《金属工艺学》第一章金属材料的力学性能

1、第一章 钢铁材料及热处理一、钢铁材料与热处理的关系基本知识点：1.钢铁自身固有的力学性能一般是不能满足零件的受力性要求。2.钢铁机械零件必须经过热处理才能用。 机械中的大多数金属零件是用钢钢或铸铁铸铁制造的，但钢铁材料自身固有的性能，是不能满足如受力性、可切削加工性。必须要经过热处理：1）提高零件的受力性；2）调整毛坯的硬度，以利于切削加工；3）消除毛坯的内应力，防止零件的变形。二、钢铁生产 基本知识点：铸铁件生产炼钢的原料-生铁钢锭型材 1. 钢铁生产 是以铁矿石为原料经在高炉冶炼成生铁（含硅量较高，硬度较低） ，一部分用于浇注成铸铁件（毛坯），即铸造生产。另一部分浇注成生铁块，用作炼钢的原

2、料。2. 钢锭 是用转炉、平炉、电炉对生铁进一步精炼成钢液，并浇注到锭模，冷却凝固成钢锭。3. 钢锭的性能 钢的冶炼只是保证钢具有一定的化学成分，力学性能很差，不能直接用做零件的材料。 4. 型材 是钢锭经轧制、挤压、锻造等压力加工，使金属产生塑性变形，内部质量改善，机械性能提升，而制成的各种规格的钢板、圆钢、条钢、工字钢、槽钢等。 1-1 金属及合金的性能 金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能。使用性能 指金属材料在使用中表现出的特征，包括力学性能、物理性能、化学性能。 从机械零件和工程结构件设计角度，重点放在金属材料的力力学性能学性能。 一、 金属材料的力学性能 力学性能又称机械性能，是

3、材料在力的作用下力的作用下所表现出来的特征。机械力的作用形式 金属材料的力学性能指标 主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和刚度。 以上指标是机械零件和工程结构件选材和强度设计的主要依据。1. 强度 是金属在外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。强度的定义式 强度是用应力表示，即机械零件设计常用的强度指标 抗拉强度 屈服点金属材料的抗拉强度与屈服点 金属材料这两个强度指标，是通过对金属试样做拉伸试验测定出的。（1）低碳钢的拉伸试验 是将低碳钢棒料加工成标准试样，装在拉伸机上，在试样两端缓慢施加轴向载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。a.低碳钢的拉伸曲线理论 要点知识：I.oe直线弹性变形特征

4、。去掉外力后伸长变形立即恢复。ue点处的应力 ：为不产生永久变形的最大应力，称为材料的弹性极限。0SFeeuoe直线的斜率值：称为材料的弹性模量，用E表示。表征材料抵抗弹性变形的能力，技术上表示金属的刚度。II.es曲线屈服特征。即载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，产生了部分塑塑性变形性变形。 III.S处水平段称作“屈服点屈服点”。即当载荷增加到Fs时，拉力无需再增大，试样仍可继续伸长。或称“屈服强度”，即料的“屈服点”的比值，定为低碳钢材与试样原始面积点处的拉力规定：MPaSFSFssss00金属材料屈服点的工程意义：1）锅炉、压力容器、汽车发动机缸体上的紧固螺栓、键、销等零

5、件，在受载时是不允许屈服的，其工作应力必须小于材料的屈服点。屈服强度等级。可直接知道材料的屈服点指标来命名的，钢等钢材是以材料的钢、）如依据之一。是机械零件设计的主要。故应力值，其零件允许的工作）金属材料的Q275Q23532sesIV.sb曲线强化阶段。材料屈服后随变形程度的增大，金属内部要产生变形抗力，须不断增大载荷，试样才能继续伸长。V.bz曲线缩颈阶段。即当载荷超过Fb值，试样出现局部 “缩颈” 直至断裂。“缩颈” ：零件受力横截面积变小，是零件发生断裂的前奏。 要点：1）Fb是零件产生“缩颈”所能承受的最大拉力。2）规定：b点处的拉应力值为低碳钢材料的抗拉强度，用.0MPaSFbbb

6、符号表示，3）抗拉强度 的工程意义 金属零件所承受的最大工作应力值不允许超过 ，否则会断裂。bb2. 塑性 是指金属在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。（1）塑性指标 是用拉伸试验测得的试样伸长率 和端面收缩率 来衡量。要点知识：称为脆性材料。值几乎为零，、扎制薄板。铸铁的，可拉制细丝、；如合金、低碳钢等，不会断裂。如铜铝及其量的塑性变形而这样的金属可以发生大性越好。值越大，表示材料的塑、）%80%501 2）应用知识 如车身架材料，要用塑性好的低合金钢制造，如受力过大（超载）时，先产生塑性变形而不致突然断裂。 3）塑性好的金属材料是进行锻造、冲压、焊接的必要条件。3. 硬度 是指材料抵抗

7、局部变形，特别是局部塑性变形、压痕、划痕的能力。 基本知识点：硬度是机械零件、工具等必须具有的机械性能指标。 如制造业用的刀具、量具、锻锤及模具等，都要具有足够的硬度，以耐磨和防止受冲击力时产生裂纹。硬度可间接反映金属的强度、塑性、韧性及化学成分，是一项综合性的机械性能指标。 （1）金属材料的硬度指标 最常用的有：布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度a.布氏硬度（HB） 布氏硬度法是用淬火钢球或硬质合金球作压头，用来测定“较软”金属材料硬度的方法。a)布氏硬度（HB）测定的原理： 根据压痕直径d，按下式求出压痕表面积上的应力值，此应力值即为材料的布氏硬度值。)(2102. 0222mmNdDDD

8、FAFHBSb)布氏硬度值的表示方法 如230HBS、500HBW。 S 淬火钢球压头。 W硬质合金钢球压头。c)布氏硬度法的应用 HBS淬火钢球压头、 HBW硬质合金压头用于测定如铸铁件、有色金属及合金、退火钢、正火钢、调质钢等。b.洛氏硬度 洛氏硬度法是用 金刚石圆锥体作压头，用来测定较硬金属材料硬度的方法。0120a)洛氏硬度法的应用 用于硬金属材料如淬火钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度的测定。b)洛氏硬度的表示方法 如2067HRC。 （2）硬度值与机械设计 零件工作面要规定足够的硬度，以耐磨损，防止疲劳断裂。硬度和强度间有一定换算关系，如机械设计基础教材中的 图表所示。4. 冲击韧性 冲

9、击韧性又称韧性，是指材料受快速或突然载荷的作用，断裂前所能吸收最大冲击功的能力。u冲击载荷：载荷以快速或突然的方式作用在零件上。（1）材料冲击韧性的指标 用摆锤式冲击试验测出的试样所受最大冲击吸收功AK与S0的比值来衡量，见教材图1-4。试样缺口处截面积受最大冲击吸收功020)/(sAcmJsAakkk 基本知识点：强度、塑性、硬度指标，都是在缓慢加载或静载荷条件下测定的。机器中的零件大多要受冲击载荷作用，如连杆、键连接、齿轮传动、钻机、碎石机械，铁轨受力，冲模、锻模等。制造承受冲击载荷的零件，除应保证足够的静力学性能如强度、硬度，还必须要有足够的韧性韧性，即耐冲击的能力。（2）冲击韧性与机械

10、零件设计 材料的 值，只是表明其抗一次大冲击而不断裂的能力。金属零件受大能量冲击作用，其抗冲击能力决定于akv值。ka受小能量多次冲击的作用，零件抗冲击能力是取决于强度和塑性。u受较高冲击力作用，要提高零件的塑性值；u受小冲击力作用，要提高零件的强度。 如连杆、曲轴，碎石机鄂板等，都是受多次小能量冲击力作用，这些零件可用球墨铸铁件或孕育铸铁件制造。注意，铸铁类的ak值几乎为零，但经热处理后具有较高的强度、硬度。受大能量冲击作用的零件，选择材料时，要考虑材料的冲击韧性指标ak值大小。 如飞机起落架、矿山载重汽车的大梁、蒸汽锤的锤杆等，工作时受大能量冲击力作用，其零件要用高ak值的金属材料制造。5

11、. 疲劳强度（1）疲劳破坏 很多机械零件如轴、齿轮、连杆等，是在交变循环载荷作用下工作，尽管受到的工作应力值低于材料的强度极限 ，甚至 ，在零件应力集中处仍会产生裂纹，直至发生断裂，此破坏称为疲劳破坏疲劳破坏。sb 具统计，有约80%的机械零件失效，都是由疲劳破坏引起。因此，研究和预防材料疲劳破坏极其重要。 （2）疲劳强度 工程规定，材料在指定循环基数（107次以上）的交变载荷作用下不引起断裂所能承受的最大应力值，称为疲劳强度，又称疲劳极限，用符号 表示。 1（3）疲劳强度的测定 试验验证，在交变载荷作用下，材料承受的工作应力值与断裂前的应力循环次数N有如下关系： 当工作应力值下降到某一数值时

12、，材料的疲劳曲线成水平线，这表示材料可经受无数次应力循环作用而不发生疲劳断裂，这个应力值即为该材料的疲劳强度。（4）零件疲劳破坏的特征 没有明显的塑性变形，是突然断裂。（5）零件疲劳断裂的原因 材料内部有气孔、夹杂物，表面有划痕或显微裂痕等。（6）提高零件疲劳强度的措施采用锻造、轧制等压力加工方式生产零件的毛坯。（因压力加工方式可消除材料内部的气孔、击碎夹杂物，使材料内部组织致密）对零件表面进行强化处理，如滚压、喷丸、表面淬火，以提高工作面硬度。（可去除或防止出现显微裂纹，且裂纹扩展慢）（7）疲劳强度与机械设计 机械传动中重要的轴、连接螺栓杆、发动机中的曲轴、连杆等，要进行零件的疲劳强度校核计

13、算。6. 刚度 指材料抵抗弹性变形的能力。材料的刚度用弹性模量E值衡量。（1）刚度与机械设计机床主轴、滑枕、床身等，选材时应选弹性模量大的材料。 材料的刚度不等于机件的刚度。机件的刚度除与材料的E值有关，还取决于机件的断面形式。 工字形截面、环行截面，并力求结构中壁厚均匀等，都是提高机件刚度的设计。三、工艺性能 指材料在加工的过程中所表现出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯质量如何。1. 材料工艺性能的内容 按工艺方法的不同有：铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能。（1）铸造性能 指金属用铸造方法制成铸件，材料所表现出的性能。用流动性、收缩率和偏析这三个指标来衡量。流动性 指

14、熔融金属流动的能力。流动性好的金属，容易充满铸型，铸件外形完整、尺寸准确。收缩率 材料的收缩量愈小，铸件产生的疏松、缩孔、变形、裂纹等缺陷愈少。偏析 指铸件凝固后内部化学成分不均匀现象。材料偏析严重，铸件各部分的力学性能就不一致。基本知识点：铸铁类的铸造性能最好，铝合金其次；钢的铸造性能较差。 （2）锻压性能 指金属用锻压成形方法获得优良制件的难易程度。 要点：材料的锻压性能，用塑性值和变形抗力两个指标来衡量。锻压性能好的金属有低碳钢、低合金钢；黄铜、铝合金在室温下就有良好的锻压性能；铸铁、高碳钢等锻压性能差。（3）焊接性能 指金属焊接时，能否获得优良焊接接头的能力。 要点：优良焊接接头 指焊缝处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。焊接性能好的金属：低碳钢、低合金钢；高碳钢、铸铁和铝合金的焊接性较差。 如用高碳钢、铸铁和铝合金制成的机件，需与其它机件相连时，应采用螺纹联接或铆接。（4）热处理工艺性 指材料是否容易通过热处理获得所需力学性能而不开裂的能力。基本知识点：高碳钢、中高合金钢，其导热性较差，加热时采用多段加热