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机械加工原理及加工工艺设计 第1章 工程材料的基本知识 一 目的与要求 了解材料的力学性能和各状态的组织结构。 掌握金属的强度、硬度、韧性，并能够判断出金属的机械性能的优劣。 掌握铁碳合金相图。 二 教学内容 本章将介绍常用工程材料的概况与分类，其中重点分析金属材料的力学性能,包括强度（屈服强度、抗拉强度）塑性、硬度冲击韧性、疲劳强度；并将介绍铁碳合金相图、铁碳合金的基本组织、含碳量对铁碳含金组织与性能的影响及铁碳合金相图的应用。 三 重点与难点 1、金属的强度、硬度、韧性。 2、铁碳合金相图及其应用。 第1章 工程材料的基本知识 1.1 金属材料 1.1.1 金属材料的力学性能 1.强度和塑性 (1)强度 金属材料在外载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度，强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度之间有一定的关系，工程上应用最普遍的是屈服强度和抗拉强度。 图1-1 标准拉伸试样 (2)塑性 ①伸长率 试样拉断后的标距伸长量与原始标距长度的百分比称为伸长率，用符号δ表示，即 2.硬度 硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。即抵抗局部塑性变形的能力。一般来说，硬度越高，耐磨性越好，强度也比较高。 在目前生产中，测定硬度的方法最常用的是压入硬度法。 测定硬度的方法很多，生产中应用广泛的有布氏硬度和洛氏硬度测试法。 （1）布氏硬度 布氏硬度的测定原理是用一定直径D的压头，在规定载荷F的作用下，压入被测金属表面，如图1-3所示，经规定的保持时间后，卸除载荷，测量被测试金属表面上所形成的压痕直径d，用载荷与压痕球形表面积的比值作为布氏硬度值，用符号HBS(用淬火钢球作压头)或HBW(用硬质合金球作压头)表示。 布氏硬度的计算方法 请同学们思考： 1、120HBS10/1000/30的含义？ 2、180HBS15/1200/50的含义？ （2）洛氏硬度 洛氏硬度的测定原理是用顶角为120°的金刚石圆锥体压头或直径为1.588mm的淬火钢球压头，在初载荷与初、主载荷先后作用下，将压头压人被测金属表面，经规定的保持时间后卸除主载荷，根据残余压痕深度来确定金属的洛氏硬度值。 洛氏硬度试验原理示意图 2-2为加入主载荷后，压头压人深度为c处的位置；3-3为卸除主载荷后，被测金属弹性变形恢复，使得压头向上回升压人深度为d处的位置。于是．压头受主载荷作用实际压人被测金属表面产生塑性变形的压痕深度为bd，用bd值的大小来衡量被测金属的硬度。若bd值愈大，则被测金属的硬度愈低，反之，则愈高。为适应习惯上数值愈大，硬度愈高的概念，常用一常数K减去bd／0.002作为硬度值。 洛氏硬度用符号HR表示，可以直接由硬度计表盘上读出，无单位。 常用洛氏硬度的实验条件及应用范围 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 （3）硬度与抗拉强度的关系 下列公式为经验公式，供参考： 低碳钢(＜176 HBS) σb ≈3.6 HBS(MPa) 高碳钢(＞175 HBS) σb≈3.45 HBS(MPa) 合金调质钢 σb≈3.25 HBS(MPa) 灰铸铁 σb≈0.98 HBS(MPa) 3.冲击韧性 金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。金属材料的冲击韧性是通过冲击试验测定的。 冲击韧性值愈大，则材料的韧性愈好；反之，则韧性愈差，脆性愈大。在试验中发现，冲击韧性值的大小与试验的温度有关。为了测定金属材料开始发生这种冷脆现象的温度，可在不同温度下进行一系列冲击试验。 温度对冲击韧性值的影响 3.疲劳强度和蠕变强度 （1）疲劳强度 金属材料经受无数次交变载荷作用而不引起断裂的最大应力称为材料的疲劳强度，疲劳强度的测定方法依据CB/T 4337-1984《金属旋转弯曲疲劳试验方法》进行。 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳强度。 （2）蠕变强度和持久强度 金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂的现象称为蠕变。在长期高温载荷的作用下，金属材料对塑性变形的抵抗能力称为蠕变强度。金属材料抵抗断裂的能力称为持久强度。对于在高温条件下工作的零件，必须考虑蠕变强度或持久强度。 1.1.2 铁碳合金相图 1.铁碳合金的基本组织 工铁碳合金在液态时可以无限互溶，在固态下，碳可溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过固态溶解度时，则可形成化合物(如Fe3C)。此外，还可形成由固溶体