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本文格式为Word版，下载可任意编辑机械专业基础课程材料 第一章 机械工程材料 用来制造机械零件的工程材料一般分为三大类： 金属材料——钢铁、有色金属及其合金； 非金属材料——塑料、橡胶、合成纤维， 陶瓷、玻璃、搪瓷等； 复合材料——树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等 §1—1 金属材料的主要性能 一、金属材料的力学性能 ——金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、交变载荷）作用下表现出来的特性 1、强度 ——材料在外力作用下，抗争变形和断裂的才能（一般以抗拉强度作为根本强度指标） （1）拉伸试验 按GB6379-86规定制作试样，在万能试验机上缓慢举行拉伸，使试样承受轴向拉力F ，并沿轴向产生伸长⊿l （⊿l =l 1-l 0），直到试样断裂 （2）拉伸曲线 将拉力F 除以试样的原始横截面积A 0称为应力,记为：σ 0A F =σ 式中： σ——拉应力 (MPa) F ——拉伸载荷 (N) A ——试棒横截面积（ mm 2） （3）强度指标 1）屈服点 ——指金属材料开头产生屈服时的应力，记为 σs )(0MPa A F s =σ 式中：Fs ——屈服载荷(N)； A 0——试棒原始截面积（mm 2 ） *屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较软的材料的强度指标，说明这类材料抗永久变形的才能，它是设计和选材的重要依据之一。

*某些较硬的材料，如铸铁、高碳钢以及合金没有明显的屈服现象通常规定，试棒产生0.2%的塑性变形时的应力值作为这类材料的条件屈服点，记为σs 2）抗拉强度 ——指材料在断裂前所能承受的最大拉应力，记为 σb 式中：Fb ——试棒能承受的最大载荷(N) A 0——试棒原始截面积（ mm 2） *抗拉强度说明了材料抗争断裂破坏的才能，它也是设计和选材的重要依据之一 2、塑性 ——材料在外力作用下产生不成逆永久变形（塑性变形）而不断裂的才能 塑性指标： 1）伸长率 %100001?-=l l l δ 2）断面收缩率 %100010?-=A A A ψ δ或ψ数值越大，材料的塑性越好 式中：l 0、l 1——试棒原始标长和断后标长(mm) A0、A1——试棒原始截面积和断后截面积(mm 2) 3、硬度 ——材料抗争更硬物体压入的才能（可视为在一个很小面积内抗争弹性变形、塑性变形或抗争破坏的抗力） 硬度值不仅抉择于材料本身的化学成分、金相组织和热处理方式的区别，而且还取决于试验的方法和条件，目前广泛采用压入法根据适用的硬度范围不同，主要采用两种硬度指标量： （1）布氏硬度(HB) ——以测量压痕面积来确定硬度值的硬度指标。

方法：用淬火钢球或硬质合金球作为压头，用规定的载荷F 将压头压入被测材料外观，经规定的保持时间后卸除载荷用读数放大镜测量压痕，并经过计算得出硬度值 )(2102 .022d D D D F HB --=π HBS ：淬火钢球压头（用于较软材料） HBW:硬质合金球压头（用于较硬材料） 表达：320HBS ，470HBW *布氏硬度压痕面积大，测量切实，又因压痕大，不宜测试薄件或成品件，主要测试铸铁、碳钢及退火、正火、和调质处理的钢材的硬度 （2）洛氏硬度(HR) ——以测量压痕深度来确定硬度值的硬度指标 方法：用金刚石锥形压头或淬火钢球压头，用初始载荷F1和主载荷F2两次将压头压入被测材料外观，经规定的保持时间后卸除主载荷F2,，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值 002.0h K HR -= 金刚石压头(k=0.2) 淬火钢压头(k=0.26) 为了能用一种硬度计测量从软到硬的材料硬度，采用不同的压头和载荷组合来测定硬度： HRA:用金刚石压头、小载荷，适用硬度为70∽85HRA 的硬质合金、外观淬火层和渗碳层的较硬表层或薄壁材料。

HRB:用淬火钢球压头、中载荷，适用硬度范围为25∽100HRB 的非铁金属、退火、正火钢等较软材料 HRC:用金刚石压头、大载荷，适用硬度范围为70∽85HRC 的淬火钢、调质钢等较硬的整体材料 表达：60HRC ，55HRA *洛氏硬度HRC 测量硬度高，操作简便急速，压痕小，几乎不损伤工件外观，故在钢件热处理质量检查中应用最多 4、冲击韧度（脆韧性） ——材料在冲击载荷（载荷作用时间短速度快，如锻锤锻杆、冲床冲头等）下，抗争破坏的才能 （1）冲击试验 利用冲击试验机冲断试样所消耗的冲击吸收功，通过计算断口单位面积上的消耗功来表示冲击韧度αk （2）冲击韧度指标 )/(2mm J A W d k k =α 式中：W k ——冲击吸收功(J) A d ——试样断口面积(cm 2) 5、疲乏强度 ——材料在反复变更大小或同时变更大小和方向的交变载荷作用下，抗争破坏的才能 疲乏：金属在循环的交变应力作用下，在一处或多处产生局部永久性累积损伤，经确定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程疲乏失效前无明显的塑性变形而发生断裂，具有危害性，大多数零件失效是由疲乏造成的。

疲乏强度指标： ——材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力对应于疲乏曲线上水平片面的应力值σr 二、金属材料的其它性能 1、物理性能 ——金属材料本身的固有属性 （1）密度ρ(kg/m 3)×103 ：单位体积中材料的质量 要求重量轻时应使用低密度材料 （2）熔点（o C ） ：材料的熔化温度 高温工作材料要求熔点高 （3）热膨胀性：受热后线膨胀的程度，用线膨胀系数表示 对细致仪器零件的材料是分外重要的性能指标 （4）导电性：材料的电阻率上下 金属的导电性好，非金属的导电性差纯金属的导电性比合金的导电性好 （5）导热性：材料传导热量的才能 金属越纯导热性越好，非金属的导热性差导热性高的材料常用来制造热交换器等传热设备中的零件 2、化学性能 ——材料在室温或高温下抗争各种化学介质作用的才能 （1）耐蚀性：抗争化学腐蚀或电化学腐蚀的才能 腐蚀是机械、化工等行业中造成一些隐秘性和突发性事故的重要理由化工设备、医疗器械、食品器械、制药器械等应采用耐酸碱腐蚀、耐空气、水溶液等腐蚀的材料，如不锈钢等 （2）高温抗氧化性：指材料在急速氧化后，能在外观形成一层连续、致密并与基体结合坚韧的膜，从而阻拦材料进一步氧化的才能。

工业高温加热炉管、气轮机、烟气轮机等高温设备应采用高温抗氧化材料 3、工艺性能 ——材料在制造机械零件和工具的过程中，采用某种加工方法制成成品的难易程度 （1）铸造性 （2）锻造性 （3）焊接性 （4）切削加工性 课后小结 金属材料的主要性能： 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 金属材料的力学性能： 强度 0A F s s =σ 0A F b b =σ 塑性%10000 1?-=l l l δ%100010?-=A A A ψ 硬度???HB ??HRC 冲击韧性??k α 疲乏强度1-σ 0σ §1—2 常用金属材料 金属材料主要包括三大类：工业用钢、铸铁、有色金属 一、钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金） 钢的分类： 1）以含碳量分（按碳的质量分数ωC %） 低碳钢 ( ωc ≤0.25%) 中碳钢(0.25% ≤ ωc ≤ 0.6%) 高碳钢(0.6% < ωc ≤ 2.11%) 2）以化学成分分（按合金成分） 碳素钢（以Fe 、C 成分为主） 合金钢（除Fe 、C 外，还有其它合金元素） 3）以钢的品质分（按有害杂质S、P含量） 普遍钢（ωs≤0.05% ;ωp≤0.045%） 优质钢（ωs≤0.04% ;ωp≤0.04%） 高级优质钢（ωs≤0.03%；ωp≤0.035%） 4）以钢的用途分（按行业使用） 布局钢（建筑、机械制造用） 工具钢（工具、刀具、模具等用） 特殊性能钢（防腐蚀、高温、导磁等场合用） 还可按冶炼方法、合金含量、主要合金成分以及加工方法分。

介绍钢的成分、使用特点及应用、牌号： （一）布局钢 1、普遍碳素布局钢 牌号： 字母Q + 屈服点数值(Mpa) + 质量等级 表示普碳布局钢 共分195、215、235、255、275五种 共有A,B,C,D四个级别，A级最差 如：Q235A；Q215B； 成分：ωC=0.06 0.38%, S、P含量较高，不需热处理 特点与应用： Q195、Q215钢：塑性和韧度好，制造薄板、冲压件和焊接件； Q235钢：强度较高，制造钢板、钢筋、农业机械用钢和不重要的机械零件，拉杆、连杆和转轴 Q255、Q275钢：强度高，质量好制作建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接件 2、优质碳素布局钢 牌号：由两位数字组成表示碳的平均万分含量 含锰量较高的优质碳素布局钢在牌号后面附以锰元素符号Mn 如45（表示ωC≤0.45%的优质碳素布局钢） 如65 Mn（表示ωc=0.65% ,ωMn=0.7～1.2%的优质碳钢，用于要求较高的弹性元件） 成分：ωC=0.08~0.85%, S、P含量较低，热处理后使用 特点与应用： 10—25钢：有较好的塑性、韧度、焊接性和冷成型性，主要用于各种冲压件和焊接件。

30—55钢：强度较高，但塑性和韧度稍低，经热处理后，用于齿轮、轴、螺栓等重要零件 65—85钢：经热处理后有较高的强度和弹性，用于弹簧和耐磨零件 2、合金布局钢 牌号：数字 + 元素符号 + 数字 元素平均百分含量：<1.5%不标记， 如：20Cr（表示ωc=0.2% ,ωCr<1.5%的合金布局钢； 如：38CrMnAl（表示ωc=0.38% ,ωCr、ωMn、ωAl的含量均 <1.5%的合金布局钢； 如：60Si2Mn（表示ωc=0.6% ,ωSi=1.~2.49%，的ωMn<1.5%的合金布局钢；— 11 —。