《金属工艺学》第一章金属材料的力学性能

时，材料的疲劳曲线成水平线， 这表示材料可经受无数次应力循 环作用而不发生疲劳断裂，这个 应力值即为该材料的疲劳强度。
（4）零件疲劳破坏的特征 没有明显的塑性变形，是突然
断裂。
（5）零件疲劳断裂的原因 材料内部有气孔、夹杂物，
表面有划痕或显微裂痕等。
（6）提高零件疲劳强度的措施
① 采用锻造、轧制等压力加工方 式生产零件的毛坯。
于浇注成铸铁件（毛坯），即铸
造生产。另一部分浇注成生铁块，
用作炼钢的原料。
2. 钢锭
是用转炉、平炉、
电炉对生铁进一步精炼成钢液，
并浇注到锭模，冷却凝固成钢
锭。
3. 钢锭的性能
钢的冶炼只是
保证钢具有一定的化学成分，力
学性能很差，不能直接用做零件
的材料。
4. 型材
是钢锭经轧制、挤压、
锻造等压力加工，使金属产生塑性
5. 疲劳强度
（1）疲劳破坏
很多机械零件如轴、齿轮、 连杆等，是在交变循环载荷作用 下工作，尽管受到的工作应力值 低于材料的强度极限 b ，甚至 < s ，在零件应力集中处仍会产 生裂纹，直至发生断裂，此破坏 称为疲劳破坏。
具统计，有约80%的机械零件 失效，都是由疲劳破坏引起。因 此，研究和预防材料疲劳破坏极 其重要。
金属零件所承受的最大工 作应力值不允许超过 b ，否则 会断裂。
2. 塑性
是指金属在外力作用下产生 永久变形而不断裂的能力。
（1）塑性指标
是用拉伸试验测得的试样伸
长率 和端面收缩率 来衡量。
要点知识：
1）、 值越大，表示材料的塑 性越好。
这样的金属可以发生大 量的塑性变形而 不会断裂。如铜铝及其 合金、低碳钢等，
变形，内部质量改善，机械性能提
升，而制成的各种规格的钢板、圆
钢、条钢、工字钢、槽钢等。
§1-1 金属及合金的性能
金属材料的性能包括：使用 性能和工艺性能。
① 使用性能 指金属材料在使用 中表现出的特征，包括力学性能、 物理性能、化学性能。
从机械零件和工程结构件设 计角度，重点放在金属材料的力 学性能。
三、工艺性能 指材料在加工的过程中所表
现出的特征。如是否容易加工或 做出的毛坯质量如何。
1. 材料工艺性能的内容
按工艺方法的不同有：铸造 性能、锻压性能、焊接性能、热 处理性能和切削加工性能。
（1）铸流动性、收缩率和偏析这三个 指标来衡量。
a. 布氏硬度（HB）
布氏硬度法是用淬火钢球或 硬质合金球作压头，用来测定 “较软”金属材料硬度的方法。
a) 布氏硬度（HB）测定的原理：
根据压痕直径d，按下式求出压 痕表面积上的应力值，此应力值 即为材料的布氏硬度值。
HB F S 0.10 •2 2F (Nm2)m
A
D (D D 2d2
b) 布氏硬度值的表示方法
料受快速或突然载荷的作用，断 裂前所能吸收最大冲击功的能力。
冲击载荷：载荷以快速或突然的方 式作用在零件上。
（1）材料冲击韧性的指标
用摆锤式冲击试验测出的试 样所受最大冲击吸收功AK与S0的 比值来衡量，见教材图1-4。
ak
Ak s0
(J
/ cm2 )
Ak 受最大冲击吸收功
s0 试样缺口处截面积
如连杆、曲轴，碎石机鄂
板等，都是受多次小能量冲击力 作用，这些零件可用球墨铸铁件 或孕育铸铁件制造。注意，铸铁 类的ak值几乎为零，但经热处理 后具有较高的强度、硬度。
④ 受大能量冲击作用的零件，选 择材料时，要考虑材料的冲击 韧性指标ak值大小。
⑤
如飞机起落架、矿山载重汽
车的大梁、蒸汽锤的锤杆等，工 作时受大能量冲击力作用，其零 件要用高ak值的金属材料制造。
基本知识点：
① 强度、塑性、硬度指标，都是在 缓慢加载或静载荷条件下测定的。
② 机器中的零件大多要受冲击载荷 作用，如连杆、键连接、齿轮传 动、钻机、碎石机械，铁轨受力， 冲模、锻模等。
③ 制造承受冲击载荷的零件，除应 保证足够的静力学性能如强度、 硬度，还必须要有足够的韧性， 即耐冲击的能力。
a. 低碳钢的拉伸曲线理论
要点知识：
I. oe直线—弹性变形特征。去掉 外力后伸长变形立即恢复。
e点处的应力
e
Fe S0
：为不产生
永久变形的最大应力，称为材
料的弹性极限。
oe直线的斜率值：称为材料的弹 性模量，用E表示。表征材料抵 抗弹性变形的能力，技术上表示 金属的刚度。
II. es曲线—屈服特征。即载荷超 过Fe再卸载时，试样的伸长只 能部分地恢复，产生了部分塑 性变形。
如 50%； 80%，可拉制细丝、 扎制薄板。铸铁的 、 值几乎为零，
称为脆性材料。
2）应用知识
如车身架材料，
要用塑性好的低合金钢制造，如
受力过大（超载）时，先产生塑
性变形而不致突然断裂。
3）塑性好的金属材料是进行锻造、 冲压、焊接的必要条件。
3. 硬度 是指材料抵抗局部变形，特
别是局部塑性变形、压痕、划痕 的能力。
基本知识点：
① 硬度是机械零件、工具等必须具 有的机械性能指标。
如制造业用的刀具、量具、
锻锤及模具等，都要具有足够 的硬度，以耐磨和防止受冲击 力时产生裂纹。
② 硬度可间接反映金属的强度、塑 性、韧性及化学成分，是一项综 合性的机械性能指标。
（1）金属材料的硬度指标 最常用的有：布氏硬度 洛氏硬度
III. S处水平段——称作“屈服点”。 即当载荷增加到Fs时，拉力无 需再增大，试样仍可继续伸长。
规定：s点处的拉F力s与试样原始面S0积 的比值，定为低碳料 钢的 材“屈服点”
或称“屈服强度”，s 即SF0s MPa。
金属材料屈服点的工程意义：
1）锅炉、压力容器、汽车发动机 缸体上的紧固螺栓、键、销等 零件，在受载时是不允许屈服 的，其工作应力必须小于材料 的屈服点。
6. 刚度 指材料抵抗弹性变形的能力。
材料的刚度用弹性模量E值衡量。
（1）刚度与机械设计
① 机床主轴、滑枕、床身等，选材 时应选弹性模量大的材料。
② 材料的刚度不等于机件的刚度。 机件的刚度除与材料的E值有关， 还取决于机件的断面形式。
③ 工字形截面、环行截面，并力 求结构中壁厚均匀等，都是提 高机件刚度的设计。
（2）疲劳强度
工程规定，材料在指定循环基 数（107次以上）的交变载荷作用 下不引起断裂所能承受的最大应 力值，称为疲劳强度，又称疲劳 极限，用符号 1 表示。
（3）疲劳强度的测定
试验验证，在交变载荷作用下， 材料承受的工作应力值与断裂前 的应力循环次数N有如下关系：
① 当工作应力值下降到某一数值
基本知识点：
• 高碳钢、中高合金钢，其导热性 较差，加热时采用多段加热规范， 以防止工件开裂，其热处理性能 较差。
② 低碳钢和低合金钢的导热性好， 采用一段加热规范，热处理性 能好。
（5）切削加工性
指金属是
否易于进行切削加工。用工件切
削后的表面质量及刀具的寿命来
衡量。
要点：
① 易断屑，加工出的表面光洁，刀 具寿命长，表明材料的切削加工 性能好。
① 强度的定义式
强度是用应力表示，即
② 机械零件设计常用的强度指标 抗拉强度 屈服点
③ 金属材料的抗拉强度与屈服点
金属材料这两个强度指标， 是通过对金属试样做拉伸试验测 定出的。
（1）低碳钢的拉伸试验
是将低碳钢棒料加工成标准 试样，装在拉伸机上，在试样两 端缓慢施加轴向载荷，使其发生 拉伸变形直至断裂。
第一章 钢铁材料及热处理
1）提高零件的受力性；
2）调整毛坯的硬度，以利于切削 加工；
3）消除毛坯的内应力，防止零件 的变形。
二、钢铁生产 基本知识点： ① 铸铁件生产 ② 炼钢的原料----生铁 ③ 钢锭 ④ 型材
1. 钢铁生产
是以铁矿石为
原料经在高炉冶炼成生铁（含硅
量较高，硬度较低） ，一部分用
c) 如230HBS、500HBW。 S ——淬火钢球压头。 W——硬质合金钢球压头。
c) 布氏硬度法的应用
HBS淬火钢球压头、 HBW硬质 合金压头用于测定如铸铁件、有 色金属及合金、退火钢、正火钢、 调质钢等。
b. 洛氏硬度
洛氏硬度法是用 120 0 金刚石 圆锥体作压头，用来测定较硬 金属材料硬度的方法。
2）金属材料的 s ，其零件允许的工作
应力值
e
。故
是机械零件设计的主要
s
依据之一。
3）如Q235钢、Q275钢等钢材是以材料的
屈服点指标来命名的，可直接知道材料的
屈服强度等级。
IV. sb曲线—强化阶段。材料屈服后 随变形程度的增大，金属内部 要产生变形抗力，须不断增大 载荷，试样才能继续伸长。
（2）冲击韧性与机械零件设计
① 材料的 a k 值，只是表明其抗一 次大冲击而不断裂的能力。
② 金属零件受大能量冲击作用，其 抗冲击能力决定于akv值。
③ 受小能量多次冲击的作用，零件 抗冲击能力是取决于强度和塑性。
受较高冲击力作用，要提高零件 的塑性值；
受小冲击力作用，要提高零件的 强度。
a) 洛氏硬度法的应用
用于硬金属材料如淬火钢、 渗碳钢、模具工具钢等硬度的测 定。
b) 洛氏硬度的表示方法 c) 如20~67HRC。
（2）硬度值与机械设计
① 零件工作面要规定足够的硬度， 以耐磨损，防止疲劳断裂。
② 硬度和强度间有一定换算关系， 如《机械设计基础》教材中的 图表所示。
4. 冲击韧性 冲击韧性又称韧性，是指材
① 流动性 指熔融金属流动的能 力。流动性好的金属，容易充 满铸型，铸件外形完整、尺寸 准确。
② 收缩率 材料的收缩量愈小， 铸件产生的疏松、缩孔、变形、 裂纹等缺陷愈少。