第一章 钢铁材料及热处理标题内容的含义： 钢铁固有的 力学性能一般是不能满足零件 的 受力性要求。 钢铁零件必须经 过热处理才能用。1-1 金属及合金的性能主要有：力学性能、物理性能 、化学性能和工艺性能。从机械零件和钢结构设计角 度，重点放在金属材料的力学性 能。一、 力学性能力学性能又称机械性能， 是材料在力的作用下所表现出的 特征。力学性能的指标主要有：强度 、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳 强度和刚度。1. 强度是金属受静外力作用下， 抵抗永久变形和断裂的能力。（1）强度的定义式（2）工程设计中常用的强度指标l最大抗拉强度l屈服点（3）金属材料的抗拉强度与屈服 点的测试方法：是用金属试样做拉伸试 验测出来的。1）低碳钢试样的拉伸试验曲线是将低碳钢棒料加工成标 准试样，装在拉伸机上，在试样 两端缓慢施加轴向载荷，使其发 生拉伸变形直至断裂。要点知识：oe直线弹性变形特征。e点处的应力 ：为不产生 永久变形的最大应力，称为材料 的弹性极限。oe直线的斜率值：称为材料的 弹性模量，用E表示，表征材料 抵抗弹性变形的能力，技术上表 示金属的刚度。es曲线屈服特征。即载荷超过 Fe再卸载时，试样的伸长只能部 分地恢复，产生了部分塑性变 形。 S处水平段称作“屈服点”。 即当载荷增加到Fs时，拉力无需 再增大，试样仍可继续伸长。金属材料屈服点的工程意义：1）锅炉、压力容器、汽车发动机 缸体上的紧固螺栓、键、销零件 ，在受载时是不允许屈服的，其 工作应力必须小于材料的屈服点 。sb曲线强化阶段。材料屈服后 随变形程度的增大，金属内部要 产生变形抗力，须不断增大载荷 ，试样才能继续伸长。bz曲线缩颈阶段。即当载荷超 过Fb值，试样出现局部 “缩颈” 直至断裂。“缩颈” ：零件局部横截面积变小 ，是零件发生断裂的前奏。要点：1）Fb是零件产生“缩颈”所能 承受的最大拉力。2）规定：b点处的拉应力值为低碳 钢材料的抗拉强度，用3）抗拉强度 的工程意义金属零件所承受的最大工 作应力值不允许超过 ，否则 会断裂。2. 塑性 指金属在外力作用下 产生永久变形而不断裂的能力。（1）塑性指标以用拉伸试验测得的试样伸 长率 和端面收缩率 来衡量 。要点知识：2）应用知识 如车身架材料 ，要用塑性好的低合金钢制造， 如受力过大（超载）时，先产生 塑性变形而不致突然断裂。 3）塑性好的金属材料是进行锻造 、冲压、焊接的必要条件。3. 硬度 指材料抵抗局部变形 ，特别是局部塑性变形、压痕 、划痕的能力。知识点：硬度是机械零件、 工具等必须具有的机械性能指 标。如制造业用的刀具、量具 、锻锤及模具等，都要具有足 够的硬度，以耐磨和防止受冲 击力时产生裂纹。硬度可间接反映金属的强度、塑 性、韧性及化学成分，是一项综 合性的机械性能指标。（1）金属材料的硬度指标最常用的有：布氏硬度和洛氏 硬度布氏硬度：用淬火钢球或硬 质合金球作压头，用来测定 “较软”金属材料硬度的方法 。布氏硬度的符号及表示方法 ：如230HBS、500HBW。S 淬火钢球压头。 W硬质合金钢球压头。布氏硬度法的应用：用于测定如铸铁件、有色金 属及合金、退火钢、正火钢、 调质钢等的硬度。洛氏硬度：是用 金刚石圆 锥体作压头，用来测定硬金属 材料硬度的方法。洛氏硬度的符号及表示方法：如2067HRC。 洛氏硬度法的应用：用于淬火 钢、渗碳钢、模具工具钢等硬度 的测定。（2）硬度指标与机械设计 零件受力面要规定足够的硬度， 以耐磨损，防止产生疲劳裂纹。硬度和强度之间有一定换算关系 ，见机械设计基础教材中的 图表。4. 冲击韧性 指材料受快速或 突然载荷的作用，断裂前所能 吸收最大冲击功的能力。u冲击载荷：指载荷以快速或突 然的方式作用在零件上。（1）冲击韧性指标 以用摆 锤式冲击试验测出的试样所受 最大冲击吸收功AK与S0的比值 来衡量，见教材图1-4。知识点：强度、塑性、硬度指标，都是在 缓慢加载或静载荷条件下测定的 。机器中的零件大多要受冲击载荷 作用，如连杆、键连接、齿轮传 动、钻机、碎石机械，铁轨受力 ，冲模、锻模等。受冲击载荷作用的零件制造承受冲击载荷的零件，除应 保证足够的静强度、硬度外，还 必须要有足够的韧性，即耐冲击 的能力。（2）冲击韧性与机械零件设计 材料的 值，只是表明其抗一 次大冲击而不断裂的能力。金属零件受大能量冲击作用，其 抗冲击能力决定于akv值。受小能量多次冲击的作用，零件 抗冲击能力是取决于强度和塑性 。u受较高冲击力作用，要提高零 件的塑性值；u受小冲击力作用，要提高零件 的强度。如连杆、曲轴，碎石机鄂板等 ，都是受小能量冲击作用，这 些零件可采用球墨铸铁件或孕 育铸铁件。但铸铁的ak值几乎 为零，可经热处理后具有较高 的强度、硬度。受大能量冲击作用的零件，选 择材料时，要考虑材料的冲击 韧性指标ak值大小。如飞机起落架、矿山载重汽车 的大梁、锻锤的锤杆、冲模等 ，工作时受大能量冲击力作用 ，其零件要用高ak值的金属材料 制造。5. 疲劳强度（1）疲劳破坏 很多机械零件 如轴、齿轮、连杆等，是在交变 循环载荷作用下工作，尽管受到 的工作应力值低于材料的强度极 限 ，甚至 ，但在零件应力 集中处仍会产生裂纹，直至发生 断裂，此破坏称为疲劳破坏。具统计，有约80%的机械零件失 效，都是由疲劳破坏引起。因 此，研究和预防材料疲劳破坏 极其重要。（2）疲劳强度 工程规定， 材料在指定循环基数（107次以 上）的交变载荷作用下不引起 断裂所能承受的最大应力值， 称为疲劳强度，用符号 表 示。（3）疲劳强度的测定试验验证，在交变载荷作用下， 材料承受的工作应力值与断裂前 的应力循环次数N有如下关系： 当工作应力值下降到某一数值 时，材料的疲劳曲线成水平线， 这表示材料可经受无数次应力循 环作用而不发生疲劳断裂，这个 应力值即为该材料的疲劳强度。（4）零件疲劳破坏的特征没有明显的塑性变形，是突然 断裂。（5）零件疲劳断裂的原因材料内部有气孔、夹杂物， 表面有划痕或显微裂痕等。（6）提高零件疲劳强度的措施采用锻造、轧制等压力加工方 式生产零件的毛坯。 （因压力加工方式可消除材料内部 的气孔、击碎夹杂物，使材料内部 组织致密）对零件表面进行强化处理，如滚 压、喷丸、表面淬火，以提高工 作面硬度。 （可去除或防止出现显微裂纹，且裂 纹扩展慢）（7）疲劳强度与机械设计机械传动中重要的轴、连接 螺栓杆、发动机中的曲轴、连杆 等，要进行零件的疲劳强度校核 计算。6. 刚度指材料抵抗弹性变形的能力 。材料的刚度用弹性模量E值衡 量。（1）刚度与机械设计机床主轴、滑枕、床身等，选材 时应选弹性模量大的材料。 材料的刚度不等于机件的刚度。 机件的刚度除与材料的E值有关 ，还取决于机件的断面形式。工字形截面、环行截面，并力 求结构中壁厚均匀等，都是提 高机件刚度的设计。三、工艺性能指材料在加工的过程中所表 现出的特征。如是否容易加工或 做出的毛坯质量如何。1. 材料工艺性能的内容按工艺方法的不同有：铸造 性能、锻压性能、焊接性能、热 处理性能和切削加工性能。（1）铸造性能 指金属用铸造方法制成铸 件，材料所表现出的性能。用 流动性、收缩率和偏析这三个 指标来衡量。流动性 指熔融金属流动的能 力。流动性好的金属，容易充 满铸型，铸件外形完整、尺寸 准确。收缩率 材料的收缩量愈小 ，铸件产生的疏松、缩孔、变 形、裂纹等缺陷愈少。偏析 指铸件凝固后内部化学 成分不均匀现象。材料偏析严 重，铸件各部分的力学性能就 不一致。 基本知识点：铸铁类的铸造性能最好，铝合 金其次；钢的铸造性能较差。（2）锻压性能 指金属用锻压 成形方法获得优良制件的难易程 度。要点：材料的锻压性能，用塑性值和变 形抗力两个指标来衡量。锻压性能好的金属有低碳钢、低 合金钢；黄铜、铝合金在室温下 就有良好的锻压性能；铸铁、高 碳钢等锻压性能差。（3）焊接性能 指金属焊接 时，能否获得优良焊接接头的 能力。要点：优良焊接接头 指焊缝处不 易形成裂纹、气孔、夹渣等缺 陷。焊接性能好的金属：低碳钢、 低合金钢；高碳钢、铸铁和铝 合金的焊接性较差。如用高碳钢、铸铁和铝合金制成 的机件，需与其它机件相连时， 应采用螺纹联接或铆接。（4）热处理工艺性 指材料 是否容易通过热处理获得所需力 学性能而不开裂的能力。基本知识点：高碳钢、中高合金钢，其导热性 较差，加热时采用多段加热规范 ，以防止工件开裂，其热处理性 能较差。低碳钢和低合金钢的导热性好 ，采用一段加热规范，热处理 性能好。（5）切削加工性 指金属 是否易于进行切削加工。用工 件切削后的表面质量及刀具的 寿命来衡量。要点：易断屑，加工出的表面光洁，刀 具寿命长，表明材料的切削加工 性能好。材料硬度在170230HBS,有一定 的脆性最易切削。铸铁、铜铝合金、中碳钢、退 火钢的切削加工性都很好；高 碳钢、白口铸铁很硬，切削性 能差；低碳钢、纯铜很软，切 削时易沾刀，不容易断屑，切 削加工性能差。