《機(jī)械制造基礎(chǔ)》（第2版）全國機(jī)械行業(yè)高職院校優(yōu)質(zhì)規(guī)劃教材江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課程導(dǎo)入《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第1篇

機(jī)械工程材料Chapter金屬材料的性能1第1章

金屬材料的性能

案例導(dǎo)入a）

b）

c）

d）

e）

f）圖1-1低碳鋼拉伸試驗(yàn)形變過程a)屈服強(qiáng)化階段b)、c)、d)頸縮階段e）斷裂瞬間f)斷裂后截面形狀第1章

金屬材料的性能

初步分析低碳鋼的拉伸試驗(yàn)過程：

載荷的增加

→試樣伸長量↑

直徑↓

載荷增加到一定程度→試件變細(xì)↓，外加載荷明顯↓

→試樣被拉斷金屬材料的力學(xué)性能及其組織結(jié)構(gòu)1.1金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能的概念力學(xué)性能：是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗

變形和破壞的能力。力學(xué)性能指標(biāo)：金屬在常溫時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、

硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度等1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性拉伸試樣a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性力-伸長曲線圖1-3低碳鋼試樣的力-伸長曲線oc—彈性變形階段ce

—屈服階段em

—縮頸與斷裂階段mk

—縮頸與斷裂階段1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度材料的強(qiáng)度，就是材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性⑵強(qiáng)度判據(jù)拉伸試驗(yàn)可用于測量屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。1)屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度2)抗拉強(qiáng)度⑶強(qiáng)度意義一般機(jī)械零件或工具使用時(shí)，不允許發(fā)生塑性變形，故屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗(yàn)測定斷后伸長率和斷面收縮率來表示，如圖1-2所示。1)斷后伸長率

試樣斷后標(biāo)距的殘余伸長與原始標(biāo)距之比的百分率稱為斷后伸長率，用符號A表示。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性塑性

金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。⑴塑性判據(jù)

可用拉伸試驗(yàn)測定斷后伸長率和斷面收縮率來表示，如圖1-2所示。斷面收縮率斷面收縮率Z是指，斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積之比的百分率。a)b)圖1-2圓柱形拉伸試樣a)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣b)拉斷后的拉伸試樣1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性⑵塑性意義

金屬材料的伸長率與斷面收縮率數(shù)值愈大，說明其塑性愈好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進(jìn)行壓力加工。塑性好的材料，在受力過大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還必須具有一定的塑性。1.1金屬材料的力學(xué)性能

強(qiáng)度和塑性表1-1材料的伸長率數(shù)值大小與材料的塑性好壞關(guān)系一覽表材料伸長率數(shù)值范圍材料性質(zhì)材料性質(zhì)舉例>2%塑性材料銅、鋼。如純鐵的伸長率幾乎可達(dá)50%；又如低碳鋼的伸長率約為20%~30%，斷面收縮率約為60%。<2%脆性材料鑄鐵、混凝土。如普通生鐵的伸長率達(dá)不到1%。1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度1.硬度表示硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。2.硬度判據(jù)

常用的硬度指標(biāo)是布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。圖1-6布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖圖1-7洛氏硬度試驗(yàn)原理圖1-在初試驗(yàn)力下的壓入深度2-由主試驗(yàn)力引起的壓入深度3-卸除主試驗(yàn)力后的彈性回復(fù)深度4殘余壓入深度5-試樣表面6-測量基準(zhǔn)面7-壓頭位置1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度表1-2常用洛氏硬度符號、試驗(yàn)條件和應(yīng)用舉例（摘自GB/T230.1-2018）標(biāo)尺硬度符號壓頭型號初試驗(yàn)力（）+主試驗(yàn)力()=總試驗(yàn)力(F/N)常用范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐98.07+490.3=588.3720~95HRA碳化鋼、硬質(zhì)合金、表面淬火等BHRBW直徑1.5875mm碳化鎢合金球98.07+882.6=980.6710~100HRBW非鐵金屬、退火鋼、銅合金等等CHRC金剛石圓錐98.07+1373=1471.0720~70HRC淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等………………………………1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度⑶維氏硬度

維氏硬度和布氏硬度的測定原理基本相同，也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計(jì)量。不同的是所用的壓頭為錐面夾角為的金剛石正四棱錐體。圖1-8維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖1.1金屬材料的力學(xué)性能

硬度3.硬度的意義

由于硬度反映了金屬材料在局部范圍內(nèi)對塑性變形的抗力，因此，材料硬度與強(qiáng)度之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高；反之硬度高不一定強(qiáng)度高。所以硬度測量應(yīng)用極為廣泛，常把硬度標(biāo)注于圖紙上，作為零件檢驗(yàn)、驗(yàn)收的主要依據(jù)；硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)，直接影響材料的耐磨性和切削加工性。如機(jī)械制造中各種刀具要有足夠的硬度，才能保證使用的性能和壽命。1.1金屬材料的力學(xué)性能

沖擊韌度1.韌性表示

韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。2.沖擊韌性判據(jù)

夏比沖擊試驗(yàn)是一種常用的評定金屬材料韌性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法。a)b)c)圖1-9擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)（夏比沖擊試驗(yàn)）原理示意圖a)-U形缺口試樣b)-試樣安放位置c)-夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)勢能測定1.1金屬材料的力學(xué)性能

沖擊韌度沖擊韌性的意義

一般將值低的材料稱為脆性材料，值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤；韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒有金屬光澤。還應(yīng)指出，長期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，值對材料的組織缺陷十分敏感，能夠靈敏的反映出材料的品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，因此，沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來檢驗(yàn)冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量的有效辦法之一。1.1金屬材料的力學(xué)性能

疲勞強(qiáng)度材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度也常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂，尤其是高強(qiáng)度材料在斷裂之前一般沒有明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防，所以有很大的危險(xiǎn)性。圖1-10疲勞曲線示意圖1.1金屬材料的力學(xué)性能

疲勞強(qiáng)度1.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)無數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力，用以表征材料抵抗疲勞斷的能力。2.疲勞強(qiáng)度測試測試材料的疲勞強(qiáng)度的方法是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)測得的材料所受循環(huán)應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，如圖1-10所示。3.有效提高疲勞強(qiáng)度的途徑疲勞極限除與選用材料的本性有關(guān)，還可通過以下途徑來提高疲勞極限。⑴在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面盡量避免尖角、缺口和截面突變，以免應(yīng)力集中及由此引起的疲勞裂紋。⑵降低零件表面粗糙度值，提高表面加工質(zhì)量；同事盡可能減少能成為疲勞源的表面缺陷（氧化、脫碳、裂紋、夾雜等）和表面損傷（刀痕、擦傷、生銹等）。⑶采用各種表面強(qiáng)化處理，如化學(xué)熱處理、表面淬火與噴丸、滾壓等表面塑性變形加工，不僅可提高零件表層的疲勞極限，還可獲得有益的表層殘余壓應(yīng)力，以抵消或降低產(chǎn)生疲勞裂紋的啦應(yīng)力。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能物理性能材料的物理性能材料的物理性能屬于材料的固有屬性，主要包括材料的熔點(diǎn)、密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。⑴熔點(diǎn)

材料在緩慢加熱時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的融化溫度稱為熔點(diǎn)。金屬有固定的熔點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)取決于成分。⑵密度

密度是某種材料單位體積的質(zhì)量。材料的密度直接關(guān)系到制成零件或構(gòu)件的重量。⑶導(dǎo)電性

導(dǎo)電性是指材料傳到電流的能力。工程中常采用純銅和純鋁制造導(dǎo)電材料，導(dǎo)電性差的材料制作電熱元件。⑷導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性是指材料傳導(dǎo)熱量的能力。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差，純金屬中銀和銅的導(dǎo)熱性能最好，鋁次之。⑸熱膨脹性

熱膨脹性是指材料隨著溫度變化而產(chǎn)生的體積膨脹或收縮的現(xiàn)象。常溫下工作的普通機(jī)械零件可以不考慮材料的熱膨脹性，但工程中如滑動(dòng)軸承材料、內(nèi)燃機(jī)活塞的材料、精密儀器儀表的材料都要求熱膨脹系數(shù)要小。⑹磁性

磁性是指材料在磁場中導(dǎo)磁或被磁化的能力，磁性材料從材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上分為金屬及合金磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類，電機(jī)的鐵芯所用的磁性材料一般用硬磁鐵氧體，磁化后不易退磁，對磁通的阻力小。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能化學(xué)性能⑴耐蝕性

耐蝕性是指材料在室溫時(shí)抵抗其周圍介質(zhì)腐蝕破壞的能力。不同介質(zhì)中工作的材料其耐腐蝕性要求不同，如海洋設(shè)備要耐海水和海洋大氣的侵蝕，儲(chǔ)存和運(yùn)輸酸類的容器和管道要有較高的耐酸性。⑵抗氧化性

抗氧化性是指材料在高溫下抵抗氧化的能力。在高溫下工作的鍋爐、加熱爐、內(nèi)燃機(jī)零件等要求具有良好的抗氧化性。1.2材料的物理、化學(xué)及工藝性能工藝性能工藝性能是指金屬材料對零件制造工藝的適應(yīng)性，包含著鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。工藝性能直接影響零件的制造工藝和質(zhì)量，是選擇金屬材料時(shí)必須考慮的因素之一。1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑴晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子排列的特征分為晶體和非晶體兩大類。a)b)圖1-11晶體和非晶體的原子排列示意圖a)-晶態(tài)金屬中的原子排列b)-非晶態(tài)金屬中的原子排列1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑵晶格與晶胞1)晶格把原子看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，然后用假想的線條將這些結(jié)點(diǎn)連結(jié)起來，便構(gòu)成了一個(gè)有規(guī)律性的空間格架稱晶格。2)晶胞晶格中能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱晶胞。晶胞中各棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數(shù)。由于晶體中原子重復(fù)排列的規(guī)律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)⑶常見金屬晶格類型：常見的金屬晶格類型有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶⑴冷卻曲線與過冷度

1)冷卻曲線

冷卻曲線是溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，可用來描述金屬的結(jié)晶規(guī)律?？赏ㄟ^熱分析法測量繪制，其方法是使熔化后的金屬液緩慢冷卻，每隔一定時(shí)間記錄下溫度值，將溫度T和對應(yīng)時(shí)間t繪制成T-t曲線，如圖1-17所示。圖1-17純金屬的冷卻曲線1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶2)純金屬的結(jié)晶溫度由圖1-17可知，隨時(shí)間的增加，純金屬液的溫度不斷下降；當(dāng)冷到某一溫度時(shí)，溫度并不隨冷卻時(shí)間的增長而降低，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個(gè)恒溫的水平線段，這個(gè)水平線段所對應(yīng)的溫度就是純金屬的結(jié)晶溫度（或熔點(diǎn)）。3)理論結(jié)晶溫度液態(tài)金屬在及其緩慢地冷卻條件下測得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度，用符號表示。4)實(shí)際結(jié)晶溫度在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度都是相當(dāng)快的，此時(shí)金屬要在理論結(jié)晶溫度以下某個(gè)溫度才開始結(jié)晶，這一溫度稱為實(shí)際結(jié)晶溫度，用符號表示。5)過冷現(xiàn)象實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。6)過冷度理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用符號表示，即1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶⑵純金屬的結(jié)晶過程

1)結(jié)晶過程

結(jié)晶過程是金屬內(nèi)的原子從液態(tài)的無序的混亂排列轉(zhuǎn)變成固態(tài)的有規(guī)律排列。經(jīng)歷了“形核→長大→形核→長大”的過程，如圖1-18所示。b)c)d)圖1-18純金屬的結(jié)晶過程示意圖a)—液態(tài)金屬b)—形核c)—晶核長大d)—完全結(jié)晶1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的結(jié)晶2)晶核形成晶核形成包含著自發(fā)形核與非自發(fā)形核的過程。①晶核與自發(fā)形核

金屬在過冷的條件下，液態(tài)金屬中某些局部微小的區(qū)域內(nèi)的原子自發(fā)地聚集在一起，這種原子規(guī)則排列的細(xì)小聚合體稱為晶核，這種形核方式稱為自發(fā)形核。②非自發(fā)形核

當(dāng)金屬液中有細(xì)微的固態(tài)顆粒（自帶或人工加入）時(shí)，也可以成為結(jié)晶的核心，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。3)晶核長大

金屬液中的原子不斷向晶核表面遷移，使晶核不斷長大，與此同時(shí)，不斷有新的晶核產(chǎn)生并長大，直至金屬液全部消失。

1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖金屬的同素異構(gòu)1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變當(dāng)溫度、壓力等外界條件改變時(shí)，少數(shù)固態(tài)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等）的晶體結(jié)構(gòu)由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同樣也遵循形核、長大的規(guī)律，但它是一個(gè)固態(tài)下的相變過程，即固態(tài)相變。2.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程純鐵在固態(tài)下會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變過程如下：1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)和相圖合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬一般具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，但其提煉困難，力學(xué)性能較低，因此在使用上受到了限制。工業(yè)上大量使用的金屬材料都是合金。合金具有較高的力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能。碳鋼、合金鋼、鑄鐵、黃銅、硬質(zhì)合金等材料都是合金。1.基本概念⑴合金由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素和非金屬元素）組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

⑵組元

通常組元就是組成合金的元素。⑶合金系合金系是指兩種或兩種以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。⑷相圖合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，為研究方便，通常以溫度和成分作為獨(dú)立變量的相圖來分析