机械工程材料知识点

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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σ，

单位为MPa。工程中常用的强度指标有（1）弹性极限（公

式：σe=F e A

0)、（2）屈服点（公式：σs=F s A

对于高碳钢、

铸铁σr0.2=F r0.2A

0）和（3）抗拉强度（公式：σb=F b A

）。

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σs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σb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：δ=l1−l0l

×100%）和断面收缩率（公式：

ψ=A0−A1

A0

×100%。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δ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（L d⁄=10）、短试件（L d⁄=5）、长件（L d⁄≥12）、细长件（L d⁄≥20）

⑴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。

⑵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。

⑶液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。

⑷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：洛氏硬度值=K−ℎ

淬

0.002

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。

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（10～15s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A k，单位为焦耳（J）。A k=G（H1−H2）。冲击韧度a k（a k=A k/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σ−1表示单位MPa

第二章铁碳合金

⑴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

⑵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

⑶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。

⑷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。

⑸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)、α铁(α-Fe)等。

面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ铁(γ-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