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作者:张秀芳,许晖

出版社:电子工业出版社

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机械工程材料及热处理

机械工程材料及热处理试读:

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图书在版编目(CIP)数据

机械工程材料及热处理/张秀芳,许晖主编.—北京:电子工业出版社,2014.11

全国高等职业教育规划教材·精品与示范系列

ISBN 978-7-121-24363-9

Ⅰ.①机… Ⅱ.①张… ②许… Ⅲ.①机械制造材料-高等职业教育-教材②热处理-高等职业教育-教材 Ⅳ.①TH14②TG15

中国版本图书馆CIP数据核字(2014)第214474号

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版  次:2014年11月第1版

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本书咨询联系方式:chenjd@phei.com.cn。前言

近年来,随着我国经济的快速发展,装备制造业、汽车、冶金矿业、房地产、铁路基建等行业保持较快的增长,促进了工程材料行业的技术进步,为提高各行业机械设备的技术水平,需要更多懂得材料专业知识的技能型人才。为满足社会不断增长的人才需求,许多高等院校在多个专业均开设有机械工程材料课程,掌握本课程的知识与技能有利于顺利上岗就业。基于高职教育培养面向生产建设、服务和管理第一线需要的高技能应用型人才的培养目标,作者结合多年的教学及企业工作经验编成本书。

在编写过程中,作者认真总结并充分吸取了各校近年来的教学改革经验与成果,力求体现基础理论以必需、够用为度,以掌握基本概念、强化应用为教学重点的原则,做到深入浅出、通俗易懂,使教材层次清晰、形象直观,利于教师讲授、学生学习。努力适应高等职业院校的教学需要,体现高等职业教育的特色。本书的编写特点如下。(1)从生产实例出发,根据职业岗位需要组织内容,把理论知识与企业的真实工作有机结合,使学习情境贴近岗位工作环境。(2)采用任务驱动、案例导入的形式编排内容,更符合人的认知规律;从现象到本质,反向突出“应用→性能→组织→成分”的课程主线,有利于培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力,提高其逻辑思维能力。(3)理论精简,实践强化。学习领域中的材料基础部分篇幅减少,达到必需、够用的要求,后面的钢铁材料、有色金属材料、非金属材料的牌号、性能、应用等与工作实际联系密切的部分内容增强,优化了内容,突出技能培养。(4)全书提供了28个技能训练项目,配置在每个案例后,方便教师学生课堂互动,同时这种讲练结合的方式可以激发学生的学习热情,调动学生的学习兴趣,提高学习的效率。(5)版面新颖实用,有助于学习者高效学习。打破传统的通篇古板枯燥的文字叙述,插入大量的图片,采用多种方法加入“小贴士”、“温馨提示”等模块,图文并茂,形式更灵活、更多样,表达更活泼,更符合现代人接受外界信息的习惯,减轻视觉疲劳,降低学习倦怠感。(6)重点醒目,脉络清晰,表达直观,提高教学效果。学习领域正文前设置“教学导航”,为实现教学目标提供指导;每个案例后用“相关知识”、“知识拓展”把每节内容整理成几个条块,层次更清晰;每个任务后设置“知识梳理”,以便读者学习、提炼与总结。

全书共分4个学习领域,10个任务,18个案例,内容主要包括机械工程材料基础、金属材料的热处理、常用钢铁材料、非铁金属材料及非金属材料等。本课程教学需50~60课时,各院校教师可根据教学实际情况对内容进行适当增减与调整。

本书为高等职业院校机械制造类、机电设备类、控制类及自动化类等专业的教学用书,也可作为开放大学、民办高校、自学考试、中职学校及培训班的教材,以及企业工程技术人员的参考书。

本书由辽宁机电职业技术学院张秀芳教授、许晖副教授担任主编,车建春副教授参加了编写。具体分工为:张秀芳编写学习领域1和3,许晖编写学习领域2和4,车建春编写“练习及思考题”、“综合测试”及所有练习参考答案和附录A。在编写过程中得到领导和同事们的支持与帮助,也参考了同行专家有关著作和手册等资料,在此表示衷心的感谢。

为了方便教师教学,本书配有免费的电子教学课件和习题参考答案,请有此需要的教师登录华信教育资源网(http://www.hxedu.com.cn)免费注册后进行下载,有问题时请在网站留言或与电子工业出版社联系(E-mail:hxedu@phei.com.cn)。

由于作者水平有限,错误和不当之处在所难免,恳请读者批评指正。编 者 职业教育 继往开来(序)

自我国经济在21世纪快速发展以来,各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高,教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说,近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下,高职院校以服务为宗旨、以就业为导向,开展工学结合与校企合作,进行了较大范围的专业建设和课程改革,涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下,逐步加大校内生产性实训比例,引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下,教学以育人为目标,以掌握知识和技能为根本,克服了以学科体系进行教学的缺点和不足,为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位,为行业教育事业的改革和发展,为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社,具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验,有义务和能力与广大的高职院校密切合作,参与创新职业教育的新方法,出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作,在职业教育新的教学模式下,将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。

近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高等职业教育规划教材·精品与示范系列”,具有以下几个突出特点,特向全国的职业教育院校进行推荐。(1)本系列教材的课程研究专家和作者主要来自于教育部和各省市评审通过的多所示范院校。他们对教育部倡导的职业教育教学改革精神理解得透彻准确,并且具有多年的职业教育教学经验及工学结合、校企合作经验,能够准确地对职业教育相关专业的知识点和技能点进行横向与纵向设计,能够把握创新型教材的出版方向。(2)本系列教材的编写以多所示范院校的课程改革成果为基础,体现重点突出、实用为主、够用为度的原则,采用项目驱动的教学方式。学习任务主要以本行业工作岗位群中的典型实例提炼后进行设置,项目实例较多,应用范围较广,图片数量较大,还引入了一些经验性的公式、表格等,文字叙述浅显易懂。增强了教学过程的互动性与趣味性,对全国许多职业教育院校具有较大的适用性,同时对企业技术人员具有可参考性。(3)根据职业教育的特点,本系列教材在全国独创性地提出“职业导航、教学导航、知识分布网络、知识梳理与总结”及“封面重点知识”等内容,有利于老师选择合适的教材并有重点地开展教学过程,也有利于学生了解该教材相关的职业特点和对教材内容进行高效率的学习与总结。(4)根据每门课程的内容特点,为方便教学过程对教材配备相应的电子教学课件、习题答案与指导、教学素材资源、程序源代码、教学网站支持等立体化教学资源。

职业教育要不断进行改革,创新型教材建设是一项长期而艰巨的任务。为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务,殷切希望高职高专院校的各位职教专家和老师提出建议和撰写精品教材(联系邮箱:chenjd@phei.com.cn,电话:010-88254585),共同为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务!中国电子教育学会学习领域1 机械工程材料基础教学导航任务1-1 认识机械工程材料的宏观性能案例1 轿车的材料组成

看一看图1-1-1 轿车图1-1-2 轿车的材料组成

想一想

为什么一台轿车采用多种不同的材料制造?每种材料具有怎样的性能特点?如何评价材料的性能?相关知识1.1 材料的力学性能

由于机械工程行业多数零件、设备是在常温、常压、非强烈腐蚀性介质中工作的,而且在使用过程中受到不同性质载荷(外力)的作用,所以选材、鉴定工艺质量时一般以力学性能(材料在载荷作用下表现出的特性)作为主要依据,性能优劣由性能指标反映。材料的力学性能指标有强度、刚度、硬度、塑性、冲击韧性和疲劳极限等。这些指标通过力学试验测得。1.1.1 强度、刚度、塑性

材料的强度、刚度、塑性是极为重要的力学性能指标,可通过力学静拉伸试验方法(在室温大气环境中,光滑试样在静载荷作用下所反映出的力学行为)测定。

试验前,将材料(以金属材料退火低碳钢为例)制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样,最常用的圆形截面试样如图1-1-3(b)所示。d为试样原始直径(mm),L为试样原始标距长度(mm)。试样有00长短之分,长试样,短试样(国际通2用),S为试样原始横截面积(mm);d为试样断后最小直径,L为011试样断后标距长度。

试验时,将试样装夹在拉伸试验机(见图1-1-3(a))上缓慢施加轴向拉伸载荷,试样则不断产生变形,直至被拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸载荷和伸长量描绘在以拉伸载荷F为纵坐标,伸长量ΔL为横坐标的图上,即得到力-伸长量曲线,也称拉伸曲线,如图1-1-3(c)所示。图1-1-3 拉伸试验

为了消除试样尺寸的影响,引入应力-应变曲线,即用试样的伸长量ΔL除以试样原始标距长度L所得到的应变ε作为横坐标,试样承0受的拉伸载荷F除以试样原始横截面积S所得到的应力R作为纵坐0标,如图1-1-4所示。

应力-应变曲线形状与力-伸长量曲线相似,从中可以看出材料的一些力学性能。

1.强度

强度是材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度的大小通常用应力表示,符号为R,单位为MPa(兆帕)。工程上常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。图1-1-4 应力-应变曲线

1)屈服强度ReL

从图1-1-4中看出:在a点以前,应力和应变保持直线的正比关系,这时试样产生的是弹性变形,当应力增大超过a点时,试样产生塑性变形;当应力达到b点后开始下降,然后产生微小的波动,在应力-应变曲线上表现为近似水平的线段(表示应力不变时),试样变形仍明显继续增长,这种现象称为屈服。试样屈服时的应力称为材料的屈服强度,它表明材料对开始明显塑性变形的抗力,包括上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度是指试样发生屈服并且外力首次下降前的最大应力,用符号R表示;下屈服强度是指不计初始瞬时效应时屈服阶eH段中的最小应力,用符号R表示。由于材料的下屈服强度数值比较eL稳定,所以一般以它作为材料对塑性变形抗力的指标。

式中 F——试样产生屈服时的最低拉伸力(N);eL2

S——试样原始横截面积(mm)。0

有些材料在拉伸过程中无明显屈服现象,很难测出屈服强度,则用规定残余延伸强度R来表示它的屈服强度,如图1-1-5所示,即规r定试样卸除拉伸力后,其标距部分的残余应变量达到规定值时的应力值作为条件屈服强度。通常把ε为0.2%时所对应的R值称为该材料的rr规定残余延伸强度,写为R。r0.2

2)抗拉强度Rm

试样屈服后,应力继续增大,变形也继续增加,在达到曲线最高点c点以前,试样沿整个长度均匀伸长,当到达c点时,试样形成“缩颈”现象,如图1-1-6所示。因试样局部横截面积逐渐减小,故应力也逐渐降低,当达到曲线上k点位置时,试样发生断裂。试样在被拉断前所能抵抗的最大力用F表示(对于无明显屈服的材料,为试验m期间的最大力),相应最大力(F)的应力称为抗拉强度,用符号Rmm表示,即

式中 F——试样在拉伸过程中所能承受的最大拉伸力(N);m2

S——试样原始横截面积(mm)。0

从拉伸试验及力-伸长量曲线可以看出:试样从拉伸到断裂要经过弹性变形阶段(oa段)、屈服阶段(bd段)、强化阶段(dc段)、缩颈与断裂阶段(ck段)四个阶段。图1-1-5 规定残余延伸强度图1-1-6 试样的缩颈

在实际生产中,大多数工程零件在工作中都不允许产生明显的塑性变形,因此屈服强度R是工程中塑性材料零件设计及计算的重要eL依据,R则是无明显屈服现象零件的设计计算依据,但由于抗拉强r0.2度的测定比较方便,数据比较准确,所以有时可直接采用抗拉强度R加上较大的安全系数作为设计计算的依据。m

在工程上,把R/R称为屈强比。其值越大,越能发挥材料的潜eLm力,减小结构的自重;其值越小,零件工作时的可靠性越高,但其值太小,材料强度的有效利用率会降低。因此,屈强比一般取值在0.65~0.75之间。

2.刚度

材料受力时抵抗弹性变形(材料在载荷作用下产生变形,当载荷去除后能恢复原状)的能力称为刚度。它表示一定形状、尺寸的材料产生弹性变形的难易程度,通常用弹性模量E及切变模量G来评价。弹性模量E(或切变模量G)可用材料弹性范围内应力与应变的比值来说明,其值越大,材料的刚度越大,弹性变形越不容易进行。

弹性模量E(或切变模量G)的大小主要取决于金属的本性(晶格类型和原子结构),与金属的显微组织无关。温度的变化会影响弹性模量,温度降低,弹性模量会增大。基体金属一经确定,其弹性模量值就基本确定了。在材料不变的情况下,只有改变零件的截面尺寸或结构,才能改变它的刚度。

3.塑性

塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率,可在静拉伸试验中,把试样拉断后将其对接起来进行测量而得到。

1)断后伸长率A

断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的百分比,即

式中 L——试样拉断后的标距长度(mm);1

L——试样原始标距长度(mm)。0

断后伸长率的数值和试样长度有关,长试样(L=10d,其中,00d为试样原始直径)的断后伸长率用A表示,短试样(L=5d)的011.300断后伸长率用A表示。同一种材料的A大于A,若比较不同材料的断11.3后伸长率,要用相同的参数。

2)断面收缩率Z

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,即2

式中 S——试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mm);12

S——试样原始横截面积(mm)。0

断面收缩率Z不受试样尺寸的影响。

一般A、Z值越大,材料塑性越好。塑性好的材料可保证某些成形工艺(如轧制、锻造、冲压)和修复工艺(如汽车外壳凹陷修复)的顺利进行。此外,塑性好的零件在工作时若超载,也可因其塑性变形的存在而避免突然断裂,提高了零件工作的安全性。1.1.2 硬度

硬度表示材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力,它是衡量材料软硬的指标。其值的大小能够反映出材料在化学成分和组织结构及处理方法上的差异,在一定程度上反映了材料的综合力学性能指标,是检验产品质量,确定合理加工工艺所不可缺少的检测性能之一。

硬度试验简单易行,又无损于零件,且可以近似推算出材料的其他机械性能(如强度、耐磨性、切削加工性、可焊性等),因此在生产和科研中应用广泛。

硬度试验方法很多,机械工业普遍采用静载荷压入法(即在规定的静态试验载荷下将具有一定几何形状的压头压入材料表层,然后根据载荷的大小、压痕表面积或深度确定硬度值的大小,压痕直径或深度越大,硬度越低;反之,硬度越高)来测定硬度,生产中应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。硬度只有数值,没有单位。

1.布氏硬度(HB)

1)试验原理

布氏硬度试验(如图1-1-7所示)是在布氏硬度试验机上(如图1-1-7(a)所示)采用球形压头(如图1-1-7(b)所示),以规定的载荷F压入被测材料表面,保持一定时间后卸除载荷,测出压痕直径d,求出压痕面积,试验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为布氏硬度。

为了保证试验的准确性,同时也能提高测试效率,在实际应用中,2将载荷(F)与压头球径(D)平方的比值(F/D)作了规定,见附录A表A-2。当载荷F与球径D选定后,硬度值只与d有关。d越大,布氏硬度值越小,被测材料越软;反之d越小,布氏硬度值越大,被测材料越硬。对此专门制定了压头球径D与布氏硬度值的对照表,用读数显微镜读出压痕直径d后直接查表就可获得布氏硬度值。测试原理如图1-1-7(c)所示。

其中,球形压头有淬火钢球和硬质合金钢球之分,球径D有10 mm、5 mm、2.5 mm、1 mm,对应不同的载荷,保持载荷时间有10~15 s、30 s不等的要求,试验前要先学习布氏硬度试验规范,再进行操作。图1-1-7 布氏硬度试验

2)表示方法示例

注意

HBS只可用来测定硬度值小于450的金属材料,HBW可用来测定硬度值在450~650之间的金属材料。

3)特点及应用

布氏硬度试验压痕面积较大,能反映表面较大范围内被测金属的平均硬度,故测量结果较准确,适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度,如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金,各种退火、正火或调质的钢材等,但因压痕较大,不宜用来测成品,特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件,也不能用来测太硬的材料。

2.洛氏硬度(HR)

1)试验原理

洛氏硬度试验(如图1-1-8所示)是在洛氏硬度试验机上(如图1-1-8(a)所示),用初试验载荷F及总试验载荷F=F+F将压头压入001被测材料表面,保持一定时间后卸除主载荷F,测出残余压痕深度增1量(如图1-1-8(b)所示)来表示硬度值,即图中压痕深度bd,其值越大,材料硬度越低;反之,硬度越高。在实际测试时,硬度值的大小可直接从硬度计上读出。图1-1-8 洛氏硬度试验

在洛氏硬度试验中,选择不同的试验载荷和压头类型对应不同的洛氏硬度标尺,便于用来测定从软到硬较大范围的材料硬度。最常用的是HRA、HRB、HRC三种,其中HR代表洛氏硬度,A、B、C表示三种标尺,其试验规范见表1-1-1,HRC应用最广泛。表1-1-1 常用洛氏硬度试验条件及应用范围

注意

各硬度标尺之间没有直接对应关系。

2)特点及应用

洛氏硬度试验操作简便,迅速,测量硬度值范围大,压痕小,几乎不损伤工件表面,可直接测成品和较薄工件。但因试验载荷较大,不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度,且因压痕小,当测定组织粗大、不均匀的材料时,测定结果波动较大,故需在不同位置测试三点的硬度值,取其算术平均值。

3.维氏硬度(HV)

1)试验原理

维氏硬度试验(如图1-1-9所示)原理类似于布氏硬度试验,是在维氏硬度试验计上(如图1-1-9(a)所示)采用相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头,以规定的载荷F压入被测材料表面,保持一定时间后卸除载荷,测出压痕两对角线的平均长度d,进而求出压痕表面积,最后求出压痕表面积上的平均压力,以此作为被测材料的硬度值,用符号HV来表示,测定原理如图1-1-9(b)所示。在实际工作中,维氏硬度值可根据压痕对角线长度d直接查表获得。图1-1-9 维氏硬度试验

2)表示方法示例

3)特点及应用

由于维氏硬度试验所加载荷较小,压入深度浅,故可测定较薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度;维氏硬度能在同一硬度标尺上测定由极软到极硬金属材料的硬度值(0~1 000 HV),且连续性好,准确率高,弥补了布氏硬度因压头变形不能测高硬度材料,洛氏硬度受试验载荷与压头直径比的约束硬度值不能换算的不足。

除了上述硬度测试方法外,还可以用显微硬度法测定组织中夹杂物的硬度;用肖氏硬度法测定大型部件的硬度;用莫氏硬度法测定陶瓷和矿物的硬度等。1.1.3 冲击韧度

许多零件在工作过程中受到冲击载荷的作用,如锻锤的锤杆、冲床的冲头、风动工具等,对这类零件,不仅要满足静载荷作用下的强度、刚度、塑性、硬度等性能要求,还要具有一定的韧性。韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,韧性好的材料在使用过程中不至于发生突然的脆性断裂,从而可以保证零件的工作安全性。

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度,用符号αk表示,是反映材料韧性的主要指标。为了评定材料的冲击韧度,应用最多的是常温下的一次摆锤冲击弯曲试验(夏比冲击试验),如图1-1-10所示。图1-1-10 夏比冲击试验

将一定形状和尺寸的标准试样放在冲击试验机的支座上,将已调整到一定高度h的摆锤(质量为m)落下,从试样缺口背面冲击试样,1并向另一方向升到h高度,在刻度盘上读出指针所指的数值就是摆锤2打断试样所消耗的功,即冲击吸收功,用符号A表示,则有k2

由此,冲击韧度α(J/cm)可用下式计算:k2

式中 S——试样缺口横截面积(cm)。0

对一般钢材来说,A越大,冲击韧性越好,但由于冲击吸收功不k仅与温度有关,还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关,不能真实反映材料的韧脆性质,所以冲击吸收功一般只能作为选材的参考,不能直接用于强度计算。

不过可以把α值低的材料叫作脆性材料,断裂时无明显变形;αkk值高、产生明显塑性变形,断口呈灰色纤维状、无光泽的材料称为韧性材料。1.1.4 断裂韧度

一般认为,零件在允许的载荷下安全工作不会产生塑性变形,更不会断裂。但事实上有些高强度材料的零(构)件往往在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂;中、低强度的重型零(构)件、大型结构件也有类似情况,这就是低应力脆断。

研究和试验表明,低应力脆断总与材料内部的裂纹及裂纹的扩展有关。在冶炼、轧制、热处理过程中,很难避免在材料内部引起某种裂纹,这些微小裂纹在载荷作用下,由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因发生扩展,当扩展到临界尺寸时,零件便突然断裂。

在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧度。

裂纹扩展有三种基本形式,张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型),如图1-1-11所示。其中,以张开型(Ⅰ型)最危险,最容易引起脆性断裂。图1-1-11 裂纹扩展的基本形式

断裂韧度是材料固有的力学性能指标,是强度和韧性的综合体现,主要取决于材料的成分、内部组织和结构,与外力无关。在常见的工程材料中,铜、镍、铝等纯金属,低碳钢、高强度钢、钛合金等的断裂韧度较高,而玻璃、环氧树脂等材料的断裂韧度很低。1.1.5 疲劳强度

某些机械零件,常常在承受大小和方向随时间作周期性变化(包括交变应力和重复应力)的载荷长期作用下工作,如发动机曲轴、齿轮、弹簧等,往往是在工作应力低于其屈服点甚至是弹性极限的情况下突然发生断裂,这种现象称为疲劳断裂。80%以上的零部件断裂由疲劳造成,不管是脆性材料还是韧性材料,事先均无明显的塑性变形,具有很大的危险性。

材料抵抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度,它通过在不同循环应力作用下进行试验绘制出的疲劳曲线来反映;把材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值作为材料的疲劳强度。规定的循环次7数称为循环基数。通常规定钢铁材料的循环基数为10;非铁金属的86循环基数为10;腐蚀介质作用下的循环基数为10。

设计时,在结构上减少零件应力集中,改善零件表面粗糙度和进行热处理,都可提高疲劳强度。知识拓展1.1.6 材料的物理、化学性能

各种材料尤其工程材料的选用首先要掌握材料的使用性能——材料在使用过程中表现出来的特性,主要有力学性能、物理性能和化学性能。

1.材料的物理性能3(1)密度。材料的密度就是单位体积的质量,用符号ρ(g/cm或3kg/m)来表示。金属材料中,Al、Mg、Ti密度较低,Cu、Fe、Pb、Zn等密度较高;非金属材料中,塑料的密度较低,陶瓷的密度较高。(2)熔点。熔点是指缓慢加热时,材料由固态转变为液态的温度(℃或K)。金属材料中,Pb、Sn熔点低,Fe、Ni、Cr、Mo等金属熔点高;非金属材料中,陶瓷的熔点高,塑料等材料无熔点,只有软化点。(3)导热性。导热性是指材料传导热量的能力。金属材料中,Ag和Cu导热性最好,Al次之;合金钢的导热性不如非合金钢好;非金属中,金刚石的导热性最好。(4)导电性。导电性是材料传导电流的能力。金属具有导电性,Ag最好,其次是Cu、Al。(5)热膨胀性。材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热膨胀性,一般用线膨胀系数α来表示,即温度每升高1 ℃(或K),单位长度的膨胀量。其值越大,材料的尺寸或体积随温度变化的程度越大。因此,在温差变化较大环境里工作的长构件(如火车铁轨),必须考虑其热胀冷缩所带来的影响。(6)磁性。材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性,金属材料可分为铁磁性材料、抗磁性材料和顺磁性材料。

2.材料的化学性能

材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的能力,主要有耐蚀性和热稳定性等。(1)耐蚀性。耐蚀性是指常温下材料抵抗各种介质侵蚀的能力。(2)热稳定性。热稳定性是指材料在高温下抵抗产生氧化现象的能力。1.1.7 工程材料的分类

材料是指那些能够用于制造结构、器件或其他有用产品的物质;工程材料是指用于制造工程构件、机械零件、工具等的材料,是机械设备的基础,也是各种机械加工的对象。在日常生活生产和科技各领域都离不开工程材料。材料的种类很多,可以按不同的角度分类如下。

1.按化学性质分

2.按使用性能分

3.按应用领域分

机械工程材料、信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。

4.按开发及应用时期分1.1.8 材料的工艺性能

材料的工艺性能是指材料适应某种加工要求的能力。

任何零件都是由工程材料通过一定的加工方法制造出来的。不同的零件、不同的材料,加工制作的难易程度不同,熟悉材料尤其是金属材料的加工工艺过程及材料的工艺性能,对于正确选材是相当重要的。良好的加工工艺性能可保证在一定生产条件下,高质量、高效率、低成本地制造出所设计的零件。

材料的工艺性能包括以下几个方面。(1)铸造性。铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里,经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。铸铁的铸造性能好于铸钢,铜、铝合金的铸造性能介于铸钢和铸铁之间。(2)锻造性。锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件,多采用锻件。碳的质量分数越低,铁碳合金的锻造性能越好。(3)焊接性。焊接是通过加热或加压,或两者并用,促使两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。碳的质量分数越高,铁碳合金的焊接性能越差。(4)切削加工性。切削加工是利用刀具从工件上切去多余的材料,以获得符合要求的零件的加工方法。一般来说,硬度适中(160~230HBS)的材料切削加工性好。(5)热处理工艺性。热处理工艺性是指材料对热处理加工的适应性。一般来说,合金钢的淬透性好于碳素钢,高碳钢的淬硬性好于低碳钢;钢在油中淬火比在水中淬火变形开裂要小。(6)黏结固化性。高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料,在一定条件下由黏结固化剂固化组成在一起的性能称为黏结固化性。各种材料的黏结固化倾向对材料成形有很大影响。小贴士(1)外力形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等(2)载荷形式:静载荷、冲击载荷、交变载荷等知识梳理

工程材料的宏观性能包括使用性能和工艺性能,主要性能见表1-1-2。表1-1-2 工程材料的主要性能指标及含义续表小贴士材料发展史材料是人类进化的里程碑,历史学家根据人类所使用的材料来划分时代,如图1-1-12所示,包括石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等。材料又是发展高科技的先导和基石。一种新材料的出现,往往可以导致一系列新技术的突破,而各种新技术及新兴产业的发展,无不依赖于新材料的研发,如航空航天所需要的轻质高强度材料,医学上人工脏器、人造骨骼等特殊材料及智能材料、复合材料、纳米材料等。图1-1-12 材料的发展与人类社会的关系简图练习及思考题1

一、选择题(将正确答案所对应的字母填在括号里)

1.对材料进行洛氏硬度C标尺测试时,压头应选择( )。

A.顶角为120°的金刚石锥体 B.直径为1.588 mm的淬火钢球

C.直径为10 mm的硬质合金球 C.直径为10 mm的淬火钢球

2.下列写法正确的是( )。2

A.5~10HRC B.20~25HRC N/mm

C.200~250HBW D.70~75HRA

3.测试淬火齿轮的硬度时应选择( )。

A.HRA B.HRB C.HBS D.HRC

4.R反映的是材料抵抗( )的能力。eL

A.弹性变形 B.塑性变形 C.断裂 D.冲击断裂

5.断后伸长率用符号( )表示。

A.R B.R C.A D.Zm11.3

6.材料抵抗塑性变形和断裂的能力称为( )。

A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性

7.用静拉伸试验可测定金属的( )。

A.强度 B.硬度 C.塑性 D.强度和塑性

8.一般工程图样上常标注材料的( )并将其作为零件检验的主要依据。

A.强度 B.硬度 C.塑性 D.疲劳强度

9.承受( )作用的零件,使用时可能出现疲劳断裂。

A.静拉力 B.静压力 C.冲击力 D.交变应力

10.通常,材料的硬度为( )时,切削加工性能良好。

A.200~300HBS B.70~80HRA C.40~45HRC D.170~230HBS

11.用直径为10 mm的淬火钢球做压头,施加29 420 N的力,测得压痕直径为4.50 mm,则其硬度值为( )HBS。

A.179 B.180 C.177 D.182

12.HRA的有效值范围为( )。

A.20~88 B.20~100 C.20~70 D.33~90

13.HRC的有效值范围为( )。

A.20~88 B.20~100 C.20~70 D.33~90

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