《金屬工藝學》第一章金屬材料的力學性能

1、第一章 鋼鐵材料及熱處理一、鋼鐵材料與熱處理的關(guān)系基本知識點：1.鋼鐵自身固有的力學性能一般是不能滿足零件的受力性要求。2.鋼鐵機械零件必須經(jīng)過熱處理才能用。 機械中的大多數(shù)金屬零件是用鋼鋼或鑄鐵鑄鐵制造的，但鋼鐵材料自身固有的性能，是不能滿足如受力性、可切削加工性。必須要經(jīng)過熱處理：1）提高零件的受力性；2）調(diào)整毛坯的硬度，以利于切削加工；3）消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力，防止零件的變形。二、鋼鐵生產(chǎn) 基本知識點：鑄鐵件生產(chǎn)煉鋼的原料-生鐵鋼錠型材 1. 鋼鐵生產(chǎn) 是以鐵礦石為原料經(jīng)在高爐冶煉成生鐵（含硅量較高，硬度較低） ，一部分用于澆注成鑄鐵件（毛坯），即鑄造生產(chǎn)。另一部分澆注成生鐵塊，用作煉鋼的原

2、料。2. 鋼錠 是用轉(zhuǎn)爐、平爐、電爐對生鐵進一步精煉成鋼液，并澆注到錠模，冷卻凝固成鋼錠。3. 鋼錠的性能 鋼的冶煉只是保證鋼具有一定的化學成分，力學性能很差，不能直接用做零件的材料。 4. 型材 是鋼錠經(jīng)軋制、擠壓、鍛造等壓力加工，使金屬產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部質(zhì)量改善，機械性能提升，而制成的各種規(guī)格的鋼板、圓鋼、條鋼、工字鋼、槽鋼等。 1-1 金屬及合金的性能 金屬材料的性能包括：使用性能和工藝性能。使用性能 指金屬材料在使用中表現(xiàn)出的特征，包括力學性能、物理性能、化學性能。 從機械零件和工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計角度，重點放在金屬材料的力力學性能學性能。 一、 金屬材料的力學性能 力學性能又稱機械性能，是

3、材料在力的作用下力的作用下所表現(xiàn)出來的特征。機械力的作用形式 金屬材料的力學性能指標 主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和剛度。 以上指標是機械零件和工程結(jié)構(gòu)件選材和強度設(shè)計的主要依據(jù)。1. 強度 是金屬在外力作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。強度的定義式 強度是用應(yīng)力表示，即機械零件設(shè)計常用的強度指標 抗拉強度 屈服點金屬材料的抗拉強度與屈服點 金屬材料這兩個強度指標，是通過對金屬試樣做拉伸試驗測定出的。（1）低碳鋼的拉伸試驗 是將低碳鋼棒料加工成標準試樣，裝在拉伸機上，在試樣兩端緩慢施加軸向載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。a.低碳鋼的拉伸曲線理論 要點知識：I.oe直線彈性變形特征

4、。去掉外力后伸長變形立即恢復(fù)。ue點處的應(yīng)力 ：為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為材料的彈性極限。0SFeeuoe直線的斜率值：稱為材料的彈性模量，用E表示。表征材料抵抗彈性變形的能力，技術(shù)上表示金屬的剛度。II.es曲線屈服特征。即載荷超過Fe再卸載時，試樣的伸長只能部分地恢復(fù)，產(chǎn)生了部分塑塑性變形性變形。 III.S處水平段稱作“屈服點屈服點”。即當載荷增加到Fs時，拉力無需再增大，試樣仍可繼續(xù)伸長。或稱“屈服強度”，即料的“屈服點”的比值，定為低碳鋼材與試樣原始面積點處的拉力規(guī)定：MPaSFSFssss00金屬材料屈服點的工程意義：1）鍋爐、壓力容器、汽車發(fā)動機缸體上的緊固螺栓、鍵、銷等零

5、件，在受載時是不允許屈服的，其工作應(yīng)力必須小于材料的屈服點。屈服強度等級。可直接知道材料的屈服點指標來命名的，鋼等鋼材是以材料的鋼、）如依據(jù)之一。是機械零件設(shè)計的主要。故應(yīng)力值，其零件允許的工作）金屬材料的Q275Q23532sesIV.sb曲線強化階段。材料屈服后隨變形程度的增大，金屬內(nèi)部要產(chǎn)生變形抗力，須不斷增大載荷，試樣才能繼續(xù)伸長。V.bz曲線縮頸階段。即當載荷超過Fb值，試樣出現(xiàn)局部 “縮頸” 直至斷裂。“縮頸” ：零件受力橫截面積變小，是零件發(fā)生斷裂的前奏。 要點：1）Fb是零件產(chǎn)生“縮頸”所能承受的最大拉力。2）規(guī)定：b點處的拉應(yīng)力值為低碳鋼材料的抗拉強度，用.0MPaSFbbb

6、符號表示，3）抗拉強度 的工程意義 金屬零件所承受的最大工作應(yīng)力值不允許超過 ，否則會斷裂。bb2. 塑性 是指金屬在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不斷裂的能力。（1）塑性指標 是用拉伸試驗測得的試樣伸長率 和端面收縮率 來衡量。要點知識：稱為脆性材料。值幾乎為零，、扎制薄板。鑄鐵的，可拉制細絲、；如合金、低碳鋼等，不會斷裂。如銅鋁及其量的塑性變形而這樣的金屬可以發(fā)生大性越好。值越大，表示材料的塑、）%80%501 2）應(yīng)用知識 如車身架材料，要用塑性好的低合金鋼制造，如受力過大（超載）時，先產(chǎn)生塑性變形而不致突然斷裂。 3）塑性好的金屬材料是進行鍛造、沖壓、焊接的必要條件。3. 硬度 是指材料抵抗

7、局部變形，特別是局部塑性變形、壓痕、劃痕的能力。 基本知識點：硬度是機械零件、工具等必須具有的機械性能指標。 如制造業(yè)用的刀具、量具、鍛錘及模具等，都要具有足夠的硬度，以耐磨和防止受沖擊力時產(chǎn)生裂紋。硬度可間接反映金屬的強度、塑性、韌性及化學成分，是一項綜合性的機械性能指標。 （1）金屬材料的硬度指標 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鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，用來測定“較軟”金屬材料硬度的方法。a)布氏硬度（HB）測定的原理： 根據(jù)壓痕直徑d，按下式求出壓痕表面積上的應(yīng)力值，此應(yīng)力值即為材料的布氏硬度值。)(2102. 0222mmNdDDD

8、FAFHBSb)布氏硬度值的表示方法 如230HBS、500HBW。 S 淬火鋼球壓頭。 W硬質(zhì)合金鋼球壓頭。c)布氏硬度法的應(yīng)用 HBS淬火鋼球壓頭、 HBW硬質(zhì)合金壓頭用于測定如鑄鐵件、有色金屬及合金、退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。b.洛氏硬度 洛氏硬度法是用 金剛石圓錐體作壓頭，用來測定較硬金屬材料硬度的方法。0120a)洛氏硬度法的應(yīng)用 用于硬金屬材料如淬火鋼、滲碳鋼、模具工具鋼等硬度的測定。b)洛氏硬度的表示方法 如2067HRC。 （2）硬度值與機械設(shè)計 零件工作面要規(guī)定足夠的硬度，以耐磨損，防止疲勞斷裂。硬度和強度間有一定換算關(guān)系，如機械設(shè)計基礎(chǔ)教材中的 圖表所示。4. 沖擊韌性 沖

9、擊韌性又稱韌性，是指材料受快速或突然載荷的作用，斷裂前所能吸收最大沖擊功的能力。u沖擊載荷：載荷以快速或突然的方式作用在零件上。（1）材料沖擊韌性的指標 用擺錘式?jīng)_擊試驗測出的試樣所受最大沖擊吸收功AK與S0的比值來衡量，見教材圖1-4。試樣缺口處截面積受最大沖擊吸收功020)/(sAcmJsAakkk 基本知識點：強度、塑性、硬度指標，都是在緩慢加載或靜載荷條件下測定的。機器中的零件大多要受沖擊載荷作用，如連桿、鍵連接、齒輪傳動、鉆機、碎石機械，鐵軌受力，沖模、鍛模等。制造承受沖擊載荷的零件，除應(yīng)保證足夠的靜力學性能如強度、硬度，還必須要有足夠的韌性韌性，即耐沖擊的能力。（2）沖擊韌性與機械

10、零件設(shè)計 材料的 值，只是表明其抗一次大沖擊而不斷裂的能力。金屬零件受大能量沖擊作用，其抗沖擊能力決定于akv值。ka受小能量多次沖擊的作用，零件抗沖擊能力是取決于強度和塑性。u受較高沖擊力作用，要提高零件的塑性值；u受小沖擊力作用，要提高零件的強度。 如連桿、曲軸，碎石機鄂板等，都是受多次小能量沖擊力作用，這些零件可用球墨鑄鐵件或孕育鑄鐵件制造。注意，鑄鐵類的ak值幾乎為零，但經(jīng)熱處理后具有較高的強度、硬度。受大能量沖擊作用的零件，選擇材料時，要考慮材料的沖擊韌性指標ak值大小。 如飛機起落架、礦山載重汽車的大梁、蒸汽錘的錘桿等，工作時受大能量沖擊力作用，其零件要用高ak值的金屬材料制造。5

11、. 疲勞強度（1）疲勞破壞 很多機械零件如軸、齒輪、連桿等，是在交變循環(huán)載荷作用下工作，盡管受到的工作應(yīng)力值低于材料的強度極限 ，甚至 ，在零件應(yīng)力集中處仍會產(chǎn)生裂紋，直至發(fā)生斷裂，此破壞稱為疲勞破壞疲勞破壞。sb 具統(tǒng)計，有約80%的機械零件失效，都是由疲勞破壞引起。因此，研究和預(yù)防材料疲勞破壞極其重要。 （2）疲勞強度 工程規(guī)定，材料在指定循環(huán)基數(shù)（107次以上）的交變載荷作用下不引起斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強度，又稱疲勞極限，用符號 表示。 1（3）疲勞強度的測定 試驗驗證，在交變載荷作用下，材料承受的工作應(yīng)力值與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有如下關(guān)系： 當工作應(yīng)力值下降到某一數(shù)值時

12、，材料的疲勞曲線成水平線，這表示材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)作用而不發(fā)生疲勞斷裂，這個應(yīng)力值即為該材料的疲勞強度。（4）零件疲勞破壞的特征 沒有明顯的塑性變形，是突然斷裂。（5）零件疲勞斷裂的原因 材料內(nèi)部有氣孔、夾雜物，表面有劃痕或顯微裂痕等。（6）提高零件疲勞強度的措施采用鍛造、軋制等壓力加工方式生產(chǎn)零件的毛坯。（因壓力加工方式可消除材料內(nèi)部的氣孔、擊碎夾雜物，使材料內(nèi)部組織致密）對零件表面進行強化處理，如滾壓、噴丸、表面淬火，以提高工作面硬度。（可去除或防止出現(xiàn)顯微裂紋，且裂紋擴展慢）（7）疲勞強度與機械設(shè)計 機械傳動中重要的軸、連接螺栓桿、發(fā)動機中的曲軸、連桿等，要進行零件的疲勞強度校核計

13、算。6. 剛度 指材料抵抗彈性變形的能力。材料的剛度用彈性模量E值衡量。（1）剛度與機械設(shè)計機床主軸、滑枕、床身等，選材時應(yīng)選彈性模量大的材料。 材料的剛度不等于機件的剛度。機件的剛度除與材料的E值有關(guān)，還取決于機件的斷面形式。 工字形截面、環(huán)行截面，并力求結(jié)構(gòu)中壁厚均勻等，都是提高機件剛度的設(shè)計。三、工藝性能 指材料在加工的過程中所表現(xiàn)出的特征。如是否容易加工或做出的毛坯質(zhì)量如何。1. 材料工藝性能的內(nèi)容 按工藝方法的不同有：鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能。（1）鑄造性能 指金屬用鑄造方法制成鑄件，材料所表現(xiàn)出的性能。用流動性、收縮率和偏析這三個指標來衡量。流動性 指

14、熔融金屬流動的能力。流動性好的金屬，容易充滿鑄型，鑄件外形完整、尺寸準確。收縮率 材料的收縮量愈小，鑄件產(chǎn)生的疏松、縮孔、變形、裂紋等缺陷愈少。偏析 指鑄件凝固后內(nèi)部化學成分不均勻現(xiàn)象。材料偏析嚴重，鑄件各部分的力學性能就不一致?；局R點：鑄鐵類的鑄造性能最好，鋁合金其次；鋼的鑄造性能較差。 （2）鍛壓性能 指金屬用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良制件的難易程度。 要點：材料的鍛壓性能，用塑性值和變形抗力兩個指標來衡量。鍛壓性能好的金屬有低碳鋼、低合金鋼；黃銅、鋁合金在室溫下就有良好的鍛壓性能；鑄鐵、高碳鋼等鍛壓性能差。（3）焊接性能 指金屬焊接時，能否獲得優(yōu)良焊接接頭的能力。 要點：優(yōu)良焊接接頭 指焊縫處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。焊接性能好的金屬：低碳鋼、低合金鋼；高碳鋼、鑄鐵和鋁合金的焊接性較差。 如用高碳鋼、鑄鐵和鋁合金制成的機件，需與其它機件相連時，應(yīng)采用螺紋聯(lián)接或鉚接。（4）熱處理工藝性 指材料是否容易通過熱處理獲得所需力學性能而不開裂的能力?；局R點：高碳鋼、中高合金鋼，其導熱性較差，加熱時采用多段加熱