机械制造基础第二章1

G
H
h
F
5. 疲劳强度 1 ） 交变应力（ 周期性应力）。 应力的大小、 交变应力（ 周期性应力 ） 应力的大小 、 方向周期性变化。 方向周期性变化。
2）疲劳。 构件在低于屈服强度的交变应力作 ）疲劳。 用下，经过较长时间工作而发生突然断裂， 用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而 无明显的塑性变形的现象。 无明显的塑性变形的现象。
3 ） 维氏硬度HV。 测试的基本原理与布氏硬度相同，但 维氏硬度HV。 测试的基本原理与布氏硬度相同， HV 压头采用锥面夹角136 的金刚石正四棱锥体， 136° 压头采用锥面夹角136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度 试验所用载荷小，压痕深度浅， 试验所用载荷小 ， 压痕深度浅 ， 适用于测量零件薄的表 面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择， 面硬化层的硬度 。 试验载荷可任意选择 ， 故可测硬度范 围宽，工作效率较低。 围宽，工作效率较低。 4.韧性 韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力 冲击吸收功， 冲击吸收功，冲击韧度
高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电 但具有金属材料不具备的某些特性， 如耐腐蚀、 绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、 绝缘 、 隔音 、减震、 耐高温、质轻 、来源丰富 、 价 成形加工容易等优点，近年发展较快。 廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。
图1-8 圆形拉伸试样
拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-9所示， 拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1 所示， 负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。 负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。 1.强度 拉伸曲线 oe 段是直线， 段是直线 ， 金属材料处在弹性变形阶 段 ， 应力与应变成正比例 关系， 服从虎克定律， 关系 ， 服从虎克定律 ， 其 比值称弹性模量， 比值称弹性模量 ， 是衡量 材料抵抗弹性变形能力的 指标。 指标。
b
Pb σb = A0
式中 Pb
A0
试样被拉断前所承受的最大载荷（N）； 试样被拉断前所承受的最大载荷（ ） 试样的原始横截面积（mm2 ）。 试样的原始横截面积（
零件设计时对塑性材料采用屈服强度； 零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用 抗拉强度。 抗拉强度。
2.塑性 塑性指金属材料在静载荷作用时 ， 指金属材料在静载荷作用时 塑性 指金属材料在静载荷作用时， 在断裂前产生塑性 变形的能力， 变形的能力 ， 反映材料塑性的力学性能指标有延伸率 δ 和 断面收缩率 ψ 。 1）延伸率。 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即 延伸率。 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。 l k − l0 δ= ×100% l0 试样断裂后的标距长度； 试样断裂后的标距长度； 式中 lk
2 ） 屈服点σ s 。 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点， 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点， 其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力， 其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力， 也即材料抵抗微量塑性变形的能力。 也即材料抵抗微量塑性变形的能力。
Ps σs = A0
试样发生屈服时的载荷（ ） 试样发生屈服时的载荷（N）； A0 试样的原始横截面积（ 试样的原始横截面积（mm2 ）。 条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服 条件屈服极限： 难于确定产生塑性变形的最小应力。 点，难于确定产生塑性变形的最小应力。故规定当试样产 生0.2%的塑性变形时所对应的应力作为材料开始产生明显 塑性变形时的屈服强度， 塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限 σ 0.2 。 Ps 零件设计时对塑性材料采用屈服强度；脆性材料采用 零件设计时对塑性材料采用屈服强度； 抗拉强度。 抗拉强度。 式中
材料性能的决定因素： 化学成分 、 内部组织和 材料性能的决定因素 ： 化学成分、 状态。 其中“化学成分 成分” 改变性能的基础 基础， 状态 。 其中 “ 化学 成分 ” 是 改变性能的 基础 ， “ 处 改变性能的手段 手段， 组织” 性能变化的根 理 ” 是 改变性能的 手段 ， “ 组织 ” 是 性能变化的 根 据。
2.1.1 金属及合金的力学性能
力学性能（机械性能） 力学性能（机械性能）：指金属材料具有的抵抗一定 外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有： 外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有： 刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、 刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和 疲劳强度等。 疲劳强度等。 金属材料的刚度、强度、弹性、 金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实 验来测定的，标准试样如图1 所示， 验来测定的 ， 标准试样如图1-8 所示 ，把试样安装在拉 伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力， 伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力， 试样产生变形，直至断裂。 试样产生变形，直至断裂。
第2章 工程材料
引言： 引言：
材料是人类用来制作各种产品的物质。 材料是人类用来制作各种产品的物质。机 械工程中使用的材料常按化学组成分为金属材 聚合物材料、无机材料（陶瓷材料）、 ）、复 料、聚合物材料、无机材料（陶瓷材料）、复 合材料四大类。 合材料四大类。 目前在机械工业中应用最广的仍是金属材 因为金属材料来源丰富， 料，因为金属材料来源丰富，而且具有优良的 力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。 力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。 金属材料的特性有 强度较高、塑性较好、 金属材料的特性有：强度较高、塑性较好、 导电性高、导热性好、有金属光泽等。 导电性高、导热性好、有金属光泽等
冲击韧度 指金属材料抵抗冲击负荷的能力， 指金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验 机来测定金属材料的冲击值。如图2-4，2-5所示。冲击韧 机来测定金属材料的冲击值。如图2 所示。 度值可用下式计算。 度值可用下式计算。
αk =
Ak GH − Gh = F F
式中
αk
Ak
冲击韧度（ 冲击韧度（J/cm2 ） ； 冲击吸收功（J）； 冲击吸收功（ ） 摆锤重量（ ） 摆锤重量（N）； 摆锤抬升高度（ ） 摆锤抬升高度（m）； 摆锤冲击后的高度（ ） 摆锤冲击后的高度（m）； 试样缺口底部处横截面积（ 试样缺口底部处横截面积（cm2 ）。
P Pb Ps Pe s e b k
0
∆l
图2-1 低碳钢拉伸曲线
1）弹性极限。 金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最 弹性极限。 大应力值，单位MPa 大应力值，单位MPa 。即 Peσe =ຫໍສະໝຸດ A0式中Pe
A0
试样发生完全弹性变形的最大载荷（ ） 试样发生完全弹性变形的最大载荷 （ N）； 试样的原始横截面积（ 试样的原始横截面积（mm2 ）。
抗拉强度。 3）抗拉强度。 当负荷超过b点 ，变形集中在试样的某一 部位上，试样在该部位出现缩颈现象， 部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩 颈处。继续施加负荷， 点断裂。 颈处。继续施加负荷，试样在k点断裂。材料断裂前所承 受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限） 受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限），它也是试样 能够保持均匀塑性变形的最大应力 σ 。
(
)
式中 F
D d
实验力（ ） 实验力（kgf）； 球体直径（ 球体直径（mm）； ） 压痕平均直径（ 压痕平均直径（mm）。 2-2 ） 图 布氏硬度实验原理图
在做布氏试验时， 只需测量出d值即可从有关表格上 在做布氏试验时 ， 只需测量出 值即可从有关表格上 查出相应的布氏硬度值。 压头为淬火钢球时， HBS， 查出相应的布氏硬度值 。 压头为淬火钢球时 ， 为 HBS ， 适 用于布氏硬度450 以下的材料；压头为硬质合金球时， 450以下的材料 用于布氏硬度 450 以下的材料 ； 压头为硬质合金球时 ， 为 HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。优点： 650以下的材料 HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。优点：测量结果准 确，缺点：压痕大，不适合成品检验。 缺点：压痕大，不适合成品检验。 2）洛氏硬度。 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测 洛氏硬度。 量硬度值的依据,如图2 所示。 量硬度值的依据,如图2-3所示。可以直接从洛氏硬度计的 表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm 0.002mm压痕深 表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深 度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA HRB和HRC来表示 HRA、 来表示。 度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。 HRC采用顶角为120 的金刚石圆锥体为压头 施加150kgf 采用顶角为120° 为压头， HRC采用顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf 的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定， 的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值 20-67HRC； HRA采用外加载荷为60kgf， 采用外加载荷为60kgf 为20-67HRC； HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度 薄层，常用硬度值为70 85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢 70采用直径1.588mm 薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢 100kgf的外加载荷 用于硬度较低的材料， 的外加载荷， 球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度 值为25 100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小， 25值为25-100HRB。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品 零件上检测 。
l0
试样的原始标距长度； 试样的原始标距长度；
2 ） 断面收缩率。 指试样拉断后缩颈处横截面积的最大 断面收缩率。 相对收缩值。 相对收缩值。
ψ=
A0 − Ak ×100% A0
式中 Ak
A0
试样断裂出的最小横截面积； 试样断裂出的最小横截面积； 试样的原始横截面积； 试样的原始横截面积；
3.硬度 3.硬度 硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力， 指金属材料抵抗外物压入其表面的能力 硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡 量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。 量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的 有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 布氏硬度HBS(HBW) HBS(HBW)。 1 ） 布氏硬度 HBS(HBW) 。 布氏硬度是在布氏硬度计上进行 测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头， 测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的 实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力， 实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在 试样表面形成压痕， 试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为 布氏硬度值，如图1-10示。 布氏硬度值，如图1 10示 2F HBS(HBW) = πD D − D 2 − d 2
2.1 金属材料的主要性能
使用性能： 使用性能 ： 指各个零件或构件在正常工作时金属 材料应具备的性能， 它决定了金属材料的应用范围、 材料应具备的性能 ， 它决定了金属材料的应用范围 、 使用的可靠性和寿命。包括力学性能、 物理性能、 使用的可靠性和寿命 。 包括力学性能 、 物理性能 、 化 学性能。 学性能。 工艺性能：指金属材料在冷、 工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具 备的性能，它决定了金属材料的加工方法。 备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造 性能、锻造性能、焊接性能、 性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理 性能。 性能。
3）疲劳曲线。 反映承受的交变应力与断裂前的应力周期 ）疲劳曲线。 次数间的关系曲线，如图1-12所示。 所示。 次数间的关系曲线，如图 所示 疲劳极限。 由图1 12可见 可见， 4 ） 疲劳极限。 由图1-12可见 ， 应力愈高，循环次数愈少， 应力愈高， 循环次数愈少， 反之 亦然。 当应力低到一定值时， 亦然。 当应力低到一定值时，循 环次数无穷大， 环次数无穷大 ， 表示材料可经无 限次应力循环而不失效；此应力 限次应力循环而不失效； 即为疲劳强度（疲劳极限） 即为疲劳强度 （ 疲劳极限） 。对 称弯曲疲劳极限用 σ −1 表示 ；无 限次当然不是数学上的无穷大， 限次当然不是数学上的无穷大， 只是一个很大的数而已， 只是一个很大的数而已，对于钢 铁材料为107 ， 有色金属材料为 铁材料为 10 108 。