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1第3章机械工程材料主要内容：§3-1金属材料的性能§3-2钢铁材料§3-3钢的热处理§3-4有色金属及合金§3-5常用非金属材料简介2§3-1金属材料的性能材料是机械的物质基础。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能，工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用过程中金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。一、金属材料的物理性能金属的物理性能是指金属所固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、热膨胀性和磁性等。1.密度金属的密度是指单位体积金属的质量。根据密度的大小，金属分为轻金属和重金属。常将密度小于4.5×103㎏/m3的金属称为轻金属（铝、钛等）；密度大于4.5×103㎏/m3的金属称为重金属（铁、铜、铅等）。3密度是金属的特性之一，也是选材的关键性能指标之一。如发动机活塞（图3-2）的材料要求质轻和惯性小，常用密度小的铝合金材料制造。2.熔点金属从固体状态向液体状态转变时的临界温度成为熔点。一般用摄氏温度（℃）表示，纯金属都有其固定熔点，如锡的熔点为232℃。4熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金都是重要的工艺参数。熔点低的金属材料可用来制造易容丝（图3-3）和防火安全阀等零件；熔点高的金属材料则用来制造耐高温的零件，如在火箭、导弹和喷气飞机的制造方面被广泛应用。53.导热性金属材料传导热量的能力称为导热性，用热导率表示。通常金属越纯，其导热性能就越好。银的导热能力最好，铜、铝次之。导热性对制定焊接、铸造和热处理工艺，尤为重要，如散热器（图3-4）的制造就要注意选用导热性能好的金属材料。64.导电性金属能够传导电流的性能，称为导电性。金属导电性的好坏，常用电阻率表示。电阻率越小，导电性就越好。工业上常用铜、铝作导电材料（图3-5）；而用电阻率较大的铜合金和铁铬合金材料作电热元件，如电炉丝。5.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，用线胀系数表示。76.磁性金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据在磁场中受到磁化程度的不同金属材料可分为：（1）铁磁性材料指在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度的金属，如铁、钴、镍等。（2）顺磁性材料指在外加磁场中呈现十分微弱的磁性的金属，如锰、铬、钼等。（3）抗磁性材料指能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属，如铜、金、银、铅、锌等。铁磁性材料用于制造变压器、电动机等，抗磁性材料可用作要求避免电磁场干扰的零件。8常用金属材料的各项物理性能指标见表3-1。9二、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下表现出来的性能。它包括耐腐蚀性和抗氧化性。1.耐腐蚀性金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质（酸、碱和盐等）腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。金属在空气中很容易被腐蚀，尤其在腐蚀介质中工作的零件，腐蚀现象更为严重。所以在选择材料制造零件时，必须考虑金属材料的耐腐蚀性能。2.抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属的氧化作用随温度的升高而加剧。例如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工过程中，氧化比较严重，容易造成金属材料过量的损耗和形成各种缺陷。故常采取措施避免金属材料发生氧化。10通常把金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性，将金属材料在高温条件下的化学稳定性称为热稳定性。在高温下工作的设备，需要选择具有良好热稳定性的金属材料制造，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等。三、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在抵抗外力作用下表现出来的性能。它是评定金属材料质量、选材和进行有关强度计算的主要依据。金属材料的力学性能主要指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1.强度金属材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力，称为强度，常用屈服点σs和抗拉强度σb表示。11屈服点σs和抗拉强度σb是机械设计和选材的主要依据，当零件需要承受较大外力而不变形或断裂时，应选择强度较高的金属材料。2.塑性金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不被破坏的能力，称为塑性。金属材料塑性的好坏一般用伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量，δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好，塑性好的材料能比较容易进行锻压、轧制等压力加工。因此材料塑性的优劣对零件的加工和使用具有重要的实际意义。123.硬度硬度是衡量金属材料软硬的一个性能指标，指金属材料抵抗其他物体压入其表面的能力。它是材料强度、塑性等性能的综合体现。通常采用硬度试验来测定金属材料硬度的大小，方法为压入法和划痕法。压入法硬度试验是在规定的静态试验力作用下，将压头压入金属表面层，然后根据压痕面积大小或深度测定其硬度值。硬度的压入法试验分为布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）三种。13（1）布氏硬度原理：施加一定的作用力，把一定直径的硬质合金球压入测试件表面，经规定的保持时间后卸除外力。以压痕单位面积上的平均压力表示被测金属材料的布氏硬度值（图3-6）。如45钢调质后的布氏硬度值为220，表示为220HBW。14（2）洛氏硬度原理：用锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588㎜的淬火钢球压入试样表面，以压痕的深度测定其硬度值（图3-7）。根据试验用的压头与载荷不同，洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三种。例如碳素工具钢T10的淬火硬度表示为62HRC。15（3）维氏硬度原理：与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值，但区别在于其压头是一个两相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥（图3-8）。在实际应用中，维氏硬度一般不进行计算，可根据压痕对角线的长度直接从表查得。164.韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，称为韧性。材料的冲击韧性一般在摆锤试验机上进行测试，测得试样在冲断时断口单位面积所消耗的冲击吸收功，称冲击韧度，用aK表示。aK的值越大，表示该金属材料抵抗冲击力而不被破坏的能力越强。进行试验一般用标准的带缺口（V形或U形）试样，所以有时也用冲击吸收功Ak表征金属的冲击韧性。5.疲劳强度金属材料在受到无限次循环载荷作用下而不断裂的最大应力值，称为疲劳强度。一般试验时规定，钢在经受107次、有色金属经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环变化时，所得的疲劳强度用σ-1表示。17四、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能包括：铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。1.铸造性金属材料能否用铸造的方法制成优良铸件的性能，称为铸造性。金属材料熔化后金属液的流动性以及金属在液态凝固和冷却至室温过程中的收缩性，是决定金属材料铸造性的主要因素。灰铸铁具有较好的铸造性。2.锻造性金属材料能否用锻造的方法制成优良锻件的性能，称为锻造性。锻造性与材料的塑性有关，塑性好其锻造性较好。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢较差。183.焊接性金属材料在一定的焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性。它表现为焊缝是否产生裂纹、气孔等。焊接性能好的材料易于用一般的方法焊接，焊接时不易产生裂纹、气孔等缺陷，且焊缝接头有一定的力学性能。低碳钢有较好的焊接性，高碳钢较差，铸铁则更差。铜、铝合金的焊接性一般都比碳钢差。4.切削加工性金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性。切削加工性好的金属材料，在切削加工时刀具磨损小，加工表面好。切削时切屑易于折断，也表明材料切削加工性能好。硬度过高或过低的金属材料，其切削加工性能较差。19§3-2钢铁材料钢铁材料是钢和铸铁的总称，是以铁为主加入碳等其他合金元素所组成的合金，也称为铁碳合金，是工业上使用最多的金属材料。一般把含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢；大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。钢按化学成分可分为碳素钢（非合金钢）和合金钢两大类。一、碳素钢碳素钢也称为非合金钢或碳钢，是指以铁为主要元素、含碳量小于2.11%并含有硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。由于碳素钢具有工艺性能好、价格较低、力学性能好等优点，因此在工业中被广泛应用。201.碳素钢的分类碳素钢有多种分类方法，常用的有以下三种：（1）按含碳量来分类（2）按钢的质量分类钢的质量是以磷、硫的含量来划分的，分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如表3-2。2122（3）按钢的用途分类1）碳素结构钢指含碳量wc＜0.70%，主要用于制造齿轮、轴等各种机械零件和制作桥梁、建筑等工程结构件用钢。2）碳素工具钢指含碳量wc＞0.70%，主要用于制造各种刃具、模具、量具等工具用钢。此外，钢除了以上分类方法之外，还可以有其他的分类方法，如：按专业来分，可分为锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等。2.碳素结构钢在钢的分类中，将成分、质量和用途这三种分类方法结合起来，常将碳素结构钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两大类。23242526272829303132333435363738394041424344454647§3-3钢的热处理4849505152535455§3-4有色金属及合金5657585960616263