机械基础之材料及热处理

1、机械基础之材料及热处理观察下面的图片，你知道它们是用什么材料制成的吗？各有什么性能？一、基本概念一、基本概念这种在载荷（或外力）作用下表现出来的性能称为金金属材料的力学性能属材料的力学性能。在机械行业中，金属材料的性能主要指它的力学性能和工艺性能。1 1载荷载荷载荷载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力。拉伸（或压缩）载荷剪切载荷扭转载荷弯曲载荷载荷的作用形式载荷的作用形式变形变形金属材料在载荷作用下会产生几何形状和尺寸的变化。塑性变形（载荷卸掉时，不能恢复原来形状或尺寸的变形，又称为永久变形）变形弹性变形（载荷卸掉时，可以恢复原来形状或尺寸的变形） 2变形变形弹性变形与塑性变形弹性变形与塑

2、性变形3应力应力内力内力金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。应力应力（R）单位面积上的内力。（N/mm2或MPa）SFR l强度l塑性l硬度l冲击韧性l疲劳强度二、金属材料的力学性能二、金属材料的力学性能金属材料在外力作用下表现出来的性能称为金属材料金属材料的力学性能。的力学性能。衡量金属材料力学性能的指标： 强度强度金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。衡量指标为屈服强度和抗拉强度，通常采用拉伸试验测定。1强度强度在拉伸过程中，当载荷不再增大或略有减小时，试样继续发生明显塑性变形的现象，称为屈服屈服。试样产生屈服现象时所承受的应力称为屈服强度屈服强度，

3、用符号Re表示，屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。0eLeLSFRFeL 屈服时的最小载荷，N；S0 试样原始横截面面积，mm2。（1）屈服强度工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，如高碳钢、铸钢等脆性金属材料，测定其屈服强度很困难。在此情况下，规定以试样长度方向产生0.2%塑性变形时的应力作为材料的条件屈服强度，或称屈服极限，用Re 0.2表示。（2）抗拉强度Rm 抗拉强度抗拉强度材料在拉断前所承受的最大的应力。 mm0FRS试中Fm 试样拉断前承受的最大载荷， N。 2塑性塑性塑性塑性金属材料受力后在断裂前产生永久变形的能力。 （1）断后伸长率A 试样拉断后，标距的伸

4、长量与原始标距之比的百分率。 式中L1试样拉断后紧密对接的标距，mm；100%001LLLAL0试样原始标距，mm。（2）断面收缩率Z试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。 S1试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm2。材料的断面收缩率和断后伸长率越大，说明材料的塑性越好，易于通过塑性变形加工成为形状复杂的零件。并且，使用时零件不易发生突然断裂，安全性较高。100%010SSSZ 硬度硬度材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度硬度硬度指标布氏硬度（HB）维氏硬度（HV）洛氏硬度（HR）（1）布氏硬度HBW 布氏硬度原理布氏硬度原理布氏硬度计通过测量压痕直径来

5、确定硬度值（2）洛氏硬度 洛氏硬度计HRA淬火钢、硬质合金等7085HRAHRB退火钢、铜合金等25100HRBHRC冷硬铸铁、淬火钢2067HRC洛氏硬度原理洛氏硬度原理通过测量压痕深度来确定硬度值通过测量压痕对角线长度来确定硬度值维氏硬度计（3）维氏硬度HV4冲击韧性冲击韧性材料的冲击韧性用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。 冲击韧性冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。衡量指标为冲击韧度，用符号 ak表示，单位为J/cm2。冲击试验设备冲击实验冲击实验5疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度指金属材料在多次交变载荷作用下而不断裂的最大应力。常用符号R1表示。 在工程中有许多构件是在交变载荷

6、的作用下工作的，虽然承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后会突然发生完全断裂，此现象称为金属的疲劳金属的疲劳。疲劳断裂断口示意图（3）对构件表面采取强化处理措施，如化学热处理、表面淬火、喷丸和滚压等。提高构件的疲劳强度的措施：（1）减小构件的表面粗糙度值，提高材料内部质量。（2）在构件结构设计时尽量避免尖角、缺口及截面突变。机械零件的失效和材料的力学性能机械零件的失效和材料的力学性能 螺栓的失效螺栓弯曲螺栓折断螺栓磨损 材料的力学性能在生活和生产中的体现数控机床护罩模压成形的餐具可转位式刀具的刀片冲模冲头例例1-1：某厂购进一批40钢钢材，按国家规定，它的力学性能指标应不低于下列

7、数值：下屈服强度ReL ，340N/mm2；抗拉强度Rm，540N/mm2；断后伸长率A，19%；断面收缩率Z，45%。验收时，将40钢制成d0=10mm的短试样作拉伸试验，测得FeL=30000N，Fm=45000N，L1=60.5mm、d1 =7.3mm。请判断这批钢材是否合格（得数保留整数）。解题过程解题过程例例1-2：有一个直径d0=10mm, L0=100mm的低碳钢试样，拉伸试验时测得Fe=21000N，Fm =29000N，d1 =5.65mm，L1=138mm。求此试样的ReL、 Rm 、A、Z。解题过程解题过程常用的力学性能指标及其说明力学性力学性能能 性性 能能 指指 标标

8、 说说 明明 名名 称称 符号符号 单位单位 強 度 屈服强度 ReN/mm2（Mpa） 拉伸时，力不断增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时的应力 抗拉强度RmN/mm2（Mpa）试样拉断前所承受的最大应力条件屈服应力Re0.2N/mm2（Mpa）规定残余伸长率达0.2%时的应力塑 性 断后伸长率 A % 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。A越大，材料的塑性越好 断面收缩率 Z % 试样拉断后，缩颈处横截面积缩减量与原始横截面积的百分比。Z越大，材料的塑性越好 KK（转下页）力学性力学性能能 性性 能能 指指 标标 说说 明明 名名 称称 符符号号 单位单位 硬 度 布氏硬度 HB 用

9、载荷除以压痕球形面积所得的商作为硬度值。根据压痕直径来衡量硬度，一般用于硬度不高的材料 洛氏硬度 HR 根据压痕深度来衡量硬度，HRC应用最广，一般经过淬火的钢件(2067HRC)维氏硬度 HV 用载荷除以压痕表面积所得的商作为硬度值。根据压痕对角线长度来衡量硬度，一般用于表面薄硬层及化学热处理的表面层冲击韧性 冲击韧度akJ/cm2 冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功。 ak越大，材料的冲击韧性越好疲劳强度疲劳极限 R1 MPa 金属材料承受无数次(一般为107周次)对称循环交变应力仍不断裂的最大应力。 三、金属材料的工艺性能三、金属材料的工艺性能金属材料的一般加工过程：金属材料的工艺性能

10、金属材料的工艺性能金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性、锻造性、切削加工性和焊接性、热处理性等。 冶炼铸造铸件铸锭热锻热轧板料、棒材、型材、管材机加工机加工零件焊接机加工冷轧、冷拔、冷冲1铸造性2可锻性3焊接性4冷弯性5切削加工性6热处理工艺性 金属材料的工艺性能：铸造性铸造性指金属材料用铸造的方法获得优良铸件的能力。金属材料的铸造性主要包括流动性、收缩性和偏析倾向等。1铸造性铸造性砂型铸件的生产过程指金属凝固后铸件内部化学成分和组织的不均匀性。（1）流动性液态金属充满型腔的能力。（2）收缩性铸件在凝固和冷却时体积收缩的能力。（3）偏析倾向缩孔和缩松可锻性的好坏主要与金属材料的塑

11、性有关。塑性越好，可锻性越好。2可锻性可锻性可锻性可锻性指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的能力。钢材的含碳量是影响焊接性的主要因素。3焊接性焊接性焊接性焊接性指金属材料对焊接加工的适应能力，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。焊条电弧焊操作图测定冷弯性通常是用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能。4冷弯性冷弯性冷弯性冷弯性钢材在冷加工发生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。6热处理工艺性热处理工艺性热处理工艺性热处理工艺性金属材料适应各种热处理工艺的能力。5切削加工性切削加工性切削加工性切削加工性金属材料经切削加工后成为合格工件的难易程度。切削加工性常用加工后工件的表面粗表面粗糙度、允许的切削速度