《金属工艺学》第一章金属材料的力学性能

V. bz曲线—缩颈阶段。即当载荷 超过Fb值，试样出现局部 “缩 颈” 直至断裂。
“缩颈” ：零件受力横截面积变小， 是零件发生断裂的前奏。
要点： 1）Fb——是零件产生“缩颈”所能
承受的最大拉力。
2）规定：b点处的拉应力值为低碳钢 材料的抗拉强度，用
b符号表示 bSF， b0MP. a
3）抗拉强度 b 的工程意义
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。
一、 金属材料的力学性能
力学性能又称机械性能，是 材料在力的作用下所表现出来的 特征。
① 机械力的作用形式
② 金属材料的力学性能指标
主要有强度、塑性、硬度、 冲击韧性、疲劳强度和刚度。
以上指标是机械零件和工 程结构件选材和强度设计的主 要依据。
1. 强度 是金属在外力作用下，抵
抗永久变形和断裂的能力。
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。
（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
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。
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。
③ 偏析 指铸件凝固后内部化学 成分不均匀现象。材料偏析严 重，铸件各部分的力学性能就 不一致。
④ 基本知识点：
① 铸铁类的铸造性能最好，铝合 金其次；钢的铸造性能较差。
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。
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
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。
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，
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
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。
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
① 优良焊接接头 指焊缝处不
易形成裂纹、气孔、夹渣等缺 陷。
② 焊接性能好的金属：低碳钢、 低合金钢；高碳钢、铸铁和铝 合金的焊接性较差。
③ 如用高碳钢、铸铁和铝合金制成 的机件，需与其它机件相连时， 应采用螺纹联接或铆接。
（4）热处理工艺性
指材料是
否容易通过热处理获得所需力学
性能而不开裂的能力。
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。
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。
（因压力加工方式可消除材料内部的
气孔、击碎夹杂物，使材料内部组
织致密）
② 对零件表面进行强化处理，如滚 压、喷丸、表面淬火，以提高工 作面硬度。
（可去除或防止出现显微裂纹，且裂 纹扩展慢）
（7）疲劳强度与机械设计
机械传动中重要的轴、连接螺 栓杆、发动机中的曲轴、连杆等， 要进行零件的疲劳强度校核计算。
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
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 材料硬度在170~230HBS,有一定 的脆性最易切削。
③ 铸铁、铜铝合金、中碳钢、退 火钢的切削加工性都很好；高 碳钢、白口铸铁很硬，切削性 能差；低碳钢、纯铜很软，切 削时易沾刀，不容易断屑，切 削加工性能差。
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。
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）铸造性能
指金属用铸造方法制成铸 件，材料所表现出的性能。用 流动性、收缩率和偏析这三个 指标来衡量。
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
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
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。
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）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wenku.baidu.com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。
（2）锻压性能
指金属用锻压
成形方法获得优良制件的难易程
度。
要点：
① 材料的锻压性能，用塑性值和变 形抗力两个指标来衡量。
② 锻压性能好的金属有低碳钢、低 合金钢；黄铜、铝合金在室温下 就有良好的锻压性能；铸铁、高 碳钢等锻压性能差。
（3）焊接性能
指金属焊接时，
能否获得优良焊接接头的能力。
要点：
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。