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第一章　金属材料与热处理基础 学习目的： 　　通过本章的学习具备所必需的机械用的金属材料基本知 识。 学习要求： 　　了解金属的力学性能指标及常用数据。 　　了解钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和 应用范围。 　　掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。 　　初步具有选择工程材料的能力。 第一节　金属的力学性能 材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学 性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。 　　一、强度 　　强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 　　强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在 试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。 在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。 此曲线叫做拉伸曲线。 　　1．拉伸曲线 　　图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐 标表示绝对伸长量△L，单位为mm。 从图2-1中可以看出下面几个变形阶段： 　　（1）Oe———弹性变形阶段 　　（2）es———屈服阶段 　　（3）sb———强化阶段 （4）bk———缩颈阶段 2．强度指标 　　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称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。 　　（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。 　　　　σs= Fs/AO （2-1） 式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。 　　对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2％原长时的应力σ0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。 　　　　σ0.2= F0.2/AO （2-2） 　　（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。 　　　　σb= Fb/AO （2-3） 式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。 二、塑性 　　金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。 　　1．断后伸长率δ 　　试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比 δ=(L1—L0)/L0×100％ （2-4） 式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。 　　2．断面收缩率ψ 　　试样拉断处ψ=×100％横截面积的缩减量与原始横截面积之比 　　ψ= =(A0—A1)/AO ×100％　　　　（2-5） 　　式中，Ao是试样的原始横截面积；A．是试样断口处的横截面积。 　三、硬度 　　硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 　　常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。 　　1．布氏硬度试验法 　　如图2-2所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，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，压头为淬火钢球时用HBS表示，压 头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS， 450HBW。 2．洛氏硬度试验法 　　采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头．如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。 四、冲击韧度 　　对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。 　　冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，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。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。 　五、疲劳强度 　　在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。 　　疲劳强度σ-1是表示材料以周期性交变