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。第二章常用工程材料在机械
11、、工程等工业领域中，采用的材料种类及品种繁多、涉及范围及其广泛。其分类如下：厂魂色宝禹厂金禺叼卡牡站-有色生禹C.iR轻育色金属工程材料（基本材料】厂有机非蛍厲材科 *LL-非畫屠材糾hh 皂台时科耐脂基复含材斜金离基复合川蚪非金庫基矣合材粧L-I无机菲並匡材斜-41熾建材料tJgM木材、水迟、混麻土等随着生产的迅速发展，特别是电子产业、航空航天技术的突飞猛进，不断地对材料的性能提出了愈来愈高的要求。而传统单一材料往往不能全面满足强度、韧性、重量和稳定性等方面的要求， 为使各种材料之间的优点互补， 获得性能更 加优越的材料， 人们研制出各种新型复合材料。 就是由两种或两种以上不同材料 的组合材
12、料，其性能通常兼有组成材料的各种优点，有着非常广阔的发展前景。中国经过几十年的努力，钢铁工业已同过去的仅能生产 100 多个钢种、 400 多个品种的钢材发展到现在能生产 1000 多个钢种、 4 万多个品种的钢材，特别 是国防工业和高精尖技术，包括原子弹、氢弹、导弹、核潜艇、通讯卫星、火箭 等需要的关键金属材料。 都已由国内自行研制开发成功， 最大限度满足了其需要。第一节 合 金 钢2-1 概 述合金钢为了改善钢的组织和性能， 在碳钢的基础上， 有目的地加入一些 元素而制成的钢。 加入的元素称为合金元素。 常用的合金元素有锰、 铬、镍、硅、 钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土 （R
13、E） 等。根据我国的资源情况，富产的元素有硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素， 而铬、镍，特别是钴稀缺。选用合金钢时，应在保证产品质量的前提下，优先考 虑我国资源丰富的钢种。与碳钢相比，合金钢的性能显著提高，应用日益广泛， 但价格高于碳钢。一、合金钢的分类（ 一 ） 按用途分类1 、合金结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主要包括低合 金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。2 、合金工具钢用于制造各种工具的钢。主要包括合金刃具钢、合金模 具钢和合金量具钢等。3 、特殊性能钢具有某种特殊物理或化学性能的钢。主要包括不锈钢、 耐热钢、耐磨钢等等。（ 二 ） 按合金元素的总
14、含量分类1 、低合金钢。合金兀素总含量 3 Me10%。（ 三 ） 按正火后的组织分类将一定截面的试样（ 25mm），在静止空气中冷却后，按所得组织可分为珠 光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。二、合金钢的编号（ 一） 合金结构钢合金结构钢的牌号由三部分组成， 即“两位数字 +元素符号十数字”。前面两 位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；元素符号代表钢中所含的合金元素， 其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数Me 1.5 %、2.5 %、3.5 %时，则在元素符号后相应地标出 2、3、4。例如60Si2Mn钢，表示平均3 c = 0.6 %， 平均3 si 1.5 %，平均3 Mn 1.5 %的合金结构钢。如为高级优质钢，则在钢 号后面加符号“ A”。（二 ） 合金工具钢合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似， 区别仅在于碳含量的表示方 法不同。当平均3 c 1 %,牌号中不标碳含量。如 9SiCr钢，表示平均3c = 0.9 %，合 金元素Si、Cr
