材料加工与成型

蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温 度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分 子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。
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1.10 钢中的合金元素
合金元素是为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能 而专门加入的元素。在实际使用的钢中，除碳外尚存在少量的其它元素，如一般含量 的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢等，这些非特意加入的元素称为常存或残余元素。
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第一章 工程材料
1.2 固体材料的性能
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固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。 力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力载荷作用 下表现出来的性能。
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1. 强度和塑性
材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力， 如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。 1) 弹性和弹性模量
零件的疲劳失效过程分为三个阶段：疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展、瞬 时断裂。产生疲劳断裂的原因，是由于材料内部的缺陷、加工过程中形成的 刀痕、尺寸突变导致的应力集中等。
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5. 断裂韧度
一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显 塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已 存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。
常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元 素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。
1.10.1 合金元素在钢中的分布
每一种合金元素在钢的不同组织中的溶解度或含量是不同的，即使在同一金相组
织中，溶解度也随温度而变化。
在平衡状态中，合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：
生产中也常以硬度作为检验材料性能是否合格的主要依据，并以材料硬 度作为制定零件加工工艺的主要参考。测定硬度最常用的方法是压入法，工 程上常用的硬度指标是布氏、洛氏和维氏硬度。
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3. 冲击韧度
评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度。常用一次摆锤 冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB 229-1984制 成带U形缺口的标准试样，将具有质量G（单位：kg）的摆锤举至高度为H （单位：m），使之自由落下，将试样冲断后，摆锤升至高度h（单位：m）。
在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式 不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。
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2. 硬度
硬度是指金属材料表面抵抗其它硬物体压入的能力，它是衡量金属材料 软硬程度的指标。硬度值和抗拉强度等其它力学性能指标之间存在一定关系， 故在零件图上，对力学性能的技术要求往往是标注硬度值。
较特殊，当wCr≤2％、wNi≤5％时铁素体的强度和韧性都有所提高。因此，结构钢中各 合金元素含量都有一定限度。
(4) 一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSi、FeCr(σ)、Ni3Ti、Fe2W等。 (5) 有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。
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1.10.2 合金元素在钢中的作用
1.合金元素对钢中基本相的影响 (1) 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。这些元素与碳亲合力 很弱，在钢中不和碳化合，而是溶入铁素体内形成合金铁素体，对基体起固溶强化作
用。合金元素的原子半径与铁原子的原子半径相差愈大，或两者晶格类型不同，则造
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成的晶格畸变愈大，固溶强化效果也愈显著。
图1-67和图1-68为退火状态各合金元素对碳钢性能的影响。由图可见，Si、Mn
的强化作用十分强烈，Ni也有较好的强化作用。当wSi≤0.6％、wMn≤1.5％时，对铁素 体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而Cr、Ni比
图1-4 摆锤冲击试验
图1-5 材料的冲击韧度值－温度关系曲线
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4. 疲劳强度
许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载 荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂 与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂 都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。
当应力强度增大到某一临界值时，使裂纹尖端的应力场大到足以使裂 纹失稳扩展，从而导致材料发生断裂。这个应力强度的临界值，称为材料的 断裂韧度，用KⅠC表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。
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6. 金属的高温力学性能
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材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。 许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其 在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度σS、 硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。
试样加载后应力不超过一定值，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不 产生永久变形的性能，称为弹性。工程上把弹性模量，即引起单位弹性变形 所需要的应力，称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。 2) 塑性
载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部 分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，其性能称为塑性。 3) 强度
(1) 与铁形成固溶体，不与碳形成任何碳化物，如硅、铜、铝、钴等。 (2) 部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。但每一种元素固溶于铁素体 和形成碳化物的倾向并不相同，因而其在铁素体和碳化物中的含量也有所不同。这一
类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。
(3) 不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、 AlN、FeO·Al2O3、SiO2·MxOy 、TiN 、MnS等。