机械工程材料(使用)

固 态 物 质
非晶体：原子在空间无序排列(沥青，玻璃，塑料等非 金属材料）
项目二 金属的晶体结构与结晶
任务一 金属的晶体结构
二、金属常见的三种晶格类型 1.体心立方晶格 2.面心立方晶格 3.密排六方晶格 三、金属的实际晶体结构 1.单晶体 金属晶体内部晶格位向一致。 2.多晶体 金属晶体内部由许多晶格位向不同的微小晶体组成
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能 5 疲劳强度
疲劳破坏是指：零件在交变应力作用下，经过一定时间发生破 坏的现象。疲劳破坏事先没有明显的塑性变形，是一种突然发生 的断裂，断口平直，属于反复荷载作用下的脆性破坏。金属零件 大多数均属于疲劳破坏。 疲劳破坏的特点主要有： 1.载荷为周期性变化；（交变应力） 2.载荷不一定很大；（低于强度极限）
交变载荷：大小与方向发生周期性变化的载荷。（运转中的发动机
曲 轴，齿轮等零部件所承受的载荷）.
项目二 汽车常用工程才料
任务一 金属材料的主要性能
3.变形的分类 金属材料受到载荷作用时，发生几何尺寸和形状的变化称为变形。变形一般 分为弹性变形和塑性变形。所谓弹性变形，是指材料受到载荷作用时产生变 形，载荷卸除后恢复原状的变形。而塑性变形则是指材料在载荷作用下发生 变形，且当载荷卸除后不能恢复的变形，故也叫永久变形。
合金等)
项目二 金属的晶体结构与结晶
任务三
纯金属的结晶
一、纯金属结晶的冷却曲线及过冷现象
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
一、碳钢
1. 碳钢的分类
1）按碳含量分类： ① 低碳钢 ② 中碳钢 ③ 高碳钢
2）按质量分类（主要根据有害杂质硫、磷的含量分类）： ① 普通碳素钢 ② 优质碳素钢 ③ 高级优质碳素钢
es 屈服 阶段
Oe
弹性变 形阶段
db 强化阶 段
bk 缩颈阶 段
k 试样发 生断裂
低碳钢试样变形经历几个阶段：
1. 2. ：变形量随着载荷增加而增加，减少而减少，载荷卸掉后，试样恢复到原尺寸。 ：弹性变形阶段后，载荷增加，材料发生塑性变形，当外力不再增加，变形继续增加。
3.
4.
：载荷继续增加，塑形变形继续增加。
伤和划痕都是疲劳裂纹源。
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
4) 零件表面强度方面：可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理
和表面涂层等，提高零件强度，以提高疲劳强度
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
二、金属材料的物理性能
密度、熔点、热膨胀性、磁性、导热性、导电性
三、金属材料的化学性能
L0——试样的原始长度（mm）。
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
2）断面收缩率 试件拉断后断口处（缩紧处）横截面积的最大缩减量与 表示，即:
原始横截面积的百分比，用符号
式中
A0 ——试样的原始截面积（mm2）；
A1——试样拉断后的截面积（mm2）。
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
项目二 金属的晶体结构与结晶
任务二
二、合金的组织 1.金属化合物
合金的基本结构
合金中合金元素间发生相互作用而生成具有金属性质的一种新相（Fe3C） 2.机械混合物 组成合金的各个组元在固态下既互不溶解，也不形成化合物，而是按一定的 质量比例以混合方式存在，形成各组元晶体的机械混合物。(钢，铸铁，铝
2. 塑性
塑性是金属材料在外加载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力， 其大小用材料在断裂前的最大变形量来衡量。金属材料的塑性指标为伸长
率与断面收缩率，它们同样可通过拉伸试验测定。
1）伸长率 试样拉断后标距长度的伸长量与其原始标距之比值的百分
率，用符号δ 表示。
即 :
式中
L1——试样拉断后的标距长度（mm）
项目二 汽车常用工程材料
活动二
汽车常用金属材料
2. 常用碳钢的牌号、性能及主要用途（调质：淬火+高温回火）
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
1. 合金钢（16Mn钢）
为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能，炼钢时有目的 的加入一种或几种合金元素所形成的钢成为合金钢。
3.断裂很突然，没有塑性变形的预兆。
疲劳破坏发生的主要原因为：
材料薄弱部位产生应力集中---产生微裂纹---损伤累积---突然断裂。 如：汽车的曲轴、齿轮等零件的损坏失效，大部分属于疲劳破坏。
疲劳强度：是指材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力值。
钢铁材料应力循环次数为107次，有色金属应力循环次数为108次。
项目二 金属的晶体结构与结晶
任务一 金属的晶体结构
3.常见的三种晶体缺陷 （1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷 晶格畸变 属成型） 金属内部产生应力 强化金属（塑性变形使金
项目二 金属的晶体结构与结晶
任务二
一、合金的相关概念
合金的基本结构
1.合金：由两种以上金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物 质（铁碳合金、铜锌合金） 2.组元：组成合金的最基本的物质（金属元素、非金属元素、稳定 化合物） 根据组元的数量，合金可分为：二元合金、三元合金和多元合金。 黄铜：铜、锌组成的二元合金； 硬铝：铝、铜、镁（锰）组成的三元合金 3.相及组织：合金中具有相同成分、相同结构并以界面相互分开的 各个均匀组成部分。 单相组织：由单一相组成的组织（固态金属） 多相组织：由两种以上相组成的组织（合金）
4. 强度 强度是指金属材料在外加载荷作用下抵抗永久变形 （塑性变形）或断裂（破坏）的能力。
载荷
静载荷
冲击载荷
交变载荷
载荷根据作用方式分为： 拉伸载荷（拉伸应力） 压缩载荷（压缩应力） 弯曲载荷（弯曲应力） 剪切载荷（剪切应力） 扭转载荷（扭转应力） 应力：金属材料单位面积上抵抗外力的内力 故相应地，存在： 同样，不同外载荷作用于材料，会产生不同形式的强度： 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。 但是，通常以抗拉强度作为金属材料强度高低的衡量指标。
工艺方法。
3.铸造性能：
铸造：是将融化了的液态金属注入已经制好铸型型腔，经冷却凝固 后获得所需铸件的一中热加工工艺方法。 铸造性能：金属材料经过铸造加工，获得优良铸件的能力。 影响铸造性能的主要因素：金属的流动性和收缩性。
4.切削加工性能：金属材料被切削加工成零件的难易程度。
车削、镗削、磨削等。
5.热处理性能：
万向节十字轴
半轴齿轮
2）合金调质钢 :具有良好的综合力学性能。主要用于制造承受 较大循环载荷与冲击载荷或在各种复合应力下工作，具有高强度、
3. 硬度
硬度是衡量材料软硬程度的指标，金属材料抵抗局部变形和破坏的能力。
硬度指标分三种：洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度，其中应用最广泛的是洛氏
硬度和布氏硬度。
。
布氏硬度测量： 1.测量方法：钢球压入法（见视频） 2.表示方法：350HBW 3.应用范围：铸铁、钢材以及非金属材料。缺点：操作时间长、 不能测太小太薄的成品件。
Fe e A0
式中 σe——弹性极限（MPa）
Fe——试样产生完全弹性变形的最大载荷(N)； A0——试样原始横截面积（mm2） 2）屈服极限：材料受外力到一定限度时，即使不增加负荷它仍继续发生明 显的塑性变形。这种现象叫"屈服"。发生屈服现象时的应力，称屈服点，或屈 服极限（比如金属材料受到100N的力作用时，刚刚发生塑性变形，小于100N 不发生塑性变形），用σ s表示
：载荷达到最大值时，试样直径发生局部收颈，直到试样断裂。
强度临界值：1. 弹性极限（弹性变形） 2. 屈服极限/强度（塑性变形） 3. 抗拉强度（断裂） 1）弹性极限：金属材料在外载荷作用下，产生弹性变形而不产生塑形变形 （永久变形）时所承受的最大应力，（比如物体受到100N的力作用时，不 发生塑性变形，而大于100N的力就要发生塑性变形）以σe表示， 即:
力学性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性和抗疲劳性等，用来表征材料力学
性能的各种临界值或规定值均称为力学性能指标。金属材料的力学性能的优劣 就是用这些指标的具体数值衡量的.
2.载荷的分类和概念
静载荷： 载荷的大小和方向不变或变化极缓慢。（汽车在静止时，
车身对车架的压力）.
冲击载荷：高速作用于零部件上的载荷。（汽车在不平道路上行驶 时，车身对悬架的冲击）.
为提高材料的疲劳强度，一般可从以下几个方面考虑：
1) 设计方面：尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力 集中及其所引起的疲劳裂纹。 2) 材料方面：减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当而引起 的缺陷，如疏松、气孔和表面氧化等。
3) 机械加工方面：要降低零件表面的表面粗糙度值，表面刀痕、碰
洛氏硬度： 1.测量原理：压入法，直接读取硬度值（见视频） 2.表示方法：50HRC 3.应用范围：压痕小，使用范围广。测量多个位置取平均值（重复性差） 维氏硬度： 1.测量原理：与布氏硬度测量原理相似 2.表示方法：500HV 3.应用范围：准确性高，试用范围更广。测量范围10-1000HV。
项目二 金属材料的性质
项目一 金属材料的性能
项目二 项目三 项目四 项目五 项目六 项目七
项目八
项目九
项目一 金属材料
任务一 金属材料的主要性能
一、金属材料的力学性能 1.力学性能概念 金属材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受 各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击等）时所表现出的力学特征。
2. 合金结构钢
合金结构钢用于制造重要工程构件和机器零件，是合金钢中用途最广、 用量最大的一种钢。 合金渗碳钢: 20CrMnTi 合金调质钢: 40Cr
合金结构钢
合金弹簧钢: 65Mn 滚动轴承钢: 高碳铬钢
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
1）合金渗碳钢 渗碳层有高的硬度、优良的耐磨性和抗疲劳性，心部具有 良好的塑性和韧性
热处理：将金属材料加热到固态下的不同温度保温一定时间，以不同 的速度冷却获得所需晶体结构及相应性能的一种工艺方法。
普通热处理（正火，退火，淬火，回火）
表面热处理（只改变金属表层的性能）
热处理
表面化学热处理（改变表层化学成分，也改变表层性 能）
项目二 金属的晶体结构原子在物质内部排列方式的不同，通常将固态物质分为晶体和 非晶体 晶体：原子在空间按一定几何规律重复有序排列 （通常固态下金属及其合金都是晶体）
金属材料（以低碳钢为例）的拉伸试验，以验证金属材料拉伸过程
中出现的变形变化过程
当L0=10d0时，称为长试样； L0=5d0时，称为短试样。
图2-1-1 圆形拉伸试样图
载荷F和伸长量 L 之间的关系曲线，称为拉伸曲线， 如图2-1-2所示。
2-1-2低碳钢的拉伸曲线图
曲线明显地分为以下几个变形阶段
Fs s A0
式中 σs——屈服极限（MPa）； Fs——试样产生完全弹性变形的最大载荷(N)；
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
3）抗拉强度 金属材料在发生塑性变形后，断裂前所承受的最大拉
应力，以σb 表示，即
b
Fb A0
式中 Fb——试样断裂前所承受的最大拉伸力(N)
1.金属材料耐腐蚀性 2.抗氧化性
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
二 金属材料的工艺性能
1.锻造性能 2.焊接性能 3.铸造性能 4.切削加工性能 5.热处理性能
1.锻造性能：金属材料在冷热状态时，在压力作用下发生
塑性变形的能力。（热锻，冷冲，冷镦，冷挤压)
2.焊接性能：
焊接：是通过加热使两分离金属结合成整体的一种热加工
3）按冶炼时的脱氧程度 ① 沸腾钢(F) ② 镇静钢(Z) ③ 半镇静钢(B) 4）按用途或使用特性 ① 结构钢 主要用于制造工程结构、桥梁、建筑结构和机器零件等， 一般为低、中碳钢。 ② 工具钢 主要用于制造各种刃具、模具和量具。一般为高碳钢。 脱氧不完全的钢。 脱氧较完全的钢。 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。
任务一 金属材料的主要性能
4 韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力。（冲击韧度表征）
所谓冲击载荷就是高速作用于零件上的负荷，如汽车急刹车时所受到的外加

载荷。 冲击韧度值与试验时的温度有关，随试验温度下降而降低，由韧性向脆性转 化。
a) 试样安放 b)装置示意图 图2-1-5 冲击实验装置示意图