《機(jī)械工程材料》課件

機(jī)械工程材料金屬材料黑色金屬有色金屬非金屬材料復(fù)合材料機(jī)械工程材料金屬材料1第一章

金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)

鋼材生產(chǎn)概述第二節(jié)

金屬材料的力學(xué)性能第三節(jié)

金屬的物理、化學(xué)性能及工藝性能復(fù)習(xí)思考題第一章金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述2第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述（第一章）一、鋼與生鐵二、鋼的分類三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程四、鋼材品種第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述（第一章）一、鋼與生鐵3一、鋼與生鐵（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）鋼和生鐵都是鐵碳合金。固態(tài)下可以形變的鐵碳合金稱為鋼(一般含碳量低于2.11%；固態(tài)下幾乎不發(fā)生形變的鐵碳合金稱為生鐵(含碳量高于2％)一、鋼與生鐵（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）鋼和生鐵都是鐵碳合金。4二、鋼的分類（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(一)按鋼的化學(xué)成分分類 按鋼的化學(xué)成分，鋼可分為：1．碳素鋼-碳素鋼是含碳量低于2.11%的鐵碳合金。2．合金鋼-合金鋼是加入了某些合金元素的碳素鋼(二)按鋼的質(zhì)量分類鋼的質(zhì)量是以鋼中有害雜質(zhì)元素——硫、磷含量的多少來衡量的。硫、磷含量多的鋼質(zhì)量劣，少則優(yōu)。按鋼的質(zhì)量可分為：1．普通鋼S≤0.050%，P≤0.045%2．優(yōu)質(zhì)鋼S≤0.035%．P≤0.035%3．高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼S≤0.020％，P≤0.030%(三)按鋼的用途分類1．結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼。主要用于制造橋梁、船舶、建筑結(jié)構(gòu)的工程構(gòu)件和制造齒輪、。軸、連桿、彈簧、螺釘、螺母等機(jī)器零件。2．工具鋼是用于制造刃具、量具和模具的鋼。3．特殊用途鋼、是用于有耐熱、耐蝕、耐磨等特殊性能要求的鋼。其他按鋼的冶煉方法、脫氧程度等進(jìn)行分類(四)鋼材的涂色標(biāo)志二、鋼的分類（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(一)按鋼的化學(xué)成分分類5三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）

鋼鐵材料通常經(jīng)過下列三個(gè)階段獲得。先由鐵礦石—生鐵—生鐵—鋼—鋼錠—鋼材，如圖1—1所示。三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）鋼鐵材料通常經(jīng)6三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(一)生鐵冶煉生鐵冶煉是將煉鐵原料——鐵礦石、燃料——焦炭、熔劑——石灰石等爐料，按一定比例裝入高爐進(jìn)行冶煉。高爐生鐵可分為煉鋼用生鐵和鑄造用生鐵(二)煉鋼煉鋼的過程就是將生鐵進(jìn)行精煉．將生鐵中的碳和硅、錳、磷、硫等元素含量降低到規(guī)定范圍。如果煉制合金鋼，還需加入所要求的合金元素。獲得所需要的合金鋼。大量使用的鋼其含碳量一般均低于1.4%。煉好的鋼除小部分澆注成鑄鋼件外，絕大部分澆注或鋼錠，經(jīng)壓力加工制成各種鋼材。鎮(zhèn)靜鋼：質(zhì)量好，組織致密，氣泡少，力學(xué)性能好。絕大部分優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼都是鎮(zhèn)靜鋼，需經(jīng)熱處理的受力零件都選用鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼：成本低，表面質(zhì)量好，具有良好的塑性、沖壓性能和焊接性能，多用于低碳鋼軋成薄板使用。不宜用于制造需經(jīng)熱處理的重要零件半鎮(zhèn)靜鋼：其性能介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(一)生鐵冶煉7三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）煉鋼用爐，主要有轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。它們所煉制的銅分別稱為轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼和電爐鋼。轉(zhuǎn)爐利用鼓入的氧氣或空氣進(jìn)行吹煉。主要生產(chǎn)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、部分低合金結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)鋼。平爐煉鋼主要用煤氣作燃料進(jìn)行燃燒，使?fàn)t料熔化、升溫，靠爐氣中的氧和加入的鐵礦石使鐵水中的雜質(zhì)氧化。主要用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。電爐煉鋼利用電能作熱源，爐料主要是廢鋼。電爐煉鋼質(zhì)量最高，主要生產(chǎn)各種優(yōu)質(zhì)合金鋼，如不銹鋼、高速鋼、耐熱合金鋼等。三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）煉鋼用爐，主要有8三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(三)鋼的成材軋制、擠壓、拉拔、鍛造等都是常用壓力加工的幾種主要方法，如圖1—2所示。主要通過壓力加工軋制—熱軋和冷軋拉拔—三、鋼鐵材料的生產(chǎn)過程（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(三)鋼的成材9四、鋼材品種（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）四、鋼材品種(一)鋼板薄板(厚度δ≤4mm)厚板(厚度δ＞4mm)。成張鋼板的規(guī)格以厚度×寬度×長(zhǎng)度表示；成卷供應(yīng)的鋼板規(guī)格以厚度×寬度表示。(二)型鋼常用的型鋼有圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼等。直徑在6～9mm的圓鋼常稱為線材。各種型鋼都有具體的規(guī)格，通常以其斷面形狀的主要尺寸來表示。常用的型鋼斷面形狀及其規(guī)格如表1-1所示。四、鋼材品種（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）四、鋼材品種10四、鋼材品種（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(三)鋼管鋼管有無縫鋼管和有縫鋼管(焊接鋼管)兩類。斷面形狀一般為圓形中空，也有方形，三角形等異型斷面鋼管。1．無縫鋼管它是鋼坯經(jīng)穿孔、軋制、拉拔等多種工序制成的。規(guī)格以外徑x壁厚來表示。外徑小于5mm的鋼管稱為毛細(xì)鋼管。2．有縫鋼管它是以鋼帶或鋼板為坯料．經(jīng)卷壓成形、焊接、精整等工序制成。規(guī)格用公稱口徑來表示，單位為英寸。公稱口徑是其內(nèi)徑的近似尺寸值，一般都略小于其實(shí)際內(nèi)徑尺寸。焊接鋼管有1／8“～6”共l4種口徑；鍍鋅焊接鋼管有1／2”～21/2”共7種口徑。(四)鋼絲直徑小于6mm的小型圓鋼稱為鋼絲。其規(guī)格以直徑的毫米數(shù)表示四、鋼材品種（第一節(jié)鋼材生產(chǎn)概述）(三)鋼管11第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能，是指機(jī)器零件在正常工作情況下材料所應(yīng)具備的性能，如力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能。工藝性能則是指在制造機(jī)器零件和工具過程中，材料能夠接受各種冷、熱加工的能力，如材料的鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能。金屬材料在承受外力作用時(shí)所表現(xiàn)出來的性能通稱為力學(xué)性能。主要力學(xué)性能有；強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度二、塑性三、硬度四、沖擊韌度五、疲勞強(qiáng)度第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能12一、強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）強(qiáng)度—是指金屬材料在載荷作用下，抵抗產(chǎn)生塑性變形和破壞的能力。根據(jù)載荷作用方式不同，強(qiáng)度有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度-最基本的強(qiáng)度指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度指標(biāo)是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。圖1—4為低碳鋼的拉伸曲線。一、強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）強(qiáng)度—是指金屬材料在載荷13一、強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）應(yīng)力—單位截面積上所承受的內(nèi)力。σ=F/A式中σ—應(yīng)力(N／mm2或MPa)；F—載荷(N)；A—試棒橫截面積(mm2)金屬材料強(qiáng)度指標(biāo)主要有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。 (一)屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是指金屬材料開始產(chǎn)生顯著塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力，即s點(diǎn)的應(yīng)力。

σs=Fs/A0A0——試棒原始橫截面積(mm2)。條件屈服點(diǎn)-有些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵、淬火鋼等，屈服現(xiàn)象極不明顯。工程上規(guī)定。以試棒原始標(biāo)距長(zhǎng)度(l0)部分產(chǎn)生0.2％塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為其屈服點(diǎn)，以σ0.2表示 抗拉強(qiáng)度是指金屬材料在斷裂前所能承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力，即b點(diǎn)的應(yīng)力，也稱強(qiáng)度極限。以符號(hào)σb表示。

σb=Fb/A0式中σb——抗拉強(qiáng)度(N／mm2或MPa)；Fb——試棒被拉斷前所承受的最大載荷(N)；

一、強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）應(yīng)力—單位截面積上所承受14二、塑性（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）二、塑性是指金屬材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。塑性也是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。表示塑性的指標(biāo)是：伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比，即式中

l0——試棒原始標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；

l1。一試棒拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)。試棒原始標(biāo)距長(zhǎng)度l0。為試棒原始直徑d0的5倍(l0=5d0)時(shí)，稱短試棒，其伸長(zhǎng)率以δ5表示試棒原始標(biāo)距長(zhǎng)度l0。為試棒原始直徑d0的5倍(l0=5d0)時(shí)，稱短試棒，其伸長(zhǎng)率以δ5表示(1．2～1．5)試棒原始標(biāo)距長(zhǎng)度l0。為試棒原始直徑d0的10倍(l0=10d0)時(shí)，稱短試棒，其伸長(zhǎng)率以δ10表示同一材料的伸長(zhǎng)率，δ5與δ10之間的關(guān)系為：δ5≈(1.2～1.5)δ10二、塑性（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）二、塑性15斷面收縮率。試棒單位橫截面積的減縮率稱為斷面收縮率。式中A0——試棒原始橫截面積(mm2)；A1——試棒拉斷處橫截面積(mm2)金屬材料的δψ值和ψ值越大，說明其塑性越好。良好的塑性，是保證順利完成軋制、鍛造、拉拔、沖壓等成形工藝及電阻焊：摩擦焊等工藝的必要條件；一定的塑性亦可避免機(jī)器零件在使用中萬一超載而發(fā)生突然折斷。二、塑性（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）斷面收縮率。二、塑性（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）16三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）三、硬度硬度是指金屬材料抵抗更硬的物體壓入金屬表面的能力。金屬材料的硬度指標(biāo)是在硬度計(jì)上測(cè)定的。機(jī)械制造廠中常用的硬度測(cè)試方法主要是布氏硬度法和洛氏硬度法。(一)布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)原理如圖l—5所示。用規(guī)定的載荷F將壓頭垂直壓入被測(cè)材料表面，經(jīng)規(guī)定的保持載荷時(shí)間后卸除載荷，在被測(cè)材料表面形成了直徑d的壓痕，用讀數(shù)放大鏡測(cè)量出壓痕直徑數(shù)值，并用此值查布氏硬度數(shù)值表，即可得到布氏硬度值。材料越軟，壓痕直徑越大，則布氏硬度值越低。三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）三、硬度17三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）布氏硬度指標(biāo)用符號(hào)：HB。HBS—用淬火鋼球?yàn)閴侯^，適用于測(cè)量布氏硬度值在450以下的金屬材料；HBW—用硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^適用于測(cè)量布氏硬度值在450～650之間的金屬材料。硬度數(shù)值均標(biāo)寫在布氏硬度符號(hào)之前。如，230HBS、500HBw。特點(diǎn)：布氏硬度試驗(yàn)壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確。但試驗(yàn)結(jié)果的求得較麻煩，費(fèi)時(shí)間。主要用于測(cè)量布氏硬度值小于450的較軟金屬材料的硬度，如熱軋鋼材，經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼和有色金屬等；適用于原材料、鑄造和鍛造的毛坯件、半成品件；還適用于測(cè)定鑄鐵及滑動(dòng)軸承合金等軟且組織不均勻的材料布氏硬度的壓痕大，不能測(cè)定成品件的硬度，不適于測(cè)太薄的材料硬度。三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）布氏硬度指標(biāo)用符號(hào)：HB18三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）(二)洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)也是用規(guī)定的載荷將壓頭垂直地壓入被測(cè)材料的表面，但它是以壓痕的深度來確定硬度值的。洛氏硬度值可從洛氏硬度計(jì)刻度盤上直接讀出。洛氏硬度用符號(hào)HR表示，無單位。洛氏硬度操作簡(jiǎn)便、迅速，在硬度計(jì)上可直接讀出硬度值，故適于大批生產(chǎn)。壓痕較小，幾乎不損傷工件表面，所以不僅可測(cè)半成品硬度，也可測(cè)定成品工件的硬度。對(duì)較軟、較硬和特硬材料均可測(cè)定，故硬度測(cè)定范圍寬。不適于測(cè)定鑄鐵一類表面組織不均勻的材料三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）(二)洛氏硬度洛氏硬度操19三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）HV維氏硬度—主要用于測(cè)定很薄材料和表面薄層硬度。HS肖氏硬度—肖氏硬度計(jì)機(jī)體體積較小，攜帶方便，主要用于測(cè)定大而笨重的工件或大型鋼材的硬度。肖氏硬度試驗(yàn)，在工件上基本不留痕跡，適于測(cè)定精密量具的表面硬度。各種硬度的硬度值之間不存在理論上的換算關(guān)系，它們之間不能用來直接比較材料的硬度高低。在要求不很精確時(shí)使用。當(dāng)布氏硬度值在200～600HBS(W)范圍時(shí)：HRC≈1／10HBS(W)當(dāng)布氏硬度值小于450HBS時(shí)：HBS≈HV

HS≈1／6HBS硬度指標(biāo)的測(cè)定與其他力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)定相比較，其試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便、迅速、易掌握，不需要特殊加工試樣，試樣可以是大小、厚薄、形狀各異的原材料，也可以是毛坯件或成品零件。

生產(chǎn)中常把硬度指標(biāo)作為技術(shù)條件之一標(biāo)注在圖樣中。表1—4所列是一些鋼件的硬度要求三、硬度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）HV維氏硬度—主要用于測(cè)20四、沖擊韌度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）αk—沖擊韌度是指金屬材料抵抗沖擊載荷的能力。沖擊韌度是通過沖擊試驗(yàn)測(cè)定的。沖擊試驗(yàn)一般是將已加工好的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣(圖1—6a)安裝在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上(圖1－6b)，一只擺錘從高度h0處沿弧形軌跡向下擺動(dòng)，一次沖擊到試樣上(試樣的缺口背向擺錘沖擊方向)并把試樣打斷，最后達(dá)到一個(gè)較低的高度h1。根據(jù)擺錘質(zhì)量和其初始高度h0及最終高度h1可計(jì)算出勢(shì)能差，這個(gè)勢(shì)能差就是沖斷試樣過程中所消耗的沖擊吸收功，以符號(hào)Ak表示。沖擊韌度αk是指沖斷試樣單位截面積所消耗的沖擊吸收功，即：

αk

＝Ak/A式中αk——沖擊韌度(J/cm2)

Ak——沖斷試樣所消耗的沖擊吸收功(J)；A

——試樣缺口處截面積(cm2)。四、沖擊韌度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）αk—沖擊韌度是指金21四、沖擊韌度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）金屬材料的沖擊韌度αk與其化學(xué)成分、組織、表面質(zhì)量及溫度等因素有關(guān)。有些材料在常溫下，具有較好的韌性，不顯示脆性，但在一定的較低溫度下韌性降低，發(fā)生向脆性的轉(zhuǎn)化．顯示出脆性。這種脆性轉(zhuǎn)變?cè)诠こ讨泻苤档米⒁狻Ｋ?、沖擊韌度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）金屬材料的沖擊韌度22五、疲勞強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）有許多機(jī)器零件，如機(jī)床主軸、曲軸、連桿、齒輪，彈簧等．是在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下工作的。所謂重復(fù)或交變應(yīng)力，是指應(yīng)力的大小或大小和方向隨時(shí)問發(fā)生周期性改變，材料在這種應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力值比材料在靜載荷作用下的強(qiáng)度σ０值低很多，甚致低于屈服點(diǎn)σs值，此現(xiàn)象稱金屬疲勞。疲勞強(qiáng)度是表示金屬疲勞的指標(biāo)。它是指材料在無限次交變應(yīng)力作用下而不破壞時(shí)的最大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力呈對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度以符號(hào)σ-１表示。實(shí)際上，無限次交交載荷的試驗(yàn)是永遠(yuǎn)都不能完成的，所以，工程上規(guī)定，鋼在經(jīng)受10７次、有色金屬經(jīng)受108次交變應(yīng)力作用下不發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力作為材料的疲勞強(qiáng)度。材料的疲勞強(qiáng)度與其合金化學(xué)成分、內(nèi)部組織及缺陷、表面劃痕及零件截面突然改變等有關(guān)。因?yàn)?，這些部位容易形成應(yīng)力集中，實(shí)際應(yīng)力高于平均應(yīng)力很多，使材料產(chǎn)生徽小裂紋．隨時(shí)間變化，微小裂紋發(fā)生逐步擴(kuò)展，使零件實(shí)際承載面積逐步減小，當(dāng)選到一定程度時(shí)，由于實(shí)際應(yīng)力已超過材料的強(qiáng)度σ０，便發(fā)生突然斷裂。設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)改善結(jié)構(gòu)，防止應(yīng)力集中；生產(chǎn)中盡可能使加工表面光潔，提高表面質(zhì)量：采用噴丸、滾壓、表面淬火、滲碳、氮化籌表面強(qiáng)化處理，均可提高疲勞強(qiáng)度。五、疲勞強(qiáng)度（第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能）有許多機(jī)器零件，如機(jī)23第三節(jié)金屬的物理、化學(xué)性能及工藝性能一、物理性能金屬材料的物理性能主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。不同零件所要求的物理性能各有不同，同時(shí)，材料的物理性能對(duì)加工工藝也有一定影響。1．密度

對(duì)于飛機(jī)等交通工具．需要選用密度小的材料制造，以減輕自重。2．熔點(diǎn)

熔點(diǎn)不同的金屬及合金可用于制造在不同溫度下工作的零件。熔點(diǎn)不同。熔煉工藝也不同。3．熱膨脹性發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在氣缸套內(nèi)既要自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)．同時(shí)又要保證很好的氣密性，因此，活塞和氣缸套材料的熱膨脹性要相接近。

4.導(dǎo)熱性散熱器、活塞等需要選用導(dǎo)熱性好的材料制造.銅及其合金導(dǎo)熱性好．焊接時(shí)必須