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第2章工程材料的基本知识2.1金属材料的主要性能用来制造零件的金属材料应具有优良的使用性能及工艺性能。所谓使用性能，是指机器零件在正常工作情况下金属材料应具备的性能，它包括机械性能(或称之为力学性能)、物理和化学性能。而工艺性能是指零件在冷、热加工制造过程中，金属材料应具备的与加工工艺相适应的性能。2.2金属材料的机械性能所谓机械性能，是指零件在载荷作用下所反映出来的抵抗变形或断裂的性能。机械性能指标是零件在设计计算、选材、工艺评定以及材料检验时的主要依据。由于外加载荷性质的不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击及循环载荷等)，所以对金属材料的机械性能指标要求也将不同。常用的机械性能指标包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性及疲劳强度等。一.强度金属材料在外力作用下抵抗破坏(过量的塑性变形或断裂)的性能叫做强度。由于外力的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等，所以强度也分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、屈服强度。一般以测定材料的抗拉强度（σb）为主。二.硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前常用的测定硬度的方法为压入法。它是用特定的几何形状压头在一定载荷作用下，压入被测试样材料表面，根据被压入的程度来测定其硬度值。所以硬度值的物理意义是金属材料表面抵抗局部压入塑性变形的能力。常用的硬度的指标有：布氏硬度(HBS或HBW)及洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)。1.布氏硬度布氏硬度测定原理是用一定大小的载荷将一定直径的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸载，根据载荷P和压痕的表面积F凹求出应力值作为布氏硬度值。布氏硬度试验法用于测定硬度不高的金属材料，如铸铁、有色金属、一般经退火、正火后的钢材等。2.洛氏硬度洛氏硬度测定原理是以测量压痕深度为硬度的计量指标，由于采用了不同的压头及载荷，可用来测量从极软到极硬的金属材料的硬度。洛氏硬度的三种标度(HRA、HRB、HRC)中，常用的是HRC洛氏硬度，它采用金刚石圆锥体做压头，可用来测量硬度很高的材料，如淬火钢、调质钢等。三.塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。金属材料在断裂前的塑性变形越大，表示材料的塑性越好；反之，则表示材料的塑性越差。常用的塑性指标是通过拉力试验测得的伸长率和断面收缩率。1.伸长率伸长率是试样拉断后标距长度的增加量与原标距长度的百分比，用符号δ表示。可按下式计算：δ＝（l1－l0/l0）×100%式中：l0—试样的原始标距，mm；l1—试样拉断后的标距长度，mm。2.断面收缩率断面收缩率是试样拉断处横断面积的减小量与原横断面积的百分比，用ψ表示。可按下式计算：ψ＝（A0－A1/A0）×100%式中：A1—试样断口处的横截面积，mm2，A0—试样原横断面积，mm2。四.冲击韧性许多机械器零件和工具在工作过程中往往会受到冲击载荷的作用，由于冲击载荷的加载速度高，使得整个材料的均匀塑性变形来不及进行，塑性变形比较集中地产生于某些局部区域，因而应力分布也不是均匀的。当原材料的冶金质量或加工后的产品质量有缺陷时，在冲击载荷作用下，便出现因韧性下降而脆断的现象。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。工程技术上为评定金属材料抗冲击载荷的能力，采和带缺口的冲击试样进行一次摆锤冲击弯曲试验，可测得将试样击断时所消耗的功—冲击功Ak(焦耳)。若将冲击功Ak除以试样缺口处的横断面积A(cm2)得到的商称为“冲击韧性”，用符号αk(J/cm2)表示。可按下式计算：αk＝Ak/A五.疲劳强度很多机械零件，如各种轴、齿轮、连杆、弹簧等，是在交变载荷的作用下工作的。在这种重复交变载荷的作用之下，金属材料会在远低于该材料的抗拉强度σb，甚至小于屈服点σs的应力下失效（出现裂纹或完全断裂），这种现象称为金属的疲劳。当金属在“无数次”(对钢铁来说约为106～107次)重复交变载荷作用下而不致引起断裂时的最大应力，称为疲劳强度，用以衡量金属抵抗疲劳破坏的能力。应力循环对称时的疲劳强度用符号σ－1表示。常用机械性能指标及其含义见表2－1。表2－1常用机械性能指标及其含义机械性能性能指标说明名称符号单位強度抗拉强度σbMPa金属拉断前的最大载荷所对应的应力，代表金属抵抗最大均匀塑性变形或断裂的能力。屈服强度σsMPa金属屈服时对应的应力，是对微量塑性变形的抵抗能力。塑性延伸率δ%试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，δ愈大，材料的塑性愈好。断面收缩率ψ%试样拉断处横断面积减小量与原横断面积的百分比，ψ愈大，材料的塑性愈好。硬度布氏硬度HB用载荷除以压痕球形面积所得的商作为硬度值。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(HRC20～67)都用此洛氏硬度。维氏硬度HV用载荷除以压痕表面积所得的商作为硬度值。一般用于表面薄层硬化钢化或薄的金属件的硬度。韧性冲击韧性αkJ/cm2将试样击断时所消耗的功—冲击功，αk愈大，材料的韧性愈好。抗疲劳性疲劳强度σ－1MPa金属材料经受多次(一般为107周次)对称循环交变应力的作用而不产生疲劳破坏的最大应力。2.3金属材料的物理、化学及工艺性能1.物理性能金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性和导电性等。用于不同场合下的机器零件，对所用材料的物理性能要求是不一样的。2.化学性能金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力即为化学性能，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。3.工艺性能金属材料的工艺性能用是指材料对于相应加工工艺适应的性能，按加工工艺方法的不同，有铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性及热处理等。在零件设计时的选材环节中，一定要考虑到在选定的加工工艺方法下，该材料的相应工艺性能是否良好，否则便不选用它，而换用另一种材料或另一种加工工艺。2.4常用的工程材料工程材料是指制造工程结构和机器零件使用的材料，主要包括金属、非金属和复合材料三大类。一、金属材料金属材料是含有一种或几种金属元素（有时亦含有非金属元素），以极微小的晶体结构所组成的，具有金属光泽的，有良好导电导热性能的，有一定力学性能的材料。通常指钢、铁、铝、铜等纯金属及其合金。（一）钢钢是含碳质量分数小于2.11%（实际上小于1.35%），并含有少量杂质元素的铁碳合金。钢具有良好的使用性能和工艺性能，而且产量大、价格较为低廉，因此应用非常广泛。钢的分类方法很多，常见的分类方法有如图2—2所示的几种：图2-2钢的分类1.碳素钢的牌号、性能及用途碳素钢的熔炼过程比较简单，生产费用较低，价格便宜，主要用于工程结构，制成热轧钢板、钢带和棒钢等产品，广泛用于工程建筑、车辆、船舶以及桥梁、容器等构件。常用的碳素钢的分类、牌号及应用见表2－2所示。表2－2常用的碳素钢的分类、牌号及应用分类牌号应用举例牌号举例符号说明碳素结构钢Q235AFQ：表示屈服强度汉语拼音字首；235：表示σs≥235MPa；A：表示硫、磷含量的多少；F：表示为沸腾钢；螺钉、螺母、螺栓、垫圈、手柄、小轴及型材等。优质碳素结构钢20；40；45；65；两位数字代表钢中平均含碳量的万分数。例如：45钢种的平均含碳量为0.45%。制造各类机械零件，例如：轴、齿轮、连杆、各种弹簧等。碳素工具钢T7；T8；T12;T12A；T：表示碳工具钢汉语拼音字首；数字编号：表示钢的平均含碳量的千分数。例如，T7代表含碳量约等于0.7％的优质碳素工具钢；A：表示高级优质碳素工具钢，钢中有害杂质(P、S)的含量较少。制造各类刀具、量具和模具。例如：锤头、钻头、冲头、丝锥、板牙、锯条、刨刀、锉刀、量具、剃刀、小型冲模等。2.合金钢的牌号、性能及用途为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入一些元素，称为合金元素。含有合金元素的钢，就叫合金钢。钢中加入的合金元素主要有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、B及稀土元素(Re)等。这类钢比碳钢具有更高的机械性能和某些特殊性能(如耐热、耐蚀、耐磨性能等)，常用作重要的机器零件和工具，或要求特殊性能的零件。常用的合金钢的分类、牌号及应用见表2-3所示。表2-3常用的合金钢的分类、牌号及应用分类牌号应用举例牌号举例符号说明合金结构钢16Mn；40Cr；60Si2Mn数字编号：表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号：表示加入的合金元素，当合金元素平均含量小于1.5％时，则只标出元素符号，而不标明其含量；倘若元素的平均含量在(1.5~2.5)％之间时，元素符号后面写数字2；当元素的含量在(2.5~3.5)％之间时，元素符号后面写数字3；制造各类重要的机械零件，例如：齿轮、活塞销、凸轮、气门顶杆、曲轴、机床主轴、板簧、卷簧、压力容器、汽车纵横梁、桥梁结构、船舶结构等。合金工具钢5CrMnMo；W18Cr4V；9SiCr；数字编号：表示钢的平均含碳量的千分数。元素符号：表示加入的合金元素，当合金元素平均含量小于1.5％时，则只标出元素符号，而不标明其含量；倘若元素的平均含量在(1.5~2.5)％之间时，元素符号后面写数字2；当元素的含量在(2.5~3.5)％之间时，元素符号后面写数字3；制造各类重要的、大型复杂的刀具、量具和模具。例如：板牙、丝锥、形状复杂的冲模、块规、螺纹塞规、样板、铣刀、车刀、刨刀、钻头等。特1Cr18Ni9Ti；不锈钢：1Cr18Ni9Ti；不锈钢：医疗器械、耐酸殊性能钢4Cr9Si2；ZGMn13；耐热钢：4Cr9Si2；耐磨钢：ZGMn13；容器、管道等。耐热钢：加热炉构件、过热器等。耐磨钢：破碎机颚板、衬板、履带板等。（二）铸铁铸铁是指含碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。工业上常用铸铁的含碳量一般在2.5％～4％之间，此外，铸铁中还含有较多的锰、硅、磷、硫等元素。铸铁与钢相比，虽然机械性能较低(强度低、塑性低、脆性大)，但却有着优良的铸造工艺性、切削加工性、消震性和减磨性等。因此，铸铁在生产中仍获得普遍应用。铸铁中的碳，由于成分和凝固时冷却条件的不同，可以呈化合状态(Fe3C)或游离状态(石墨)存在，这就使铸铁的内部组织、性能、用途方面存在较大的差异，通常铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。常用的铸铁的分类、牌号及应用见表2-4所示。表2-4常用的铸铁的分类、牌号及应用分类牌号应用举例牌号举例符号说明灰口铸铁HT100；HT150；HT200；HT250；HT300；HT350；HT：表示灰铁汉语拼音字首；数字：表示该材料的最低抗拉强度值，单位是Mpa。例如：HT200，表示σb≥200MPa的灰口铸铁材料。制造各类机械零件，例如：机床床身、飞轮、机座、轴承座、气缸体、齿轮箱、液压泵体等。可锻铸铁KT300-06；KT350-10；KT450-06；KT650-02；KT700-02；KT：表示可铁汉语拼音字首；数字：分别表示材料的最低抗拉强度值(MPa)和最低伸长(δ％)。例如：KT450-06表示抗拉强度σb不低于450MPa，伸长率δ不低于6％的可锻铸铁材料。制造各类机械零件，例如：曲轴、连杆、凸轮轴、摇臂活塞环等。球墨铸铁QT400-18；QT500-07；QT600-03；QT900-02；QT：表示球铁汉语拼音字首；数字：分别表示材料的最低抗拉强度值(MPa)和最低伸长(δ％)。例如：QT400-18表示抗拉强度σb不低于400MPa，伸长率δ不低于18％的球墨铸铁材料。用它可以代替部分铸钢或锻钢件，制造承受较大载荷、受冲击和耐磨损的零件，例如：大功率柴油机的曲轴、轧辊、中压阀门、汽车后桥等。（三）铸钢与铸铁相比，铸钢具有较高的综合机械性能，特别是塑性和韧性较好，使铸件在动载荷作用下安全可靠。此外，铸钢的焊接性较铸铁优良，这对于采用铸－焊联合工艺制造复杂零件和重要零件十分重要。但是，铸钢的铸造工艺性能差，为保证铸钢件的质量，还必须采取一些特殊的工艺措施，这就使铸钢件的生产成本高于铸铁。我国碳素铸钢件的牌号根据GB5613—85规定，用铸钢汉语拼音字首“ZG”加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值(MPa)，第二组数字