2018機械工程師(中級)職稱資格考試指導書

《2018年機械工程師(中級)職稱資格考試指導書》

第一部分工程制圖與公差配合

?工程圖是設計工程師用以表達機械結構設計意圖的語言和工具。它由制圖標準規(guī)范和一些符號、畫法

規(guī)則組成。

1.1工程制圖的一般規(guī)定

圖框，即圖紙的規(guī)格尺寸，由圖紙是否需要裝訂和圖紙幅面的5927小確定。優(yōu)先采用的圖紙幅面是:

AO,Al,A2,A3,A4,A5.

表1.1-1圖紙幅面尺寸(mm)

幅面代號A0A1A2A3A4A5

寬度X長度(BX￡)841X1189594X841420X594297X420210X297148X210

需要裝訂邊的a252525252525

需要裝訂邊的c如圖1.1/所示101010555

不需要裝裝邊的e如如1.1-2所示202010101010

表1.1-2圖線的型式和應用

蒼江二可圖線型式圖線寬段,股應用

丁一理-―一bM見輪廓線、可見過渡線

尺寸線及尺寸界線、分界線及范圍線、京臺剖出的輪廓線、

ZCK-...——■一約加3剖面線、螺紋的牙底線及齒輪的齒根線、彎折線、不連續(xù)同一

喪面的連線、引出線、成規(guī)律分布的相同要素連線、輔助線

■不N約R3斷裂處的邊界線、視圖和剖視的分界線

一干淺AW約罰3斷裂處的邊界線

覆線—約b/3不可見輪廓線、不可見過渡線

乏點劃線—約b/3軸線、對稱中心線、軌跡線、節(jié)圓及節(jié)線

粗點劃線——一一1b有特殊要求的線或表面的去示線

相鄰輔助零件的輪廓線、極限位置的輪廊線、坯料的輪屏線

雙點劃線約b；3或毛坯圖中制成品的輪廓線、試驗或工藝用結構(成品上不存

在)的輪廓線、假想投影輪廓線、中斷線

粗線寬度b應按圖的大小和復雜程度，在0.5?2mm之間選擇b的推薦系列為0.25、0.35、0.5、0.7、

1、1.4、2mmo

表1.1-3推薦的圖樣比例

原值比例1:1

縮小比例1:21:51:101:2XIO”1:5X10"1:1X)0"

放大比例5:12:15X10":12X10":11X10":1

新標準規(guī)定，標題欄中的文字方向為看圖的方向，即圖樣中標注尺寸、符號及說明均以標題欄的文字方

向為準。

第一視角和第三視角視圖兩種畫法的主要區(qū)別在于視圖的配置關系不同。

卻視用

頂視圖

-------—

右校也主視圖左視圖后視圖后視圖左視圖前視圖右視圖

俯視圖底視圖

一張工程圖中，一般都包含3個基本內容：標題欄、基本視圖、技術要求。

表LIT剖面符號及畫法

材料剖面符號及畫法材料剖面符號及畫法

1）零件圖中，如剖面線為金屬材料，剖面線畫成45°平行線，而且在各視圖中應方向一致、間隔相

等。在裝配圖中，相鄰兩金屬零件的剖面線方向相反或方向相同但間隔不同；還要注意在各視圖中同一零件

的剖面線方向仍相同。

2）零件圖中可用涂色代替剖面線，但標準中規(guī)定涂色僅能用于零件圖而不可用于裝配圖。

3）對于狹小面積的剖面，當在圖中的寬度小于或等于2mm時，可以用涂黑代替剖面線。

1.2機械、液壓、氣動系統(tǒng)圖的示意畫法

表1.2-1部分常用機械零、部件的簡化畫法、符號（示例）

稼簡圖符號說明名稱簡圖符號說明

?一、滑動軸承

三三鞏C軸承ml

滾動軸承

O

若需要指明皮帶類型：

A▽三角皮帶-普通絲杠

4O圓皮帶絲杠

-平皮帶

滾珠絲杠

5,同步齒形帶

—X

圓柱齒輪傳動

聯軸結

Xk（齒輪固定在軸上）聯軸結

—XT

—齒輪在軸上滑動

——離合器離合器

-0I（變速時用）

蝸輪-蝸桿傳動~Q3~圓柱凸輪

凸輪

*錐街輪傳動（9平面凸輪

表1.2-2管路、接口和接頭的簡化畫法及符號（示例）

名稱用途或符號含義符號示意圖Z蒼毛途或符號含義符號示意圖

聯接管路不帶觥接裝置。Q

關一二

+99

芍聚接裝置

管路交叉管路

岳母

柔性管路-—不憑單向閥

f\?1

快其接左

J.

連續(xù)放氣專單向閥

放氣裝置JL

間斷放氣單通意

旋轉接頭

單向放氣三通絡令

表1.2-3常用液壓氣動元件簡化畫法及符號（示例）

名稱簡化畫法示例名稱簡化三法示戔名稱簡化畫法示例

卜定吊泉機量泵P

泵調速閥溢流閥

a舉1

液壓馬達液壓缸、氣缸液動閥...

\\T

T定量式/丁變量式111

7

電磁閥一JXEa手閥西單向閥—<—

能認識、繪制機械、液壓、氣動系統(tǒng)的原理圖，并能運用原理圖進行方案設計和分析。

1.5尺寸、公差、配合與形位公差標注

基孔制配合是基本偏差為一定的孔的公差帶，選擇改變軸的公差帶獲得所需配合（狀態(tài)）的一種裝配制

度。

基軸制配合是基本偏差為一定的軸的公差帶，選擇改變孔的公差帶獲得所需配合（狀態(tài)）的另一種裝配

制度。

根據GB/T1800.2-1998規(guī)定，標準公差采用國際標準公差代號IT表示。標準公差等級分為01,0,

1,2,3,18共20級，分別標記為IT01,…，IT18.

標準推薦，基孔制的間隙配合、軸的基本偏差用a,b,c,d,e,f,g,h；過渡配合用js,k,m,n；

過盈配合用p,r,s,t,u,v,x,y,z。

零件單一實際要素（指構成零件幾何特征實際存在的點、線、面）形狀所允許的變動全量稱為形狀公

差。關聯實際要素（指對其他要素有功能關系的實際要素）的位置對基準所允許的變動全量稱為位置公差。

形狀和位置公差簡稱為形位公差。

表1.又3形位公差特征符號

分類項目符號有或無基準要求分類項目符號有或無基準要求

直線度—無平行度?有

定II

形狀形平面度口無垂直度有

向±

公差狀圓度0無位傾斜度Z有

圓柱度甘無位置度令有或無

定

形狀同軸（同，度有

線輪廓度有或無位◎

或輪置對稱度有

位置廓跳圓跳動有

面輪廓度有或無

公差

動全跳動U有

表1.5-4被測要素、基準要素及其他附加符號說明

說明符號說明符號說明符號

直接包容要求延伸公差帶

被測要素的標注0

用字母X最大實體要求自由狀態(tài)，

（非剛性零件）

基準要素的標注O

2母小實體要求條件

7777777?

:

基準目標的標注?可逆要求全周（輪廓）產

理論正確尺寸S

表1?5-5標注舉例

名稱圖例說明

力公差涉及輪廓線或表面時，將箭頭置

于要素的輪廓線或沿線上，但必須與尺寸

被線明顯分開

測當指向實際表面時，箭頭可置于帶點的

要參考線上，該點指在實際表面上（圖a）。

當公差涉及軸線、中線平面或由帶尺寸要

素

素確定的點時，帶箭頭的指引線應與尺寸

線的延長線重合（圖b、c）

除非另有規(guī)定，公差帶寬度方向即為給

定方向（圖d）或垂直于被測要素方向（圖

e）.對于圓度，公差帶的寬度是形成兩同

心圓的半徑方向.公差值前加注“0”或

公

“50”，則公差帶為圓柱形或球形

差

3x“

帶共面

ami?幾個表面有同一數值的公差帶要求時，

：衣示方法見圖f.用同一公差帶控制被測

要素時，表示方法見圖g,并在公差框

格上注明“共面”或“共線”

表而粗糙度指已加工表面波距在1mm以下的微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度由加工過程中的殘留面

積、塑性變形、積屑瘤、鱗刺以及工藝系統(tǒng)的高頻振動等原因造成。

同一表面粗糙度值Ry>Rz>Ra,且Ry值約為Ra值的8倍。一般表面粗糙度標注優(yōu)先采用Ra值。

表1.6-1新老表面粗糙度對照表（相當于）

表面粗糙度數值&100應50Ra3.2RaL6)?a0.8Ka0.4Ka0.2HaO.l

相當于原表面光潔度▽3▽4V5▽6V7▽8▽9▽10

尺寸鏈是在零件加工或機器裝配過程中，由相互聯接的尺寸形成的封閉尺寸組。按尺鏈的形成和應用

場合，尺寸鏈可分為工藝尺寸鏈和裝配尺寸鏈。在零件加工過程中，由同零件有關工序尺寸所形成的尺寸

鏈，稱為工藝尺寸鏈。在機器設計和裝配過程中由有關零設計尺寸所形成的尺寸鏈，稱為裝配尺寸鏈。

按尺寸鏈各環(huán)的幾何特征和所處空間位置，尺寸鏈可分為直線尺寸鏈、角度尺寸鏈、面尺寸鏈和空間尺

寸鏈。

第二部分工程材料

2.1金屬材料

金屬材料的主要性能包括工藝性能和使用性能。工藝性能是指金屬材料使用某種工藝方法進行加工的難

易程度。使用性能是指金屬材料在正常工作條件下所表現出來的力學性能、物理性能和化學性能。

力學性能是指材料在外力作用下表現出來的性能。其主要指標有硬度、強度、塑性、韌性、耐磨性和缺

口敏感性等。材料的力學性能主要取決于材料的組分和晶體結構。

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。

硬度是材料的重要力學性能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗

力越大，硬度值也越高。

硬度和其他力學性能之間存在一定關系。金屬材料的布氏硬度HBS與抗拉強度。b在一定硬度范圍內存

在線性關系，即。b=KHBS,鋼鐵材料和鋁合金K值約為3.3?3.5,銅及銅合盆約為4.8?5.3。根據洛式硬度

換算ob=-801.24+50.08XHRCo

對于刀具、冷成型模具和粘著磨損或磨粒磨損失效的零件，其磨損抗力和材料的硬度成正比，硬度是決

定耐磨性的主要性能指標。對于承受接觸疲勞載荷的零件如齒輪、滾動軸承等，在一定硬度范圍內提高硬度

對減輕麻點剝落是有效的。用硬度作為控制材料性能的指標時，必須對熱處理工藝作出明確的規(guī)定，設計零

件時在圖樣上除注明材料外，還必須注明熱處理技術條件和熱處理后達到的硬度（硬度應有一定范圍，一般

波動為5個HRC）。

生產中常用的硬度測試方法有布氏（HB）硬度測試法、洛氏（HR）硬度試驗方法和維氏（HV）硬度

試驗方法三種（HS-肖氏硬度）。

（一）布氏硬度試驗法

布氏硬度試驗法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球作為壓頭，在載荷P（kgf或N）的作用下壓

入被測試金屬表面，保持一定時間t后卸載，測量金屬表面形成的壓痕直徑d,以壓痕的單位面積所承受的

平均壓力作為被測金屬的布氏硬度值。

布氏硬度指標有HBS和HBW,前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如

退火鋼、正火鋼、調質鋼及鑄鐵、有色金屬等；后者壓頭為硬質合金，適用于布氏硬度值為450?650的金

屬材料，如淬火鋼等。

布氏硬度試驗特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度及鋼件退

火、正火和調質后的硬度。試驗數據穩(wěn)定，重復性強。檢測布氏硬度時，檢測面應是光滑的，表面粗糙度一

般為Ra<0.8nm,試樣厚度至少應為壓痕直徑的10倍。試驗時，壓痕中心應距試樣邊緣24d,當材料硬度

<35HBS時應為6do相鄰兩個壓痕之間的間隔必須大于壓痕直徑的3倍以上。布氏硬度測試法，因壓痕較

大，故不宜測試成品件或薄片金屬的硬度。

（二）洛氏硬度試驗法

洛式硬度是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值。

洛氏硬度試驗法是用一錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為（1.558mm（1/16英寸）的淬火鋼球為

壓頭，以一定的載荷壓入被測試金屬材料表面，根據壓痕深度可直接在洛氏硬度計的指示盤上讀出硬度值。

常用的洛氏硬度指標有HRA、HRB和HRC三種。

表2.1-2洛式硬度試驗的標尺、試驗規(guī)范及應用

標尺符號壓頭類型總試驗力尸（N）測量硬度范圍應用舉例

AHRA金剛石圓錐588.420?88硬質合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼

BHRB?1.558鋼球980.720?100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵

CHRC金剛石圓錐147120?70淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵

洛氏硬度測試，操作迅速、簡便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗，熱處理質量檢驗。缺點

是壓痕小，代表性差，所測硬度值重復性差，分散度較大。常用于檢查淬火后的硬度。

（-）維氏硬度試驗法

維氏硬度試驗的壓頭是兩對面夾角a為136。的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗力F的作用下，將試樣表

面壓出一個四方錐形的壓痕，經一定保持時間后，卸除試驗力，測量出壓痕對角線平均長度d,用以計算壓

痕的表面積Ao

1）金屬維氏硬度試驗方法。試驗力范圍為49.03?980.7N,共分六級，主要用于測定較大工件和較深表

面層的硬度。

2）金屬小負荷維氏硬度試驗方法。試驗力范圍為1.961?49.03N,共分七級，主要用于測定較薄工件

和具有較淺硬化層零件的表面硬度，也可測表面硬化零件的表層硬度梯度或硬化層深度。

3）金屬顯微硬度試驗方法。試驗力范圍為18.07X10-3?L961N,共分五級，主要用于測量微小件，極

薄件以及具有極薄的表面層的硬度以及合金中組成相的硬度。

維氏硬度不僅試驗力可任意選取，而且壓痕測量精度高，硬度值準確。缺點是硬度值需通過測量壓痕對

角線長度后進行計算或查表，效率較低。

其他還有努氏硬度（HK）試驗，它是一種顯微硬度的試驗方法，對表面淬硬層或鍍層，滲層等薄層區(qū)

域的硬度測定以及截面上的硬度分布的測定較為方便；肖氏硬度（HS）試驗也是一種動載荷試驗法（也稱

回跳硬度），較為方便，可在現場測量大型工件的硬度，其缺點是硬度測量精度較低；里氏硬度（HL）試

驗法，是一種新型的反彈式硬度測量方法，便于攜帶，常用于測量大型鑄鍛件、永久組裝部件等、精度較

高，可自動轉換成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出測量結果，被測表面的粗糙

度應達至Ra=2um,表面清潔，不得有油污，被測零件的重量三100g,厚度>5mm,硬化層深度>0.8mm。

習題1.材料的基本力學性能主要包括哪此內容？

答：力學性能主要指標有硬度、強度、塑性、韌性等。

硬度：制造業(yè)中，通常采用壓入法測量材料的硬度，按試驗方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬

度（HR）、維氏硬度（HV）,表達材料表面抵抗外物壓入的能力。布氏硬度（HB）是用一定載荷將淬火

鋼球壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸載，測得表面壓痕的面積后，計算出單位面積承受的壓力，為布氏硬

度值（HB）,單位是kgf/mm2,通常不標注；布氏硬度（HB）測試法一般用于HB<450o洛氏硬度（HR）

以壓痕深淺表示材料的硬度。洛式硬度有三種標尺，分別記為HRA、HRB和HRC,采用不同的壓頭和載

荷。生產中按測試材料不同，進行選擇，有色金屬和正火鋼，選用HRB,淬火鋼選用HRC；硬質合金、表

面處理的高硬層選用HRA進行測量。維氏硬度（HV）根據單位壓痕表面積承受的壓力定義硬度值，壓頭為

錐角136度金鋼石角錐體，載荷根據測試進行選擇，適用對象普遍。肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定義

為一定重量的具有金鋼石圓頭和鋼球的標準沖頭從一定高度落下，得到的回跳高度與下落高度的比值，適用

于大型工件的表面硬度測量。

強度：常用的強度指標為屈服強度。S，通過拉伸試驗確定，定義為材料開始產生塑性變形的應力，其

大小表達材料抵抗塑性變形的能力，大多數金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現象，因此將試樣產生0.2%

塑性變形時的應力值，作為屈服強度指標，稱為條件屈服強度，用。0.2表示。

抗拉強度。b是材料產生最大均勻變形的應力。Ob對設計塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材

料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有直接意義。設計時以抗拉強度確定許用應力，即［。］=。"］＜（1＜為

安全系數）。

塑性：通過拉伸試驗確定塑性指標，包括伸長率（6）和斷面收縮率（中），分別定義為斷裂后試樣的

長度相對伸長和截面積的相對收縮，單位是％。它們是材料產生塑性變形重新分布而減小應力集中的能力的

度量。6和中值愈大則塑性愈好，金屬材料具有一定的塑性是進行塑性加工的必要條件。塑性還可以提高零

件工作的可靠性，防止零件突然斷裂。

韌性：沖擊韌度指標a卜或Ak表示在有缺口時材料在沖擊載荷下斷裂時塑性變形的能力及所吸收的功，

反映了應力集中和復雜應力狀態(tài)下材料的塑性，而且對溫度很敏感，單位為kgf-m/cn?。

6和巾數值大小只能表示在單向拉伸應力狀態(tài)下的塑性，不能表示復雜應力狀態(tài)下的塑性，即不能反映

應力集中、工作溫度、零件尺寸對零件斷裂強度的影響，因此不能可靠地避免零件脆斷。標準件廠在螺栓或

螺釘成品檢驗時都必須隨機抽樣對螺栓或螺釘實物進行偏斜拉伸試驗。

沖擊韌度指標ak或Ak、表征在有缺口時材料塑性變形的能力，反映了應力集中和復雜應力狀態(tài)下材料

的塑性，而且對溫度很敏感，正好彌補了6和中的不足。在設計中對于脆斷是主要危險的零件，沖擊韌度是

判斷材料脆斷抗力的重要性能指標。其缺點是ak或Ak不能定量地用于設計，只能憑經驗提出對沖擊韌度值

的要求。若過分追求高的ak值，結果會造成零件笨重和材料浪費。尤其對于中低強度材料制造的大型零件

和高強度材料制造的焊接構件，由于其中存在冶金缺陷和焊接裂紋，此時，僅以沖擊韌度值已不能評定零件

脆斷傾向的大小。

應當指出，在沖擊載荷作用下工作的零件，實際承受的載荷是小能量多次重復沖擊，這與ak值的實驗

條件不同，因此材料承受小能量多次重復沖擊的能力主要決定于強度，而無需過高的沖擊韌度。

材料經受無數次重復交變應力作用而不致引起斷裂的最大應力，此種應力稱為疲勞強度，用。t表示彎

曲疲勞強度。

試驗規(guī)范規(guī)定：鋼的循環(huán)次數以IO,為基數，非鐵合金或某些超高強度鋼取108為基數。

疲勞斷裂的原因是由于材料內部缺陷，表面?zhèn)奂霸诠ぷ髦辛慵植繎?，導致微裂紋的產生。這

些微裂紋在交變應力作用下，隨循環(huán)次數增加而逐漸擴展，使零件有效截面減小，從而導致突然斷裂。

為了提高零件的疲勞強度，在設計時可通過改變零件結構的形狀，避免應力集中。加工時改善表面粗糙

度，采取表面處理、滾壓和噴丸等措施，以提高材料的疲勞強度。

習題5.常用材料硬度的測定法有哪三種？它們主要適應于檢驗什么材料？

答：（1）硬度（HB）測定法：布氏硬度測定是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質合金球為壓頭，測

量壓痕球形面積A（mm2）o布氏硬度（HB）就是試驗力F除以壓痕球形面積A所得的商。布氏硬度試驗

特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度及鋼件退火、正火和調質后的

硬度。

（2）洛式硬度（HR）試驗：洛式硬度是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值。洛式硬度試驗所用的壓

頭有兩種。一種是圓錐角a=120°的金鋼石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。常的三種洛式硬度如

表2.1-2所示。洛氏硬度試驗常用于檢查淬火后的硬度。

標尺符號壓頭類型總試驗力F（N）測量硬度范圍應用舉例

AHRA金鋼石圓錐5.88422-88硬質合金、表面薄層硬化鋼

BHRB中1.558鋼球980.720-100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵

CHRC鋼金石圓錐147120-70淬火鋼、高硬鑄件、珠光體可鍛鑄鐵

（3）維氏硬度（HV）試驗：維氏硬度試驗適用于常規(guī)材料，其壓頭是兩對面夾角a=136°的金鋼石四

棱錐體。測量出壓痕對角線平均長度并計算壓痕的表面積A（mm2）,得到HV=0.1891F+d2。

強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力

表示，符號為。，單位為MPa。

工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產生屈服現象時

的應力，或開始出現塑性變形時的最低應力值，用。s表示?？估瓘姸仁侵附饘俨牧显诶Φ淖饔孟?，被拉

斷前所能承受的最大應力值，用。b表示。

對于大多數機械零件，工作時不允許產生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設計的依據；對于因斷裂

而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設計的依據。

從圖2.1-1可看出，鋼在低于彈性極限。e的應力下，應力和應變成正比，服從虎克定律，即。=E1稱為

線彈性變形，式中E為拉伸楊式模量。顯然比例極限Op是應力

和應變成正比的最大應力，而彈性極限。e則是不產生塑性變形

的最大應力。當應力超過彈性極限。e后，在繼續(xù)發(fā)生彈性變形

的同時，開始發(fā)生塑性變形并出現屈服現象，即外力不增加，但

變形繼續(xù)進行。顯然，屈服極限。s是材料開始產生塑性變形的

應力。當應力超過屈服極限

0s后，隨著應力增加，塑性變形逐漸增加，并伴隨加工硬化，

即塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，產生均勻塑性變

形，直至應力達到抗拉強度。b后均勻塑性變形階段結束，試樣

開始產生不均勻集中塑性變形，產生縮頸，變形量迅速增大至K

點而發(fā)生斷裂。顯然，抗拉強度。b是材料產生最大均勻變形的

應力，而斷裂強度。K則是材料發(fā)生斷裂的應力。除低碳鋼外，

正火、調質態(tài)的中碳鋼或低、中碳合金鋼和有些鋁合金及某些高

分子材料也具有上述類似的應力一應變行為。

圖2.1-1低俅鋼的應力-應變曲線。s是強度設計中應用最多的性能指標，設計中規(guī)定零件工

作應力0必須小于許用應力［o］o即

cr<［cr］=—K—安全系數。

K

按此式計算材料的屈服強度。S愈高,承載能力愈大，零件的壽命越長。實際上不能一概而論。對于純

剪或純拉伸的零件，例如螺栓，0s可直接作為設計的依據，并取K=l.l?1.3；對于承受交變接觸應力的零

件，由于表面經熱處理強化（滲碳、滲氮、感應加熱淬火），疲勞裂紋多發(fā)生在表面硬化層和心部交界處，

因而適當提高零件心部屈服強度對提高接觸疲勞性能有利；對于低應力脆斷零件，其承載能力已不是由材料

的屈服強度來控制，而是決定于材料的韌性，此時應適當降低材料屈服強度；對于承受彎曲和扭轉的軸類零

件，由于工作應力表層最高，心部趨于零，因此只要求一定的淬硬層深度，對于零件心部的屈服強度不需過

高的要求。需要指出的是大多數金屬材料在拉伸時沒有明顯的屈服現象，因此將試樣產生0.2%塑性變形時

的應力值，作為屈服強度指標，稱為條件屈服強度，用。0.2表示。

抗拉強度對設計塑性低的材料如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等制作的零件具有

直接意義。設計時以抗拉強度確定許用應力，即［oJ=Ob/K。而對于塑性材料制作的零件，0b雖然在設計

中沒有直接意義，但由于大多數斷裂事故都是由疲勞斷裂引起的，疲勞強度?！古c抗拉強度。b有一定關系。

對于鋼，當。b<1400MPa時，。一1皿=0.5；對于灰鑄鐵。一J。b=0.4；有色金屬。一"。b=0.3?0.4。通常以抗

拉強度來衡量材料疲勞強度的高低，提高材料的抗拉強度對零件抵抗高周疲勞斷裂有利。止匕外，抗拉強度對

材料的成分和組織很敏感。兩種材料的成分或熱處理工藝不同，有時盡管硬度相同，但抗拉強度不同，因此

可用抗拉強度作為兩種不同材料或同一種材料兩種不同熱處理狀態(tài)的性能比較標準，這樣可以彌補硬度作為

檢驗標準的不足之處。

習題2.設計中的許用應力［。］與材料的強度有何關系？如何確定設計中的許用應力？

答：設計中規(guī)定零件工作應力。必須小于許用應力［。］，即屈服強度除以安全系數的值。W［0］=0s+

K,式中K—安全系數，0b對設計塑性低的材料，如鑄鐵、冷拔高碳鋼絲和脆性材料，如白口鑄鐵、陶瓷等

制作的具有直接意義。設計時以抗拉強度。b確定許用應力，即［o］=Ob+K（K為安全系數）。

彈性模量（E）（等于彈性應力，即彈性模量是產生100%彈性變形所需的應力）

剛度是指零件在受力時抵抗彈性變形的能力。工程中彈性模量E被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈

性變形的抗力，其值愈大，則在相同應力下產生的彈性變形就愈小。設計彈性零件必須考慮彈性極限和彈性

模量。

金屬材料的主要物理性能有密度、熔點、熱膨脹性、導電性、導熱性、磁性等。導熱差的材料，在經熱

處理或鍛壓工藝加工的加熱速度應緩慢些，以防止產生裂紋。

金屬材料的化學性能是指金屬及合金在常溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力。

金屬材料的工藝性能包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、機械加工性能和熱處理工藝性能。

晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性的重復排列；非晶體中的這些質

點，則是雜亂無章的堆積在一起無規(guī)則可循。這就是晶體和非晶體的根本區(qū)別。

晶體有一定的熔點且性能呈各向異性，而非晶體與此相反。

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蠟等少數物質以外，包括金屬和合金在內的絕大多數固體都是晶

體。

最典型、最常見的三種晶體結構類型：體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構。

晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。

最常見的點缺陷是空位和間隙原子，因為這些點缺陷的存在，會使其周圍的晶格發(fā)生畸變，引起性能的

變化。

晶體中晶格空位和間隙原子都處在不斷地運動和變化之中，晶格空位和間隙原子的運動是金屬中原子擴

散的主要方式之一，這對熱處理過程起著重要的作用。

晶體中的線缺陷通常是各種類型的位錯。所謂位錯就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有

規(guī)律的錯排現象。

位錯密度愈大，塑性變形抗力愈大。因此，目前通過塑性變形，提高位錯密度，是強化金屬的有效途徑

之一。

面缺陷即晶界和亞晶界。晶界實際上是不同位向晶粒之間原子無規(guī)則排列的過渡層。晶粒內部的晶格位

向也不是完全一致的，每個晶粒皆是有許多位向差很小的小晶塊互相鑲嵌而成的，這些小晶塊稱為亞組織。

亞組織之間的邊界稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所形成的小角度晶界。晶界和亞晶界處表

現出有較高的強度和硬度。晶粒越細小晶界和亞晶界越多，它對塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強度、

硬度越高。晶界還有耐蝕性低、熔點低，原子擴散速度較快的特點。晶粒越細，金屬材料的強度和硬度便越

高。對于在較低溫度下使用的金屬材料，一般總是希望獲得細小的晶粒。

在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。

金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程叫做結晶。而一般非晶體由液態(tài)向固態(tài)的轉變則稱為凝固。

每種金屬都有一個平衡結晶溫度，也稱理論結晶溫度。只有金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度才能

結晶，這種現象稱為過冷現象，理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度。因此認為：金屬要結晶就必

須有過冷度，即過冷度是結晶的必要條件，冷卻速度愈快，則過冷度愈大。

生產中，細化晶粒的方法如下：

1）增加過冷度。結晶時增加過冷度AT會使結晶后晶粒變細。增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷

卻轉變速度。實際生產中常常是采用降低鑄型溫度和采用導熱系數較大的金屬鑄型來提高冷卻速度。但是，

對大型鑄件，很難獲得大的過冷度，而且太大的冷卻速度，又增加了鑄件變形與開裂的傾向。因此工業(yè)生產

中多用變質處理方法細化晶粒。

2）變質處理。變質處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入一些細小的難熔的物質（變質劑），在液相中起

附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒顯著細化。如往鋼液中加入鈦、錯、鋁等。

3）附加振動。金屬結晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，既可使正在生長的枝晶熔斷

成碎晶而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。

純金屬在固態(tài)下的轉變有兩種，一種是同素異晶轉變，一種是磁性轉變。

純鐵的同素異晶轉變是：1538?1394℃時為體心立方晶格稱6-Fe；在1394?912℃時為面心立方晶格，

稱丫-Fe；在912℃以下時為體心立方晶格，稱a-Fe。晶格改變，其性能隨之變化，這就是鋼能利用熱處理

方法改變性能的原因所在。

面心立方結構的金屬塑性最好，可加工成極薄的金屬箔，體心立方結構的金屬塑性次之，密封六方結構

的金屬塑性最差。具有同素異晶轉變的金屬有鐵、錫、鈦、錦等。

磁性轉變與同素異晶轉變有著原則上的區(qū)別，不發(fā)生晶格類型轉變，而是發(fā)生磁性和無磁性的轉變。

鐵、鉆、鎂均具有磁性轉變特性。純鐵的磁性轉變溫度為768℃,低于768℃的鐵才具有磁性。

合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質。相是指合金中成分、

結構均相同的組成部分，相與相之間具有明顯的界面。通常把合金中相的晶體結構稱為相結構，而把在金相

顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。所以合金中的各種相是組成合金的基本

單元，而合金組織則是合金中各種相的綜合體。

一種合金的力學性能不僅取決于它的化學成分，更取決于它的顯微組織。通過對金屬的熱處理可以在不

改變其化學成分的前提下而改變其顯微組織，從而達到調整金屬材料力學性能的目的。

根據構成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物、機械混合

物三大類。

合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組

元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。

根據溶質原子在溶劑晶格中所占據位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。置換固

溶體如銅銀二元合金，鐵碳合金中，鐵素體和奧氏體皆為間隙固溶體。

由于溶質原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，變形抗力增大，使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶

強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。

金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，又

因它具有一定的金屬性質，故稱金屬化合物。如碳鋼中的FesC、黃銅中的CuZn等。

金屬化合物具有復雜的晶體結構，熔點較高、硬度高、而脆性大、電阻高。當它呈細小顆粒均勻分布在

固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現象稱為彌散強化。因此金屬化合物在合

金中常作為強化相存在。它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。

機械混合物具有比單一固溶體更高的硬度、強度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蝕性較

差，如錫、睇、銅組成的軸承合金。