机械设计基础(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：林伟 向晓汉

出版社：电子工业出版社

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机械设计基础试读：

前言

本课程为综合课程，遵照上述原则，本课程确立以“常用机构的正确分析和通用零件的正确选择”为课程主线，有机融合《工程材料及钢的热处理》、《极限配合和技术测量》、《工程力学》、《机械设计基础》等传统课程内容。在重组课程内容和编写本教材时，摒弃了原各门课程各为体系，分门别类地加以叙述的方法，而以课程主线为纲，从“常用机构的正确分析应用和通用零件的正确选择”的需要出发，引出“必需、够用”的基础理论知识。如从机构的运动副中引出约束力、从机构的分析应用中引出力系平衡、从正确选择通用零件中引出构件拉（压）、剪切、扭、弯等变形概念及强度计算方法等。避免以往为力学而学力学的倾向，使学生在学习力学的基础理论知识时有一个明确的“应用”方向，有一个实在的“应用”载体。

为使本课程更趋系统化和科学化，同时也为使学生对最基本的理论知识有一个全面正确的理解，便于今后的进一步学习，本教材在组合课程内容时，分为基础篇和应用篇。最基本的理论知识，作为基础篇内容。由于确定了课程主线，因此在选用这些最基本的理论知识时，不再受原课程体系所束缚，而以课程主线为依据，使所选内容为新课程体系所选、为新课程体系所用，成为新课程体系的有机组成部分。

创新教育是教育界永恒的主题，在高职教育界更具现实意义。因此在本课程建设中，始终重视对学生进行创新意识的培养。除了本教材内容的重组和编写是一个创新外，在教材中还添加了机构创新的内容，在某一特定层面上培养学生的创新意识。

教材的每一章，均附有一定数量的习题，以便学生学完该章后对所学内容的复习和巩固。

本教材可作为机电类各专业、机械类各专业的选用教材，也可供工程技术人员参考。

本教材第一章、第四章、第五章、第九章、第十二章由无锡职业技术学院林伟编写；第二章由无锡职业技术学院向晓汉编写；第三章由无锡职业技术学院郑贞平编写；第六章、第十一章由无锡职业技术学院吕伟文编写；第七章、第十章由青岛职业技术学院李颖、王海琴编写；第八章由无锡职业技术学院朱耀武编写。全书由林伟、向晓汉任主编，吕伟文、李颖、郑贞平任副主编。全书由无锡职业技术学院倪森寿主审。

在课程建设和教材编写中，得到了各级领导和广大教师的帮助和支持，在此谨表衷心感谢。

本综合课程建设是高职教学改革中的一次探索和尝试，更限于编者的水平，书中缺点和错误在所难免，恳请读者批评指正。编者2014年2月基础篇第一章 机械设计概论

了解机器设计的一般程序、基本要求和基本方法。

一、机器的基本组成要素

在一部现代化的机器中，常会包含着机械、电气、液压、气动、润滑、冷却、控制、监测等系统的部分或全部，但是机器的主体，仍然是它的机械系统。机械系统总是由一些机构组成，每个机构又是由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素就是机械零件。

机械零件可分为两大类：一类是在各种机器中经常都能用到的零件，叫作通用零件，如螺钉、齿轮、链轮等；另一类是在特定类型的机器中才能用到的零件，叫作专用零件，如叶片、螺旋桨、曲轴等。

二、设计机器的一般程序

一部新机器的设计过程大致有以下几个阶段。（1）计划阶段

计划阶段是设计机器的预备阶段，其目标是拟定出设计任务书。在此阶段，要根据社会和市场的需求，明确所设计机器的功能范围和性能指标；根据现有的技术资料进行可行性研究，明确设计中要解决的关键问题，最后形成设计任务书。设计任务书应包括机器的功能、经济性估计、制造要求、基本使用要求、预计设计期限等。（2）方案设计阶段

本阶段对设计机器的成败起关键的作用，其目标是确定一个原理性的设计方案。在此阶段，要按设计任务书的要求，提出可能采用的多种方案，并对这些方案在技术、经济、可靠性等方面进行综合评价，最后进行决策，确定一个可进行技术设计的原理图或机构运动简图。（3）技术设计阶段

技术设计阶段是产生总装配草图及部件装配草图。在此阶段，要按已确定的设计方案，进行运动学、动力学计算，零件的工作能力计算和结构设计，最后绘制出总装配图、部件装配图和零件图。在这一过程中，计算、绘图、修改常常是反复交叉进行的。本阶段所涉及的问题是机械设计课程最主要的研究任务。（4）技术文件编制阶段

技术文件编制阶段是设计机器的最后一个阶段，其目标是编写出机器的设计计算说明书、使用说明书等文件。设计计算说明书中应包括方案选择和技术设计的全部结论性内容；使用说明书应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件目录等。

三、设计机器应满足的基本要求

设计机器应满足的基本要求如下：

① 使用功能要求。所设计的机器必须实现预定的使用功能。为此，正确地选择机器的工作原理是最重要的。此外，还应正确地选择执行机构和机械传动方案等。

② 经济性要求。机器的经济性是一个综合性指标，它要求设计和制造的成本低，生产周期短，使用机器的生产率高、效率高，能源和原材料消耗少，维护和管理费用低等。

③ 劳动保护要求。对所设计的机器，要求操作方便、安全，并对周围环境影响小。设计机器时，操作机构要适应人的生理条件，使操作轻便省力；要保证机器使用人员的人身安全，应设有安全防护装置。同时，应降低机器噪声，防止有害介质的渗漏，减轻对环境的污染。机器的外形和色彩应协调，符合工程美学的要求以美化工作环境。

④ 可靠性要求。机器的可靠性是指机器在使用中性能的稳定性，是机器的一个重要质量指标。可靠性高，说明机器使用过程中发生故障的概率小，能正常工作的时间长。机器的可靠性高低是用可靠度来衡量的。机器的可靠度是指在规定的工作条件下和预定的使用期内机器能够正常工作的概率。

⑤ 其他专用要求。这是对某种类型机器提出的一些特有的要求。例如，食品机器应能保持产品清洁，建筑机器要便于拆装和搬运，飞机应具有质量小、飞行阻力小而运载能力大的性能等。

四、设计机械零件应满足的基本要求

设计机械零件应满足的基本要求如下：

① 工作能力要求。组成机器的所有零件必须具有相应的工作能力，否则就会失效。为避免在预定寿命期内失效，机械零件应具有强度大、刚度足、抗疲劳、耐磨损和防腐蚀等性能。

② 结构工艺性要求。机械零件具有良好的结构工艺性，就是要求零件结构合理，外形简单，在既定生产条件下易于加工和装配。零件的结构工艺性不仅与毛坯制造、机械加工、装配要求有关，而且还与零件的材料、生产批量、生产设备条件等有关。零件的结构设计对零件的结构工艺性具有决定性的影响，是学习机械设计时应掌握的一个重点内容，要予以足够的重视。

③ 经济性要求。经济性要求就是要降低零件的生产成本。从经济性考虑，可以采取以下一些措施：尽量采用标准化的零部件以取代需要加工的零部件；采用廉价材料代替贵重材料；采用轻型结构以减少零件的用料；采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构，以减少加工工时；采用装配工艺性良好的结构以减少装配工序和工时等。

④ 质量小的要求。要尽量减少机械零件的质量，因为这样可减少材料的消耗，降低成本，还可以减小运动零件的惯性以改善机器的动力性能。

⑤ 可靠性要求。机器是由许多零件组成的，因而机器的可靠性取决于机械零件的可靠性。为了提高零件的可靠性，应当使工作条件和零件性能的随机变化尽可能小，并在使用中加强维护和对工作条件进行监测。

五、机械零件的主要失效形式

机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。机械零件的失效形式主要有以下几种：

① 整体断裂。整体断裂分为一次断裂和疲劳断裂两类。当零件受外载荷作用下，由于危险截面上应力超过零件的强度极限时而发生的断裂称为一次断裂。当零件在循环变应力作用下工作较长时间以后，危险截面上的应力超过零件的疲劳极限时所发生的断裂称为疲劳断裂。在机械零件的整体断裂失效中多数属于疲劳断裂。

② 过大的残余变形。如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。如机床上夹持定位零件的过大的残余变形，会降低加工精度。

③ 表面破坏。机器中的零件都要与别的零件发生静接触或动接触，或形成配合关系，因此表面破坏是机械零件经常发生的一种失效形式。机械零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀是金属表面与周围介质发生的一种电化学或化学侵蚀现象，使零件表面产生锈蚀而破坏。磨损是两个接触表面在作相对运动过程中表面材料的脱落或转移的现象。接触疲劳是零件表面长期受到接触变应力的作用而产生裂纹或微粒剥落的现象。这些破坏形式都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。

④ 破坏正常工作条件引起的失效。有些机械零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。如果这些工作条件被破坏，就将导致零件的失效。例如，对于带传动，当其所传递的有效圆周力超过临界摩擦力时，将发生打滑失效；对于高速转动的零件，当其转速与转动件系统的固有频率接近时，就要发生共振使振幅增大而不能工作。

六、机械零件的计算准则

为了避免机械零件失效，在设计零件时进行计算所依据的准则是与零件的失效形式密切相关的。一个机械零件可能有多种失效形式，但在设计时，应根据其主要的失效形式而采用相应的计算准则。主要的计算准则如下：

① 强度准则。强度是机械零件抵抗整体断裂、塑性变形和表面接触疲劳的能力。例如：对一次断裂来讲，应力不超过材料的强度极限；对疲劳破坏来讲，应力不超过零件的疲劳极限；对残余变形来讲，应力不超过材料的屈服极限。其一般的表达式为

考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，式（1-1）右边要除以设计安全系数S，即

式中，σ——极限应力。对应于一次断裂、疲劳断裂、塑性变lim形和表面接触疲劳，分别为材料的强度极限、零件的疲劳极限、材料的屈服极限和零件的接触疲劳极限。

② 刚度准则。刚度是机械零件抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不够，就会因过大的弹性变形而引起失效。刚度准则是指零件在载荷作用下产生的弹性变形量不超过许用变形量。其表达式为

式中，y——弹性变形量，可由各种求变形量的理论或实验方法确定；

［y］——许用变形量，即机器工作性能所允许的极限值，应随不同的工作情况，由理论值或经验值来确定其合理的数值。

③ 寿命准则。寿命是机械零件能正常工作延续的时间。影响零件寿命的主要失效形式为腐蚀、磨损和疲劳。由于它们各自的产生机理和发展规律不同，应有相应的寿命计算方法。但对于腐蚀和磨损，目前尚无法列出相应的寿命准则。对于疲劳寿命，通常是用求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。

④ 振动稳定性准则。振动是指机械零件发生周期性的弹性变形现象。一般情况下，零件的振幅较小。但当零件的固有频率f与激振源（如作往复运动的零件，轴的偏心转动，齿轮的啮合等）的频率接近或成整倍数关系时，零件就要发生共振，振幅急剧增大，致使零件破坏或机器工作失常。这种现象就称为失去振动稳定性。振动稳定性准则是指设计时使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率f错开。其条件式通常为p

由于激振源的频率取决于往复行程数或工作转速，通常为确定值，故当不能满足上述条件时，可用改变零件和系统的刚性、改变支撑位置、增加或减少辅助支撑等办法来改变零件的固有频率f，以避免发生共振。

此外，提高回转件的动平衡精度，采用隔振元件把激振源与零件隔开以防止振动传播；采用阻尼以消耗引起振动的能量等措施，都可改善零件的振动稳定性。

七、机械零件的设计方法

机械零件的常规设计方法有以下几种：

① 理论设计。理论设计是根据设计理论和实验数据所进行的设计。它又可分为设计计算和校核计算两类。设计计算是根据零件的工作情况，选定计算准则，按其所规定的要求计算出零件的主要几何尺寸和参数。校核计算是先按其他办法初步拟定出零件的主要尺寸和参数，然后根据计算准则所规定的要求校核零件是否安全。由于校核计算时，已知零件的有关尺寸，因此能计入影响强度的结构因素和尺寸因素，计算结果比较精确。

② 经验设计。经验设计是根据已有的经验公式或设计者本人的工作经验，或借助类比方法所进行的设计。这主要适用于使用要求变动相对固定而结构形状已典型化的零件，如箱体、机架、传动零件的结构要素等。

③ 模型实验设计。这种设计是对一些尺寸巨大、结构复杂的重要零件，根据初步设计的结果，按比例制成小尺寸的模型，经过实验手段对其各方面的特性进行检验，再根据实验结果对原设计进行逐步修改，从而达到完善的设计。模型实验设计是在设计理论还不成熟，已有的经验又不足以解决设计问题时，为积累新经验、发展新理论和获得好结果而采用的一种设计方法。但这种设计方法费时、耗资，一般只用于特别重要的设计中。

八、机械零件设计的一般步骤

机械零件设计的一般步骤如下：

① 选择零件的类型和结构。这要根据零件的使用要求，在熟悉各种零件的类型、特点及应用范围的基础上进行。

② 分析和计算载荷。分析和计算载荷，是根据机器的工作情况，来确定作用在零件上的载荷。

③ 选择合适的材料。要根据零件的使用要求、工艺要求和经济性要求来选择合适的材料。

④ 确定零件的主要尺寸和参数。根据对零件的失效分析和所确定的计算准则进行计算，便可确定零件的主要尺寸和参数。

⑤ 零件的结构设计。应根据功能要求、工艺要求、标准化要求，确定零件合理的形状和结构尺寸。

⑥ 校核计算。只是对重要的零件且有必要时才进行这种校核计算，以确定零件工作时的安全程度。

⑦ 绘制零件的工作图。

⑧ 编写设计计算说明书。

九、机械零件材料的选用原则

机械零件材料选择的一般原则是应满足零件的使用性能、工艺性和经济性等三方面的要求。（1）使用性要求

使用性要求是指零件的受载情况、工作条件、零件的尺寸和质量的限制等。例如，对于承受变应力的零件，应选择疲劳强度极限高的材料；对于受冲击载荷的零件，应选用韧性较好的材料；对于受接触应力较大的零件，应选用经表面强化处理的材料。在湿热环境下工作的零件，应选择防锈和耐蚀材料；在高温下工作的零件，应选用耐热材料；在滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩、耐磨材料。对于要求强度高而质量小的零件，应选用强度极限与密度之比较高的材料；对于要求刚度大而质量小的零件，应选用弹性模量与密度之比较高的材料等。（2）工艺性要求

工艺性要求是指零件所用材料应使其在毛坯制造、热处理和冷加工时都易于进行。对于毛坯的制造，结构简单的可用锻造，结构复杂的宜采用铸造或焊接。锻造材料的工艺性是指材料的延展性、热脆性和塑性变形能力等。铸造材料的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度和产生缩孔的可能性等。焊接材料的工艺性是指材料的可焊性和焊缝产生裂纹的倾向性等。热处理工艺性是指材料的淬硬性、淬火变形倾向性和淬透性等。冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削后能达到的表面粗糙度等。（3）经济性要求

经济性要求是一个综合性的指标。在满足使用要求的基础上，尽可能选择价格低廉的材料，同时还应考虑到使材料的利用率高、加工费用低和供应状况好等因素。

十、机械设计中的标准化

在机械设计中，标准化的作用非常重要。

标准化包括三方面的内容，即零件标准化、产品系列化和部件通用化。零件的标准化是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法和制图要求等制订出各式各样的供设计者共同遵守的标准。产品系列化是产品在同一基本结构或基本尺寸的条件下，按一定的规律优化组合成若干个不同规格尺寸的产品。部件通用化是指在系列产品内部或跨系列产品之间采用同一结构和尺寸的零部件。

标准化在简化设计工作、缩短设计周期、提高设计质量、便于专业化生产、扩大互换性、便于维修、保证产品质量和降低成本等方面具有重要意义。

我国现行标准有国家标准（GB）、部标准、专业标准和企业标准等。出口产品一般应符合国际标准（ISO）。第二章 工程材料与钢的热处理

学习目标（1）了解材料的力学性能和工艺性能；（2）掌握常用金属材料的牌号及选用；（3）了解非金属材料的牌号及应用；（4）了解钢的常用热处理种类及作用；（5）掌握钢常用热处理种类的选用。

核心知识

金属材料的选用、热处理种类的选用。

应用案例

能识读材料的牌号以及标注热处理的含义。

拓展知识

钢的常用热处理及其作用。

能力训练

常见各种材料牌号的识读和热处理的合理选用。第一节 材料的力学性能和工艺性能

材料是人类社会发展的重要物质基础，它是现代科学技术和生产发展的重要支柱之一。工程材料之所以获得广泛的应用，是因为它们具备许多优异的性能。这些性能可分为两类：一类是使用性能，反映材料在使用过程中所表现出来的特性，如力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（导电性、导热性、热膨胀性和磁性等）和化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性）等；另一类是工艺性能，反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性，如铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性和热处理性等。

一、金属材料的力学性能

任何一台机器都是由零件、部件所组成的，而零件在使用时都承受外力的作用。材料在外力作用下所表现出来的特性是力学性能。它的主要指标是强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。上述指标既是选材的重要依据，又是控制、检验材料质量的重要参数。

材料受外力作用时，会引起尺寸与形状的改变，这种外力叫载荷（或称负荷），尺寸和形状的改变叫变形。载荷与变形的关系可用试验的方法测定。

拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法。通常将材料制成标准试样，装在拉伸试验机上，对试样缓慢施加拉力，使之不断地产生变形，直到拉断试样为止。根据拉伸试验过程中的载荷和对应的变形量关系，可画出材料的拉伸曲线。如图2-1所示为低碳钢的拉伸曲线。图中的纵坐标表示载荷F，横坐标表示变形量Δl。通过拉伸曲线可测定材料的强度与塑性。图2-1 低碳钢的拉伸曲线

1.强度

强度是材料在载荷（外力）作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。抵抗外力的能力越大，则强度越高。

材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力（又称内力），其大小和外力相等，方向相反。

在单位截面面积上产生的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/262m。工程上常用MPa（兆帕），1MPa=10Pa，或1MPa=1N/mm。（1）屈服点

由图2-1可知，当载荷增加到F时，在不再继续增加载荷的情况s下，试样仍能继续伸长，这种现象称屈服。将开始发生屈服现象时的应力，也即开始出现塑性变形时的应力，叫做屈服极限σ。s

式中，F——试样屈服时的载荷，N；s2

A——试样的原始截面积，mm。0

屈服强度是设计和选取材料的主要依据之一。（2）抗拉强度

当载荷超过F以后，试样将继续变形，载荷达到最大值后，试样s产生缩颈，有效截面急剧减小，直至断裂。抗拉强度是试样在断裂前所能承受的最大应力，用σ表示。b

式中，F——试样断裂前的最大载荷，N。b

2.塑性

塑性是材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。材料断裂前的塑性变形越大，表示它的塑性越好，反之则表示其塑性越差。常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。（1）断后伸长率

断后伸长率是指试样拉断后的标距伸长量和原始标距比，即标距的相对伸长，用δ表示。

式中，l——试样原始的标距长度；0

l——试样断裂后的标距长度。1

拉伸试样通常采用圆棒度样，原始标距l与原始直径d之间通常00有一定的比例关系。l=10d时，称为长试样；l=5d时称为短试样。0000使用长试样测定的断后伸长率用符号δ表示，通常写成δ；使用短试10样测定的断后伸长率用符号δ表示。同一种材料的短试样伸长率δ大55于长试样的伸长率δ。因此，比较伸长率时要注意试样规格的统10一。（2）断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。

式中，A——试样的原始横截面积；0

A——试样拉断后缩颈处的最小横截面积。1

断面收缩率与试样尺寸无关，所以它能比较确切地反映材料的塑性。材料的δ或ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，钢的塑性较好，能通过锻造成形；而灰铸铁塑性极差，不能进行锻造。金属材料经塑性变形（屈服）后能得到强化，因此，塑性好的零件超载时仍有强度储备，比较安全。

3.硬度

硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。因此硬度也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力。

硬度是衡量材料性能的一个综合的工程量或技术量。通常材料硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。

测定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度测试法和洛氏硬度测试法。（1）布氏硬度及其测定

布氏硬度的测定是在布氏硬度试验机上进行的，试验原理如图2-2所示。图2-2 布氏硬度试验原理示意图

用直径为D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球冠形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，用符号HBS或HBW表示（压头为淬硬钢球时用HBS，压头为硬质合金球时用HBW）。

式中，F——所加载荷，kgf；2

A——压痕球冠形表面积，mm；

D——球形压头直径，mm；

d——压痕直径，mm；

h——压痕深度，，mm。

当所加载荷以N为单位时，布氏硬度值表示为

由上式可知，当试验载荷和球体直径一定时，压痕直径d越大，则布氏硬度值越小，即材料的硬度越低。在实际应用时，只要测出压痕直径d，就可在专用表中查出相应的布氏硬度值。

布氏硬度试验的优点是测定的数据准确稳定，数据重复性强。但压痕的面积较大，对金属表面的损伤也大。但不易测定太簿零件的硬度，也不适合于测定成品件的硬度。多适用于测定原材料、半成品及微小部分性能不均匀的材料（如铸铁）的硬度。（2）洛氏硬度及其测定

洛氏硬度的测定是在洛氏硬度试验机上进行的。它是以锥顶角为120°的金刚石圆锥体，或直径为1.5875mm（1/16in）的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测金属材料的表层，然后根据压痕的深度来确定洛氏硬度值。在相同的试验条件下，压痕深度越小，则材料的硬度值越高。

实际测量时，为了减少因材料（试样）表面不平而引起的误差，应先加初载荷，后加主载荷，并可在洛氏硬度试验机的刻度盘上，直接读出硬度值。

洛氏硬度值没有单位，只是根据不同的试验材料、不同的压头和所加压力大小，分HRA，HRB，HRC三种标记。其中，HRA与HRC是用锥顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，采用的总载荷分别为588N与1471N；而HRB值的测定则采用直径1.5875mm的钢球作为压头，总载荷为980N。中等硬度材料可用HRC测量；软材料用HRB测量；较硬的材料用HRA测量，其中HRC应用最广。

与布氏硬度相比，洛氏硬度试验操作简单、方便、迅速，适用的硬度范围广，可用来测量薄片和成品，但测量结果不如布氏硬度精确。故需在试样上不同部位测定三点，取其算术平均值。洛氏硬度试验不宜用于测定各微小部分性能不均匀的材料（如铸铁）。其余材料均可根据硬度的不同，在HRA，HRB，HRC中选择对应的测量方法。（3）维氏硬度及其测定

维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同，它是用顶角为136°的四棱金刚石，在较小的载荷（压力）F（常用50～1000N）作用下压入被测材料表面，并按规定保持一定时间，然后用附在试验计上的显微镜测量压痕的对角线长度d，以凹痕单位表面积上所承受的压力作为维氏硬度值，用符号HV表示。

维氏硬度法所测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，测量范围广，采用较小的压力可以测量硬度高的薄件（如硬质合金、渗碳层、渗氮层）而不至于将被测件压穿。

4.冲击韧性

机械设备中有很多零件要承受冲击载荷的作用。对于承受冲击载荷的零件不能只以强度和硬度指标来衡量，这是因为一些强度较高的金属，在冲击载荷的作用下也往往会发生断裂，因此，对于这些机械零件和工具，还必须考虑金属材料的冲击韧性。

冲击韧性是指金属材料在冲击载荷的作用下折断时吸收变形能量的能力，常用冲击吸取功或冲击韧度来表示。

冲击韧性的测定方法是将被测材料制成标准缺口（V或U形）试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断，试验原理如图2-3所示。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，单位为J，用符号A（或A）表示，其数值为重锤冲断试样的势能差，其值KVKU可从试验机刻度盘上读得。图2-3 冲击试验原理图

冲击韧度值就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，用α（或α）表示。KVKU2

式中，A——试样缺口处横截面面积，cm；0

A（A）——V形（U形）缺口试样冲断时所消耗的冲击功，KVKUJ。

A或α值越低，表示材料的冲击韧性越差，在受到冲击时越KVKV易断裂；反之，数值越大，则韧性越好，受冲击时越不容易断裂。

5.疲劳强度

疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然产生断裂的过程。这种破坏称为疲劳破坏（或疲劳断裂）。

许多机械零件，如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，经常受到大小和方向周期性变化的载荷作用。这种交变载荷常常会使材料在小于其强度极限，甚至小于其屈服极限的情况下，经多次循环后，在没有明显的外观变形时，发生断裂。

疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳破坏都是突然发生的，常常会造成严重事故，具有很大的危险。

疲劳强度是表示材料经周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于钢材，一般取循环次数78N=10，对有色金属取N=10为基数来确定材料的疲劳强度，称为条件疲劳强度。

金属的疲劳破坏与很多因素有关，人们可通过改善零件的结构形状，避免应力集中，改善表面粗糙度，进行表面热处理和表面强化处理来提高金属材料的疲劳强度。

二、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力，它是力学、物理、化学性能的综合表现，包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。

1.铸造性

铸造是将熔融金属浇入与工件形状相应的铸造型腔中，待其冷却后，得到毛坯或零件的成形方法。而铸造性能是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能，如流动性、收缩性、偏析性以及吸气性等。如果某一金属材料在液态时流动能力强，不容易吸收气体，冷凝过程中收缩小，凝固后铸件的化学成分均匀，则认为这种金属材料具有良好的铸造性能。在常用的金属材料中，灰铸铁和青铜有良好的铸造性能。

2.锻造性

锻造性是指锻造金属材料的难易程度。若金属材料在锻造时塑性好（能发生大的塑性变形而不破坏），变形抗力小（锻造时消耗能量小），则称该金属锻造性好；反之，则锻造性差。所以，金属的锻造性是金属的塑性和变形抗力两者的综合。

钢的锻造性与化学成分有关，低碳钢的锻造性比中碳钢、高碳钢好；普通碳钢的锻造性比同样含碳量的合金钢好；铸铁则没有锻造性。

3.焊接性

焊接性是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下金属材料获得优质焊接接头的难易程度。焊接性能好的材料，可用一般的焊接方法和焊接工艺进行焊接，焊缝中不易产生气孔、夹渣或裂纹等缺陷，其焊接接头强度与母材相近。焊接性能差的金属材料要采用特殊的焊接方法和工艺才能进行焊接。

金属的焊接性很大程度上受金属本身材质（如化学成分）的影响。在常用金属材料中，低碳钢有良好的焊接性，而高碳钢和铸铁焊接性则较差。

4.切削加工性

切削加工性是指金属材料被切削加工的难易程度。金属材料的切削加工性不仅与材料本身的化学成分、金相组织有关，还与刀具的几何参数等因素有关。通常可根据材料的硬度和韧性对材料的切削加工性作大致的判断。工件材料硬度过高，刀具易磨损，寿命短，甚至不能切削加工；硬度过低，容易粘刀，且不易断屑，加工后表面粗糙。所以，硬度过高或过低、韧性过大的材料，其切削性能较差。碳钢硬度为150～250HBS时，有较好的切削加工性；灰铸铁具有良好的切削加工性。第二节 常用工程材料

一、黑色金属材料

1.铸铁

铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业上常用的铸铁含碳质量分数一般为2.5%～4.0%。由于铸铁具有良好的铸造性、吸振性、切削加工性及一定的力学性能，并且价格低廉、生产设备简单。所以，在机器零件材料中占有很大的比重，广泛地用来制作各种机架、底座、箱体、缸套等形状复杂的零件。

根据碳在铸铁中存在的形态不同，铸铁可分为下列几种。（1）白口铸铁

白口铸铁中碳几乎全部以渗碳体（FeC）的形式存在，FeC具33有硬而脆的特性，使得白口铸铁变得非常脆硬，切削加工困难。工业上很少直接用它来制造机器零件，而主要作为炼钢的原料。它的断口呈亮白色，故称为白口铸铁。（2）灰铸铁

灰铸铁中的碳大部分或全部以片状石墨的形式存在，断口呈灰色，故称为灰铸铁。灰铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、抗振性和切削加工性，因此是目前生产中用得最多的一种铸铁。灰铸铁的牌号是用两个汉语拼音字母和一组力学性能数值来表示的。灰铸铁有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300和HT350六个牌号，牌号中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字表示其最低的抗拉强度。表2-1所示为常用灰铸铁的牌号、力学性能及应用。表2-1 常用灰铸铁的牌号、力学性能及应用（部分摘自GB/T 9439—1988）（3）球墨铸铁

球墨铸铁中的碳以球状石墨形式存在。它是浇铸前在熔化的铸铁中加入一定量的球化剂（稀土镁合金）和孕育剂（硅铁或硅钙合金）获得的。球墨铸铁是一种性能优良的铸铁，其强度、塑性和韧性等力学性能远远超过灰铸铁而接近于普通碳素钢，同时又具有灰铸铁的一系列优良性能，如良好的铸造性、耐磨性、切削加工性和低的缺口敏感性等。因此，球墨铸铁常用于制造承受冲击载荷的零件，如传递动力的齿轮、曲轴、连杆等。

球墨铸铁的牌号用两个汉语拼音字母和两组力学性能数值来表示。如QT400—17，牌号中“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后两组数字分别表示最低抗拉强度为400MPa，最低伸长率为17%。表2-2所示为常用球墨铸铁的牌号、力学性能及应用。（4）可锻铸铁

可锻铸铁中的石墨呈团絮状，它是由白口铸铁经长时间高温石墨化退火而得到的一种铸铁。可锻铸铁实际上并不能锻造，“可锻”仅表示它具有一定的塑性，其强度比灰铸铁高，但铸造性能比灰铸铁差，由于它生产周期长，工艺复杂且成本高，已逐渐被球墨铸铁所取代。表2-2 常用球墨铸铁的牌号、力学性能及应用（部分摘自GB/T 1348—1988）

可锻铸铁的牌号用三个汉语拼音字母和两组力学性能数值来表示。如“KTH”表示黑心可锻铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，“KTB”表示白心可锻铸铁。如KTH350—10表示黑心可锻铸铁，最低抗拉强度为350MPa，最低断后伸长率为10%。

2.碳素钢

通常把含碳质量分数在2.11%以下的铁碳合金称为钢。实际应用的碳素钢含有少量的杂质，如硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等。碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件。

碳素钢一般可按含碳质量分数、质量和用途三种情况来分类。

按含碳质量分数，碳素钢分为

· 低碳钢——含碳质量分数≤0.25%；

· 中碳钢——0.25%＜含碳质量分数≤0.6%；

· 高碳钢——含碳质量分数＞0.6%。

按钢的质量，即主要根据钢中有害杂质（硫、磷）的含量可分为

· 普通碳素钢——含硫质量分数≤0.055%，含磷质量分数≤0.045%；

· 优质碳素钢——含硫质量分数≤0.045%，含磷质量分数≤0.040%；

· 高级优质碳素钢——含硫质量分数≤0.03%，含磷质量分数≤0.035%。

按用途分为

· 碳素结构钢——主要用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑用钢）和机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺栓、螺钉等）。这类钢一般属于低、中碳钢。

· 碳素工具钢——主要用于制造各种刃具、量具、模具。这类钢一般属于高碳钢。

一般钢中常见的有益元素有锰和硅，它们能使钢材强度、硬度提高，而塑性、韧性不显著降低。

下面简要介绍几种常用的碳素钢。（1）普通碳素结构钢

这类钢通常为热轧钢板、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接一般工程构件，大多不需进行热处理而直接在供应状态下使用。

钢的牌号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按顺序组成。如Q235—A·F，Q为钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235表示屈服强度为235MPa；A（B、C、D）分别为质量等级；F为沸腾钢。

表2-3所示为普通碳素结构钢的力学性能和应用举例。表2-3 普通碳素结构钢的力学性能和应用举例（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢中只含有少量的有害杂质硫和磷。既能保证钢中的化学成分，又能保证力学性能，因此质量较高，可用于制造较重要的机械零件。

钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均含碳质量分数的万分数。如08F、10A、45、65Mn，表示钢中平均含碳质量分数分别为0.08%、0.1%、0.45%、0.65%。含碳质量分数后面加“A”表示高级优质钢，加“F”表示沸腾钢；含锰质量分数较高时则在含碳质量分数后面加锰元素符号“Mn”。

优质碳素结构钢根据含碳量又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

· 低碳钢强度低、塑性、韧性好、易于冲压加工，主要用于制造受力不大的机械零件，如螺钉、螺母、冲压件和焊接件等。

· 中碳钢强度较高，塑性和韧性也较好，应用广泛，多用于制造齿轮、丝杠、连杆和各种轴类零件等。

· 高碳钢热处理后具有高强度和良好的弹性，但切削加工性、锻造性和焊接性差，主要用于制造弹簧和易磨损的零件。

表2-4所示为优质碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途。表2-4 优质碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途注：表中数据摘自GB/T 699—1988。（3）碳素工具钢

碳素工具钢含碳质量分数在0.7%以上，属于高碳钢，适宜制作各种工具、刃具、量具和模具。

碳素工具钢的牌号首位用“T”表示，后面的数字表示平均含碳质量分数的千分数。例如T8表示含碳质量分数平均为0.8%的碳素工具钢。若含碳质量分数后面加注“A”，表示高级优质钢，如T10A。（4）铸钢

铸钢分为碳素铸钢和合金铸钢，一般情况下多用碳素铸钢，当有特殊用途和特殊要求时可采用合金铸钢。铸钢的牌号用“ZG”（铸钢两字汉语拼音字首）加后面两组数字组成，如ZG200—400，ZG310—570，第一组数字代表屈服强度值（MPa），第二组数字代表抗拉强度值（MPa）。铸钢主要用于承受重载，强度和韧性要求较高，而形状复杂的铸件，如大型齿轮、水压机机座等。

3.合金钢

为了提高钢的性能，有意识地在碳素钢中加入一定量的合金元素（如硅、锰、铬、镍、钼、钒、钛等），即炼成合金钢。由于合金元素的加入，细化了钢的晶粒，提高了钢的综合力学性能和热硬性、淬透性。合金钢按用途一般可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。（1）合金结构钢

合金结构钢的牌号以“两位数字+合金元素符号+数字”表示。前面的两位数字表示平均含碳质量分数的万分数，合金元素符号后的数字表示该元素平均含量的百分数，若平均含量<1.5%时，一般不标明含量；当平均含量在1.5%～2.5%，2.5%～3.5%等时，则相应地用2，3等表示。如60Si2Mn表示碳的平均含量为0.6%、平均含硅量为2%、平均含锰量<1.5%的硅锰钢。

合金结构钢根据性能和用途的不同，又可分为低合金钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢，常用的牌号有GCr9、GCr15、GCr9SiMn，牌号中“G”为“滚”字汉语拼音字首，铬元素符号后的数字表示平均含铬量的千分数。如GCr15表示含Cr为1.5%。（2）合金工具钢

合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，平均含碳质量分数超过1%时，一般不标出含碳量数字，若含碳质量分数小于1%时，可用一位数字表示，以千分数计。如9SiCr表示平均含碳质量分数为0.9%，含硅、铬质量分数均<1.5%的铬钢；Cr12MoV则表示平均含碳质量分数≥1%，含铬质量分数为12%，含钼、钒质量分数<1.5%的铬钼钒钢。

合金工具钢常用来制造各种刃具、量具和模具，因而对应地就有刃具钢、量具钢和模具钢。

① 刃具钢 用于制造各种刀具，通常分低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢主要是含铬的钢，常用的牌号有9SiCr、9Cr2等，主要用作形状较复杂的低速切削工具（如丝锥、板牙、铰刀等）。而高速钢是一种含钨、铬、钒等合金元素较多的钢，它的含碳质量分数在1%左右。由于高速钢在空气中冷却也能淬硬，故又称风钢；由于它可以刃磨得很锋利，很白亮，故又称为锋钢和白钢。高速钢有较高的热硬性、足够的强度、韧性和刃磨性，目前是制造钻头、铰刀、铣刀、螺纹刀具和齿轮刀具等复杂形状刀具的主要材料。常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V等。

② 量具钢 量具钢要求有高的硬度和耐磨性，经热处理后不易变形，而且要有良好的加工工艺性。块规可选用变形小的钢，如CrWMn、GCr15、SiMn等。简单的量具除用T10A、T12A外，还可用9SiCr等。

③ 模具钢 模具钢按使用要求可分为热作模具钢和冷作模具钢。热作模具钢是用来制作热态下使金属成型的模具（如热锻模、压铸模等）。它应具有很好的抗热疲劳损坏的能力、高的强度和较好的韧性，常用的牌号有5CrNiMo和5CrMnMo。冷作模具钢是用来制作冷态下使金属成型的模具（如冷冲模、冷挤压模等）。它应具有高的硬度、耐磨性和一定的韧性，并要求热处理变形小，常用的牌号有Cr12、Cr12W、Cr12MoV等。（3）特殊性能合金钢

特殊性能合金钢是指具有特殊的物理、化学性能的一种高合金钢。其牌号表示法与合金工具钢原则相同。前面一位数表示平均含碳质量分数，以千分数计。若平均含碳质量分数<0.1%时用“0”表示，平均含碳质量分数≤0.03%时用“00”表示。例如，2Cr13、0Cr13和00Cr18Ni10分别表示平均含碳质量分数为0.2%、<0.1%、≤0.03%。它主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁性钢。

① 不锈钢 不锈钢中的主要合金元素是铬和镍。铬与氧化合，在钢表面形成了一层致密的氧化膜，保护钢免受进一步氧化。一般含铬量不低于12%才具有良好的耐腐蚀性能，适用于制造化工设备、医疗器械等。常用的牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等铬不锈钢；还有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Nb等铬镍不锈钢。

② 耐热钢 耐热钢是在高温下抗氧化并具有较高强度的钢。钢中常含有较多铬和硅，以保证钢具有高的抗氧化性和高温下的力学性能，耐热钢适用于制造在高温条件下工作的零件。如内燃机气阀、加热炉管道等。常用的牌号有15CrMo、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。

③ 耐磨钢 主要指高锰钢。如ZGMn13，这种钢含碳质量分数高于1%，含锰质量分数为13%左右。该钢机械加工困难，大多铸造成型。它具有在强烈冲击下抵抗磨损的性能，主要用于制作坦克和拖拉机履带、推土机挡板、挖掘机齿轮等。

④ 磁性钢 硅钢片是常用的磁性钢。它是在铁中加入硅并轧制成薄片状材料。硅钢片杂质含量极少，具有良好的磁性，是制造变压器、电动机、电工仪表等不可缺少的材料。

二、有色金属材料

工业生产中通常称钢铁为黑色金属，而称铜、铝、镁、铅等及其合金为有色金属。由于有色金属具有某些特殊的性能，如良好的导热性、导电性及耐腐蚀性，已成为现代工业生产中不可缺少的重要材料。

1.铜与铜合金

① 纯铜 纯铜外观呈紫红色，又称紫铜。它具有良好的导电、导热性能，极好的塑性及较好的耐腐蚀性。但力学性能较差，不宜用来制造结构零件，常用来制造导电材料和耐腐蚀性元件。

② 黄铜 黄铜是铜（Cu）与锌（Zn）的合金。它色泽美观，有良好的防腐性能及机械加工性能。黄铜中锌的含量为20%～40%，随着锌的含量增加，强度增加而塑性下降。黄铜可以铸造，也可以压力加工。除了铜和锌以外，再加入少量其他元素的铜合金叫特殊黄铜，如锡黄铜、铅黄铜等。黄铜一般用于制造耐腐蚀和耐磨零件，如阀门、子弹壳、管件等。压力加工黄铜的牌号用“黄”字汉语拼音字首“H”加数字表示，该数字表示平均含铜质量分数的百分数。如H62表示含铜质量分数为62%、含锌质量分数为38%。特殊黄铜则在牌号中标出合金元素的含量。如HPb59-1表示含铜质量分数为59%、含铅质量分数为1%的铅黄铜。

③ 青铜 除黄铜和白铜（铜镍合金）外，其余铜合金统称为青铜。铜锡合金称为锡青铜，其余青铜称为无锡青铜。

· 锡青铜 锡青铜是铜与锡的合金。它有很好的力学性能、铸造性能、耐腐蚀性和减摩性，是一种很重要的减摩材料。主要用于制造摩擦零件和耐腐蚀零件，如蜗轮、轴瓦、衬套等。

· 无锡青铜 除锡以外的其他合金元素与铜组成的合金，统称为无锡青铜。主要包括铝青铜、硅青铜和铍青铜等。它们通常作为锡青铜的代用材料使用。

加工青铜的牌号以“Q”为代号，后面标出主要元素的符号和含量。如QSn4-3，表示含锡量为4%、含锌量为3%，其余为铜（93%）的压力加工锡青铜。铸造铜合金的牌号用“ZCu”及合金元素符号和含量组成。如ZCuSn5Pb5Zn5表示含锡、铅、锌各约为5%，其余为铜（85%）的铸造锡青铜。

2.铝及铝合金3

① 纯铝 纯铝是一种密度小（2.72g/cm），熔点低（660℃），导电、导电热性好，塑性好，强度、硬度低的金属。由于铝表面能生成一层极致密的氧化铝膜，能阻止铝继续氧化，故铝在空气中具有良好的抗腐蚀能力，主要用做导电材料或制造耐腐蚀零件。

② 铝合金 铝中加入适量的铜、镁、硅、锰等元素即构成了铝合金。它具有足够的强度、较好的塑性和良好的抗腐蚀性，且多数可热处理强化，根据铝合金的成分及加工成形特点，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

· 变形铝合金 变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制作各种半成品，可以焊接。主要用作各类型材和结构件，如飞机构架、螺旋桨、起落架等。变形铝合金又可按性能及用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝和特殊铝合金等五种。它们的牌号以相应的汉语拼音字母加上序号数字表示。例如，防锈铝以LF表示；硬铝以LY表示；超硬铝以LC表示；锻铝以LD表示；特殊铝以LT表示。变形铝合金新旧牌号对照、主要性能及应用见表2-5。

· 铸造铝合金 铸造铝合金包括铝镁、铝锌、铝硅、铝铜等合金。它们有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件。但塑性差，不宜进行压力加工。应用最广的是硅铝合金，称为硅铝明。各类铸造铝合金的代号均以“ZL”加三位数字组成，第一位数字表示合金类别，第二、三位数字是顺序号。如ZL102、ZL201等。

3.轴承合金

轴承合金是用来制造滑动轴承的特定材料。对轴承合金的要求是：摩擦系数小、耐磨性好、抗压强度高、导热性好等。

① 锡基轴承合金（锡基巴氏合金）锡基合金中含有锑和铜等元素。例如ZSnSb11Cu6，Z代表铸造，含Sb为11%，含Cu6为%，其余为Sn。表2-5 变形铝合金新旧牌号对照、性能及应用（摘自GB 3190—1982、GB/T 3190—1996）

② 铅基轴承合金（铅基巴氏合金）铅基合金中含有锑、锡和铜等元素，常用的合金有ZPbSb16Sn16Cu2，含Sb为16%，Sn为16%，Cu为2%，其余为铅。

三、非金属材料

1.塑料

塑料是一种以合成树脂为主要成分，加上其他添加剂（如增强剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等）组成的高分子有机化合物。

按受热后所表现的性能不同，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。

热塑性塑料经加热后软化并熔融成流动的黏稠液体，冷却后即成型固化。此过程是物理变化，可反复多次进行，其性能并不发生显著变化。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）等。这类塑料的优点是成形加工简便，具有较高的机械性能；缺点是耐热性和刚性较差。

热固性塑料经加热后软化，冷却后成型固化，发生化学变化，再加热时不再转化（即变化是不可逆的）。如酚醛、环氧、氨基塑料等。这类塑料具有耐热性高、受压不易变形等优点；缺点是力学性能不好，但可加入填料，以提高其强度。

按塑料的应用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等。工程塑料是指用以代替金属材料作为工程结构的塑料。它们的机械强度高、质轻、绝缘、减摩、耐磨，或具备耐热、耐蚀等特种性能，成型工艺简单，生产效率高，是一种良好的工程材料。

常用的工程塑料有以下几种：

① ABS塑料 具有硬、韧、刚的综合特性，力学性能较好，并且耐热、耐腐蚀、易于成形加工，常用来做泵的叶轮、齿轮、家用电器的外壳以及小轿车车身等。

② 聚酰胺（PA）又名尼龙，是热塑性塑料。它具有坚韧、耐磨、耐疲劳、耐油、耐水、无毒等优良的综合性能，可用作一般机械零件，减摩、耐磨件及传动件，如轴承、齿轮、蜗轮、高压密封圈等。

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