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钢铁材料的分类、力学性能及热处理一、 分类及力学性能：1． 碳素钢：按含碳量的多少可分为低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量在0.25％～0.5％）和高碳钢（含碳量大于0.5％）。
随着含碳量的增加，钢的机械强度提高，但使它的塑性和韧性下降。
（1） 普通碳素钢：它的化学成分不准确，因而不宜进行热处理。
普通碳素钢的牌号标记如Q235（国标），表示屈服点MPa S 235=σ。
（2） 优质碳素钢：力学性能优于普通碳素钢，采用适当的热处理方法可以获得很高的内部机械强度和表面硬度。
低碳钢塑性高，焊接性好，适用于冲压、焊接零件。
采用渗碳淬火处理可提高零件表面硬度；中碳钢具有综合性能好的特点，它的机械强度、塑性和韧性均较好，可进行调质、表面淬火处理；高碳钢具有高的机械强度和良好的韧性和弹性，常制成弹性零件。
优质碳素钢的牌号如15、35、45（国标），表示含碳量平均值各为0.15％、0.35％、0.45％。
2． 合金钢：合金钢是在优质碳素钢中加入某些合金元素而形成的。
它具有良好的力学性能和热处理性能，随着所加合金元素的不同，还可获得不同的特殊性能。
合金钢的牌号如35Mn2、40Cr （国标），表示含碳量平均值为0.35％和0.40％，而含合金元素Mn2％及Cr 小于1.5％。
3． 铸钢：铸钢的含碳量一般在0.15％～0.60％范围内，含碳量较高，塑性很差，容易产生龟裂，故不能锻造。
铸钢的强度显著高于铸铁，但铸造性则比较差，收缩率较大。
铸钢的牌号如ZG500－270，前组数字表示抗拉强度MPa B 500=σ，后组数字表示屈服点MPa S 270=σ。
4． 铸铁：铸铁是含碳量大于2％的铁碳合金。
铸铁因含碳量高，故它的抗拉强度、塑性和韧性都较差，不能锻造，焊接性能也差。
但它有较高的抗压强度，良好的减摩性和切削性能，吸振性好，价格又较低廉。
常用的铸铁有灰铸铁（如HT150，抗拉强度MPa B 150=σ）、可锻铸铁（如KT300－6，抗拉强度MPa B 300=σ，最低伸长率为6％）和球墨铸铁（如QT500－7，抗拉强度MPa B 500=σ，最低伸长率为7％）。
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
第一讲金属材料的种类与力学性能于文强讲授各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。
工程材料分金属材料、非金属材料以及复合材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。
一.金属材料的种类金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其含有金属、半金属或非金属的合金。
由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的加工方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料。
工业上通常把金属材料分为两大类：一类是黑色金属，它是指铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金——钢和铸铁应用最广，占整个结构和工具材料的80%以上；另一类是有色金属，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。
这两类材料还可进一步细分为图1.1所示的系列。
金属材料黑色金属有色金属白口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁特殊性能铸铁合金钢铸铁钢碳素钢轻金属（密度小于3.5g/cm2）：如铝、镁、钠、钙重金属（密度大于3.5g/cm2）：如铜、镍、锡、铅、锌贵金属：如金、银、铂、铑、铱稀有金属：如锆、铪、铌、钽、铍、铯、钛稀土金属：如钕、钪、钇放射性金属：如镭、铀、钍图1.1 不同系列的金属材料二. 金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
1.力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。
1）强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。
根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。
结构材料与力学性能结构材料和力学性能是现代工程领域中至关重要的概念。
无论是建筑、航空、汽车还是电子设备，都需要使用高性能的结构材料来确保其安全和可靠性。
本文将探讨结构材料的种类以及其对力学性能的影响。
一、金属材料金属材料是目前工业应用最广泛的结构材料之一。
它们通常具有高强度、可塑性和导电性等特点。
常见的金属材料包括钢铁、铝合金和镁合金等。
这些材料可以广泛应用于航空、汽车和建筑等领域。
金属材料的力学性能通常通过强度和塑性来衡量。
强度是材料抵抗外部力量破坏的能力，而塑性则是指材料在受力下变形的能力。
提高金属材料的强度可以通过合金化、热处理和加工过程来实现。
而增加金属材料的塑性可以通过冷加工和合金元素的控制来实现。
二、陶瓷材料陶瓷材料具有优异的耐高温性能和化学稳定性，因此在高温环境下得到广泛应用。
陶瓷材料通常具有较高的硬度和脆性，这使得它们在力学性能方面与金属材料有所不同。
陶瓷材料的力学性能主要取决于其结晶和微观结构。
通过改变陶瓷材料的成分、晶体结构和制备工艺，可以优化其力学性能。
一些新型陶瓷材料，如氧化锆和碳化硅，具有较高的强度和韧性，已经在航空航天和核能领域得到应用。
三、聚合物材料聚合物材料由大量有机分子组成，具有良好的绝缘性和化学稳定性。
它们广泛应用于塑料制品、橡胶制品和粘合剂等领域。
与金属和陶瓷材料相比，聚合物材料通常具有较低的强度和刚性，但却具有较高的韧性。
聚合物材料的力学性能主要取决于分子结构、分子量和交联程度。
通过调整聚合物的化学结构和添加增塑剂等方式，可以提高其力学性能。
例如，聚苯乙烯是一种常见的聚合物材料，可以通过控制其分子量分布和交联程度，获得不同的力学性能。
四、复合材料复合材料由两种或多种不同的材料组合而成，可以充分发挥各种材料的优点，从而获得更好的力学性能。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料和层状复合材料。
纤维增强复合材料由纤维增强剂和基体材料组成，具有较高的强度和刚度。
复合材料的力学性能与纤维增强剂和基体材料的性质密切相关。
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
工程材料的分类性能及应用范围第一章一、工程材料的分类、性能及应用范畴；工程材料可分为金属材料（黑色金属及有色金属）、非金属材料（高分子材料及无机非金属材料）和复合材料等。
（一）金属材料1 ．黑色金属（ 1 ）生铁、铁合金。
生铁分炼钢生铁和铸造生铁。
铁与任何一种金属或非金属的合金都叫做铁合金。
（ 2 ）铸铁。
具有优良的铸造性能和良好的耐磨性、消震性及低的缺口敏锐性。
还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
铸铁包括：灰口铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。
（3 ）钢。
①钢的分类如下： A ．按化学成分分类，可将钢分为碳素钢和合金钢。
B ．按冶炼质量分类，可将钢分为一般钢、优质钢和高级优质钢。
C ．按用途分类，可将钢分为结构钢、工具钢、专门性能钢等。
D ．按冶炼方法分类，可将钢分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。
E ．按脱氧程度分类，可将钢分为冷静金刚、半冷静钢和沸腾钢。
F ．按金相组织分类，在退火状态下，可将钢分为亚共析钢、共析钢、过共析钢；在正火状态下，可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。
G ．按供应时的保证条件分类，可将钢分为甲类钢、乙类钢和特类钢。
②钢的牌号表示方法。
依照牌号能够看出钢的类别、含碳量、合金元素及其含量、冶炼质量以及应该具备的性能和用途。
例如甲类钢牌号用“A”字加上阿拉伯数字0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 表示。
又如20 号钢号，表示平均含碳量为0.20% 的钢。
再如9Cr18 表示平均含碳量为0.9% 、含Cr 量为18% 的不锈钢。
③国外钢的牌号的要紧特点方（略）。
④几种常用钢的要紧特点及用途。
A ．一般碳素钢分甲类钢和乙类钢两种。
甲类钢多用于建筑工业使用的钢筋，机械制造中使用的一般螺钉、螺母、垫圈、轴套等，也能轧成板材、型材（如工字钢、槽钢、角钢等）；乙类钢的用途与相同数字的甲类钢相同。
B ．一般低合金钢是在一般碳素钢的基础上。
加入了少量的合金元素，不仅具有耐腐蚀性、耐磨损等优良性能，还具有更高的强度和良好的力学性能。
第一章工程材料的力学性能本章要点：力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。
力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。
生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
熟悉和掌握工程材料力学性能的重要性：在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。
一、载荷的概念：材料在加工及使用过程中所受的外力。
载荷分类：1.根据作用性质不同分静载荷：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷：冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷：疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷也称循环载荷。
2.根据载荷作用方式不同分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。
二、变形的概念：材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。
变形的分类：弹性变形塑性变形内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。
应力为单位截面积上的内力。
材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力（按下式计算：F 式中SF——外力N；S——横截面积m2；σ——应力Pa，应力单位是Pa，1Pa＝1N／m2。
当面积用mm2时，则应力可用MPa为单位。
1MPa1N／mm2＝106Pa §1.1 静载荷条件下材料的力学性能一、强度材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。
根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度σb、抗压强度σbc、抗弯强度σbb、抗剪强度τb和抗扭强度τt等五种。
一般情况下多以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。
根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。
下面把试验作一简单介绍：1拉伸试样拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。
第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。
2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。
3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。
5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。
6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。
7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。
8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。
9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。
10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。
11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。
用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。
12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。
13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。
14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。
15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。
16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。
17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。
第1章工程材料的基本知识第1章工程材料的基本知识主要内容：1.1 金属材料1.2 非金属材料的力学性能一、工程材料的种类：工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料；1、金属材料：黑色金属、有色金属2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能；2、工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；二、工程材料的主要性能：1.1 金属材料金属材料的力学性能也称机械性能，指金属材料在外载荷1.1.1 金属材料的力学性能作用下，其抵抗变形和破坏的能力；注意：材料在不同的外部条件和载荷作用下，会呈现出不同的特性；如：常温状态下和高、低温状态下金属材料的力学性能就不一样；静载荷和动载荷作用下金属材料的力学性能也不一样；常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；1、强度和塑性(1)强度强度是指金属材料在外(静)载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
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屈服强度和抗拉强度。
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(如压力容器),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(如螺栓),而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
(2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
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。
