(第一章-第六章)金属工艺学-

1、 金属工艺学 梁国梁国 标标 0 0. .绪论绪论 1.材料的发展与社会的进步 从石器青铜器钢铁各种新型材料 2.机械加工的发展趋势 CAD/CAM/CAE MIS 等 3.金属工艺学课程内容与学习要求 金属工艺学比较系统地介绍了金属材料与非金属材料的种类 、生产过程和应用方面的基础知识，是融汇多种专业基础知识为 一体的专业技术基础课，是培养从事机械制造行业应用型、管理 型、操作型与复合型人才的必修课程，同时对于培养学生的综合 工程素质，技术应用能力和创新能力也是非常有益的。 （1）了解常用材料的牌号、性能、用途和一般选用原则，理解 常热处理工艺的原理、特点及应用； （2）了解零件的各种加工工

2、艺的基本原理和特点，并初步具有 综合选择毛坯和零件加工工艺规程的基本能力； （3）了解各种加工方法所用设备（工具）的工作原理和应用范 围，掌握一些主要设备和工具的基本操作方法； （4）了解各种加工工艺对零件结构的工艺性的一般要求，做到 灵活应用； （5）了解与本课程有关的新技术、新工艺、新设备、新材料的 发展概况； （6）在学习中逐步树立知识经济意识；善于利用各种信息资源 ，拓展知识面和能力，培养严谨、科学、创新与创业、艰苦奋斗 的企业精神；加强环境保护意识，做到清洁生产和文明生产，以 最大限度地获得得企业效益和社会效益。 1 1. .金属材料基础知识金属材料基础知识 1.1 1.1 金属材料

3、的分类金属材料的分类 1.2 1.2 钢铁材料生产过程概述钢铁材料生产过程概述 1.3 1.3 机械制造过程概述机械制造过程概述 金属：金属：是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑 性并具有光泽的物质。包括纯金属和合金两类。性并具有光泽的物质。包括纯金属和合金两类。 纯金属：纯金属：强度、硬度一般较低，冶炼困难，价格较强度、硬度一般较低，冶炼困难，价格较 高，应用受限高，应用受限 。 合金：合金：是指两种金属或两种以上的金属元素或金是指两种金属或两种以上的金属元素或金 属与非金属元素组成的金属材料。例如：属与非金属元素组成的金属材料。例如：

4、 黄铜由铜和锌组成。金属材料通常可分黑黄铜由铜和锌组成。金属材料通常可分黑 色金属和有色金属两大类色金属和有色金属两大类 黑色金属：黑色金属：以铁或以铁为主面形成的物质。以铁或以铁为主面形成的物质。 黑色金属：黑色金属：除黑色金属以外的其他金属。除黑色金属以外的其他金属。 1.1 金属材料的分类金属材料的分类 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 复合材料复合材料 工程材料工程材料 金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 1.2 钢铁生产过程概述钢铁生产过程概述 钢铁材料按碳的质量分数钢铁材料按碳的质量分数（C）进行分类，包括工业进

5、行分类，包括工业 纯铁纯铁（C2.11% ）。 一、炼铁一、炼铁 炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其他有用元素形炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其他有用元素形 成铁的过程。主要采用高炉炼铁，原料主要是铁矿石、成铁的过程。主要采用高炉炼铁，原料主要是铁矿石、 燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）。燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）。 炼出的是生铁，有铸造生铁和炼钢生铁两类。炼出的是生铁，有铸造生铁和炼钢生铁两类。 二、炼钢二、炼钢 炼钢是以生铁为主要原料，把生铁熔化成液体，或炼钢是以生铁为主要原料，把生铁熔化成液体，或 直接将铁注入高温的炼钢炉中，利用氧化作用将碳及其直接将铁注入高温的炼钢炉中，利用氧化作用将

6、碳及其 他元素控制在规定的范围之内，就得到了钢。他元素控制在规定的范围之内，就得到了钢。 1、炼钢方法、炼钢方法：转炉炼钢法和电炉练钢法。见教材表转炉炼钢法和电炉练钢法。见教材表1-2。 2、钢的脱氧：按脱氧程序不同，钢可分为特殊镇静钢（、钢的脱氧：按脱氧程序不同，钢可分为特殊镇静钢（TZ）、）、 镇静钢（镇静钢（Z）、半镇静钢（）、半镇静钢（b）和沸腾钢（）和沸腾钢（F）。）。 镇静钢：脱氧完全的钢，化学成分均匀，内部组织致密，镇静钢：脱氧完全的钢，化学成分均匀，内部组织致密， 质量较高，但由于钢锭头部形成相当深的缩孔，轧制时被切质量较高，但由于钢锭头部形成相当深的缩孔，轧制时被切 除，钢的

7、浪费较大，用于预应力混凝土等重要结构。除，钢的浪费较大，用于预应力混凝土等重要结构。 沸腾钢：脱氧不完全的钢，钢锭不产生缩孔，切头浪费沸腾钢：脱氧不完全的钢，钢锭不产生缩孔，切头浪费 小；但是，钢的化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差，小；但是，钢的化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差， 故广泛用于一般工程。故广泛用于一般工程。 半镇静钢：脱氧程序和性能介于半镇静钢：脱氧程序和性能介于Z和和F之间。之间。 特殊镇静钢：脱氧优于特殊镇静钢：脱氧优于Z，其内部材质均匀，非金属夹杂，其内部材质均匀，非金属夹杂 物含量少，可满足特殊需要，适用于特别重要的结构工程物含量少，可满足特殊需要，适用于特别

8、重要的结构工程。 3、钢的浇注、钢的浇注 少数用来浇注成铸钢外，其余都浇注成钢锭或连铸坯。少数用来浇注成铸钢外，其余都浇注成钢锭或连铸坯。 4、炼钢的最终产品、炼钢的最终产品 板材、管材、型材、线材和其他材料。板材、管材、型材、线材和其他材料。 1.3 机械制造过程概述机械制造过程概述 一、设计阶段一、设计阶段 从市场调查、产品性能、生产数量等方面出发，制定从市场调查、产品性能、生产数量等方面出发，制定 出产品的研制开发规划。在设计时先进行总体设计，再出产品的研制开发规划。在设计时先进行总体设计，再 进行部件设计，画出总装配图和零件图。进行部件设计，画出总装配图和零件图。 二、制造阶段二、制造

9、阶段 生产部门根据工艺规程与机械零件图进行制造、然生产部门根据工艺规程与机械零件图进行制造、然 后进行装配。通常不能根据设计图直接进行加工，而就后进行装配。通常不能根据设计图直接进行加工，而就 根据设计图绘制出制造图，再按制造图进行加工。根据设计图绘制出制造图，再按制造图进行加工。 这是由于设计图绘制出的是加工完成的最终状态图，这是由于设计图绘制出的是加工完成的最终状态图， 而制造图则是表示在制造过程中某一工序完成时工件的而制造图则是表示在制造过程中某一工序完成时工件的 状态。状态。 零件的生产工艺过程零件的生产工艺过程 选材选材 选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理 机械加工机械加工 最终热处理

10、最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、件、 工作环境等：工作环境等： 其中选材：其中选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日 新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的 资源、价格等多方面考虑。资源、价格等多方面考虑。 机械加工方法机械加工方法 轴轴 毛坯选择毛坯选择 车削车削 传统的有传统的有 现代的有现代的有 有液态成形毛坯有液态成形毛坯 塑性成形毛坯塑性成形毛坯 连接成形毛坯连接成形毛坯 粉末冶金成形粉

11、末冶金成形 型材等毛坯型材等毛坯 车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削 拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等 数控加工、电火花数控加工、电火花 加工、激光加工等加工、激光加工等 特种加工方法特种加工方法 一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每 种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工 效率是不同的。效率是不同的。 预先热处理：预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热为使切削加工能顺利进行，可通过预先热 处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。处理调整硬度，为切

12、削加工做好组织准备。 最终热处理：最终热处理： 使材料的性能达到要求。使材料的性能达到要求。 三、使用阶段三、使用阶段 出厂产品一经投入使用，机器的磨损、腐蚀、故出厂产品一经投入使用，机器的磨损、腐蚀、故 障和断裂就会接踵而来，就会暴露出设计和制造过程中存障和断裂就会接踵而来，就会暴露出设计和制造过程中存 在的质量问题。一个好的产品除了应注重设计功能、外观在的质量问题。一个好的产品除了应注重设计功能、外观 牬和制造工艺外，还应经常注意收集与积累使用过程中零牬和制造工艺外，还应经常注意收集与积累使用过程中零 件失效的资料，据此反馈给制造、设计部门，以进一步提件失效的资料，据此反馈给制造、设计部门

13、，以进一步提 高产品的质量。高产品的质量。 2 2. .金属材料的性能金属材料的性能 2.1 2.1 金属的力学性能金属的力学性能 2.2 2.2 金属的物理性能与化学性能金属的物理性能与化学性能 2.3 2.3 金属的工艺性能金属的工艺性能 2.1 金属的力学性能金属的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能 主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。 本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法 金属的力

14、学性能是指金属在力作用下所显示的与弹性和非弹金属的力学性能是指金属在力作用下所显示的与弹性和非弹 性反应相关或涉及应力性反应相关或涉及应力- -应变关系的性能。应变关系的性能。 载荷：载荷：指金属材料在加工及作用过程中所受的外力。根据载指金属材料在加工及作用过程中所受的外力。根据载 荷作用性质的不同，对金属的力学性能要求也不同。有三种：荷作用性质的不同，对金属的力学性能要求也不同。有三种： 静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷；静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷； 冲击载荷：短时间内以较高速度速度作用于零件上的载荷冲击载荷：短时间内以较高速度速度作用于零件上的载荷 交变栽荷：指大小、方向

15、或大小和方向随时间作周期性变化交变栽荷：指大小、方向或大小和方向随时间作周期性变化 的载荷。的载荷。 应力：应力：物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力称物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力称 为内力；单位面积上的内力称为应力。为内力；单位面积上的内力称为应力。 应变：应变：指由外力所引起的物体原始形状或尺寸的相对变化。指由外力所引起的物体原始形状或尺寸的相对变化。 金属力学性能的高低，表征着金属抵抗各种机械损害作用能金属力学性能的高低，表征着金属抵抗各种机械损害作用能 力的大小，是评定金属材料质量的主要判据，也是金属制件设计力的大小，是评定金属材料质量的主要判据，也是金属制件设

16、计 时选材和进行强度计算的主要依据。金属的力学性能主要有强度时选材和进行强度计算的主要依据。金属的力学性能主要有强度 、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 一、拉伸试验及强度和塑性一、拉伸试验及强度和塑性 （一）拉伸试验及拉伸曲线（一）拉伸试验及拉伸曲线 静载荷拉伸试验是工业上最常用的力学性能试验方静载荷拉伸试验是工业上最常用的力学性能试验方 法之一。试验时在试样两端缓慢地施加试验力，使试样的法之一。试验时在试样两端缓慢地施加试验力，使试样的 标距部分受轴向拉力，沿轴向伸长，直至试样拉断为止。标距部分受轴向拉力，沿轴向伸长，直至试样拉断为止。 高塑性材料拉伸.swf

17、 脆性拉伸AL.swf 从完整的拉伸试验和力从完整的拉伸试验和力- -伸长曲线可以看出，试伸长曲线可以看出，试 样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段 、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。 （二）常用强度判据（二）常用强度判据 强度强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力. 工程上常用的静拉伸强度判据有规定非比例伸长应力工程上常用的静拉伸强度判据有规定非比例伸长应力 、屈服点或规定残余伸长应力、抗拉强度等。、屈服点或规定残余伸长应力、抗拉强度等。 1、规定非比例

18、伸长应力：、规定非比例伸长应力：金属材料符合虎克定律的最金属材料符合虎克定律的最 大应力称为比例极限（比例伸长应力），以大应力称为比例极限（比例伸长应力），以 表示。由于不表示。由于不 能用实验直接测定，故采用能用实验直接测定，故采用“规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力”代之。代之。 规定非比例伸长应力是试样标距部分的非比例伸长达到规定非比例伸长应力是试样标距部分的非比例伸长达到 规定的原始标距百分比时的应力。规定的原始标距百分比时的应力。 工业上使用的一些金属，如铸铁、高碳钢等，在进行拉伸工业上使用的一些金属，如铸铁、高碳钢等，在进行拉伸 试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就

19、需要试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要 规定一个相当于屈服点的强度指标，即规定一个相当于屈服点的强度指标，即规定残余伸长应力。规定残余伸长应力。 例如例如表示规定残余伸长率为表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。时的应力。 2、屈服点和规定残余伸长应力：、屈服点和规定残余伸长应力：在拉伸过程中力不增在拉伸过程中力不增 加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为材料的加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈屈 服点（屈服极限），服点（屈服极限），以以 表示。屈服点是具有屈服现象的材表示。屈服点是具有屈服现象的材 料特有的强度指标。是工程上极为重要的力学性能指标之

20、一料特有的强度指标。是工程上极为重要的力学性能指标之一 ，也是大多数机械零件选材和设计的依据。，也是大多数机械零件选材和设计的依据。 s 0 2 0 /MPa) N mm ss s FS F S （ 式中： 是材料屈服时的拉伸力， ； 是试样原始横截面积， r 0.2r 0 2 0 /MPa) N mm rr r FS F S （ 式中：是产生规定残余伸长时的拉力， ； 是试样原始横截面积， 0 2 0 /(MPa) N mm bb b FS F S 式中： 是试样承受的最大拉伸力， ； 是试样的原始横截面积， 3、抗拉强度：、抗拉强度：抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀抗拉强度的物理意义

21、是表征材料对最大均匀 变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力（拉断前变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力（拉断前 承受）的标称应力值，是设计和选材的主要依据之一。承受）的标称应力值，是设计和选材的主要依据之一。 （三）、塑性判据（三）、塑性判据 塑性：塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉 伸时的断后伸长率和断面收缩率。伸时的断后伸长率和断面收缩率。 、断后收缩率、断后收缩率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距：试样拉断后，标距的伸长与原始标

22、距 的百分比称为断后伸长率，以的百分比称为断后伸长率，以表示。表示。 10 0 1 0 100% mm Lmm LL L 式中：L 是拉断试样对接后测出的标距长度，； 是试样原始标距，； 由于拉伸试样的原始标距与试样原始直径之间具有不同的比由于拉伸试样的原始标距与试样原始直径之间具有不同的比 例，因此试样分为长试样和短试样，表示方法也不一样。例，因此试样分为长试样和短试样，表示方法也不一样。 2、断面收缩率：、断面收缩率：断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面 积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用符号积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩

23、率用符号 表示，表示， 值可用下式计算：值可用下式计算： 01 0 2 0 2 1 100% mm mm SS S S S 式中：是试样原始横截面积，； 是试样断口处的横截面积，； 金属塑性的好坏，对零件的加工和使用都具有重要的意义金属塑性的好坏，对零件的加工和使用都具有重要的意义 。塑性好的材料不仅能够顺利地进行锻压、轧制等成形工艺，。塑性好的材料不仅能够顺利地进行锻压、轧制等成形工艺， 而且在使用时万一超载，由于塑性好，能避免突然断裂。所以而且在使用时万一超载，由于塑性好，能避免突然断裂。所以 大多断机械零件除要求较高的强度外，还都必须具有一定的塑大多断机械零件除要求较高的强度外，还都必须

24、具有一定的塑 性。性。 二、硬度：二、硬度：一个小的金属表面或很小的体积内抵抗弹性变形、一个小的金属表面或很小的体积内抵抗弹性变形、 塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是一个由材料的弹性、强度塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是一个由材料的弹性、强度 、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，衡、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，衡 量金属软硬程序的一种性能指标；硬度所表示的量不仅决定于量金属软硬程序的一种性能指标；硬度所表示的量不仅决定于 材料本身，而且还取决于试验方法和试验条件。材料本身，而且还取决于试验方法和试验条件。 压入法是在规定的静态试验力作用下，将压头压入金属材

25、料表压入法是在规定的静态试验力作用下，将压头压入金属材料表 面层，然后根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值。面层，然后根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值。 （一）、布氏硬度（一）、布氏硬度 、布氏硬度的试验原理是用一定直径的淬火钢球或硬质合、布氏硬度的试验原理是用一定直径的淬火钢球或硬质合 金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后， 去除试验力，测量试样表面压痕直径去除试验力，测量试样表面压痕直径d，然后根据压痕直径，然后根据压痕直径d计计 算其硬度值。布氏硬度值是球面压痕单位表面积上所承受的平算其硬度值。布氏硬度值是球面压痕

26、单位表面积上所承受的平 均压力。均压力。 、当压头为淬火钢球时，硬度符号为、当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度，适用于布氏硬度 值低于值低于450的金属材料，如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和的金属材料，如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和 调质处理的材料；当压头为硬质合金钢时，硬度符号为调质处理的材料；当压头为硬质合金钢时，硬度符号为HBW， 适用于布氏硬度值为适用于布氏硬度值为450650的金属材料。的金属材料。 、布氏硬度的表示方法、布氏硬度的表示方法 布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符 号前面。除了采用钢球直

27、径号前面。除了采用钢球直径D为为10mm，试验力为，试验力为3000Kgf（ 26.42kN），保持时间为），保持时间为10s的试验条件外，在其他条件下试验的试验条件外，在其他条件下试验 测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头 直径、试验力大小和试验力保持时间。如直径、试验力大小和试验力保持时间。如 150HBS10/1000/30表示用直径为表示用直径为30mm的淬火钢球，在的淬火钢球，在 1000kgf（9.804kN）试验力作用下保持）试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为 150。 布氏硬度计算模

28、拟动画布氏硬度计算模拟动画.swf 布氏硬度测试方面视频布氏硬度测试方面视频.avi 布氏硬度测试方法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被布氏硬度测试方法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被 测试金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，则测试金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，则 不宜测试成品或薄片金属的硬度。主要适用于未经淬火的钢、不宜测试成品或薄片金属的硬度。主要适用于未经淬火的钢、 铸铁、有色金属或质地轻软软的轴承合金。铸铁、有色金属或质地轻软软的轴承合金。 （二）、洛氏硬度（二）、洛氏硬度 、洛氏硬度的试验原理是以锥角为、洛氏硬度的试验原理是以锥角为120度的金刚石

29、或直径度的金刚石或直径 为为1.588mm的淬火钢球压入试样表面。试验时，先加初试验力的淬火钢球压入试样表面。试验时，先加初试验力 ，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除试验力，在保留，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除试验力，在保留 试验力的情况下，根据试样压痕深度来衡量金属的硬度大小。试验力的情况下，根据试样压痕深度来衡量金属的硬度大小。 、根据压头和试验力的不同，洛氏硬度常用、根据压头和试验力的不同，洛氏硬度常用A、B、C三种三种 标尺。标尺。 、洛氏硬度的表示方法、洛氏硬度的表示方法 人为规定一常数人为规定一常数K减去压痕深度减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，的值作为洛氏硬度指

30、标， 并规定每并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，刚洛表示，刚洛 氏硬度值为：氏硬度值为： 当使用金刚石压头时，当使用金刚石压头时，K取取0.2；使用钢球压头时，；使用钢球压头时，K取取0.26 。 洛氏硬度计算动画模拟洛氏硬度计算动画模拟.swf 洛氏硬度常用的标尺有：洛氏硬度常用的标尺有：B、C、A三种。三种。HRB轻金轻金 属，未淬火钢；属，未淬火钢；HRC较硬金属，淬硬钢制品；较硬金属，淬硬钢制品；HRA硬、薄硬、薄 试件。试件。 洛氏硬度根据试验时选用的压头类型和试验力大小的不同洛氏硬度根据试验时选用的压头类型和试验力大小的不同 分别采

31、用不同的标尺进行标注。硬度数值写在符号的前面，分别采用不同的标尺进行标注。硬度数值写在符号的前面， HR后面写使用的标尺，如后面写使用的标尺，如50HRC表示用表示用“C”标尺测定的洛氏标尺测定的洛氏 硬度值为硬度值为50。 洛氏硬度是目前工厂中应用最广泛的试验方法。其特点是洛氏硬度是目前工厂中应用最广泛的试验方法。其特点是 ：硬度试验压痕小，对损伤小，常用来直接检验成品或半成品：硬度试验压痕小，对损伤小，常用来直接检验成品或半成品 的硬度；试验操作简便，可以直接从试验机上显示出硬度值，的硬度；试验操作简便，可以直接从试验机上显示出硬度值， 省去了繁琐的测量、计算和查表等工作。但是，由于压痕小

32、，省去了繁琐的测量、计算和查表等工作。但是，由于压痕小， 硬度值的准确性不如布氏硬度，因此，在测试洛氏硬度时通常硬度值的准确性不如布氏硬度，因此，在测试洛氏硬度时通常 都选取不同位置的三点测出硬度值，再计算平均值作为被测金都选取不同位置的三点测出硬度值，再计算平均值作为被测金 属的硬度值。属的硬度值。 （三）、维氏硬度（三）、维氏硬度 、维氏硬度的试验原理是夹角为、维氏硬度的试验原理是夹角为136度的正四棱锥体金刚度的正四棱锥体金刚 石作为压头，以选定的试验力（石作为压头，以选定的试验力（49.0398.07N）压入试样表面）压入试样表面 ，经规定保持时间后，去除试验力，则试样表面上压出一个正

33、，经规定保持时间后，去除试验力，则试样表面上压出一个正 四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度，计算硬度值四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度，计算硬度值 。 维氏硬度测试示意维氏硬度测试示意.gif 维氏硬度计算模拟动画维氏硬度计算模拟动画.swf 2、洛氏硬度的表示方法、洛氏硬度的表示方法 维氏硬度是用正四棱锥压痕单位表面积上承受的平均压力维氏硬度是用正四棱锥压痕单位表面积上承受的平均压力 表示硬度的，用符号表示硬度的，用符号HV表示。维氏硬度的计算式为：表示。维氏硬度的计算式为： 实际试验时，用测微计测出压痕对角线长度，算出两对角实际试验时，用测微计测出压痕对角线长度，算出两对

34、角 线长度的平均值后，查表就可得出维氏硬度。线长度的平均值后，查表就可得出维氏硬度。 维氏硬度的测量范围在维氏硬度的测量范围在51000HV。硬度数值写在符号的。硬度数值写在符号的 前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当试验力保前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当试验力保 持时间在持时间在1015s时，可以不标出。如：时，可以不标出。如： 640HV30表示：用表示：用30kgf（294.2N）试验力保持）试验力保持1015s测定测定 的维氏硬度值为的维氏硬度值为640。 640HV30/20表示：用表示：用30kgf（294.2N）试验力保持）试验力保持20s测定测定 的维

35、氏硬度值为的维氏硬度值为640。 维氏硬度适用范围宽，从极软的材料到极硬的材料都可以维氏硬度适用范围宽，从极软的材料到极硬的材料都可以 测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗 层硬度测量，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量层硬度测量，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量 对角线长度，然后查表计算，而且试样表面的质量要求高，所对角线长度，然后查表计算，而且试样表面的质量要求高，所 以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于大批测量，以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于大批测量， 也不适用于测量组织不均匀

36、的材料（如灰铸铁）。也不适用于测量组织不均匀的材料（如灰铸铁）。 三、冲击吸收功三、冲击吸收功 （一）冲击试验：（一）冲击试验：一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上 进行的。试验时，将试样放在试验机两支座上，把具有一定重进行的。试验时，将试样放在试验机两支座上，把具有一定重 力力F的摆锤抬到的摆锤抬到H高度，使摆锤具有位能高度，使摆锤具有位能FH1的势能。然后的势能。然后 释放摆锤，将试样冲断，并向另一方升高到释放摆锤，将试样冲断，并向另一方升高到H2高度。其原理高度。其原理 如下图如下图（夏比冲击试验（夏比冲击试验动画动画） （二）基本概念（二）基本概

37、念 、冲击载荷：以很大速度作用于工件上的载荷。对于承受冲、冲击载荷：以很大速度作用于工件上的载荷。对于承受冲 击载荷的零件来说，仅具有足够静载荷强度指标是不够的，还击载荷的零件来说，仅具有足够静载荷强度指标是不够的，还 必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。 、冲击试样：冲击试样要根据国家标准制作。有夏比、冲击试样：冲击试样要根据国家标准制作。有夏比V型缺型缺 口试样和夏比口试样和夏比U型缺口试样。（见教材型缺口试样。（见教材P17页图页图2-8） 3、韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力。、韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力。 4、冲击吸收功：在冲击试验中，忽略摩擦和

38、阻尼等条件下，、冲击吸收功：在冲击试验中，忽略摩擦和阻尼等条件下， 摆锤冲断试样所做的功，以摆锤冲断试样所做的功，以Ak表示：表示： 、冲击韧度：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力，用、冲击韧度：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力，用ak 表示。（用试样的断口处截面积去除冲击吸收功）表示。（用试样的断口处截面积去除冲击吸收功） 、冲击吸收功、冲击吸收功-温度关系曲线温度关系曲线 冲击吸收功与冲击试验温度冲击吸收功与冲击试验温度 有关。有些材料在室温时并不显有关。有些材料在室温时并不显 示脆性，而在较低温度下则可能示脆性，而在较低温度下则可能 发生脆断。进行一系列不同温度发生脆断。进行一系列不同

39、温度 的冲击试验，可测得冲击吸收功的冲击试验，可测得冲击吸收功 温度曲线温度曲线 。 总的来说，冲击吸收功随间谍降低面降低。总的来说，冲击吸收功随间谍降低面降低。 （三）、小能量多次冲击试验（三）、小能量多次冲击试验 在实际生产中，零件经过一次冲击即发生断裂的情况极少在实际生产中，零件经过一次冲击即发生断裂的情况极少 。许多零件总是在很多次（。许多零件总是在很多次（10e3）冲击之后才会断裂，且所）冲击之后才会断裂，且所 承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这种冲击称做小能承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这种冲击称做小能 量多次冲击，简称多次冲击。量多次冲击，简称多次冲击。 多次冲击试

40、验是在连续冲击试验机上进行的，如课本所示。多次冲击试验是在连续冲击试验机上进行的，如课本所示。 研究表明，材料的冲击抗力取决于材料强度和塑性的综合研究表明，材料的冲击抗力取决于材料强度和塑性的综合 性能指标，随着条件的不同，强度和塑性的作用是不同的。大性能指标，随着条件的不同，强度和塑性的作用是不同的。大 能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；而小能量多次能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；而小能量多次 冲击时，其多冲抗力则主要取决于强度，但需具有一定的塑性冲击时，其多冲抗力则主要取决于强度，但需具有一定的塑性 。随着冲击能量的提高，塑性也需相应提高。随着冲击能量的提高，塑性也需相应

41、提高。 （四）、冲击实验的用途（四）、冲击实验的用途 、评定材料的低温变脆倾向：、评定材料的低温变脆倾向： 冷脆现象：在室温下不会变脆，在低温下变脆。冷脆现象：在室温下不会变脆，在低温下变脆。 什么叫韧脆转变温度范围？什么叫韧脆转变温度范围？ 、反映原材料的冶金质量和热加工产品质量、反映原材料的冶金质量和热加工产品质量 可采用这种方法来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产可采用这种方法来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产 品的质量。品的质量。 四、疲劳极限四、疲劳极限 （一）疲劳现象：（一）疲劳现象： 、定义：、定义：工程中有许多零件，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动工程中有许多零件，如发动机

42、曲轴、齿轮、弹簧及滚动 轴承等都是在交变载荷下工作的，它们工作时承受的应力通常都低轴承等都是在交变载荷下工作的，它们工作时承受的应力通常都低 于材料的屈服强度。材料在循环应力的应变作用下，在一处或几处于材料的屈服强度。材料在循环应力的应变作用下，在一处或几处 产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生 断裂的过程称为材料的疲劳断裂。断裂的过程称为材料的疲劳断裂。 、起因：起因：a、在零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的、在零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的 部位。部位。b、交变或重复应力的反复作用。、交变或

43、重复应力的反复作用。 、过程：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂。、过程：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂。 疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突然发生的，事疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突然发生的，事 先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性，常常造成严重事故。先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性，常常造成严重事故。 研究表明，疲劳断裂的产生原因是在零件应力集中部位或内部研究表明，疲劳断裂的产生原因是在零件应力集中部位或内部 某一薄弱部位首先产生微裂纹即裂纹源，随后，在循环应力作用下某一薄弱部位首先产生微裂纹即裂纹源，随后，在循环应力作用下 ，裂纹不断向纵深扩展，使零件

44、有效承载截面不断减小，最终当减，裂纹不断向纵深扩展，使零件有效承载截面不断减小，最终当减 小到不能承受外加载荷作用时，便突然产生断裂。小到不能承受外加载荷作用时，便突然产生断裂。 （二）疲劳曲线（二）疲劳曲线 、疲劳极限：当应力低于某值时，应力循环到无数次也、疲劳极限：当应力低于某值时，应力循环到无数次也 不会发生疲劳断裂，此应力值即为材料的疲劳极限。不会发生疲劳断裂，此应力值即为材料的疲劳极限。 材料疲劳极限的测量通常是在旋转对称弯曲疲劳试验机材料疲劳极限的测量通常是在旋转对称弯曲疲劳试验机 上进行上进行 从曲线上可以看出，应力值从曲线上可以看出，应力值愈低，则断裂前的循环次愈低，则断裂前的

45、循环次 数愈多。当应力降低到某一定值后，数愈多。当应力降低到某一定值后，- N曲线与横坐标轴平曲线与横坐标轴平 行，这表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环行，这表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环 而不断裂。此时的应力值即为疲劳极限。当循环应力对称时而不断裂。此时的应力值即为疲劳极限。当循环应力对称时 ，疲劳极限用符号，疲劳极限用符号-1表示。实际上各种材料不可能进行无数表示。实际上各种材料不可能进行无数 次重复实验，所以根据不同的材料，对循环次数次重复实验，所以根据不同的材料，对循环次数N作出了相作出了相 应规定。钢铁的应规定。钢铁的N为为10e7次，而非铁金属常取次，而

46、非铁金属常取10e8的为基数的为基数 。 、条件疲劳极限：一般有色金属，高强度钢及腐蚀介质作用下的、条件疲劳极限：一般有色金属，高强度钢及腐蚀介质作用下的 钢铁材料的疲劳曲线属于下图的曲线形式，其特征是循周次钢铁材料的疲劳曲线属于下图的曲线形式，其特征是循周次N随所随所 受应力的降低而增加，不存在黑色金属疲劳曲线的水平线。因此，受应力的降低而增加，不存在黑色金属疲劳曲线的水平线。因此， 对具有如图示特征的金属，要根据零件的工件和使用寿命，规定一对具有如图示特征的金属，要根据零件的工件和使用寿命，规定一 个疲劳极限循环基数个疲劳极限循环基数N，并以循环基数，并以循环基数N所对应的应力作为所对应的

47、应力作为“ 条件疲劳极限条件疲劳极限”。 （三）提高疲劳极限的途径（三）提高疲劳极限的途径 经验证明，在其他条件相同情况下，材料抗拉强度愈高时经验证明，在其他条件相同情况下，材料抗拉强度愈高时 ，其疲劳极限也愈高。因此，零件的失效形式中，约有，其疲劳极限也愈高。因此，零件的失效形式中，约有80%是是 由于疲劳断裂所造成的。为了防止疲劳断裂的产生，必须设法由于疲劳断裂所造成的。为了防止疲劳断裂的产生，必须设法 零件的疲劳极限，疲劳极限除与先用材料的本性有关外，还可零件的疲劳极限，疲劳极限除与先用材料的本性有关外，还可 通过以下途径来提高其疲劳极限。通过以下途径来提高其疲劳极限。 、在零件结构设计

48、方面尽量避免尖角、缺口和截面突变、在零件结构设计方面尽量避免尖角、缺口和截面突变 ，以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹。，以免应力集中及由此引起的疲劳裂纹。 、降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量，以及尽量、降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量，以及尽量 减少能成为疲劳源的表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等）减少能成为疲劳源的表面缺陷（氧化、脱碳、裂纹、夹杂等） 和表面损伤（刀痕、擦伤、生锈等）。和表面损伤（刀痕、擦伤、生锈等）。 、采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火喷、采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火喷 丸、滚压表面冷塑性变形加工等。丸、滚压表面冷塑性变形加工等。 五、断

49、裂韧度五、断裂韧度 （一）低应力脆断：（一）低应力脆断：在屈服强度以下的脆性断裂。主要是由于材料在屈服强度以下的脆性断裂。主要是由于材料 中的宏观裂纹扩展而引起的。例如高压窗口的爆炸，桥梁船舶的突中的宏观裂纹扩展而引起的。例如高压窗口的爆炸，桥梁船舶的突 然折断等都是由于低应力脆断引起的。然折断等都是由于低应力脆断引起的。 实际上，材料的组织远非是均匀各向同性的，组织中有微裂纹实际上，材料的组织远非是均匀各向同性的，组织中有微裂纹 ，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹 。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现

50、应力集中，形。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形 成一个裂纹尖端的应力场。成一个裂纹尖端的应力场。 （二）断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展（二）断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展 的性能。的性能。 对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，值是一定的， 当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断 增大，当应力场强度因子增大，当应力场强度因子K增大到某一值时就可使裂纹沿某一区增大到某一值时就可使裂纹沿某一区 域的

51、内应力大到足以使材料产生分享，从而导致裂纹突然失稳扩展域的内应力大到足以使材料产生分享，从而导致裂纹突然失稳扩展 ，即发生脆断。，即发生脆断。 这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用K1C 表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 （三）应用（三）应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。是材料固有的力学性能断裂韧性是强度和韧性的综合体现。是材料固有的力学性能 指标。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材指标。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材 料的

52、成分、内部组织和结构。料的成分、内部组织和结构。 、探测出裂纹形状和尺寸，根据、探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否，制定零件工作是否 安全安全K1KIC，失稳扩展。，失稳扩展。 、已知内部裂纹、已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。，计算承受的最大应力。 、已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹、已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹 的临界尺寸。的临界尺寸。 2. 金属材料的物理和化学性能金属材料的物理和化学性能 本节重点：本节重点：金属材料的物理和化学性能金属材料的物理和化学性能 主要内容：主要内容：金属材料的物理性能金属材料的物理性能, ,包括材料的密

53、包括材料的密 度度 、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、熔点、导热性、导电性、热膨胀性 磁性等；材料的化学性能，主要包括磁性等；材料的化学性能，主要包括 耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 本节难点：本节难点：无无 一、金属的物理性能一、金属的物理性能 是指金属固有的属性。是指金属固有的属性。 （一）密度：是指单位体积金属的质量。密度直接关系到由（一）密度：是指单位体积金属的质量。密度直接关系到由 金属材料所制造设备的自重和效能。如发动机等。金属材料所制造设备的自重和效能。如发动机等。 （二）熔点：金属和合金从固态向液态转变时的温度。（二）熔点：金属和合金从固态向液

54、态转变时的温度。 纯金属都有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分。纯金属都有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分。 熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接都是重要的工艺参数。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接都是重要的工艺参数。 （三）导热性：金属传导热量的能力，用热导率来表示。一（三）导热性：金属传导热量的能力，用热导率来表示。一 般说来，金属越纯，其导热能力越大。合金的导热性能比纯金属般说来，金属越纯，其导热能力越大。合金的导热性能比纯金属 差。银的导热性能力最好，铜、铝次之。差。银的导热性能力最好，铜、铝次之。 （四）导电性：金属能够传导电流的性能。用电阻率表示。（四）导电性：金

55、属能够传导电流的性能。用电阻率表示。 （五）热膨胀性：金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。（五）热膨胀性：金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 （六）磁性：金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。（六）磁性：金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。 可分为：铁磁性材料（如铁、镍、钴等）；顺磁性材料（锰、铬可分为：铁磁性材料（如铁、镍、钴等）；顺磁性材料（锰、铬 、钼等）；抗磁性材料（铜、金、银、铅、锌等）。、钼等）；抗磁性材料（铜、金、银、铅、锌等）。 二、金属的化学性能二、金属的化学性能 是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用是指金属在室温或高温时抵抗各种化学介质作用 所表面出来的性能。

56、所表面出来的性能。 （一）耐腐蚀性：金属在常温下抵抗氧、水及其（一）耐腐蚀性：金属在常温下抵抗氧、水及其 他化学介质腐蚀破坏作用的能力。他化学介质腐蚀破坏作用的能力。 （二）抗氧化性：金属在加热时抵抗氧化作用的（二）抗氧化性：金属在加热时抵抗氧化作用的 能力。能力。 （三）化学稳定性：是指金属的耐腐蚀性和抗氧（三）化学稳定性：是指金属的耐腐蚀性和抗氧 化性的总称。化性的总称。 2. 金属的工艺性能金属的工艺性能 本节重点：本节重点：金属的工艺性能有那些金属的工艺性能有那些 主要内容：主要内容：金属的工艺性能，主要包括铸造性能金属的工艺性能，主要包括铸造性能 、铸造性能、焊接性能、切削加工性、铸

57、造性能、焊接性能、切削加工性 能等。能等。 本节难点：本节难点：金属的工艺性能特点金属的工艺性能特点 金属的工艺性能是指金属在制造机械零件和工具的过程金属的工艺性能是指金属在制造机械零件和工具的过程 中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属采用某种加工中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属采用某种加工 方法制成成品的难易程序。方法制成成品的难易程序。 （一）铸选性能：指金属材料能用铸造的方法获得合格（一）铸选性能：指金属材料能用铸造的方法获得合格 铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。流动铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。流动 性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指

58、铸件凝固时，性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指铸件凝固时， 体积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶体积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶 先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。 （二）铸造性能：指金属材料在压力加工时，能改变形（二）铸造性能：指金属材料在压力加工时，能改变形 状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤 锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属的锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属的 塑性和变形抗力有关。

59、塑性越好，变形抗力越小，金属的锻塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻 造性就越好。例如：黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的造性就越好。例如：黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的 锻造性能；非合金钢在加热状态下锻造性能较好；而铸铁、锻造性能；非合金钢在加热状态下锻造性能较好；而铸铁、 铸铝、铸钢几乎不能锻造。铸铝、铸钢几乎不能锻造。 （三）、焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要（三）、焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要 是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度 。它包括两个方面的内容。它包括两

60、个方面的内容-一是结合性能，即在一一是结合性能，即在一 定的焊接工定的焊接工 艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能 ，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要 求的适用性。求的适用性。 低碳钢具有良好的焊接性能，高碳钢、不锈钢、铸铁的焊低碳钢具有良好的焊接性能，高碳钢、不锈钢、铸铁的焊 接性能较差。接性能较差。 （四）切削加工性能：指金属材料被刀具切削加工后而成为合（四）切削加工性能：指金属材料被刀具切削加工后而成为合 格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加