第篇机械工程材料演示文稿

第篇机械工程材料演示文稿目前一页\总数三十页\编于十八点优选第篇机械工程材料目前二页\总数三十页\编于十八点

第一篇机械工程材料

第一章金属材料的性能1.1金属材料的力学性能机械零件或工具在使用过程中，要受到各种载荷的作用。力学性能是指金属材料在载荷作用下所反映出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳极限等。1.1.1强度强度是指材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。按作用力性质的不同，强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程上，用来表示金属材料强度的指标主要有屈服强度和抗拉强度。目前三页\总数三十页\编于十八点1．屈服强度当载荷增加到Fs时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了较为明显的塑性变形，材料的这种现象称为屈服现象。屈服强度是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的应力，用σs

表示。式中FS——试样产生塑性变形时的载荷，即拉伸曲线中s点所对应的外力（N）；

AO——试样的原始横截面面积（mm2

）。2．抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。常用σb

来表示。式中Fb——试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）；AO——试样的原始横截面积（mm2

）。目前四页\总数三十页\编于十八点1.1.2塑性塑性是材料在静载荷作用下产生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标是伸长率和收缩率。1．伸长率伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原标距长度的百分比，用符号δ表示。式中L0—试样的原始标距（mm）；

L1——试样拉断后的标距（mm）。2．收缩率收缩率是指试样被拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号Ψ表示，即S0——试样的原始横截面积（mm2

）；S1——试样拉断后缩颈处的横截面积（mm2

）。一般情况下，伸长率达5%的材料，即可满足大多数零件的使用要求。目前五页\总数三十页\编于十八点1.1.3硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。1.1.4韧性材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。即式中ak——冲击韧度（冲击值）；

AK——冲断试样所消耗的冲击功（J）；A——试样缺口处的截面积（cm2

）。目前六页\总数三十页\编于十八点1.1.5疲劳极限许多机械零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作。这些承受疲劳载荷的机械零件发生断裂时，其应力值往往低于该材料的强度极限，这种断裂称为疲劳断裂。金属材料所承受的疲劳应力（σ）与其断裂前的应力循环次数（N），具有图1-4所示

目前七页\总数三十页\编于十八点疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度，也就是金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号σ-1

表示。由于实际测试时不可能做到无数次应力循环，故规定各种金属材料应有一定的应力循环基数。如钢材以107

为基数，即钢材的应力循环达到107

仍不发生疲劳断裂，就认为不会发生疲劳断裂了。对于非铁合金和某些超高强度钢，则常取108

为基数。目前八页\总数三十页\编于十八点1.2金属材料的物理、化学和工艺性能1.2.1金属材料的物理性能金属材料固有的一些属性称为物理性能，主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。1.2.2金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属与周围介质接触时，抵抗发生化学或电化学反应的性能。1．耐腐蚀性耐腐蚀性指金属材料在常温下抵抗周围各种介质侵蚀的能力。常用的耐腐蚀性材料如不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等。2．抗氧化性抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力，如耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。工业用的锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机、火箭、导弹等，有许多零件在高温下工作，制造这些零件的材料，就要求具有良好的抗氧化性。目前九页\总数三十页\编于十八点1.2.3金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指材料在各种加工条件下成型能力的性能，如金属材料的铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能、冲压性能和热处理工艺性等。材料的工艺性能好坏决定其加工成型的难易程度，直接影响到制造零件的工艺方法、质量和制造成本。目前十页\总数三十页\编于十八点

1.3习题1．金属材料的力学性能指标有哪些？2．何谓金属的工艺性能？它有哪些内容？3．何谓硬度？硬度实验方法主要有哪几种？说明它们的应用范围。4．布氏硬度实验有哪些优缺点？5．下列几种工件应该采用何种硬度实验方法来测定硬度？（）A.行车车架B.锉刀、錾子刃口C.耐磨工件的硬化层6．选择下列材料的硬度测试方法：A.调质钢；B.手用钢锯条；C.硬质合金刀片；D.非铁金属；E.灰铸铁件7．下列硬度标注方法是否正确？如何改正？A.HBS210～240；B.450～480HBS；C.180～210HRC；D.HRC20～25；E.HBW150～2008．δ与ψ哪个指标表征材料的塑性更准确，为什么？塑性指标在工程上有哪些实际意义？

目前十一页\总数三十页\编于十八点9．某低碳钢拉伸试样，直径为10mm，标长为50mm，屈服时应力为18840N，断裂前的最大拉力为35320N，拉断后将试样接起来，标距之间的长度为73mm，断口处截面直径为6.7mm。问该低碳钢的σs

、σb

、δ、ψ各是多少？其硬度大约是多少？10．结合具体例子，说明选用材料时，如何综合考虑材料的物理性能、化学性能和工艺性能。目前十二页\总数三十页\编于十八点

第2章常用工程材料

2.1碳钢2.1.1杂质元素对碳钢性能的影响钢中常存的杂质元素有Si、Mn、S、P等几种。（1）Mn。Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁，一般认为Mn在钢中是一种有益的元素，在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中，含锰量一般控制在1.0%～1.2%范围内。（2）Si。Si也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，一般认为Si在钢中是一种有益的元素。（3）S。S是由生铁带来的，而在炼钢时又未能除尽的有害元素。（4）P。P也是由生铁带来的，而在炼钢时又未能除尽的有害元素。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为冷脆。目前十三页\总数三十页\编于十八点2.1.2碳钢的分类碳钢分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢的含碳量、质量和用途分类。1．按含碳量分类低碳钢：WC≤0.25%的钢；中碳钢：WC

为0.25%～0.6%的钢；高碳钢：WC

大于0.6%的钢。2．按质量分类（即含有杂质元素S、P的多少分类）普通碳素钢：WS≤0.055%，WP≤0.045%；优质碳素钢：WS

、WP≤0.035%～0.040%；高级优质碳素钢：WS≤0.02%～0.03%，WP≤0.03%～0.035%。3．按用途分类碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等；碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。目前十四页\总数三十页\编于十八点2.1.3碳钢的牌号和用途1．普通碳素结构钢2．优质碳素结构钢3．碳素工具钢4．碳素铸钢目前十五页\总数三十页\编于十八点

2.2合金钢2.2.1合金元素在钢中的作用钢中存在的合金元素对钢的性能有明显的影响。合金元素在钢中的存在形式有3种：形成固溶体、形成化合物和呈游离状态。总之，不同合金元素在钢中的作用不同，同一种合金元素，其含量不同，对钢的组织和性能影响不同，因此就形成了不同类型的合金钢。目前十六页\总数三十页\编于十八点2.2.2合金钢的分类及牌号合金钢的种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究，常按用途将合金钢分为3大类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。2.2.3合金结构钢、合金工具钢及特殊性能钢1．合金结构钢凡是制造各种机械零件以及用于建筑工程结构的钢都称为结构钢。它是机械制造、交通运输、石油化工及工程建筑等方面应用最广、用量最多的钢材，除碳素结构钢外，对于形状复杂，截面较大，要求较高机械性能的工程结构件或零件都采用合金结构钢。（1）低合金高强度结构钢（2）合金渗碳钢（3）合金调质钢

（4）合金弹簧钢（5）滚动轴承钢

目前十七页\总数三十页\编于十八点2．合金工具钢合金工具钢比碳素工具钢具有更高硬度、耐腐性，特别是具有更好的淬透性、红硬性（是指钢在高温下保持高硬度的能力）和回火稳定性等，因而可制造截面积大、形状复杂、性能要求高的工具。按用途将合金工具钢分为3类：合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢。

目前十八页\总数三十页\编于十八点2.3铸铁

从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是WC=2.5%～4.0%。尽管铸铁的机械性能较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套和曲轴等。

铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。

2.3.1铸铁的石墨化过程

根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为如下3类：

（1）灰口铸铁。其断口为暗灰色，工业上所用的铸铁几乎全部属于这一类，有铁素体灰口铸铁，铁素体+珠光体灰口铸铁及珠光体灰口铸铁。

（2）白口铸铁。没有石墨化，其组织F+Fe3C，主要作为炼钢的原料。

（3）麻口铸铁。石墨化未充分进行，其组织Ld+P+G，含有Ld的麻口铸铁工业上应用较少（因其脆而硬）。目前十九页\总数三十页\编于十八点2.3.2影响铸铁石墨化的因素

影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和结晶时的冷却速度。2.3.3灰口铸铁的组织分类及性能特点1．灰口铸铁的基体组织灰口铸铁的基体组织为F、F+P和P，如图4-2所示。灰铸铁组织可简单看成“钢基体”和“石墨夹杂”共同构成。2．按照石墨的形状不同可将灰口铸铁分为4类，即灰铸铁（片状G）、球墨铸铁（球状G）、蠕墨铸铁（蠕状G）和可锻铸铁（团絮状G）。3．性能特点（1）优良的铸造性能（2）良好的切削加工性能（3）优良的耐磨性与减震性能（4）较低的机械性能目前二十页\总数三十页\编于十八点2.3.4各类灰口铸铁的牌号及用途1．灰铸铁灰铸铁由铁水直接浇注而得，组织为F、F+P和P，如图4-2所示。可见，生产过程最简单，且成本低，故应用广泛，典型的应用如汽缸和汽缸套、机床床身、卡盘等。图2-2不同基体组织（F、F+P和P）的灰口铸铁的组织图目前二十一页\总数三十页\编于十八点2．可锻铸铁它是将铁水先浇注成白口铸铁件，然后经石墨化退火而得到石墨呈团絮状形态的一种铸铁，其强度较灰铸铁高，塑性比灰铸铁好，且有一定的塑性变形能力，因此又被称为展性铸铁和韧性铸铁，可锻铸铁也是由此而得名。目前二十二页\总数三十页\编于十八点所有的可锻铸铁生产周期长，工艺复杂，成本高，所以目前不少可锻铸铁件渐渐被球墨铸铁所代替。

图2-3可锻铸铁组织图（a）珠光体可锻铸铁（b）铁素体可锻铸铁目前二十三页\总数三十页\编于十八点3．球墨铸铁

球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理，并加入少量的孕育剂以促进石墨化，浇注后得到球状石墨的铸铁，其组织如图4-4所示。球球墨铸铁

球墨铸铁组织图（a）铁素体基体（b）铁素体+珠光体基体目前二十四页\总数三十页\编于十八点4．蠕墨铸铁

蠕墨铸铁指碳主要以蠕虫状态存在于组织中的一类铸铁。蠕墨铸铁是一种新型的铸铁材料，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，而铸造性能、减振性能、耐热疲劳性能优于球墨铸铁，与灰铸铁相近。目前，较广泛地用于结构复杂、强度和热疲劳性能要求高的零件。

其牌号中RuT是“蠕铁”汉语拼音的字首，后面的数字是最低抗拉强度（MPa），如RuT420。

目前二十五页\总数三十页\编于十八点

2.4有色金属及合金工业生产中，通常把以铁为基体的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金、镍、锌、钛、铜等金属及合金。有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。本节内容重点介绍铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金及轴承合金。2.4.1铝及铝合金1．铝及铝合金的性能特点（1）密度小，熔点低。纯铝的密度2.72×103kg/m3，仅为铁的1/3，熔点为660.4℃，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝，铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。目前二十六页\总数三十页\编于十八点（2）抗大气腐蚀性能好。

（3）加工性能好，比强度高。

3．铝及铝合金的分类及用途

（1）纯铝

按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝3类。高纯铝：99.996%～99.93%，用于科研，代号L04～L01；工业高纯铝：99.9%～99.85%，用于作Al合金原料、铝箱，代号L0、L00；工业纯铝：99.0%～98.0%，作管、线、棒等，牌号有1070A、1060、1050A、1035、1200（相当于代号L1～L6），数字越大，表示杂质的含量越高。

（2）铝合金

变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金根据性能的不同又分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝4种；铸造铝合金按加入的主要合金元素的不同，又分为Al-Si，Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn等合金。目前二十七页\总数三十页\编于十八点2.4.2铜及铜合金

1．铜及铜合金的性能特点

（1）导电性、导热性、抗磁性好。（2）抗大气和水的腐蚀能力强。（3）加工性能好，面心立方晶格，无同素异构转变，塑性好。

某些铜合金也具有良好塑性，故铜的某些铜合金易于冷热压力加工成型。铜合金还有较好的铸造性能。由于铜及合金具有上述特点，故在电气工业，仪表工业、造船业及机械制造业得到广泛的应用。

2．铜及铜合金的分类及用途

（1）纯铜。我国工业纯铜有3个牌号：即一号铜（WCu=99.95%）、二号铜（WCu=99.90%），三号铜（WCu=99.7%），其代号分别为T1、T2、T3。

（2）铜合金：纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强度，获得高强度的铜合金。目前二十八页\总数三十页\编于十八点2.4.3