§1-1 钢 铁 材 料
钢铁材料是钢和铸铁的统称。
钢是以铁为主要元素，含碳量般在2% 以下，并含有其他元素的材料。
铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2%通常是钢和铸铁的分界线。
根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。
一、非合金钢（碳素钢）
非合金钢也称碳素钢或碳钢，是碳含量C小于2% 的铁碳合金。它还含有少量的硫、磷、锰、硅等杂质，其中硫、磷是炼钢时由原料进入钢中，炼钢时难于除尽的有害杂质。硫有热脆性，磷有冷脆性。锰、硅是在炼钢加入脱氧剂时带入钢中的，是有益元素。
1. 碳素钢的分类
碳素钢有多种分类方法，常用的分类方法有三种：
(1) 按钢的含碳量分类
低碳钢：含碳量C≤0.25%。
中碳钢：含碳量C> 0.25%～0.6%。
高碳钢：含碳量C≥0.6%。
(2) 按钢的质量分类
碳钢质最的高低，主要根据钢中杂质硫的质量分数和磷的质量分数来划分。可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。
普通钢：S≤0.035%，P≤0.035%。
优质制：S≤0.030%，P≤0.030%。
高级优质钢：S≤0.020%，P≤0.025%。
(3) 按用途分类
碳素结构钢：用于制造金属结构、零件。
碳素工具钢：，用于制造刃具、量具和模具。
钢还可以从其他角度来分类，如按脱氧方法不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。
2．碳素结构钢
凡用于制造机械零件和各种工程结构件的钢都称为结构钢。根据质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
(1) 普通碳素结构钢
普通碳素结构钢冶炼容易，不消耗贵重的合金元素，价格低廉，性能能满足一般工程结构、日常生活用品和普通机械零件的要求，所以是各类钢中用量最大的一类。
这类钢的牌号是由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分顺序组成。例如Q235—A·F，其中“Q”代表屈服点，数值235表示在一定拉伸试验条件下的屈服点值小于235MP，“A”表示质量等级为A级，“F”表示脱氧方法即为沸腾钢。表1-1列出了这类钢的等级、化学成分和脱氧方法。表中F、b、Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号予以省略。表1-2列出常用普通碳素结构钢在拉伸和冲击试验条件下的力学性能。
第 1 页 第一章 机械零件的失效分析
一、基本要求
本章主要介绍了机械零件在常温静载下的过量变形、在静载和冲击载荷下的断裂、在交变载荷下的疲劳断裂、零件的磨损失效和腐蚀失效以及在高温下的蠕变变形和断裂失效。要求学生掌握全部内容。
二、重点内容
1 零件的过量变形以及性能指标,如屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度等。
2 零件在静载和冲击载荷下的断裂及性能指标，如冲击韧性、断裂韧性等。
3 零件在交变载荷下的疲劳断裂、疲劳抗力指标及影响因素。
4 零件的磨损和腐蚀失效以及防止措施。
5 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。
三、难点
断裂韧性及衡量指标，影响断裂的因素。
四、基本知识点
第一节 零件在常温静载下的过量变形
1、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为
变形: 材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。
弹性变形: 外力去除后可恢复变形。
塑性变形: 外力去除后不可恢复。
低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有图1-1所示的应力-应变行为。即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。
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图1-1 低碳钢拉伸时的应力-应变曲线示意图
图1-2 三种类型材料的应力-应变曲线示意图1-纯金属 2-脆性材料 3-高弹性材料
2 、静载试验材料性能指标
刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。
强度：材料抵抗变形或者断裂的能力，屈服强度、抗拉强度、断裂强度。
弹性指标：弹性比功。
塑性指标：伸长率、断面收缩率。
硬度: 布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)
3 过量变形失效
过量弹性变形抗力指标：弹性模量E或者切变模量G。
过量塑性变形抗力指标：比列极限、弹性极限或者屈服强度。
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
1、基本概念
1 思考题参考答案
第一章 金属的晶体结构与结晶
1．解释下列名词
点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，
过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、
Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？
答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； 2 α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；
第一章 材料的性能
一、是非题
(1) 一切材料的硬度越高，其强度也越高。 ( )
(2) 静载荷是指大小不可变的载荷，反之则一定不是静载荷。 ( )
(3) 所有的金属材料均有明显的屈服现象。 ( )
(4)HRC 测量方便，能直接从刻度盘上读数。 ( )
(5) 生产中常用于测量退火钢、铸铁及有色金属的硬度方法为布氏硬度法。 ( )
(6) 材料的强度高，其塑性不一定差。( )
(7) 材料抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。 ( )
(8) 只要零件的工作应力低于材料的屈服强度，材料不会发生塑性变形，更不会断
裂。( )
(9) 蠕变强度是材料的高温性能指标。 ( )
(10)断裂韧性是反应材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标。 ( )
二、选择题
(1) 机械零件在正常工作情况下多数处于 ( )。
A ．弹性变形状态 B ．塑性变形状态
C．刚性状态 D．弹塑性状态
(2) 下列四种硬度的表示方法中，最恰当的是 ( )。
A ． 600~650 HBS B ． 12~15 HRC
C．：170~230 HBS D ． 80~90 HRC
(3) 工程上希望材料的屈服比高些，目的在于 ( )。
A ．方便设计 B．便于施工
C．提高使用中的安全系数 D ．提高材料的有效利用率
(4)ak 值小的金属材料表现为 ( )。
A ．塑性差 B ．强度差 C．疲劳强度差 D．韧性差
(5) 下面 ( )不是洛氏硬度法的优点。
A ．测量迅速简便 B ．压痕小
c．适应于成品零件的检测 D．硬度范围的上限比布氏、维氏硬度高
(6) 国家标准规定，对于钢铁材料进行疲劳强度试验时，取应力循环次数为 ()
所对应的应力作为疲劳强度。
A． 106 B．10 7 C．108 D．109
