《金工实习》第1章 机械工程材料基础

第1章机械工程材料基础1.1

金属材料的性能1.2机械工程材料的分类及应用1.3钢铁材料的鉴别下一页返回1.1

金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性质。它包括力学性能，物理、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了机械零件的使用范围和寿命。工艺性能是指金属材料在加工过程中表现出的加工难易程度，它的好坏决定了它在加工过程中成型的适应能力。1.1.1力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出的性能。常用的力学性能主要有:强度、塑性、硬度、冲击韧度等。1.强度强度是指材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力，符号为σ，单位为MPa。测定强度最基本的方法是拉伸试验。常用的强度指标是屈服强度σs和抗拉强度σb

，屈服强度和抗拉强度可用拉伸试验测定。下一页返回1.1

金属材料的性能如图1-1所示是低碳钢的拉伸曲线。屈服强度是指材料在拉伸过程中，载荷不增大而试样伸长量却在继续增加时的应力，用σs表示。机械设计中，有时机械零件不允许发生塑性变形，或只允许少量的塑性变形，否则会失效，因此屈服强度是机械零件设计的主要依据。抗拉强度是指试样在拉断前所能承受的最大应力，用σb表示。它是机械零件设计和选材的重要依据。

2.塑性塑性是指在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率8和断面收缩率必。在拉伸实验中可同时测得。8和必愈大，材料的塑性愈好。反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行锻造、轧制等的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。上一页下一页返回1.1

金属材料的性能3.硬度硬度是材料抵抗局部变形(特别是塑性变形)、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的力学性能指标。硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，一也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此硬度是材料重要的力学性能之一。生产中应用较多的有布氏硬度和洛氏硬度。上一页下一页返回1.1

金属材料的性能(1)布氏硬度是用一定直径的球体(钢球或硬质合金球)，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验，布氏硬度试验原理图如图1-2所示。当试验的压头为淬硬钢球时，其硬度符号用HBS表示，适用于硬度值小于450HBS的退火钢、灰铸铁和非金属材料(有色金属)等。当试验压头为硬质合金球时，其硬度符号用HBW表示，适用于硬度值小于650HBW的淬火钢等。布氏硬度的缺点是压痕较大，不宜于测量成品及薄件。(2)洛氏硬度的测定是用顶角为1200的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬硬钢球做压头，以相应的载荷压入试样表面，由压痕深度确定其硬度值，如图1-3所示。上一页下一页返回1.1

金属材料的性能洛氏硬度可以从硬度计读数装置上直接读出。洛氏硬度有三种常用标度，分别以HRC,HRB,HRA表示。硬度值数字写在字母前面，如60HRC,85HRB等。三种洛氏硬度的符号、试验条件和应用范围见表1-1。

4.冲击韧度它是指材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。冲击韧度的测量方法，应用最普遍的是一次摆锤冲击试验。通常用冲击韧度ak来度量，单位为J/cm2。αk值越大，表示材料的冲击韧度越好。一般情况下，把αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。上一页下一页返回1.1

金属材料的性能1.1.2工艺性能工艺性能是指材料在加工过程中所表现出的性能。材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所以选材时必须充分考虑工艺性能。1.铸造性能是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属材料而言，铸造性能主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性一也好。2.锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。锻造性能好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的锻造性能较好，而铸铁锻造性能极差，不能锻造。上一页下一页返回1.1

金属材料的性能3.焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的焊接性，铜合金和铝合金的焊接性能较差，而灰铸铁的焊接性能很差。4.热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢在淬火时淬透的能力。含锰、铬、镍等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性较差。5.切削加工性能是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等因素有关。有利切削的硬度为170~230HBW，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。上一页返回1.2机械工程材料的分类及应用下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用1.2.1金属材料1.常用的钢铁材料钢铁材料是指钢和铸铁。工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金。合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳素钢的基础上，特意加入某些合金元素而得到的多元以铁为基础的合金。合金钢的性能比碳素钢更加优良，因此合金钢的用量逐年增大。(1)碳素钢。碳素钢是以铁和碳为主要元素而组成，常含有硅、锰、硫、磷等杂质成分。由于这类钢容易冶炼、价格低廉、工艺性好，在机械制造业中得到了广泛的应用。表1-2列出了碳素钢的牌号、种类和用途。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用(2)合金钢。合金钢是在碳素钢的基础上加入一些合金元素而成的钢。常用的合金元素有锰、硅、铬、镍、锢、钨、钒、钦、硼等。工业上常按用途把合金钢分成合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。表1-3列出了合金钢的牌号、种类和用途。常用铸铁是以铁和碳为主的合金，其碳的质量分数大于2.11%，此外还含有硅、锰、硫、磷等元素。由于铸铁生产方法简便、成本低廉、性能优良，所以成为人类最早使用和广泛使用的金属材料之一。根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态不同，将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁等。常用铸铁的牌号、种类和用途见表1-4。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用2.常用非铁材料—有色金属工业上把钢铁以外的金属称为非铁材料(有色金属)，非铁材料(有色金属)及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的力学、物理和化学性能，为现代工业中不可缺少的金属材料。非铁材料(有色金属)常用的有铝及铝合金、铜及铜合金等。常见有色金属及其合金的牌号、种类和用途见表1-5。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用1.2.2非金属材料长期以来，金属一直是机械工程上使用的主要材料。这是由于金属材料具有良好的力学性能和工艺性能的缘故。但随着科学技术的发展，对材料的要求愈来愈高，不但要求高强度，而且要求重量轻、耐蚀、耐高温、耐低温和良好的电气性能等。因此，近年来已有许多非金属材料如橡胶、陶瓷等用于各类机械工程结构。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用1.塑料塑料是以合成树脂为基础，加入各种添加剂(如增塑剂、润滑剂、稳定剂、填充剂等)制成的高分子材料。塑料具有密度低、耐蚀性好、绝缘、绝热、隔音性好、减摩耐磨性好、价格低、成型方便等优点。因此被广泛地用于包装、日用消费品、农业、交通、运输、航空、电子、化工、通信、机械、建筑材料等领域。塑料的缺点是强度及硬度低、耐热性差。塑料有多种分类方法。(1)按热性能分常有以下两种。①热塑性塑料。热塑性塑料典型的品种有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、ABS塑料、聚甲醛、聚矾、有机玻璃等。这类塑料特点是易于加工成型，可反复使用多次，强度较高，但耐热性和刚度较低。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用②热固性塑料。热固性塑料典型的品种有环氧、酚醛氨基、不饱和聚酷树脂等。这类塑料具有较高的耐热性和刚度，但脆性大，不能反复成型与再生使用。(2)按用途分常有以下三种。①通用塑料。通用塑料产量大、用途广、价格低。主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大品种。②工程塑料。工程塑料具有较好的力学性能，用做工程结构材料的塑料。常用的有ABS塑料、聚酞铰、聚甲醛、聚四氟乙烯等。③特种塑料。特种塑料是指耐热或具有特殊性能和特殊用途的塑料。品种有氟塑料、有机硅树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用2.橡胶橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料。工业上使用的橡胶是在生橡胶(天然或合成的)中加入各种配合剂经硫化后制成的。橡胶最大特点是弹性好，具有良好的吸振性、电绝缘性、耐磨性和化学稳定性。橡胶分天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶有很好的综合性能，广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。合成橡胶种类很多，常用的有丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。用于制造机械中的密封圈、减振器、电线包皮、轮胎、胶带等。特种橡胶有乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酷橡胶等。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用3.陶瓷陶瓷包括整个硅酸盐材料和氧化物材料，是无机非金属材料的总称。陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高熔点、高化学稳定性、高抗压强度。但很脆，抗拉强度低，成型和加工都较困难。陶瓷分普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷是由钻土、长石、石英等天然原料，经粉碎、成型和烧结制成制品，主要用于建筑工程、一般电气工业、生活用品及艺术品等。特种陶瓷是为满足工程上的特殊需要用人工提炼的、纯度较高的化合物制成的陶瓷，如高温陶瓷、电容器陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷等。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用1.2.3复合材料复合材料是由两种或两种以上材料，即基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料。复合材料保留了组成材料各自的优点，获得单一材料无法具备的优良综合性能。它们是按照性能要求而设计的一种新型材料。复合材料已成为当前结构材料发展的一个重要趋势。玻璃纤维增强树脂基为第一代复合材料，碳纤维增强树脂基为第二代复合材料，金属基、陶瓷基及碳基等复合材料则是日前正在发展的第三代复合材料。复合材料的种类繁多，按基体分，有金属基和非金属基两类。金属基主要有铝、镁、钦、铜等及其合金;非金属基主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷、水泥等。按使用性能分，有结构复合材料和功能复合材料。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用1.纤维增强材料纤维增强材料指纤维、丝、颗粒、片材、织物等。纤维增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、晶须(丝状单晶，直径很细，强度很高)、颗粒等。2.树脂基复合材料树脂基(又称聚合物基)复合材料以树脂为钻结材料，纤维为增强材料，其比强度、比模量大，耐疲劳、耐腐蚀、吸振性好，耐烧蚀、电绝缘好。树脂基复合材料包括玻璃纤维增强热固性塑料、玻璃纤维增强热塑性塑料、石棉纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料、混杂纤维增强塑料等。上一页下一页返回1.2机械工程材料的分类及应用3.碳一碳复合材料碳一碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维或其织物作为碳基体骨架，埋人碳基质中增强基质所制成的复合材料。碳一碳复合材料可制成碳度高、刚度好的复合材料。在1300℃以上，许多高温金属和无机耐高温材料都失去强度，唯独碳一碳复合材料的强度还稍有升高。其缺点是垂直于增强方向的强度低。4.金属基复合材料金属基复合材料是以金属、合金或金属间化合物为基体，含有增强成分的复合材料，与树脂基复合材料相比，金属基复合材料有较高的力学性能和高温强度，不吸湿，导电、导热，无高分子复合材料常见的老化现象。上一页返回1.3钢铁材料的鉴别钢铁材料品种繁多，性能各异，因此对钢铁材料的鉴别是非常必要的。常用的鉴别方法有火花鉴别法、色标鉴别法、断口鉴别法和音响鉴别法等。1.3.1火花鉴别火花鉴别是将钢铁材料轻轻压在旋转的砂轮上打磨，观察射出的火花形状和颜色，以判断钢铁成分范围的方法。火花鉴别的要点是:详细观察火花的火束粗细、长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况。注意观察组成火束的流线形态，火花束根部、中部及尾部的特殊情况和它的运动规律，同时还要观察火花的爆裂形态、花粉的大小和多少。下一页返回1.3钢铁材料的鉴别1.火花的形成和组成火花由火花束、流线、节点、爆花和尾花组成。火花束是指被测材料在砂轮上磨削时产生的全部火花，常由根部、中尾部三部分组成，如图1-4所示。流线就是线条状火花，每条流线都由节点、爆花和尾花组成，如图1-5所示。节点就是流线上火花爆裂的原点，呈明亮点，如图1-5所示。爆花就是节点处爆裂的火花，由许多小流线(芒线)及点状火花(花粉)组成，如图1-5所示。通常爆花可分为一次、二次、三次等，如图1-6所示。上一页下一页返回1.3钢铁材料的鉴别尾花就是流线尾部的火花。钢的化学成分不同，尾花的形状一也不同。通常，尾花可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。

2.常用钢铁的火花特征碳是钢铁材料火花的基本元素，一也是火花鉴别法测定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形状不同。(1)碳素钢的火花特征为:碳素钢的含碳量越高，则流线越多，火花束变短，爆花增加，花粉一也增多，火花亮度增加。①20钢火花束长，颜色橙黄带红，流线呈弧形，芒线多叉，为一次爆花，如图1-7所示。②45钢火花束稍短，颜色橙黄，流线较细长而多，芒线多叉，花粉较多，爆裂为多根分叉三次花，如图1-8所示。上一页下一页返回1.3钢铁材料的鉴别③T12钢火花束短粗，颜色暗红，流线细密，碎花，花粉多，为多次爆花，如图1-9所示。(2)铸铁的火花特征为:铸铁的火花束较粗，颜色多为橙红带橘红，流线较多，尾部渐粗，下垂成弧形，一般为二次爆花，花粉较多，火花试验时手感较软，图1-10所示为HT200的火花特征。

(3)合金钢的火花特征为:合金钢中的各种合金元素对其火花形状、颜色产生不同的影响，如可抑制或助长火花的爆裂等。因此，一也可根据其火花特征，基本上鉴定出合金元素的种类及大致含量，但不如碳钢的火花鉴定那样容易和准确，较难掌握。图1-11为W18Cr4V(高速钢)的火花特征示意图，其火花束细长，呈赤橙色，发光极暗，流线数量少，中部和根部为断续状，有时夹有波纹状流线;由于钨的影响，几乎没有火花爆裂，尾端膨胀、下垂成狐状尾花。上一页下一页返回1.3钢铁材料的鉴别1.3.2色标鉴别生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，在材料上需要做一定的标记，常用的标记方法有涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标记表示钢种、钢号的颜色，涂在材料一端的端面或端部，成捆交货的钢应涂在同一端的端面上，盘条则涂在卷的外侧。具体的涂色方法在有关标准中做了详细的规定，生产中可以根据材料的色标对钢铁材料进行鉴别。如碳素结构钢Q23s钢为红色，优质碳素结构钢20钢为棕色加绿色，4s钢为自色加棕色，铬轴钢GCrls钢为蓝色，高速钢W18Cr4V钢为棕色加蓝色，不锈钢1Cr18Ni9Ti钢为绿色加蓝色，等等。上一页下一页返回1.3钢铁材料的鉴别1.3.3断口鉴别材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的影响而导致断裂所形成的自然表面称断口。生产现场常根据断口的自然形态来判定材料的韧脆性，亦可据此判定相同热处理状的材料含碳量的高低。若断口呈纤维状，无金属光泽，颜色发暗，无结晶颗粒，且断口边有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低;若材料断口齐平，呈银灰色，且具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明材料属脆性断裂;而过共析钢或合金钢经淬火及低温回火后，断口常呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口特征。上一页下一页返回1.3钢铁材料的鉴别常用钢铁材料的断口特点大致为:低碳钢不易敲断，断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒;中碳