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目目 录录第第1章章 金属材料基础知识金属材料基础知识第第2章章 钢的热处理钢的热处理第第3章章 常用金属材料及选用常用金属材料及选用第第4章章 铸造成形铸造成形第第5章章 锻压成形锻压成形第第6章章 焊接成形焊接成形第第7章章 尺寸公差及检测尺寸公差及检测第第8章章 几何公差及检测几何公差及检测第第9章章 表面粗糙度及其测量表面粗糙度及其测量第第10章章 金属切削原理与刀具基础金属切削原理与刀具基础第第11章章 常见金属切削加工机床与加工方法常见金属切削加工机床与加工方法第第12章章 其他金属切削加工机床与加工方法其他金属切削加工机床与加工方法第第13章章 机械加工工艺与机械装配工艺基础机械加工工艺与机械装配工艺基础第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识1.1 金属材料的性能金属材料的性能1.2 金属材料的结构金属材料的结构1.3 金属材料的结晶金属材料的结晶1.4 铁碳合金相图铁碳合金相图本章小结本章小结习题习题第1章 金属材料基础知识1.1 金属材料的性能金属材料的性能材料是人类生产和生活的物质基础材料的种类很多,其中用于机械制造的各种材料为机械工程材料机械工程材料是用以制造各种机械零件的材料的统称,通常分为金属材料和非金属材料两大类。

第1章 金属材料基础知识金属材料包括黑色金属(铁金属)材料和有色金属(非铁金属)材料有色金属用量虽只占金属材料的5%,但由于它具有良好的导热性、导电性,以及优异的化学稳定性和高的比强度等,因而在机械工程中占有重要的地位非金属材料又可分为无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料其中,属于无机非金属材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等;属于有机高分子材料的有合成橡胶、合成树脂、合成纤维等;此外,还有由两种或多种不同材料组合而成的复合材料,这种材料由于复合效应具有比单一材料优越的综合性能,现已成为一类新型的工程材料第1章 金属材料基础知识1.1.1 材料的力学性能材料的力学性能材料常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限等1.材料的强度材料的强度强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力工程上常用的静拉伸强度判据有比例极限p(弹性极限e)、屈服点极限s和强度极限b等材料在外力作用下其强度和变形方面所表现出的力学性能,是强度计算和材料选用的重要依据在不同的温度和加载速度下,材料的力学性能将发生变化第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识图11拉伸试件第1章 金属材料基础知识低碳钢是工程上应用最广泛的材料,同时,低碳钢试件在拉伸试验中所表现出来的力学性能最为典型。

将试件装上试验机后,缓慢加载,直至拉断,试验机的绘图系统可自动绘出试件在试验过程中工作段的变形和拉力之间的关系曲线图以和分别为横坐标与纵坐标,这样得到的曲线称为应力应变图或曲线图12为Q235钢的曲线,从图中可见,整个拉伸过程可分为以下四个阶段:第1章 金属材料基础知识图12低碳钢拉伸应力应变图第1章 金属材料基础知识第1阶段弹性阶段在试件拉伸的初始阶段,与的关系表现为直线OA,与成正比,直线的斜率为所以有这就是著名的胡克定律,式中E为弹性模量,为材料的刚度性能指标第1章 金属材料基础知识第2阶段屈服阶段当应力超过弹性极限时,曲线上将出现一个近似水平的锯齿形线段(见图12中的BC段),这表明应力在此阶段基本保持不变,而应变却明显增加此阶段称为屈服阶段或流动阶段若试件表面光滑,则可看到其表面有与轴线大约呈45的条纹,称为滑移线,如图13(a)所示在屈服阶段中,对应于曲线最高点与最低点的应力分别称为上屈服点应力和下屈服点应力通常,下屈服点应力值较稳定,故一般将下屈服点应力作为材料的屈服点极限,用s表示Q235钢的屈服点极限s240MPa第1章 金属材料基础知识图13屈服阶段缩颈阶段第1章 金属材料基础知识第3阶段强化阶段。

经过屈服阶段后,图12中CD段曲线又逐渐上升,表示材料恢复了抵抗变形的能力,且变形迅速加大,这一阶段称为强化阶段强化阶段中的最高点D对应的是材料所能承受的最大应力,称为强度极限,用b表示强化阶段中,试件的横向尺寸明显缩小Q235钢的强度极限b400MPa第1章 金属材料基础知识第4阶段缩颈阶段在强化阶段,试件的变形基本是均匀的过D点后,变形集中在试件的某一局部范围内,横向尺寸急剧减少,形成缩颈现象,如图13(b)所示由于在缩颈部分横截面面积明显减少,使试件继续伸长所需要的拉力也相应减少,故在曲线中,应力由最高点下降到E点,最后试件在缩颈段被拉断,这一阶段称为缩颈阶段或局部变形阶段第1章 金属材料基础知识上述拉伸过程中,材料经历了弹性、屈服、强化和缩颈四个阶段对应前三个阶段的三个特征点,其相应的应力值依次为比例极限p、屈服点极限s和强度极限b对低碳钢来说,屈服点极限和强度极限是衡量材料强度的主要指标第1章 金属材料基础知识2.材料的塑性材料的塑性试件拉断后,材料的弹性变形消失,塑性变形则保留下来,试件长度由原长l变为l1,试件拉断后的塑性变形量与原长之比以百分比表示,即式中:为断后伸长率;l为试件原始标距;l1为试件拉断后的标距。

第1章 金属材料基础知识衡量材料塑性变形程度的另一个重要指标是断面收缩率设试件拉伸前的横截面面积为A,拉断后断口横截面面积为A1,以百分比表示的比值,即称为断面收缩率断面收缩率越大,材料的塑性越好,Q235钢的断面收缩率约为50%第1章 金属材料基础知识3.材料的硬度材料的硬度硬度实际上是指一个小的金属表面或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的一种抗力因此,硬度不是一个单纯的确定的物理量,不是基本的力学性能指标,而是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标,所以硬度所表示的量不仅取决于材料本身,而且取决于试验方法和试验条件第1章 金属材料基础知识硬度试验方法很多,一般可分为三类,有:压入法,如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度;划痕法,如莫氏硬度;回跳法,如肖氏硬度等目前机械制造生产中应用最广泛的硬度试验方法是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度第1章 金属材料基础知识1)布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N),把直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面(见图14),保持规定时间后卸除试验力,用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm),然后按公式求出布氏硬度HB值,或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。

布氏硬度的计算公式为第1章 金属材料基础知识由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄、有大有小,如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D,就会出现对某些材料和工件不适应的现象因此,在生产中进行布氏硬度试验时,要求能使用不同大小的试验力和压头直径当对同一种材料采用不同的F和D进行试验时,能否得到同一布氏硬度值,关键在于压痕几何形状的相似性,即可建立F和D的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性第1章 金属材料基础知识用淬火钢球作压头测得的硬度值以符号HBS表示,用硬质合金球作压头测得的硬度值以符号HBW表示符号HBS和HBW之前的数字为硬度值,符号后面依次用相应数值注明压头球体直径(mm)、试验力(0.102N)、试验力保持时间(s)(1015s不标注)例如:500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500;120HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120布氏硬度试验规范见表11第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识2)洛氏硬度洛氏硬度试验是目前应用最广的性能试验方法,它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的方法。

洛氏硬度试验原理如图15所示它是用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球作压头,先施加初试验力FF2,其总试验力为F=F1+F2(588N、980N、1471N)第1章 金属材料基础知识图15洛氏硬度试验原理示意图第1章 金属材料基础知识为了能用一种硬度计测定从软到硬的材料硬度,采用了不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标度,每一个标度用一个字母在洛氏硬度符号HR后加以注明我国常用的洛氏硬度是HRA、HRB、HRC三种,试验条件(GB/T230.1-2004)及应用范围见表12洛氏硬度值标注方法为在硬度符号前面注明硬度数值,例如52HRC、70HRA等第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料,操作简便迅速,而且压痕很小,几乎不损伤工件表面,故在钢件热处理质量检查中应用最多但由于它的压痕小,因此硬度值代表性差些若材料有偏析或组织不均匀的情况,则所测硬度值的重复性较低,故需在试样不同部位测定三点,取其算术平均值第1章 金属材料基础知识4.材料的冲击韧度材料的冲击韧度 机械零部件在使用过程中不仅受到静载荷或变动载荷的作用,而且会受到不同程度的冲击载荷作用,如锻锤、冲床、铆钉枪等。

在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时,还必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度目前最常用的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验,其试验原理如图16所示第1章 金属材料基础知识图16冲击试验原理图第1章 金属材料基础知识将待测定的材料先加工成标准试样,然后放在试验机的机架上,试样缺口背向摆锤冲击方向;将具有一定重量W的摆锤举至一定高度H1,使其具有势能(WH1),然后摆锤落下冲击试样;试样断裂后摆锤上摆到H2高度在忽略摩擦和阻尼等条件下,摆锤冲断试样所做的功,称为冲击吸收功,以AK表示,则有AK=WH1-WH2=W(H1-H2),用试样的断口处截面积SN去除AK即得到冲击韧度,用aK表示,单位为J/cm2,表达式为第1章 金属材料基础知识试验表明,对一般常用钢材来说,所测冲击吸收功AK越大,材料的韧性越好试验还表明,冲击韧度值aK随温度的降低而减小,在某一温度范围内材料的aK值急剧下降材料由韧性状态向脆性状态转变的温度称为韧脆转变温度长期生产实践证明AK、aK 值对材料的组织缺陷十分敏感,能灵敏地反映材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化,因而冲击试验是生产上用来检验冶炼和热加工质量的有效办法之一。

第1章 金属材料基础知识5.材料的疲劳极限材料的疲劳极限许多机械零件(如轴、齿轮、弹簧等)和许多工程结构都是在交变应力作用下工作的,它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳第1章 金属材料基础知识在交变载荷下,金属材料承受的交变应力()和断裂时应力循环次数(N)之间的关系,通常用疲劳曲线来描述,如图17所示若金属材料承受的最大交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越小;反之若越小,则N越大当应力低于某值时,应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂,此应力值称为材料的疲劳极限,以D表示第1章 金属材料基础知识图17疲劳曲线示意图第1章 金属材料基础知识常用钢铁材料的疲劳曲线形状有明显的水平部分,如图18(a)所示其他大多数金属材料的疲劳曲线上没有水平部分,如图18(b)所示,在这种情况下,规定某一循环次数N0断裂时所对应的应力作为条件疲劳极限,以N 表示图18两种类型疲劳曲线第1章 金属材料基础知识通常材料疲劳性能的测定是在旋转弯曲疲劳实验机上进行的,具体试验方法请参阅GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法。

试验规范规定各种金属材料指定寿命(循环基数)N0(如合金钢的循环基数为107,低碳钢的循环基数为5106),应力循环次数达到N0次仍不发生疲劳破坏,此时的最大应力可作为疲劳极限通常这种在对称应力循环条件下的纯弯曲疲劳极限用-1表示第1章 金属材料基础知识由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或内、外部缺陷所造。