第1章機(jī)械工程材料

1、第1章機(jī)械工程材料學(xué)習(xí)目標(biāo)了解金屬材料常用的力學(xué)性能指標(biāo) 了解常用機(jī)械工程材料的分類(lèi)和應(yīng)用 掌握常用鋼鐵材料的分類(lèi)、特性和應(yīng)用 了解生產(chǎn)中常用的鋼材鑒別方法內(nèi)容提要本章介紹了金屬材料力學(xué)性能的及其對(duì)材料使用過(guò)程的影響，簡(jiǎn)要介紹了常用機(jī)械工程 材料的基本知識(shí)、常用鋼鐵材料的特性和應(yīng)用，以及生產(chǎn)中鋼材的鑒別方法。1.1機(jī)械工程材料的分類(lèi)及應(yīng)用1.1.1機(jī)械工程材料的分類(lèi)常用機(jī)械工程材料可以分為以k類(lèi)型：1. 金屬材料：包括黑色金屬（鋼、鑄鐵）及有色金屬（銅、鋁等）；2. 非金屬材料：包括高分子材料（槊料、合成纖維、合成橡膠）、陶瓷材料（硅 酸鹽材料、工程陶瓷）；3. 復(fù)合材料：似括纖維培強(qiáng)s合材料

2、、粒子增強(qiáng)s合材料、層疊復(fù)合材料。1.1.2機(jī)械工程材料的應(yīng)用金屬材料來(lái)源豐富，卯且?jiàn)^優(yōu)良的使川性能和加工性能，足機(jī)械工程屮應(yīng)川最普遍的材 料，常用以制造機(jī)械設(shè)備、工具、模其，并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，如船舶、橋梁、鍋爐等。工程非金屬材料具冇耐腐蝕性，絕緣性、絕熱性和優(yōu)異的成型能力，并且質(zhì)輕價(jià)廉，因 而發(fā)展迅速。如工程朔.料，全世界的年產(chǎn)景以300%的速度飛速增長(zhǎng)，已廣泛應(yīng)用于輕t產(chǎn)品、 機(jī)械制造產(chǎn)品、現(xiàn)代工程機(jī)械，如家用電器外殼、齒輪、軸承閥門(mén)、葉片、汽車(chē)零件等。而 陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、耐熱性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)；作 為耐磨損材料，則可用作新型的刀具材料，能極人地

3、提窈刀具的使用壽命。s合材料則是將兩種或兩種以上成分、性能不同的材料經(jīng)人工合成獲得的。它既保衍了 各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，又具有優(yōu)丁原材料的特性。其中碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料由于具有較高 的比強(qiáng)度、比模量，因此可應(yīng)用于航天工、ik中，如火箭噴嘴、密封墊圈等。1.2常用鋼鐵材料簡(jiǎn)介 1.2.1 鋼工、ik上將含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱(chēng)為鋼。鋼具有良好的使川性能和工藝性能，因 此獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2. 1.1鋼的分類(lèi)鋼的分類(lèi)方法很多，常川的分類(lèi)方法有以卜j l種：（1）按化學(xué)成分分：碳素鋼:低碳鋼（wc<0.25%）、中碳鋼（a） e=0.25% 0.60%）、高碳鋼（oc>0. 6

4、0%）;合金鋼：低合金鋼（wme5%）、中合金鋼（0=5%10%）、高合金鋼（omel0%）。（2）按用途分：結(jié)構(gòu)鋼：可分為工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)器零件用鋼；工具鋼：用于制作各類(lèi)工具，包拈刃具鋼、暈具鋼、模具鋼；特殊性能鋼：可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。（3）按質(zhì)fi分：普通鋼（os.p彡0.05%）、優(yōu)質(zhì)鋼（os.p彡0.04%）、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（os.p彡0;03%）。1.2. 1.2鋼的牌兮、性能及用途（1）碳鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用w服點(diǎn)“w”字漢語(yǔ)拼音笫一個(gè)字母（q）、屈服點(diǎn) 數(shù)值、質(zhì)fi等級(jí)符號(hào)（a、b、c、d）及脫氧方法符號(hào)（f、b、z、tz）等四部分組成，如q235 -a-fo碳

5、素結(jié)構(gòu)鋼一般以熱乳空冷狀態(tài)供應(yīng)，主要用來(lái)制造各種型鋼，薄板、沖壓件或焊 接結(jié)構(gòu)件及一些力學(xué)性能要求不高的機(jī)器零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)碳素鋼的牌號(hào)川兩位數(shù)字表示。兩位數(shù)字表示鋼屮碳的平均 質(zhì)鬚:分?jǐn)?shù)（含碳m）的萬(wàn)倍。如45鋼，表示平均45%的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)碳素鋼。常用的優(yōu) 質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有：15、20鋼，其強(qiáng)度、硬度較低，塑性好，常川作沖壓件或形狀簡(jiǎn)單，受力 較小的滲碳件；40、45鋼經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ㄈ缯{(diào)質(zhì)）后，m有較好的力學(xué)性能，主耍用于制 造機(jī)床中形狀簡(jiǎn)單，要求中等強(qiáng)度、韌性的零件，如軸、齒輪、曲軸、螺栓、螺母；60、65 鋼經(jīng)淬火加屮溫回火后，具有較高的彈性極限和屈強(qiáng)比%# ,常川以制造直徑

6、小于120mm 的小型機(jī)械彈簧。碳素工具鋼：碳素丁具鋼可分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素丁.具鋼兩類(lèi)。它的牌 號(hào)用“t”表示，后面的數(shù)字表示碳均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含碳量）的千倍。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則 需在數(shù)字后加“a ”。例如t10a鋼表示ot=1.0%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼常川的牌號(hào)為t7, t8t13,各牌號(hào)淬火后硬度相近，但隨含碳景的增加，鋼的耐磨性增加， 韌性降低。因此，t7, t8適用于制作承受一定沖擊的工具,如鉗工鑿子等；t9、t10、t11 適于制作沖擊較小而硬度、耐磨性要求較高的小絲錐、鉆失等；t12、t13則適于制作耐磨 似不受沖擊的銼力、刮刀等。（2）合金鋼為了提高鋼的力學(xué)

7、性能、工藝性能或某些特殊性能，在冶煉中冇ri的地加入一些合金元 素，這種鋼稱(chēng)為合金鋼。生產(chǎn)中常用的合金元素有錳、硅、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦等。通 過(guò)合金化，大大提高了材料的性能，因此，合金鋼在制造機(jī)器零件、工具、模具及特殊性能 工件方面，得到了廣泛的應(yīng)川。常川合金鋼的名稱(chēng)、牌號(hào)、川途見(jiàn)表1一 1。表i-i常川合金鋼的名稱(chēng)、牌號(hào)、川途名稱(chēng)常用牌號(hào)用途低合金萵強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼q345船舶、橋梁、車(chē)輛、大型鋼結(jié)構(gòu)、起重機(jī)械合金結(jié)構(gòu)鋼20crmnti汽車(chē)拖、拉機(jī)齒輪、ini輪40crw輪軸、連桿螺檢、曲軸合金彈贊鋼60si2mn汽車(chē)、拖拉機(jī)25-30mm減振板簧、螺旋板簧滾動(dòng)軸承鋼gcrl5中、小型軸承內(nèi)外

8、套圈及滾動(dòng)體量具刃具鋼9sicr絲錐、板牙、冷沖校、鉸刀高速工具鋼w18cr4v齒輪銑力插齒刀冷作模具鋼crl2冷作模及沖尖、拉絲模、灰印校、搓絲板熱作模具鋼5crmnmo屮小型熱鍛模1.2.2鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2. 11%，主要組成元素是鐵、碳、硅并含有較多的硫、磷、錳等雜 質(zhì)元素的鐵合金。生產(chǎn)中常用的鑄鐵含碳量通常在2. 54.0%。與鋼相比，鑄鐵組織中含有 商碳相，如滲碳體或石墨，這對(duì)鑄鐵的性能具柯重要的影響。由于鑄鐵具有良好鑄造性能、 切削加工性、減震性、低的缺u敏感性，且成本較底，因此，在機(jī)械工業(yè)屮得到了廣泛的 應(yīng)用。1.2.2. 1鑄鐵的分類(lèi)根據(jù)鑄鐵屮石墨形態(tài)的不同，鑄鐵常分為：

9、灰鑄鐵（片狀石墨）、球墨鑄鐵（球狀石墨）、 蠕墨鑄鐵（蠕蟲(chóng)狀石墨）、可鍛鑄鐵絮狀石墨）。不同鑄鐵在顯微鏡卜的組織如閣1.1。圖1.1鑄鐵的顯微飢織1灰鑄鐵；2球堪鑄鐵;3-可鍛鑄鐵1.2. 2. 2鑄鐵的牌號(hào)，性能及用途（1）灰鑄鐵灰鑄鐵的牌號(hào)表示方法為“ht十位數(shù)字”，其中“ht”是"灰鐵"兩字漢 字拼音的笫一個(gè)字付，其后三位數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。常用的牌號(hào)為ht100、ht150-ht350。 灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、槊性，韌性較低，但抗灰強(qiáng)度、硬度、耐磨性較好，并具有鑄鐵k它良 好的使川性能，因此，廣泛應(yīng)川于機(jī)床床身，手輪、箱體、底座等。（2）球墨鑄鐵球墨鑄鐵牌號(hào)的表示方法

10、為“qt+數(shù)字一數(shù)字”，其中“qt”是球鐵 兩字漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最小伸長(zhǎng)率，如qt600-3。 球墨鑄鐵通過(guò)熱處理強(qiáng)化后力學(xué)性能奮較人提尚，應(yīng)川范圍較廣，可代替屮碳鋼制造汽車(chē)， 拖拉機(jī)屮的曲軸，連桿，齒輪等。（3）蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵牌號(hào)的表示方法為“rtit+數(shù)字”，艽中“kut”是蠕鐵兩字 漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母，三位數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。蠕墨鑄鐵的強(qiáng)大、韌性、疲勞強(qiáng)度等 均比灰鑄鐵高，但比球墨鑄鐵低，主耍用以制造柴油機(jī)汽缸套、汽缸蓋、閥體等。（4）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵牌號(hào)表示方法為“kt+h （或b，或z）+數(shù)字一數(shù)字”，其屮“町” 是“可鐵”兩字漢語(yǔ)拼音的第一

11、個(gè)字母，后而的“h”表示黑心可鍛鑄鐵，“b”表示白心可 鍛鑄鐵，“z”表示誅光體可鍛鑄鐵，其盾兩組數(shù)字分別表示鉍低抗拉強(qiáng)度和敁小仲長(zhǎng)率， 如kth300-06等?？慑戣T鐵力學(xué)性能優(yōu)于灰鑄鐵，因此，常用以制造管接頭、農(nóng)具及迕桿類(lèi)零件等。1.3鋼鐵材料現(xiàn)場(chǎng)鑒別方法1.3.1火花鑒別火花鑒別是將鋼鐵材料輕輕灰在旋轉(zhuǎn)的砂輪上打磨，觀察迸射出的火花形狀和顏色，以 判斷鋼鐵成分范圍的方法。1.3. 1. 1火花組成(1)火花束?；鸹ㄊ侵副粶y(cè)材料在砂輪上磨削時(shí)產(chǎn)生的全部火花，常由根部、中部、 尾部三部分組成，如圖1.2。圖1.2 火花束圖1.3流線、節(jié)點(diǎn)、爆花、尾花 1-流線；2-節(jié)點(diǎn):3-爆花：4-兒花

12、(2) 流線(3) 節(jié)點(diǎn)(4) 爆花 組成，如圖1.3。線條狀火花稱(chēng)為流線，每條流線都奮節(jié)點(diǎn)、爆花和尾花組成，見(jiàn)圖1.3 節(jié)點(diǎn)就是流線上火花爆裂的原點(diǎn)，呈明亮點(diǎn)，如閣1.3。一次花爆花就是節(jié)點(diǎn)處爆裂的火花，由許多小流線(芒線)及點(diǎn)狀火花(花粉) 通常，爆花可分為一次、二次、三次等，如圖1.4。二次花 三次花 閣1.4爆花的形式(5)尾花尾花就是流線尾部的火花。鋼的化學(xué)成分不同，尾花的形狀也不同。通常, 尾花可分為狐尾花和槍尖越花等，常見(jiàn)于合金鋼。1.3. 1. 2常用鋼鐵材料的火花特征。(1)碳素鋼的火花特征碳素鋼的含碳景越高，則流線越多，火花束變短，爆花增加，花粉也增多，火花亮度增 加，硬度

13、越高。圖1.5 20鋼的火花特征圖1.6 45鋼的火花特征閣1. 7 t12鋼的火花特征閣1. 8 ht200的火花特征20鋼：火花束lc顏色橙黃帶紅，流線成弧形，芒線多義，為一次爆花，見(jiàn)圖1.5。45鋼：火花朿稍短，顏色澄黃，流線較細(xì)長(zhǎng)而多，芒線多叉，花粉較多，為二次爆花, 見(jiàn)圖1.6。t12鋼：火花澩短飢，顏色陪紅，流線細(xì)密，碎花，花粉多，為多次爆花，見(jiàn)i冬ii. 7。鑄鐵的火花特征。鑄鐵的火花束較秈，顏色多為橙紅帶桔紅，流線較多，尾部較秈，下 垂成弧形，一般為二次爆花，花粉較多，火花試驗(yàn)吋手感較軟，圖1.8為ht200的火花圖。1.3.2色標(biāo)鑒別生產(chǎn)中為了表明金屬材料的牌號(hào)、規(guī)格等，在材

14、料上需做一定的標(biāo)記，常川的標(biāo)記方法 有涂色、打印、掛牌等。金屬材料的涂色標(biāo)志是以表示鋼種、鋼號(hào)的顏色，涂在材料一端的 端而或端部，成捆交貨的鋼;、v:涂在同一端的端而上，盤(pán)條則涂在卷的外側(cè)。具體的涂色方法 在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)屮做了詳細(xì)的規(guī)定，生產(chǎn)中可以根裾材料的色標(biāo)對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行鑒別。1.3.3斷口鑒別材料或；部件因受某些物理、化學(xué)或機(jī)械因素的影響而導(dǎo)致破斷所形成的自然表面稱(chēng)為 斷口。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常根據(jù)斷口的白然形態(tài)來(lái)斷定材料的韌脆性，亦可根據(jù)此判定相m熱處理狀 態(tài)的材料含碳餅的商低。若斷u呈纖維狀，無(wú)金屬光澤，顏色發(fā)暗，無(wú)結(jié)晶顆粒，且斷u邊 緣有明顯的塑性變形特征，則表明鋼材具有良好的觀性和韌性，含碳景

15、較低；若材料斷u齊 平，呈銀灰色，具有明敁的金屈光澤和結(jié)晶顆粒，則表明材料金屈脆性斷裂；而過(guò)丼析鋼成 合金鋼經(jīng)淬火及低溫回火p，斷口常呈亮灰色，具冇綢緞光澤，類(lèi)似于細(xì)瓷器斷u特征。1.3.4音響鑒別生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)柯時(shí)也采用敲擊辨音來(lái)區(qū)分材料。例如，當(dāng)原材料鋼屮浞入鑄鐵材料時(shí)，由于 鑄鐵的減振性較好，敲擊吋聲音較低沉，而鋼材敲a吋則可發(fā)出較淸脆的聲音。我們可根據(jù) 鋼鐵敲擊吋聲音的不m，對(duì)其進(jìn)行初步鑒別，但有時(shí)準(zhǔn)確性不高。而當(dāng)鋼鐵之間發(fā)生混淆時(shí)， 因艽聲音比較接近，常采用艽他鑒別方法進(jìn)行判別。若要準(zhǔn)確地鑒別材料，在以上兒種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)鑒別的基礎(chǔ)上，一般還可采川化學(xué)分析、金 相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)室分析手段對(duì)

16、材料進(jìn)行進(jìn)一步的鑒別。示范內(nèi)容：俐鐵材料的火花鑒別在介紹了火花鑒別的®木知識(shí)p，取苦干典型試樣，結(jié)合講課內(nèi)容邊講解邊示范。1.4金屬材料的力學(xué)性能金屬材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力稱(chēng)為金屬材料的力學(xué)性能=材料的力學(xué) 性能是設(shè)計(jì)零件及選擇材料的重要依據(jù)。常用的力學(xué)性能指標(biāo)杏：強(qiáng)度、朔性、硬度、沖士 韌度等。1.4.1強(qiáng)度強(qiáng)度足指金屬材料在靜載荷的作用下抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般用單位曲積 所承受的載荷（;、v:力）表示，符號(hào)為o，單位為mpa。丁.程屮常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和 抗拉強(qiáng)度。w服強(qiáng)度足指材料剛開(kāi)始產(chǎn)牛塑性變形吋的最低應(yīng)力值，用os表示；抗拉強(qiáng)度 是指材料在

17、拉斷前所能承受的最大應(yīng)力位，用表示。它們足零件沒(méi)計(jì)吋的主要依據(jù)，也 是評(píng)定金屬材料強(qiáng)度的秉要指標(biāo)。1.4.2塑性塑性是指金誠(chéng)材料仵靜載荷的作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。工程屮常用的塑 性指標(biāo)冇仲長(zhǎng)率5和斷刖收縮率h/。仲長(zhǎng)率和斷衙收縮率越大，材料的幫性越好。良好的 槊性足材料進(jìn)行成形加工的必要條件，也足保證零件工作安全，不發(fā)生突然脆斷的必要條件。強(qiáng)度和塑性可以按閑家標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定。閣1. 9為標(biāo)準(zhǔn)試樣及拉伸實(shí)驗(yàn)。4圖1.9拉仲試樣及拉仲曲線伸長(zhǎng)暈1.4.3硬度硬度是指金屈材料表面抵抗更硬物體壓入的能力。硬度的測(cè)試方法很多，生產(chǎn)中常用的 有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法兩種。圖1.

18、10洛氏硬度的測(cè)定洛氏硬度試驗(yàn)法是用一錐角為120°的金剛石岡錐體或直徑為1. 588mm（1/16英、i）的淬 火鋼球?yàn)榛伊x，在規(guī)定載荷作用下樂(lè)入被測(cè)試金誠(chéng)表而（如閣1.10），根裾樂(lè)痕的深度直接 在硬度指示盤(pán)上讀山硬度值。常川的洛氏硬度指標(biāo)侖hka、hrb、hrc、三種，見(jiàn)表1_2表1-2洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范符號(hào)壓頭載荷/n測(cè)雖范圍應(yīng)用范圍120°金剛石錐體60060'85硬質(zhì)合金、表血硬化鋼、淬火工具鋼iira1/16英寸鋼球100025'100打色金屬、可段鑄鐵、退火或正火鋼hrbhrc120u金剛石錐體150020'67淬火鋼、調(diào)制鋼洛氏硬度試驗(yàn)法操作方便，壓痕小，nf直接在零件或丄具上測(cè)試而不破壞丄件，特別適用于較薄件和成品硬度值的測(cè)定，并可根據(jù)測(cè)得的硬度值估算出近似的強(qiáng)度值，從而了解 材料的力學(xué)性能及工藝性能。因此，洛氏硬度試驗(yàn)法在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)川。但因壓痕 較小，準(zhǔn)確度較差，故須在零件的不同部位測(cè)量數(shù)點(diǎn)取其平均值。1.4.4沖擊韌度金屬材料在沖擊載荷的作用k抵抗斷裂破壞的能力稱(chēng)為沖缶韌度。我們通常采用一次沖 擊彎llll試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料在沖擊斷