材料的機械性能指標(biāo)

關(guān)于材料的機械性能指標(biāo)第1頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.1.1強度（抗拉強度、屈服強度）

下圖是常用碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖

1、當(dāng)應(yīng)力值小于比例極限σp時，應(yīng)力與應(yīng)變之間成正比例關(guān)系，其比值即為鋼材的彈性模量E。

第2頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五2、當(dāng)應(yīng)力到達屈服點σs時，應(yīng)力即使不再增加，應(yīng)變卻會繼續(xù)增加，應(yīng)力一應(yīng)變曲線成水平段，稱為屈服階段?？山频卣J為鋼材在應(yīng)力達到屈服點之前是彈性體，而在屈服點之后是塑性體。

3、應(yīng)變超過屈服界階段之后，鋼由于應(yīng)變硬化，應(yīng)力—應(yīng)變曲線開始上升，但應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈線性關(guān)系，而應(yīng)變增加較快，最后達到曲線的最高點，材料出現(xiàn)頸縮而破壞，稱極限強度σb。

第3頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.1.2鋼材的塑性和韌性

鋼材的塑性用靜力拉伸試驗中的延伸率和載面收縮率來衡量。

延伸率：試件總伸長量與原標(biāo)距之比。延伸率是說明鋼材塑性的指標(biāo)，延伸率大則鋼的塑性好，加工容易，承載時雖出現(xiàn)較大變形而并不破壞。鋼材的韌性表征材料破壞前吸收機械能量的能力。第4頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五

硬度表征材料表面抵抗硬物壓入或刻畫的能力。硬度試驗的方法很多，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。1.布氏硬度

以一定壓力F將直徑為D的淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球壓入表面，并保持一段時間（10~30s），在試樣表面形成直徑為d的壓痕，以壓痕單位面積上承受的壓力值來衡量材料的硬度。查表就能得到布氏硬度值。布氏硬度的優(yōu)點是測量準(zhǔn)確性較高。但因采用的壓力較大，壓痕也較大，故不宜用來測試成品零件和較薄的試樣，通常用來測試硬度較低的原材料，如退火鋼和銅、鋁等。1.1.3硬度第5頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五2洛氏硬度洛氏硬度也是一種壓入式硬度試驗法，以壓痕深度來衡量材料的硬度。洛氏硬度的優(yōu)點是壓痕小，測試簡便迅速，特別適合在生產(chǎn)現(xiàn)場測試零件硬度，但其測量準(zhǔn)確性不及布氏硬度。第6頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五

表1.1-1常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍標(biāo)尺壓頭載荷（kgf）硬度值有效范圍適用范圍HRA120o圓錐金剛石6060——85硬質(zhì)合金、鋼的表面硬化層HRB?1.588mm鋼球10025——100退火鋼、銅合金等HRC120o圓錐金剛石15020——67經(jīng)淬火、回火的鋼片第7頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.1.4鋼材的可焊性

工程機械結(jié)構(gòu)大多為焊接結(jié)構(gòu)，鋼材的可焊性是衡量鋼材焊接工藝好壞的指標(biāo)。人們通常用焊縫及其相鄰的基本金屬的抗裂性和使用性能來說明材料可焊性的優(yōu)劣。碳素結(jié)構(gòu)鋼的可焊性，可以粗略地用碳當(dāng)量來表示，當(dāng)碳當(dāng)量<0.45%時，則認為鋼材的可焊性良好。

第8頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2黑色金屬材料1.2.1鋼與鑄鐵1.2.1.1鋼及分類

鋼是含碳量在0.0218%--2.11%之間的鐵碳合金。有些鋼除了含有鐵和碳這兩種必備元素外，還含有其他種類的合金元素，這些鋼稱為合金鋼。不含合金元素的鋼稱為碳素鋼。鋼中常見的合金元素有鉻（Cr）、錳（Mn）、硅（Si）、鎳（Ni）、鎢（W）、鉬（Mo）等。此外，鋼中還含有少量雜質(zhì)元素。其中硫和磷會使鋼的性能降低，因此高品質(zhì)的鋼都要嚴格限制硫和磷的含量。第9頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五

按化學(xué)成份分類低碳鋼（含碳量<0.25%）碳素鋼中碳鋼（含碳量=0.25%～0.60%）高碳鋼（含碳量>0.60%）低合金鋼（合金元素總量<5%）合金鋼中合金鋼（合金元素總量=5%～10%）高合金鋼（合金元素總量>10%第10頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2.1.2鑄鐵及分類

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，在常用的鑄鐵中，硅也是一種重要元素。

灰口鑄鐵一般含有2.8%-3.8%的碳，1.0%-3.0%的硅，組織中存在片狀石墨。灰口鑄鐵的強度、塑性和韌性都較低，但有良好的鑄造性、吸震性和可切削性且成本低廉。制造箱體。

球墨鑄鐵組織中存在球狀石墨，力學(xué)性能明顯優(yōu)于灰口鑄鐵，與鋼接近。但鑄造性能不及灰口鑄鐵，成本也稍高。制造曲軸、連桿等機械零件。第11頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2.1.3工程機械常用鋼

工程機械大都以泥沙、巖石為作業(yè)對象，工作環(huán)境惡劣，在作業(yè)中承受較大的沖擊載荷和強烈磨料磨損。因此，工程機械用材要求具有耐疲勞性能、耐磨性、耐沖擊性、低溫韌性、耐腐蝕性和良好的可焊性。大部分材料采用碳鋼和低合金鋼，如Q235，16Mn，20CrMnTi，30CrMnSi

等，其中高強度低合金鋼，以其高強度，延伸性、耐磨性、低溫韌性和可焊性良好而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在節(jié)省材料，減輕自重，提高耐磨性方面起到很好的作用。如美國卡特皮勒公司992B裝載機鏟斗選用的低合金鋼屈服強度達到990MPa。第12頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2.2鋼的熱處理

鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻，使鋼得到預(yù)期的組織和性能的工藝方法。鋼在進行加熱或冷卻的過程中，內(nèi)部組織將發(fā)生變化，機械性能發(fā)生變化。但不改變其形狀和尺寸。

第13頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五熱處理在機械零件制造中占有重要的地位。例如，鋼件毛坯在切削加工之前，可以通過熱處理降低其硬度，以便于切削，加工成零件之后，又可通過熱處理提高力學(xué)性能，使零件具有良好的使用性能和較長的使用壽命。

熱處理的方法很多，不同的熱處理工藝，主要在于加熱溫度高低、保溫時間長短和冷卻速度快慢的不同。第14頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五熱處理可分為普通熱處理工藝和表面熱處理。1.2.2.1鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理工藝是生產(chǎn)中應(yīng)用最普通的熱處理工藝，包括退火、正火、淬火與回火四種。（1）退火退火是把鋼加熱到臨界點以上某一溫度保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。對鋼進行退火的目的是：降低硬度以便切削加工；提高塑性、韌性以便于進行變形加工（冷沖壓及冷拔等）；消除內(nèi)應(yīng)力；改善某些不良組織。第15頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五（2）正火正火是將鋼加熱到完全奧氏體狀態(tài)，然后從爐中取出，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火主要用于改善中、低碳鋼的可切削性，消除某些鋼中的不良組織。一些性能要求不高的中碳鋼零件，也可以在正火后使用，而不必淬火、回火。

第16頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五（3）淬火淬火是將鋼件加熱到臨界點以上并保溫一段時間，然后快速冷印，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。為了獲得足夠快的冷卻速度，淬火時通常是將鋼件置于水或油中冷卻。由于馬氏體具有高硬度（高碳馬氏體）或高強度（低碳馬氏體），所以淬火是使鋼強化最有效、最重要的方法之一。第17頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五（4）回火：回火是將淬水后的鋼件加熱到臨界點以下某一溫度，保溫一般時間后冷卻到室溫的熱處理工藝。鋼件在淬火后強度和硬度將顯著提高，但韌性往往降低很多。此外，淬火時急劇冷卻將使鋼件產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力可能導(dǎo)致零件變形甚至開裂，因此鋼件在淬火后必須及時進行回火。第18頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五根據(jù)回火溫度的高低，回火工藝分為以下三種：

低溫回火：溫度為150~250℃?？蓽p小鋼件的內(nèi)應(yīng)力，使韌性有所改善，同時保持高的硬度和強度。低溫回火適用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如刀具、量具、冷沖模、滾動軸承等。中溫回火：溫度為350~500℃，可顯著減小鋼件淬火后的內(nèi)應(yīng)力，提高彈性，適用于彈簧。

第19頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五高溫回火：溫度為500~650℃，可消除內(nèi)應(yīng)力，使鋼件獲得較好的韌性與較高的強度，亦即通常所說的獲得良好的綜合力學(xué)性能。鋼的這種淬火并高溫回火的工藝又稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)處理適用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的且要求具有良好綜合力學(xué)性能的零件，如軸、螺栓、連桿、曲軸等。第20頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2.2.2鋼的表面熱處理

有些機構(gòu)零件如齒輪、活塞銷、凸輪軸等，在工作時表面易磨損，整體又受較大的動負荷。這些零件的表面應(yīng)具備高的硬度和耐磨性，心部應(yīng)有足夠的強度和韌性。采用普通熱處理難以使鋼件兼顧到這樣表里不一致的性能要求，鋼的表面熱處理卻能解決這個問題。第21頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五表面淬火：表面淬火是對鋼件快速加熱，在熱量來不及傳到心部的情況下，表面溫度就升到臨界以上，產(chǎn)生奧氏體組織。隨即快速冷卻，使表面獲得馬氏體組織，從而提高表面硬度和耐磨性，鋼件心部仍保持原來的組織和性能。此外還有化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、滲硼、滲鋁和滲鉻等，以改變表面的化學(xué)成分，從而改變表層的組織和性能。第22頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.2.3型材及應(yīng)用特點

由鋼材軋制成的鋼板和型鋼是制造工程機械最基本的元件。

鋼板有厚鋼板和薄鋼板，制造支撐板、蓋板和封板；型鋼包括等邊角鋼、不等邊角鋼、槽鋼、普通工字鋼、槽鋼等。角鋼多用作承受軸向力桿件和支撐桿件，槽鋼和工字鋼主要用于承受橫向彎曲的桿件，鋼管由于截面對稱，截面積分布合理，是中心受壓桿件的理想截面。第23頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五

有色金屬是指除鋼鐵（黑色金屬）以外的其他金屬。有色金屬具有某些特殊的性能，如耐磨性，耐蝕性，導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性等，所以也是工業(yè)上的重要材料。常用的有鋁、銅、鎂、鈦及其合金。但有色金屬一般價格昂貴，只有在需滿足某些特殊性能要求時才采用。1.3.1鋁及鋁合金

1.3.1.1純鋁純鋁呈白色，密度?。?.7g/cm3）熔點低（865℃），導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于銀和銅，在大氣中有良好的抗腐蝕性。1.3有色金屬材料第24頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.3.1.2鋁合金

在鋁中加入銅、鎂、錳和硅等元素制成的鋁合金，強度較純鋁有大幅度提高，成為重要的結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有容重?。?6500-2800N/m3），強度不比其他鋼材低，低溫沖擊韌性好，耐腐蝕強等優(yōu)點，在工程機械金屬結(jié)構(gòu)中是一種有發(fā)展前途的材料，可以制成重量輕又承受較高負荷的零件。如飛行器外殼。所以鋁合金是一種重要的航空結(jié)構(gòu)材料。國外采用鋁合金制造汽車起重機吊臂，使起重機金屬結(jié)構(gòu)自重降低40%.

鋁合金的可焊性較差，彈性模數(shù)小（只有鋼的三分之一），線膨脹系數(shù)高，疲勞強度低，價格昂貴。第25頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.3.2銅及銅合金1.純銅純銅呈紅色，又稱紫銅，密度為8.9g/cm3，熔點為1083℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，有一定耐腐蝕性，塑性好（δ=40%~50%），但強度低（230~250MPa）。純銅不宜用作結(jié)構(gòu)材料，主要用于制造導(dǎo)電器材和配制各種合金。第26頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五銅合金按照化學(xué)成分及外觀色澤的特點分為黃銅、青銅和白銅三大類。機械工程上常用的是黃銅和青銅。

黃銅的機械性能、抗腐蝕性和工藝性能都比較好，并有美觀的金黃色光澤，價格較純銅和其他銅合金便宜，因此是應(yīng)用較廣泛的銅合金。青銅的彈性、耐磨性及耐蝕性優(yōu)于黃銅。可用來制造彈性、耐磨性、耐蝕性更高的零件。2.銅合金第27頁，共31頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1.4其它工程材料1.