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机械工程材料 金属材料 黑色金属 有色金属 非金属材料 复合材料第一章 金属材料基础知识 第一节 钢材生产概述 第二节 金属材料的力学性能 第三节 金属的物理、化学性能及工艺性能 复习思考题第一节钢材生产概述（第一章） 一、钢与生铁 二、钢的分类 三、钢铁材料的生产过程 四、钢材品种一、钢与生铁（第一节钢材生产概述） 钢和生铁都是铁碳合金。 固态下可以形变的铁碳合金称为钢(一般含碳量低于2.11%； 固态下几乎不发生形变的铁碳合金称为生铁(含碳量高于2)二、钢的分类（第一节钢材生产概述）(一)按钢的化学成分分类按钢的化学成分，钢可分为： 1碳素钢-碳素钢是含碳量低于2.11%的铁碳合金。 2合金钢-合金钢是加入了某些合金元素的碳素钢(二)按钢的质量分类钢的质量是以钢中有害杂质元素硫、磷含量的多少来衡量的。硫、磷含量多的钢质量劣，少则优。按钢的质量可分为： 1普通钢S0.050%，P0.045% 2优质钢S0.035%P0.035% 3高级优质钢S0.020，P0.030%(三)按钢的用途分类 1结构钢是用于制造各种结构构件的钢。主要用于制造桥梁、船舶、建筑结构的工程构件和制造齿轮、。轴、连杆、弹簧、螺钉、螺母等机器零件。2工具钢 是用于制造刃具、量具和模具的钢。3特殊用途钢、是用于有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能要求的钢。其他 按钢的冶炼方法、脱氧程度等进行分类(四)钢材的涂色标志三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述） 钢铁材料通常经过下列三个阶段获得。先由铁矿石生铁生铁钢钢锭钢材，如图11所示。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述） (一)生铁冶炼 生铁冶炼是将炼铁原料铁矿石、燃料焦炭、熔剂石灰石等炉料，按一定比例装入高炉进行冶炼。 高炉生铁可分为炼钢用生铁和铸造用生铁 (二)炼钢 炼钢的过程就是将生铁进行精炼将生铁中的碳和硅、锰、磷、硫等元素含量降低到规定范围。如果炼制合金钢，还需加入所要求的合金元素。获得所需要的合金钢。 大量使用的钢其含碳量一般均低于1.4%。炼好的钢除小部分浇注成铸钢件外，绝大部分浇注或钢锭，经压力加工制成各种钢材。 镇静钢：质量好，组织致密，气泡少，力学性能好。绝大部分优质钢和合金钢都是镇静钢，需经热处理的受力零件都选用镇静钢。 沸腾钢：成本低，表面质量好，具有良好的塑性、冲压性能和焊接性能，多用于低碳钢轧成薄板使用。不宜用于制造需经热处理的重要零件 半镇静钢：其性能介于镇静钢与沸腾钢之间。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述） 炼钢用炉，主要有转炉、平炉和电炉。它们所炼制的铜分别称为转炉钢、平炉钢和电炉钢。 转炉利用鼓入的氧气或空气进行吹炼。主要生产普通碳素结构钢、部分低合金结构钢和优质钢。 平炉炼钢主要用煤气作燃料进行燃烧，使炉料熔化、升温，靠炉气中的氧和加入的铁矿石使铁水中的杂质氧化。主要用于生产优质碳素结构钢。 电炉炼钢利用电能作热源，炉料主要是废钢。电炉炼钢质量最高，主要生产各种优质合金钢，如不锈钢、高速钢、耐热合金钢等。三、钢铁材料的生产过程（第一节钢材生产概述） (三)钢的成材 轧制、挤压、拉拔、锻造等都是常用压力加工的几种主要方法，如图12所示。 主要通过压力加工 轧制热轧和冷轧 拉拔四、钢材品种（第一节钢材生产概述） 四、钢材品种 (一)钢板 薄板(厚度4mm) 厚板(厚度4mm)。 成张钢板的规格以厚度宽度长度表示； 成卷供应的钢板规格以厚度宽度表示。 (二)型钢 常用的型钢有圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢和工字钢等。直径在69mm的圆钢常称为线材。各种型钢都有具体的规格，通常以其断面形状的主要尺寸来表示。常用的型钢断面形状及其规格如表1-1所示。四、钢材品种（第一节钢材生产概述） (三)钢管 钢管有无缝钢管和有缝钢管(焊接钢管)两类。断面形状一般为圆形中空，也有方形，三角形等异型断面钢管。 1无缝钢管 它是钢坯经穿孔、轧制、拉拔等多种工序制成的。规格以外径x壁厚来表示。外径小于5mm的钢管称为毛细钢管。 2有缝钢管 它是以钢带或钢板为坯料经卷压成形、焊接、精整等工序制成。规格用公称口径来表示，单位为英寸。公称口径是其内径的近似尺寸值，一般都略小于其实际内径尺寸。焊接钢管有18“6”共l4种口径；镀锌焊接钢管有12”2 1/2”共7种口径。 (四)钢丝 直径小于6mm的小型圆钢称为钢丝。其规格以直径的毫米数表示第二节金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 使用性能，是指机器零件在正常工作情况下材料所应具备的性能，如力学性能和物理、化学性能。 工艺性能则是指在制造机器零件和工具过程中，材料能够接受各种冷、热加工的能力，如材料的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能。金属材料在承受外力作用时所表现出来的性能通称为力学性能。 主要力学性能有；强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧度五、疲劳强度一、强度（第二节金属材料的力学性能） 强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗产生塑性变形和破坏的能力。 根据载荷作用方式不同，强度有抗拉强度抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪切强度 抗拉强度抗拉强度-最基本的强度指标。最基本的强度指标。抗拉强度指标是通过拉伸试验测定的。图抗拉强度指标是通过拉伸试验测定的。图14为低为低碳钢的拉伸曲线。碳钢的拉伸曲线。一、强度（第二节金属材料的力学性能）应力单位截面积上所承受的内力。 = F/A 式中应力(Nmm2或MPa)；F载荷(N)；A试棒横截面积(mm2)金属材料强度指标主要有屈服点和抗拉强度。 (一) 屈服点 屈服点是指金属材料开始产生显著塑性变形时的最低应力，即s点的应力。 s= Fs/A0 A0试棒原始横截面积(mm2)。 条件屈服点-有些金属材料，如高碳钢、铸铁、淬火钢等，屈服现象极不明显。工程上规定。以试棒原始标距长度(l0)部分产生0.2塑性变形时的应力值作为其屈服点，以0.2表示抗拉强度是指金属材料在断裂前所能承受的最大标称拉应力，即b点的应力，也称强度极限。以符号b表示。 b= Fb/A0式中b抗拉强度(Nmm2或MPa)； Fb试棒被拉断前所承受的最大载荷(N)； 二、塑性（第二节金属材料的力学性能） 二、塑性 是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性也是通过拉伸试验测定的。表示塑性的指标是： 伸长率 伸长率是指试样拉断后标距伸长量与原始标距长度之比，即 式中 l0试棒原始标距长度(mm)； l1。一试棒拉断后的标距长度(mm)。 试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的5倍(l0=5d0)时，称短试棒，其伸长率以5表示 试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的5倍(l0=5d0)时，称短试棒，其伸长率以5表示(1215) 试棒原始标距长度l0。为试棒原始直径d0的10倍(l0=10d0)时，称短试棒，其伸长率以10表示 同一材料的伸长率，5与10之间的关系为：5(1.21.5)10 断面收缩率。 试棒单位横截面积的减缩率称为断面收缩率。 式中A0试棒原始横截面积(mm2)； A1试棒拉断处横截面积(mm2)金属材料的值和值越大，说明其塑性越好。良好的塑性，是保证顺利完成轧制、锻造、拉拔、冲压等成形工艺及电阻焊：摩擦焊等工艺的必要条件；一定的塑性亦可避免机器零件在使用中万一超载而发生突然折断。二、塑性（第二节金属材料的力学性能）三、硬度（第二节金属材料的力学性能） 三、硬度 硬度是指金属材料抵抗更硬的物体压入金属表面的能力。金属材料的硬度指标是在硬度计上测定的。机械制造厂中常用的硬度测试方法主要是布氏硬度法和洛氏硬度法。 (一)布氏硬度 布氏硬度试验原理如图l5所示。用规定的载荷F将压头垂直压入被测材料表面，经规定的保持载荷时间后卸除载荷，在被测材料表面形成了直径d的压痕，用读数放大镜测量出压痕直径数 值，并用此值查布氏硬度数值表，即可得到布氏硬度值。材料越软，压痕直径越大，则布氏硬度值越低。三、硬度（第二节金属材料的力学性能） 布氏硬度指标用符号：HB。 HBS用淬火钢球为压头，适用于测量布氏硬度值在450以下的金属材料； HBW用硬质合金球为压头适用于测量布氏硬度值在450650之间的金属材料。 硬度数值均标写在布氏硬度符号之前。如，230HBS、500HBw。特点：布氏硬度试验压痕较大，试验结果较准确。但试验结果的求得较麻烦，费时间。主要用于测量布氏硬度值小于450的较软金属材料的硬度，如热轧钢材，经退火、正火、调质处理的钢和有色金属等；适用于原材料、铸造和锻造的毛坯件、半成品件；还适用于测定铸铁及滑动轴承合金等软且组织不均匀的材料布氏硬度的压痕大，不能测定成品件的硬度，不适于测太薄的材料硬度。三、硬度（第二节金属材料的力学性能）(二)洛氏硬度 洛氏硬度试验也是用规定的载荷将压头垂直地压入被测材料的表面，但它是以压痕的深度来确定硬度值的。洛氏硬度值可从洛氏硬度计刻度盘上直接读出。洛氏硬度用符号HR表示，无单位。洛氏硬度操作简便、迅速，在硬度计上可直接读出硬度值，故适于大批生产。压痕较小，几乎不损伤工件表面，所以不仅可测半成品硬度，也可测定成品工件的硬度。对较软、较硬和特硬材料均可测定，故硬度测定范围宽。不适于测定铸铁一类表面组织不均匀的材料三、硬度（第二节金属材料的力学性能）HV维氏硬度主要用于测定很薄材料和表面薄层硬度。HS肖氏硬度肖氏硬度计机体体积较小，携带方便，主要用于测定大而笨重的工件或大型钢材的硬度。肖氏硬度试验，在工件上基本不留痕迹，适于测定精密量具的表面硬度。各种硬度的硬度值之间不存在理论上的换算关系，它们之间不能用来直接比较材料的硬度高低。在要求不很精确时使用。 当布氏硬度值在200600HBS(W)范围时： HRC110HBS(W) 当布氏硬度值小于450HBS时： HBSHV HS16HBS 硬度指标的测定与其他力学性能指标测定相比较，其试验方法简便、迅速、易掌握，不需要特殊加工试样，试样可以是大小、厚薄、形状各异的原材料，也可以是毛坯件或成品零件。 生产中常把硬度指标作为技术条件之一标注在图样中。表14所列是一些钢件的硬度要求四、冲击韧度（第二节金属材料的力学性能） k冲击韧度是指金属材料抵抗冲击载荷的能力。 冲击韧度是通过冲击试验测定的。冲击试验一般是将已加工好的标准冲击试样(图16a)安装在摆锤式冲击试验机上(图16b)，一只摆锤从高度h0处沿弧形轨迹向下摆动，一次冲击到试样上(试样的缺口背向摆锤冲击方向)并把试样打断，最后达到一个较低的高度h1。根据摆锤质量和其初始高度h0及最终高度h1可计算出势能差，这个势能差就是冲断试样过程中所消耗的冲击吸收功，以符号Ak表示。 冲击韧度k是指冲断试样单位截面积所消耗的冲击吸收功，即： k Ak/A 式中k冲击韧度(J/cm2) Ak冲断试样所消耗的冲击吸收功(J)； A试样缺口处截面积(cm2)。四、冲击韧度（第二节金属材料的力学性能） 金属材料的冲击韧度k与其化学成分、组织、表面质量及温度等因素有关。有些材料在常温下，具有较好的韧性，不显示脆性，但在一定的较低温度下韧性降低，发生向脆性的转化显示出脆性。这种脆性转变在工程中很值得注意。五、疲劳强度（第二节金属材料的力学性能）有许多机器零件，如机床主轴、曲轴、连杆、齿轮，弹簧等是在重复或交变应力作用下工作的。所谓重复或交变应力，是指应力的大小或大小和方向随时问发生周期性改变，材料在这种应力长期作用下，发生破坏时的应力值比材料在静载荷作用下的强度值低很多，甚致低于屈服点s值，此现象称金属疲劳。 疲劳强度是表示金属疲劳的指标。它是指材料在无限次交变应力作用下而不破坏时的最大应力。当应力呈对称循环时，疲劳强度以符号-表示。实际上，无限次交交载荷的试验是永远都不能完成的，所以，工程上规定，钢在经受10次、有色金属经受108次交变应力作用下不发生破坏时的应力作为材料的疲劳强度。 材料的疲劳强度与其合金化学成分、内部组织及缺陷、表面划痕及零件截面突然改变等有关。因为，这些部位容易形成应力集中，实际应力高于平均应力很多，使材料产生徽小裂纹随时间变化，微小裂纹发生逐步扩展，使零件实际承载面积逐步减小，当选到一定程度时，由于实际应力已超过材料的强度，便发生突然断裂。 设计零件时，应改善结构，防止应力集中；生产中尽可能使加工表面光洁，提高表面质量：采用喷丸、滚压、表面淬火、渗碳、氮化筹表面强化处理，均可提高疲劳强度。第三节 金属的物理、化学性能及工艺性能 一、物理性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等。不同零件所要求的物理性能各有不同，同时，材料的物理性能对加工工艺也有一定影响。 1密度对于飞机等交通工具需要选用密度小的材料制造，以减轻自重。 2熔点熔点不同的金属及合金可用于制造在不同温度下工作的零件。熔点不同。熔炼工艺也不同。 3热膨胀性 发动机的活塞在气缸套内既要自由往复运动同时又要保证很好的气密性，因此，活塞和气缸套材料的热膨胀性要相接近。 4. 导热性 散热器、活塞等需要选用导热性好的材料制造.铜及其合金导热性好焊接时必须采用热量集中的强烈热源或焊前进行预热， 5耐磨性 耐磨性是指材料在工作过程中承受磨损的耐久程度。它直接影响零件的性能及使用寿命。材料的耐磨性与其硬度、表面粗糙度、摩擦系数、运动速度等因素有关。第三节 金属的物理、化学性能及工艺性能 二、化学性能 化学性能是金属材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。由于腐蚀造成的金属材料损失十分严重，因而采取有效措施以防止腐蚀对节约金属材料具有重大意义。通常采用油漆、电镀等方法在金属表面防蚀，还可在钢中加入合金元素制成不锈钢。不锈钢广泛用于化工设备、医疗器械、炊事器具等。 三、工艺性能 工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能及切削加工性能等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。复习思考题（第一章）1简述钢铁材料的生产过程。2钢材品种有哪几类?3什么叫金属的力学性能?金属的力学性能主要包括哪些方面?4什么是强度?用什么符号和单位表示?5什么是塑性?用什么指标来表示?6什么是硬度?有哪几种测定硬度的方法?各用什么符号来表示?7布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度各用在哪些场合的硬度测定?8什么是冲击韧度?用什么符号和单位来表示?9什么叫金属疲劳和疲劳强度? 10金属的物理性能包括哪些内容?11什么是金属的化学性能?12金属材料的工艺性能主要包括哪些方面?本公司提供球墨铸铁管供应