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1、精选优质文档-倾情为你奉上机械工程材料知识点第一章 金属材料的力学性能及其测定金属材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能。任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。载荷分为静载荷（力的大小方向不变或变化很慢）和交变载荷（力的大小方向周期性变化）金属表现来的诸如疲脑强度、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金
2、属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。1.1强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为，单位为MPa。工程中常用的强度指标有（1）弹性极限（公式：e=FeA0)、（2）屈服点（公式：s=FsA0对于高碳钢、铸铁r0.2=Fr0.2A0）和（3）抗拉强度（公式：b=FbA0）。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应 1.1 拉伸曲线图 力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用s表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用b表示。对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强
3、度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。1.2塑性塑性是指材料在断裂前产生永久变形的能力。工程中常用的塑性指标有断后伸长率（公式：=l1-l0l0100%）和断面收缩率（公式：=A0-A1A0100%。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。测量优缺点：断后伸长率：优点测量方法简单，数据准确、计算简单。缺点材料必须规格一
4、致。断面收缩率：不受规格限制。缺点测量和实验数据不准确。试件分类：长试件（Ld=10）、短试件（Ld=5）、长件（Ld12）、细长件（Ld20）晶体：结构具有周期性和对称性的固体，原子或分子排列规则。 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度 T= T0 T1 1.3硬度及其测量硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试
5、验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头测量范围450HBS以下）或HBW（用硬质合金压头测量范围650以下）表示，即：洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为： 专心-专注-专业 洛氏硬度值=K-h0.002淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。读法，例如，45HRC
6、表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。布氏硬度实验的优缺点：优点：是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。缺点：是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。洛氏硬度试验的优缺点：优点：是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。缺点：是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。
7、维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法： 在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（1015s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。维氏硬度试验的优缺点：优点：是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。缺点：是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛
8、氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。1.4冲击韧性、疲劳强度冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。Ak=G（H1-H2）。冲击韧度ak（ak=Ak/A）疲劳强度：材料在循环应力的作用下，在一处或几处产生局部永久性积累损伤，经一定循环次数后或突然发生完全断裂的过程称为疲劳。疲劳强度用-1表示单位MPa第二章 铁碳合金合金是由两种或两种以上金属元素或金属和非金属组成的具有金属特性的物质合金中凡成分相同、结构相同、聚集态相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相
9、固溶强化：固溶体中晶格畸变较大，随溶质原子增加合金强度和硬度提高，塑性和韧性降低。 以固溶体为基，弥散分布金属间化合物，可提高强度、硬度和耐磨性，即第二相质点强 化或称弥散强化。晶内偏析：溶质原子在液相能够充分扩散，在固相内来不及扩散，以致固溶体内先结晶的中心和后结晶的部分成分不同。 一个枝晶范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。冷速越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 2.1金属的晶体结构与结晶固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体与非晶体两大类。原子呈规则排列的物质称为晶体，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶
10、体，非晶体没有固定的熔点。一、晶体结构的基本概念在金属晶体中，原子是按一定的几何规律作周期性规则排列。是金属的同素异构现象。1晶格这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。晶体中的每个点叫做结点。2晶胞晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。二、常见金属的晶格类型1体心立方晶格2面心立方晶格3密排六方晶格体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、铁(-Fe)
11、等。面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铁(-Fe)等。晶体缺陷按几何形状分为点缺陷、线缺陷、面缺陷，晶体缺陷对金属的性能和内部结构都有很大影响。通常，晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度有所提高。纯金属结晶三、凝固与结晶的基本概念：凝固：物质由液态转变成固态的过程。结晶：如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。过程：首先形成晶核吸附周围液体中的原子长大。与此同时在液体中又有新的晶核产生、长大，直到全部结晶成液态金属。也是液体中原子有序排列向远程有序排列的过程。过冷度是结晶的必要条件。过冷度：T = T 0 T
12、1纯金属结晶是等温结晶。四、金属晶粒的大小及细化方法目的：以提高金属的力学性能。方法：1.增加过冷度2.变质处理3附加震动纯铁的同素异晶转变金属的同素异晶转变将导致金属的体积发生变化，并产生较大的应力。纯铁具有同素异晶转变的特性，因此才有可能通过不同的热处理来改变钢铁的组织和性能。2.2合金的晶体结构与二元合金相图合金的基本概念（1） 合金：金属或非金属通过熔炼或其他放法集合在一起具有金属特性的材料。（2） 组元：组成合金的尊基本的独立物质称为组元，简称元。（3） 合金系：组成物质相同，但组元比例不同。（4） 相：在合金中成分、结构的组成部分成为相。（5） 组织：金属材料的内部微观外貌。（6）
13、 结构：晶体中原之排列的几何方式。合金的相结构及合金的组织（1） 置换固溶体。溶质原子替换部分溶剂原子占据溶剂晶格中一些节点位置所形成的固溶体。（2） 间隙固溶体原子融入溶剂间隙形成的。所有的金属化合物都是脆硬相合金组织（1） 由单相固溶体晶粒组成（2） 由单相的金属化合物晶粒组成（3） 由两种固溶体的混合物组成（4） 由固溶体和金属化合物组成。2.3 铁碳合金的基本相铁素体、奥氏体、渗碳体均为单项组织，称为铁碳合金的基本相。1.铁素体（F或a）2.奥氏体（A或y）3.渗碳体（Fe3C）铁素体+渗碳体=珠光体；奥氏体+渗碳体=莱氏体。铁碳合金相图过共析钢：0.77%Wc2.11%，室温平衡组织
14、为珠光体+二次渗碳体。（3）白口铸铁：2.11%WC6.69%。共晶白口铸铁：WC=4.3%，为低温莱氏体。亚共晶白口铸铁：2.11%WC4.30%，为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。过共晶白口铸铁：4.30WC400oC）：相状态的变化和碳化物的聚集长大。第四章 常用工程材料4.1碳钢、铸钢1）碳钢的分类及牌号（1） 按含碳量：低碳钢（Wc0.60%）（2） 质量等级：普通碳钢；优质碳钢；特殊质量碳钢。（3） 按用途：碳素结构钢；碳素工具钢。碳素结构钢（Q195-Q275进率20）Q195薄板；Q235(A3钢)螺栓、螺母、销子、螺纹钢。优质碳素结构钢（0825制件材料、3055经调制处理后
15、制造齿轮、连杆、轴）碳素工具钢（T7T7AT13T13A/T7榔头、T10手锯条、T12锉刀）2）铸钢在冶炼时使碳集聚成石墨使铸钢具有自润滑性。由于铸铁中存在石墨使铸铁具有耐磨、耐压、减震、低缺口敏感性（裂纹延伸速度）及优良的铸造性。熔炼简单，成本低廉。常用铸铁灰铸铁（HT150HT350）底座、床身；球墨铸铁（QT400-18）力学性能最好，曲轴、机床主轴；可锻铸铁（KTH350-10H黑色、KTZ550-04Z白色）；蠕墨铸铁（RuT300-RuT380）齿轮箱体；合金铸铁（RTCr16）4.2合金钢1）合金钢的结构及牌号（1） 含量：低（小于5%）中（5%10%）、高（大于10%）合金钢
16、（2） 用途：合金结构钢、工具钢、特殊性能钢（3） 元素种类：硅（Si）、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、硼(B)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)。2）低合金结构钢3）合金结构钢（1） 合金渗碳钢：、ak、极好，H、b较差。（Wc0.25%）。加工工艺：经渗碳、淬火及低温回火后具有表硬心韧的特点。（2） 合金调制钢：合金钢经调制处理Wc=0.30%0.50%（3） 合金弹簧钢：淬火后中温回火，高强度、高弹性及足够的韧性。Wc=0.50%0.70%（4） 滚动轴承钢：Wc=0.95%1.15%具有高强度、高硬度及高耐磨性，常加入Cr、Mn、Si，以提高钢的淬透性、硬度
17、、耐磨性及耐蚀性。加工工艺：淬火后低温回火。4）合金工具钢（1） 合金刀具钢：1、低合金刀具钢，2、高速钢：经反复锻造后进行退火处理，最终热处理淬火+多次高温回火。（2） 量具钢（3） 合金模具钢：1、冷模具钢淬火后低温回火分为：碳素工具钢，低合金工具钢常用来制造尺寸较大、形状较复杂、精度较高的低负荷模具。高铬和中铬冷作模具钢用于尺寸大、形状复杂、精度高的中重载冷作模具。高速钢类冷作模具钢用于大尺寸、复杂形状、高精度的重载冷作模具。（4） 热模具钢：常用热模具钢的应用见P62表4.145）特殊性能钢（1）不锈刚：指在在自然环境或一定的工艺介质中能抵抗腐蚀作用的钢。1、铬不锈刚。具有较强的抗腐蚀
18、能力，较强的硬度强度价格低廉，常用于食品、建筑、普通机械零件、生活用品。2、铬镍不锈钢。极强的抗腐蚀能力价格贵常用于医疗器械、医疗器具、化工容器。常用不锈钢牌号、热处理、力学性能及用途见P63表4.15（2）耐热钢（3）耐磨刚4.3 粉末冶金1）硬质合金1、钨铬类YG：具有较好的强度和韧性，刀磨性较好，加工脆性材料2、钨铬钛YT：具有较好的耐磨性和耐热性，加工塑形材料。3、通用硬质合金4、钢结硬质合金4.4 有色金属及其合金1)铜及铜合金（1） 纯铜：一般用于导线、配置合金、钳工工具。（2） 铜合金：分为黄铜、白铜和青铜。应用较多黄铜和青铜1、 黄铜：以锌为主要添加元素普通黄铜、特殊黄铜2、
19、青铜：普通青铜特殊青铜2）铝及铝合金1、 纯铝2、 铝合金：分类：变形铝合金、铸造铝合金铝合金热处理特点：在自然条件下的时效称为自然时效；在一定温度下进行的时效称人工时效。3、 变形铝合金：分为：防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。4、 铸造铝合金3）轴承合金：耐磨、耐压、摩擦系数小。1、性能要求（1） 一定强度和疲劳抗力，以承受较高的交变载荷。（2） 足够的属性和韧性，以抵抗冲击和振动并保证和轴的良好配合。（3） 较小的摩擦系数和良好的磨合能力，并能储油。（4） 良好的导热性、抗蚀性低的膨胀系数，以防止升温与轴咬合。2、常用轴承合金：锡基轴承合金铅基轴承合金其他轴承合金书本外知识构件用刚构件用钢随试
20、验温度的不断降低，其屈服点显著升高，并导致断裂性质变化，即由宏观塑性破断过渡到宏观脆性断裂，这种现象称为“冷脆” 低碳构件用钢加热到Ac1以下进行快冷(也称淬火)或塑性变形后，在放置过程中通常使强度和硬度增高，而塑性和韧性降低，这种现象称为时效。 塑性变形后的时效称为应变时效；淬火后的时效称为淬火时效；在自然条件下的时效称为自然时效；在一定温度下进行的时效称人工时效 低碳钢在300-400oC的温度范围内反常的出现b增高，而、降低的现象，称为蓝脆。机器零件用刚轴类零件用刚 工作条件：承受交变应力；相对滑动产生摩擦；承受一定的冲击载荷；缺口（台阶等）。中碳碳素钢制轴类零件的加工工艺：锻造预备热处
21、理(完全退火或正火)机械加工最终热处理(完全淬火+高温回火)精加工(磨削)装配 齿轮用刚 工作条件：1、通过齿面接触而传递动力，接触应力下易产生接触疲劳而形成剥落。2、齿根承受反复弯曲应力，易发生弯曲疲劳破坏3、两齿轮齿面相对运动而易产生摩擦磨损。高速运转齿轮间易产生胶合磨损。4、变速等情况下冲击载荷易导致齿根断裂。 齿轮工作的失效形式：齿根断裂、弯曲疲劳、接触疲劳与磨损。渗碳钢齿轮的加工工艺：锻造正火高温回火(高合金钢)切削加工镀铜(不渗碳部位)渗碳淬火冷处理(高合金钢)低温回火喷丸精磨感应加热表面淬火齿轮加工工艺： 对于承受较大冲击载荷的齿轮：锻造完全退火切削加工调质精加工感应加热表面淬火
22、低温回火； 对于承受较小冲击载荷的齿轮：锻造正火切削加工精加工感应加热表面淬火低温回火氮化齿轮工艺路线：锻造完全退火切削加工调质精加工氮化研磨 弹簧用钢：最终热处理为淬火+中温回火 铬滚动轴承钢：预备热处理 (正火+球化退火) 目的：消除网状二次渗碳体，细化晶粒 最终热处理：不完全淬火+低温回火 目的：获得高硬度、强度和耐磨性工具材料（1）刃具钢 工作条件：刀刃具有足够的硬度能犁入金属，大的切削压力，可能导致车刀变形和断裂；与工件、切屑间的摩擦，可能导致刃口磨损；切削产生的热量使刀具温度升高，可高达500；零件组织和尺寸的不均等，刀具受一定的冲击载荷。 失效形式：卷刃、刃口崩断、刃口磨损、整体
23、断裂等，以磨损为主。 红硬性：即高温下保持高硬度的能力。 制造刃具钢的钢种：碳素刃具钢、低合金刃具钢和高速钢。 预备热处理：正火+球化退火 正火目的：消除网状碳化物(球化退火无法实现) 球化退火目的：1、降低硬度, 便于加工;2、细化组织为淬火作组织准备;3、消除应力。 最终热处理：淬火+低温回火高速钢：的作用：W以Fe4W2C形式存在。1、加热时，部分溶于奥氏体，起稳定作用(淬透性)；淬火后存在于马氏体，强化马氏体和提高马氏体回火稳定性。钢回火时(560oC左右)，W2C析出并弥散分布，产生二次硬化效果。2、另一部分Fe4W2C不溶于奥氏体，可防奥氏体长大，提高钢耐磨性。 锻造目的：打碎粗大
24、的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。 回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。常用560三次回火。回火时的组织变化： 析出弥散小的W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。 残余奥氏体中，碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M，称二次淬火。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火 淬火工艺：加热温度远大于Ac1，1280 模具钢：按照被加工毛坯状态分：冷作模具钢和热作模具钢。 量具钢的热处理工艺：淬火+低温回火 三个附加热处理：(1)淬火前调质处理，得到与马氏体体积相当的回火索氏体，降低淬火应力，减少时效效应的影响。(2)常规处之间的冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体，增加稳定
25、性。(3)常规处理后的时效处理，稳定磨削后的二次淬火层组织。 第九章产生电化学腐蚀的条件：有两个电位不同的电极；有电解质溶液；两电极构成通路提高金属耐腐蚀的途径：主要途径为合金化，即防止电化学腐蚀的措施： 使金属具有均匀化学成分的单相组织。 提高合金的电极电位，减小电极间电位差。 使表面形成致密的钝化膜，如Al2O3等。 Cr的作用：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜； 缩小区，形成单相铁素体组织； 提高基体电极电位。 碳具有双重作用：碳量增加，因形成碳化铬导致固溶体中铬的减少，从而使耐蚀性降低，因此要求含碳量低；但对强度、硬度和耐磨性等有具体要求时，应适当增加碳含量。 不
26、锈钢的种类 按正火组织分为：马氏体型、奥氏体型和铁素体型。耐热钢或耐热合金分为两大类，工作条件1)耐热不起皮钢及合金：在热的气体介质中无载荷或低载荷状态下工作时，表面具有耐化学腐蚀抗力的钢基合金，用于加热炉内原件；2)热强钢及合金：承受高温气体介质作用外，还承受一定载荷作用的钢及合金。材料在高温和载荷作用下抵抗塑性变形和破裂的能力，称为热强性。其高温力学性能与温度、时间和组织有关 金属的蠕变：金属在高温下，当外加应力低于屈服极限(甚至弹性极限)时，随时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形直至断裂的现象。（延迟断裂）材料在高温条件下工作时的一种主要失效形式。蠕变极限：在一定温度下引起一定变形速度的应力
27、。持久强度久水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到10001100 C，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。铸铁 铁石墨化的条件：1、极其缓慢的冷却速度2、具有促进石墨形成的元素石墨化分三个阶段：在1153左右通过共晶反应形成石墨(G)；1153-738范围自奥氏体中析出二次石墨(GII)；738时，共析反应形成石墨。判断组织如果铸铁三个阶段石墨化全部完成，其组织为：铁素体+石墨。如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段部分进行，组织为：铁素体+珠光体+石墨。如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段完全被抑制，其组织为：珠光体+石墨。 锻铸铁：制造分为两步：(1)先浇注成白口铸铁；(2)石墨化退火 退火工艺：白口铸铁加热至900-980oC，保温15h，渗碳体分解获得奥氏体和团絮状石墨组织；随后缓冷，奥氏体沿团絮石墨再析出二次石墨；直至共析温度750-720oC，奥氏体分解为铁素体+石墨。