第01章 材料的性能(2013)

山東商職學(xué)院機(jī)電學(xué)院機(jī)械基礎(chǔ)1緒論工程材料機(jī)械加工機(jī)械零件機(jī)械原理黑色金屬有色金屬非金屬機(jī)械機(jī)器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零件的聯(lián)接機(jī)械傳動(dòng)軸承潤(rùn)滑及密封本課程性質(zhì)，內(nèi)容，特點(diǎn)，目的和要求。車(chē)、銑刨、磨焊、鉗鑄、鍛2選擇材料零件形狀零件成形選擇運(yùn)動(dòng)方案，按所選材料進(jìn)行力學(xué)計(jì)算確定零件大小，最后制定成形制造工藝怎樣運(yùn)動(dòng)機(jī)器是怎么形成的？3大部分零件采用金屬材料，通過(guò)鑄造，鍛造，切削和熱處理加工后裝配，通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷劑的壓縮。螺桿式制冷壓縮機(jī)4第一篇工程材料及鋼的熱處理三方面內(nèi)容都圍繞著性能這個(gè)核心性能改善物理性能化學(xué)性能機(jī)械性能工藝性能熱處理性能采暖、給排水、通風(fēng)管道、制冷空調(diào)設(shè)備、各種閥門(mén)及配件等等。應(yīng)用工程材料用于機(jī)械制造、工程結(jié)構(gòu)等各種材料的總稱(chēng)。分為金屬材料和非金屬材料兩大類(lèi)。牌號(hào)5第一章材料的性能使用性能工藝性能性能密度熔點(diǎn)熱膨脹導(dǎo)電性導(dǎo)熱性化學(xué)穩(wěn)定性抗氧化性耐腐蝕性彈性塑性硬度強(qiáng)度重點(diǎn)物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能鑄造性鍛壓性焊接性切削性熱處理性能6第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能強(qiáng)度塑性硬度什么叫材料的力學(xué)性能？

金屬材料抵抗外力作用時(shí)所表現(xiàn)出的性能。韌性疲勞強(qiáng)度、蠕變及松弛等常用的四大力學(xué)指標(biāo)是什么？7幾個(gè)力學(xué)的基本概念

變形材料在外力（載荷）作用下會(huì)引起尺寸和形狀的變化。

彈性變形和塑性變形外力除去后，變形的物體依靠它原子間的結(jié)合力而恢復(fù)原狀的變形稱(chēng)為彈性變形；如果外力除去后變形的物體不能完全恢復(fù)原狀，則殘留的一部分變形就成為永久變形，也稱(chēng)為塑性變形。

內(nèi)力和應(yīng)力材料在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，其材料內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的抵抗力，其大小與外力相等，方向相反。工程上把材料單位面積上的抵抗力稱(chēng)為應(yīng)力。8受力與變形的測(cè)量材料受力與變形的關(guān)系可在拉伸試驗(yàn)機(jī)上用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)定。根據(jù)拉伸試驗(yàn)中繪制的拉伸曲線，可以分析材料在外力作用下載荷與變形量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，并能確定出材料的一些重要的機(jī)械性能指標(biāo)，比如強(qiáng)度和塑性。標(biāo)準(zhǔn)試樣頸縮9低碳鋼（45號(hào)鋼）的拉伸曲線的特點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變屈服階段：平均值為屈服極限σs2縮頸階段：局部集中塑性變形，材料斷裂41彈性變形階段：不產(chǎn)生永久變形的最大抗力σe強(qiáng)化階段：最大值為σb310拉伸曲線形狀與材料的性質(zhì)什么材料？什么材料？什么材料？中，高碳鋼鑄鐵、陶瓷玻璃11一、機(jī)械性能指標(biāo)之一：強(qiáng)度屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度是以應(yīng)力來(lái)度量的。請(qǐng)記住：三個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)12（１）屈服強(qiáng)度（屈服極限，屈服點(diǎn)）S0S1記住它的計(jì)算式材料開(kāi)始發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度，用

s用表示。13多數(shù)機(jī)械零件在設(shè)計(jì)時(shí)是按所選材料的屈服強(qiáng)度計(jì)算的。例如，所用的密封性連接的螺栓就不允許出現(xiàn)塑性變形，一般選用不低于600MPa的鋼材。補(bǔ)充題1不允許發(fā)生塑性變形和屈服強(qiáng)度有什么關(guān)系？14（2）條件屈服強(qiáng)度工程上人為規(guī)定：將試樣的塑性變形量相當(dāng)于原試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)的0.2%時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為“條件屈服強(qiáng)度”，

0.2用符號(hào)表示。

0.2的值可通過(guò)平行線圖解法經(jīng)計(jì)算求出。記住它的計(jì)算式補(bǔ)充題2為什么設(shè)立條件屈服強(qiáng)度這個(gè)指標(biāo)？15（3）抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）

材料在拉力作用下,斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值，以符號(hào)

b表示。抗拉強(qiáng)度是設(shè)計(jì)零件中選材的主要依據(jù)之一。計(jì)算式補(bǔ)充題3屈服極限和抗拉極限各描述的是材料的哪些現(xiàn)象？16（3）屈強(qiáng)比工程中還希望材料具有一定屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比高，材料強(qiáng)度的利用率高；屈強(qiáng)比低，零件的可靠性提高，即萬(wàn)一超載，材料可通過(guò)自身的塑性變形使其強(qiáng)度提高，不致立即斷裂。不同材料有不同的屈強(qiáng)比。一般碳素鋼為0.6左右，低合金鋼為0.65～0.75，合金結(jié)構(gòu)鋼為0.85。17二、機(jī)械性能指標(biāo)之二：塑性塑性是材料在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力。塑性指標(biāo)δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。工業(yè)純鐵的δ值可達(dá)50％、ψ值可達(dá)80％，而通鑄鐵的δ、ψ值幾乎為零。塑性指標(biāo)用伸長(zhǎng)率（δ）和斷面收縮率（ψ）來(lái)表示。補(bǔ)充題4塑性與屈服極限分別描述塑性變形的哪些方面？18塑性變形的機(jī)理是原子層面的滑移補(bǔ)充題5塑性變形的機(jī)理是什么？19三、機(jī)械性能指標(biāo)之三：硬度硬度：材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力。是材料對(duì)局部塑性變形的抵抗力。材料表面的壓痕越小，其抵抗塑性變形的抗力就越大，硬度也越高。壓入法：用一定的靜載荷（壓力）把一定尺寸的壓頭壓入被測(cè)材料表面，通過(guò)測(cè)量壓痕面積或壓痕深度確定被測(cè)材料硬度。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度和洛氏硬度二種。20（一）布氏硬度HB一定直徑D（10mm）的淬火鋼球（或硬質(zhì)合金球）,以載荷F（通常為3000kgf的壓力）壓入被測(cè)材料表面,保持規(guī)定時(shí)間S后卸除試驗(yàn)力,用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕平均直徑d(mm)經(jīng)計(jì)算或查表確定被測(cè)材料的HB值。即用單位球形壓痕表面積所承受的試驗(yàn)力來(lái)表示HB值。21布氏硬度值實(shí)際應(yīng)用中，布氏硬度值只需測(cè)出壓痕直徑d，即可從壓痕直徑與布氏硬度專(zhuān)用對(duì)照表中查得。

P5表1-122布氏硬度實(shí)驗(yàn)條件的選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB231-84)規(guī)定布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，常用的0.102F/D的比例為30、10、2.5三種，根據(jù)金屬材料的種類(lèi)、試樣硬度范圍和厚度的不同，按下表（布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范）選擇試驗(yàn)壓頭（鋼頭）的直徑D、試驗(yàn)力F及保持時(shí)間。23淬火鋼球試驗(yàn)壓頭適用于測(cè)布氏硬度值在450以下的材料。當(dāng)壓痕d=0.25~0.6D內(nèi)，所測(cè)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。不宜測(cè)硬度過(guò)高、厚度太薄或表面不允許有較大壓痕(成品件)的材料。HB與金屑材料的抗拉強(qiáng)度有一定關(guān)系，因此在工程中應(yīng)用很廣。主要用于鑄鐵、有色金屬、退火鋼等原材料及半成品的硬度測(cè)定。布氏硬度有什么特點(diǎn)？24布氏硬度值不標(biāo)注單位布氏硬度用HBS（W）和試驗(yàn)條件來(lái)表示。

HBS：壓頭為鋼球，適用測(cè)布氏硬度值450以下的材料.

150HBS10/1000/30：表示用直徑10mm的鋼球在1000Kgf試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為150；

HBW，壓頭為硬質(zhì)合金球，適用于布氏硬度值在450～650的材料。

500HBW5/750：表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球在750Kgf試驗(yàn)力作用下保持10～15s（10～15s不標(biāo)）測(cè)得的布氏硬度值為500。

25圓錐壓頭120°00用一個(gè)頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測(cè)材料表面，由壓痕殘余深度ac為依據(jù)，通過(guò)硬度計(jì)表頭可直接讀出洛氏硬度值。當(dāng)被測(cè)材料過(guò)小或布氏硬度（HB）大于450時(shí)，應(yīng)改用洛氏硬度計(jì)量。（二）洛氏硬度HR11a施加初載荷測(cè)量壓痕深度的起點(diǎn)22b施加主載荷33c卸掉主載荷26圓錐壓頭120°00用頂角120

的金鋼石圓錐體或直徑為1.588的淬火鋼球作壓頭,以ac殘余壓入深度為依據(jù),通過(guò)硬度計(jì)表頭可直接讀出洛氏硬度值。（二）洛氏硬度試驗(yàn)11a施加初載荷測(cè)量壓痕深度的起點(diǎn)22b施加主載荷33c卸掉主載荷27洛氏硬度計(jì)28適應(yīng)范圍大,有三種標(biāo)尺HRA,HRB,HRC（60,100,150Kg)操作簡(jiǎn)單迅速，壓痕小，不損傷工件表面，但因壓痕較小，其測(cè)量準(zhǔn)確度不如布氏硬度。硬度值的測(cè)量范圍大，可用于測(cè)量鋼鐵，有色金屬，硬質(zhì)合金以及工程塑料的硬度。HRA:金剛石圓錐壓頭，測(cè)量硬或薄的工件HRB:淬硬鋼球壓頭，測(cè)量硬度較低的退火鋼，鑄鐵及有色金屬。HRC：金剛石圓錐壓頭，測(cè)量淬火鋼或其他硬度較高的材料。P6表1-2洛氏硬度有什么特點(diǎn)？補(bǔ)充題6洛氏硬度三個(gè)標(biāo)尺的使用特點(diǎn)各有何不同？29沖擊載荷不同于靜載荷，一些強(qiáng)度較高的材料在沖擊載荷作用下往往會(huì)發(fā)生脆斷。材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌性,簡(jiǎn)稱(chēng)韌性。四、機(jī)械性能指標(biāo)之四：沖擊韌性30沖擊韌性用金屬夏比（U型缺口）沖擊試驗(yàn)測(cè)定，其沖擊韌性值（習(xí)慣上用沖擊值表示沖擊韌性）通過(guò)下式計(jì)算：沖擊韌性值如何計(jì)算？沖擊實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖AKU=mgH-mgh31從沖斷試樣的斷口形態(tài)可以判斷什么？脆性材料斷口齊整韌性材料斷口粘連32五、疲勞（常常被提及的指標(biāo)）轉(zhuǎn)軸、齒輪、彈簧等是在交變載荷作用下工作，這種交變載荷常常小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于彈性極限，但經(jīng)過(guò)多次重復(fù)循環(huán)作用后，也會(huì)使零件在無(wú)明顯變形時(shí)突然斷裂。這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的疲勞。33材料在靜載荷下顯示脆性或塑性的材料，疲勞斷裂時(shí)具有無(wú)明顯的塑性變形警示，常常造成突然的嚴(yán)重事故。為防止零件出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，通常要求材料在交變載荷作用下應(yīng)能承受無(wú)數(shù)次循環(huán)而不斷裂。這種在交變載荷作用下，材料經(jīng)無(wú)數(shù)次循環(huán)而不斷裂所能承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限。如果是對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力，則疲勞極限用

-1表示。鋼鐵通常以循環(huán)107周次為基數(shù)。疲勞極限是在專(zhuān)門(mén)的疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定的。思考題金屬發(fā)生疲勞有什么危害？34

裂紋尖端擴(kuò)展若要提高零件的疲勞極限，除了慎重選擇材料、改善零件結(jié)構(gòu)形狀、避免應(yīng)力集中以外，還可以通過(guò)改善零件表面粗糙度以及噴丸處理、化學(xué)熱處理、表面淬火等表面處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。思考題金屬疲勞的機(jī)理是什么？48根鉚釘“泰坦尼克號(hào)”沉沒(méi)

2%礦渣！35六、蠕變（高溫下用到的指標(biāo)）

金屬材料的蠕變：金屬材料在高溫及一定應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增加而產(chǎn)生緩慢的連續(xù)塑性變形的現(xiàn)象。

1．金屬材料蠕變有哪些特點(diǎn)？蠕變也是一種塑性變形，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）金屬材料蠕變是在一定的溫度下才能發(fā)生的。金屬材料開(kāi)始發(fā)生蠕變的溫度與金屬材料本身的熔點(diǎn)有關(guān)，熔點(diǎn)高的材料開(kāi)始發(fā)生蠕變的溫度也高。

2）一般要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間作用（幾百甚至幾萬(wàn)小時(shí)）后才出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。

3）發(fā)生蠕變現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力較小。金屬材料發(fā)生蠕變現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，一般低于本身的屈服點(diǎn)甚至低于彈性極限。36

2．金屬材料的蠕變指標(biāo)有哪些？

蠕變極限是指試件在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，產(chǎn)生一定伸長(zhǎng)率的應(yīng)力值。

持久極限是指試件在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。

持久塑性是指試件在一定溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生斷裂后的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。蠕變現(xiàn)象的發(fā)生與材料本身的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。因此，要提高金屬材料的抗蠕變能力，需從改善金屬材料的冶煉方法及選擇合理的熱處理工藝入手。37

松弛

受到一定預(yù)緊力的金屬零件，在高溫工作條件下，隨著時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，原來(lái)的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變成了塑性變形而應(yīng)力逐漸減?。☉?yīng)力被塑性變形吸收）的現(xiàn)象。如緊固螺栓及一些過(guò)盈配合相互聯(lián)接的機(jī)械零件都可能出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。七、松弛（高溫下用到的指標(biāo)）38共同點(diǎn)金屬的松弛和蠕變都是在高溫和應(yīng)力共同作用下不斷產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

不同點(diǎn)

蠕變時(shí)應(yīng)力基本不變，而變形不斷增加；松弛則是變形量不變，而應(yīng)力逐漸減小。思考題蠕變與松弛有何異同？39第二節(jié)

金屬材料的物理和化學(xué)性能密度熔點(diǎn)導(dǎo)熱膨脹導(dǎo)電耐腐蝕抗氧化物理性能物理性能物理性能化學(xué)性能40思考題低密度的工程材料有何特點(diǎn)？單位體積材料的質(zhì)量稱(chēng)為材料的密度。材料密度小的運(yùn)動(dòng)件，能耗少，效率高。材料的抗拉強(qiáng)度與密度之比稱(chēng)為比強(qiáng)度。在航空航天領(lǐng)域，選用高比強(qiáng)度的材料就顯得尤為重要。元素周期表中原子序數(shù)越小的元素，其密度越小。41思考題熔點(diǎn)越高的材料，強(qiáng)度就越高嗎？熔點(diǎn)是指材料的熔化溫度。一般來(lái)說(shuō)，材料的熔點(diǎn)高，材料在高溫下強(qiáng)度的穩(wěn)定性也好。在設(shè)計(jì)高溫條件下工作的構(gòu)件時(shí)，需要考慮材料的熔點(diǎn)。42

導(dǎo)熱性常用導(dǎo)熱率表示。導(dǎo)熱率是指在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于熱流方向單位載面積上的熱流量，單位為W/（m·K）。材料的導(dǎo)熱性越差，在加熱和冷卻時(shí)表面和內(nèi)部的溫差越大，內(nèi)應(yīng)力越大，越容易發(fā)生變形和開(kāi)裂。金屬中，導(dǎo)熱性最好的是銀，銅和鋁次之。思考題零件散熱性差的危害有哪些？43思考題鋁熱膨脹性較大，為什么用其合金做活塞？大部分固體材料在加熱時(shí)都發(fā)生膨脹，材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)表示。它是指溫度升高1℃時(shí)單位長(zhǎng)度材料的伸長(zhǎng)量。對(duì)于特別精密的儀器，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)低的材料，或在恒溫條件下使用。在材料熱加工過(guò)程中更要考慮其熱膨脹性，如果表面和內(nèi)部熱膨脹不一致，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料變形或開(kāi)裂。44思考題金屬都能導(dǎo)電，非金屬都不導(dǎo)電，對(duì)嗎？材料的導(dǎo)電性與材料的電阻密切相關(guān)，常用電阻率表示。金屬通常具有較好的導(dǎo)電性，其中最好的是銀，銅和鋁次之。金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高，電阻增大。含有雜質(zhì)或受到冷變形會(huì)導(dǎo)致金屬的電阻上升。45思考題怎樣防止材料腐蝕（濕腐蝕）？

濕腐蝕是指材料在外部含水介質(zhì)作用下發(fā)生逐漸破壞的現(xiàn)象。材料抵抗各種介質(zhì)腐蝕破壞的能力稱(chēng)為耐腐蝕性。一般來(lái)說(shuō)，非金屬材料的耐腐蝕性要高于金屬材料。在金屬材料中，碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差，而不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦及其合金耐腐蝕性較好。46思考題鋼鐵抗氧化（干腐蝕）的性能如何？材料抵抗高溫氧化的能力稱(chēng)為抗氧化性?？寡趸慕饘俨牧铣Ｔ诒砻嫘纬梢粚又旅艿谋Ｗo(hù)性氧化膜，阻礙氧的進(jìn)一步擴(kuò)散。

耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱(chēng)為材料的化學(xué)穩(wěn)定性。高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱(chēng)為熱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下工作的設(shè)備或零部件，如鍋爐、汽輪和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)選擇熱化學(xué)穩(wěn)定性高的材料。47第三節(jié)金屬材料的工藝性能鑄造性鍛壓焊接切削液態(tài)金屬固態(tài)金屬液固金屬固態(tài)金屬選擇材料時(shí)，不僅要考慮其使用性能，還要考慮其工藝性能。如果所選用的材料制備工藝復(fù)雜或難以加工，必然帶來(lái)生產(chǎn)成本提高或材料無(wú)法使用的后果。熱處理48思考題鑄造性好的材料，適合做什么？

鑄造性能金屬材料用鑄造方法制成鑄件時(shí)所表現(xiàn)的性能。

鑄造性能包括：

流動(dòng)性液態(tài)金屬在澆注時(shí)充滿鑄型的能力；

收縮性液態(tài)金屬在澆注后冷凝時(shí)體積收縮量的大小；

偏析鑄件凝固后各處化學(xué)成分的不均勻性。鑄鐵的鑄造性能較好，所以，散熱器、閥門(mén)、機(jī)械設(shè)備的機(jī)座或