第一章材料的机械性能指。 标与常用工程材料 工程机械的机构零件、金属结构、连接件均由黑色金 属、有色金属和非金属等材料加工制成,设计工程机 械时,应考虑材料的机械性能和使用要求合理选择材 料 第一节材料主要机械性能 材料主要机械性能指标有强度(抗拉强度、屈服强 度)、塑性、韧性、硬度和可焊性。 强度(抗拉强度、屈服强度)
第一章 材料的机械性能指 标与常用工程材料 n 工程机械的机构零件、金属结构、连接件均由黑色金 属、有色金属和非金属等材料加工制成，设计工程机 械时，应考虑材料的机械性能和使用要求合理选择材 料。 第一节 材料主要机械性能 材料主要机械性能指标有强度（抗拉强度、屈服强 度）、塑性、韧性、硬度和可焊性。 一、强度（抗拉强度、屈服强度）
下图是常用碳素结构钢的应力一应变曲线图。 1。当应力值小于比例极限σp时,应力与应变之间成正比例关系,其比值即为钢材的 弹性模量E。 2。当应力到达屈服点σs时,应力即使不再增加,应变却会继续增加,应力一应变曲 线成水平段,称为屈服阶段。可近似地认为钢材在应力达到屈服点之前是弹性体,而 在屈服点之后是塑性体。 3。应变超过屈服界阶段之后,钢由于应变硬化,应力一应变曲线开始上升,但应力 与应变之间不再呈线性关系,而应变增加较快,最后达到曲线的最高点,材料出现颈 缩而破坏,称极限强度cb 6
下图是常用碳素结构钢的应力一应变曲线图 。 1。当应力值小于比例极限σp时，应力与应变之间成正比例关系，其比值即为钢材的 弹性模量E。 2。当应力到达屈服点σs时，应力即使不再增加，应变却会继续增加，应力一应变曲 线成水平段，称为屈服阶段。可近似地认为钢材在应力达到屈服点之前是弹性体，而 在屈服点之后是塑性体。 3。应变超过屈服界阶段之后，钢由于应变硬化，应力—应变曲线开始上升，但应力 与应变之间不再呈线性关系，而应变增加较快，最后达到曲线的最高点，材料出现颈 缩而破坏，称极限强度σb
二、钢材的塑性和韧性 钢材的塑性用静力拉伸试验中的延伸率和载面收缩率来衡量。试件总伸长量与原标距之比为引 伸率 延伸率是说明钢材塑性的指标,延伸率大则钢的塑性好,加工容易,承载时虽出现较大变形而并 不破坏 钢材的韧性表征材料破坏前吸收机械能量的能力。测定冲击韧性的试件带有缺口,试件各部分 尺寸如图1.1—2所示。我国目前用带U形缺口的梅氏试件,试验时将试件放在试验机的支架 上,让摆锤冲击没有缺口的一面。摆锤冲断试件所耗的功(N·m)除以试件缺口截面积所得 的商为钢材的冲击韧性 三、硬度 硬度表征材料表面抵抗硬物压入或刻画的能力。硬度试验的方法很多,常用的有布氏硬度和洛 氏硬度 1.布氏硬度 以一定压力F将直径为D的淬硬钢球或硬质合金球压入表面,并保持一段时间(10~30s),在试样 表面形成直径为d的压痕,以压痕单位面积上承受的压力值来衡量材料的硬度。查表就能得 到布氏硬度值。 布氏硬度的优点是测量准确性较高。但因采用的压力较大,压痕也较大,故不宜用来测试成品零 件和较薄的试样,通常用来测试硬度较低的原材料,如退火钢和铜、铝等。 2.洛氏硬度 洛氏硬度也是一种压入式硬度试验法,以压痕深度来衡量材料的硬度。 洛氏硬度的优点是压痕小,测试简便迅速,特别适合在生产现场测试零件硬度,但其测量准确性 不及布氏硬度
二、钢材的塑性和韧性 钢材的塑性用静力拉伸试验中的延伸率和载面收缩率来衡量。试件总伸长量与原标距之比为引 伸率。 延伸率是说明钢材塑性的指标，延伸率大则钢的塑性好，加工容易，承载时虽出现较大变形而并 不破坏。 钢材的韧性表征材料破坏前吸收机械能量的能力。测定冲击韧性的试件带有缺口，试件各部分 尺寸如图1.1—2所示。我国目前用带U形缺口的梅氏试件，试验时将试件放在试验机的支架 上，让摆锤冲击没有缺口的一面。摆锤冲断试件所耗的功（N·m）除以试件缺口截面积所得 的商为钢材的冲击韧性。 三、硬度 硬度表征材料表面抵抗硬物压入或刻画的能力。硬度试验的方法很多，常用的有布氏硬度和洛 氏硬度。 1.布氏硬度 以一定压力F将直径为D的淬硬钢球或硬质合金球压入表面，并保持一段时间（10~30s），在试样 表面形成直径为d的压痕，以压痕单位面积上承受的压力值来衡量材料的硬度。查表就能得 到布氏硬度值。 布氏硬度的优点是测量准确性较高。但因采用的压力较大，压痕也较大，故不宜用来测试成品零 件和较薄的试样，通常用来测试硬度较低的原材料，如退火钢和铜、铝等。 2.洛氏硬度 洛氏硬度也是一种压入式硬度试验法，以压痕深度来衡量材料的硬度。 洛氏硬度的优点是压痕小，测试简便迅速，特别适合在生产现场测试零件硬度，但其测量准确性 不及布氏硬度
表1.1-1常用洛氏硬度标尺及适用范围 标尺压头 载荷(kgf)硬度值有效范适用范围 HRA120°圆锥金刚60 6085 硬质合金、钢的表面 石 硬化层 HRB1588mm钢球 100 25-100 退火钢、铜合金等 HRC120°圆锥金刚150 2067 经淬火、回火的钢片 石
表1.1-1 常用洛氏硬度标尺及适用范围 标尺 压头 载荷（kgf） 硬度值有效范 围 适用范围 HRA 120º圆锥金刚 石 60 60——85 硬质合金、钢的表面 硬化层 HRB ø1.588mm钢球 100 25——100 退火钢、铜合金等 HRC 120º圆锥金刚 石 150 20——67 经淬火、回火的钢片
四、钢材的可焊性 工程杋械结构大多为焊接结构,钢材的可焊性是衡量钢材焊接工艺好坏的指标。人 们通常用焊缝及其相邻的基本金属的抗裂性和使用性能来说明材料可焊性的优劣。 碳素结构钢的可焊性,可以粗略地用碳当量来表示,当碳当量<0.45%时,则认为钢 材的可焊性良好 第二节黑色金属材料 、钢与铸铁 钢及分类 钢是含碳量在0.0218%2.11%之间的铁碳合金。有些钢除了含有铁和碳这两 种必备元素外,还含有其他种类的合金元素,这些钢称为合金钢。不含 合金元素的钢称为碳素钢。钢中常见的合金元素有铬(Cr)、锰 (Mn)、硅(Si)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)等。此外,钢中 还含有少量杂质元素。其中硫和磷会使钢的性能降低,因此高品质的钢 都要严格限制硫和磷的含量
四、钢材的可焊性 工程机械结构大多为焊接结构，钢材的可焊性是衡量钢材焊接工艺好坏的指标。人 们通常用焊缝及其相邻的基本金属的抗裂性和使用性能来说明材料可焊性的优劣。 碳素结构钢的可焊性，可以粗略地用碳当量来表示，当碳当量<0.45%时，则认为钢 材的可焊性良好。 第二节 黑色金属材料 一、钢与铸铁 1．钢及分类 钢是含碳量在0.0218%~2.11%之间的铁碳合金。有些钢除了含有铁和碳这两 种必备元素外，还含有其他种类的合金元素，这些钢称为合金钢。不含 合金元素的钢称为碳素钢。钢中常见的合金元素有铬（Cr）、锰 （Mn）、硅（Si）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）等。此外，钢中 还含有少量杂质元素。其中硫和磷会使钢的性能降低，因此高品质的钢 都要严格限制硫和磷的含量
按化学成份分类 低碳钢(含碳量0.60%) 低合金钢(合金元素总量10% 铸铁及分类 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,在常用的铸铁中,硅也是一种重要元素。 灰口铸铁一般含有2.8%~3.8%的碳,1.0%的~3.0%硅,组织中存在片状石墨。灰口 铸铁的强度、塑性和韧性都较低,但有良好的铸造性、吸震性和可切削性且成 本低廉。制造箱体。 球墨铸铁组织中存在球状石墨,力学性能明显优于灰口铸铁,与钢接近。但铸造性能 不及灰口铸铁,成本也稍高。制造曲轴、连杆等机械零件。 3.工程机械常用钢 工程机械大都以泥沙、岩石为作业对象,工作环境恶劣,在作业中承受较大的冲击载 荷和强烈磨料磨损。因此,工程机械用材要求具有耐疲劳性能、耐磨性、耐冲 击性、低温韧性、耐腐蚀性和良好的可焊性。大部分材料采用碳钢和低合金钢, 如Q235,16Mn,20 CrMnTi,30 CrMnSi等,其中高强度低合金钢,以其高强度 延伸性、耐磨性、低温韧性和可焊性良好而得到越来越广泛的应用。在节省材 料,减轻自重,提高耐磨性方面起到很好的作用。如美国卡特皮勒公司992B装 载机铲斗选用的低合金钢屈服强度达到990MPa
按化学成份分类 低碳钢（含碳量0.60%） 低合金钢 （合金元素总量10% 2．铸铁及分类 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，在常用的铸铁中，硅也是一种重要元素。 灰口铸铁一般含有2.8%~3.8%的碳，1.0%的~3.0%硅，组织中存在片状石墨。灰口 铸铁的强度、塑性和韧性都较低，但有良好的铸造性、吸震性和可切削性且成 本低廉。制造箱体。 球墨铸铁组织中存在球状石墨，力学性能明显优于灰口铸铁，与钢接近。但铸造性能 不及灰口铸铁，成本也稍高。制造曲轴、连杆等机械零件 。 3. 工程机械常用钢 工程机械大都以泥沙、岩石为作业对象，工作环境恶劣，在作业中承受较大的冲击载 荷和强烈磨料磨损。因此，工程机械用材要求具有耐疲劳性能、耐磨性、耐冲 击性、低温韧性、耐腐蚀性和良好的可焊性。大部分材料采用碳钢和低合金钢， 如Q235，16Mn，20CrMnTi，30CrMnSi 等，其中高强度低合金钢，以其高强度， 延伸性、耐磨性、低温韧性和可焊性良好而得到越来越广泛的应用。在节省材 料，减轻自重，提高耐磨性方面起到很好的作用。如美国卡特皮勒公司992B装 载机铲斗选用的低合金钢屈服强度达到990MPa
二、钢的热处理 钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却,使钢得到预期的组织和性能的工 艺方法。钢在进行加热或冷却的过程中,内部组织将发生变化,机械性能发生 变化。但不改变其形状和尺寸。 热处理在机械零件制造中占有重要的地位。例如,钢件毛坯在切削加工之前,可以通 过热处理降低其硬度,以便于切削,加工成零件之后,又可通过热处理提高力 学性能,使零件具有良好的使用性能和较长的使用寿命。 热处理的方法很多,不同的热处理工艺,主要在于加热温度高低、保温时间长短和冷 却速度快慢的不同。 热处理可分为普通热处理工艺和表面热处理。 钢的普通热处理工艺是生产中应用最普通的热处理工艺,包括退火、正火、淬火与回 火四种。 (1)退火退火是把钢加热到临界点以上某一温度保温后缓慢冷却的热处理工艺。对 钢进行退火的目的是:降低硬度以便切削加工;提高塑性、韧性以便于进行变 形加工(冷冲压及冷拔等);消除内应力;改善某些不良组织。 (2)正火正火是将钢加热到完全奥氏体状态,然后从炉中取出,在空气中冷却的热 处理工艺。正火主要用于改善中、低碳钢的可切削性,消除某些钢中的不良组 织。一些性能要求不高的中碳钢零件,也可以在正火后使用,而不必淬火、回 火 (3)淬火淬火是将钢件加热到临界点以上并保温一段时间,然后快速冷印,使奥 氏体转变为马氏体的热处理工艺。为了获得足够快的冷却速度,淬火时通常是 将钢件置于水或油中冷却。由于马氏体具有高硬度(高碳马氏体)或高强度 (低碳马氏体),所以淬火是使钢强化最有效、最重要的方法之
二、钢的热处理 钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，使钢得到预期的组织和性能的工 艺方法。钢在进行加热或冷却的过程中，内部组织将发生变化，机械性能发生 变化。但不改变其形状和尺寸。 热处理在机械零件制造中占有重要的地位。例如，钢件毛坯在切削加工之前，可以通 过热处理降低其硬度，以便于切削，加工成零件之后，又可通过热处理提高力 学性能，使零件具有良好的使用性能和较长的使用寿命。 热处理的方法很多，不同的热处理工艺，主要在于加热温度高低、保温时间长短和冷 却速度快慢的不同。 热处理可分为普通热处理工艺 和表面热处理。 钢的普通热处理工艺是生产中应用最普通的热处理工艺，包括退火、正火、淬火与回 火四种。 （1）退火 退火是把钢加热到临界点以上某一温度保温后缓慢冷却的热处理工艺。对 钢进行退火的目的是：降低硬度以便切削加工；提高塑性、韧性以便于进行变 形加工（冷冲压及冷拔等）；消除内应力；改善某些不良组织。 （2）正火 正火是将钢加热到完全奥氏体状态，然后从炉中取出，在空气中冷却的热 处理工艺。正火主要用于改善中、低碳钢的可切削性，消除某些钢中的不良组 织。一些性能要求不高的中碳钢零件，也可以在正火后使用，而不必淬火、回 火。 （3）淬火 淬火是将钢件加热到临界点以上并保温一段时间，然后快速冷印，使奥 氏体转变为马氏体的热处理工艺。为了获得足够快的冷却速度，淬火时通常是 将钢件置于水或油中冷却。由于马氏体具有高硬度（高碳马氏体）或高强度 （低碳马氏体），所以淬火是使钢强化最有效、最重要的方法之一
(4)回火回火是将淬水后的钢件加热到临界点以下某一温度,保温一般时间后冷却 到室温的热处理工艺。钢件在淬火后强度和硬度将显著提高,但韧性往往降低很 多。此外,淬火时急剧冷却将使钢件产生很大的内应力,内应力可能导致零件变 形甚至开裂,因此钢件在淬火后必须及时进行回火 根据回火温度的高低,回火工艺分为以下三种 低温回火温度为150~250°。可减小钢件的内应力,使韧性有所改善,同时保持高的 硬度和强度。低温回火适用于要求硬度高、耐磨性好的零件,如刀具、量具、冷 冲模、滚动轴承等。 中温回火温度为350~500℃,可显著减小钢件淬火后的内应力,提高弹性,适用于弹 簧 高温回火温度为500~650℃C,可消除内应力,使钢件获得较好的韧性与较高的强度, 亦即通常所说的获得良好的综合力学性能。钢的这种淬火并高温回火的工艺又称 为调质。调质处理适用于中碳钢和中碳合金钢制造的且要求具有良好综合力学性 能的零件,如轴、螺栓、连杆、曲轴等。 3.钢的表面热处理 有些机构零件如齿轮、活塞销、凸轮轴等,在工作时表面易磨损,整体又受较大的动 负荷。这些零件的表面应具备高的硬度和耐磨性,心部应有足够的强度和韧性。 采用普通热处理难以使钢件兼顾到这样表里不一致的性能要求,钢的表面热处理 却能解决这个问题
（4）回火 回火是将淬水后的钢件加热到临界点以下某一温度，保温一般时间后冷却 到室温的热处理工艺。钢件在淬火后强度和硬度将显著提高，但韧性往往降低很 多。此外，淬火时急剧冷却将使钢件产生很大的内应力，内应力可能导致零件变 形甚至开裂，因此钢件在淬火后必须及时进行回火。 根据回火温度的高低，回火工艺分为以下三种： 低温回火 温度为150~250℃。可减小钢件的内应力，使韧性有所改善，同时保持高的 硬度和强度。低温回火适用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如刀具、量具、冷 冲模、滚动轴承等。 中温回火 温度为350~500℃，可显著减小钢件淬火后的内应力，提高弹性，适用于弹 簧。 高温回火 温度为500~650℃，可消除内应力，使钢件获得较好的韧性与较高的强度， 亦即通常所说的获得良好的综合力学性能。钢的这种淬火并高温回火的工艺又称 为调质。调质处理适用于中碳钢和中碳合金钢制造的且要求具有良好综合力学性 能的零件，如轴、螺栓、连杆、曲轴等。 3. 钢的表面热处理 有些机构零件如齿轮、活塞销、凸轮轴等，在工作时表面易磨损，整体又受较大的动 负荷。这些零件的表面应具备高的硬度和耐磨性，心部应有足够的强度和韧性。 采用普通热处理难以使钢件兼顾到这样表里不一致的性能要求，钢的表面热处理 却能解决这个问题
表面淬火表面淬火是对钢件加速加热,在热量来不及传到心部的情况下,表面温度 就升到临界以上,产生奥氏体组织。随即快速冷却,使表面获得马氏体组织,从 而提高表面硬度和耐磨性,钢件心部仍保持原来的组织和性能 此外还有化学热处理:渗碳、渗氮、渗硼、渗铝和渗铬等,以改变表面的化学成分 从而改变表层的组织和性能 型材及应用特点 由钢材轧制成的钢板和型钢是制造工程机械最基本的元件。 钢板有厚钢板和薄钢板,制造支撑板、盖板和封板; 型钢包括等边角钢、不等边角钢、槽钢、普通工字钢、槽钢等。角钢多用作承受轴向 力杆件和支撑杆件,槽钢和工字钢主要用于承受横向弯曲的杆件,钢管由于截面 对称,截面积分布合理,是中心受压杆件的理想截面。 第三节有色金属材料 有色金属是指除钢铁(黑色金属)以外的其他金属。有色金属具有某些特殊的性能 如耐磨性,耐蚀性,导电性,导热性等,所以也是工业上的重要材料。常用的有 铝、铜、镁、钛及其合金。但有色金属一般价格昂贵,只有在需满足某些特殊性 能要求时才采用。 、铝及铝合金 1.纯铝 纯铝呈白色,密度小(2.7g/cm3),熔点低(865°℃),导电性和导热性仅次于银和铜 在大气中有良好的抗腐蚀性
表面淬火 表面淬火是对钢件加速加热，在热量来不及传到心部的情况下，表面温度 就升到临界以上，产生奥氏体组织。随即快速冷却，使表面获得马氏体组织，从 而提高表面硬度和耐磨性，钢件心部仍保持原来的组织和性能。 此外还有化学热处理：渗碳、渗氮、渗硼、渗铝和渗铬等 ，以改变表面的化学成分， 从而改变表层的组织和性能 。 三、型材及应用特点 由钢材轧制成的钢板和型钢是制造工程机械最基本的元件。 钢板有厚钢板和薄钢板，制造支撑板、盖板和封板； 型钢包括等边角钢、不等边角钢、槽钢、普通工字钢、槽钢等。角钢多用作承受轴向 力杆件和支撑杆件，槽钢和工字钢主要用于承受横向弯曲的杆件，钢管由于截面 对称，截面积分布合理，是中心受压杆件的理想截面。 第三节 有色金属材料 有色金属是指除钢铁（黑色金属）以外的其他金属。有色金属具有某些特殊的性能， 如耐磨性，耐蚀性，导电性，导热性等，所以也是工业上的重要材料。常用的有 铝、铜、镁、钛及其合金。但有色金属一般价格昂贵，只有在需满足某些特殊性 能要求时才采用。 一、铝及铝合金 1. 纯铝 纯铝呈白色，密度小（2.7g/cm3）,熔点低（865℃），导电性和导热性仅次于银和铜， 在大气中有良好的抗腐蚀性
2.铝合金 在铝中加入铜、镁、锰和硅等元素制成的铝合金,强度较纯铝有大幅度提高,成为重 要的结构材料。铝合金具有容重小(26500~2800N/m3),强度不比其他钢材低 低温冲击韧性好,耐腐蚀强等优点,在工程机械金属结构中是一种有发展前途的 材料,可以制成重量轻又承受较高负荷的零件。如飞行器外壳。所以铝合金是 种重要的航空结构材料。国外采用铝合金制造汽车起重机吊臂,使起重机金属结 构自重降低40% 铝合金的可焊性较差,弹性模数小(只有钢的三分之一),线膨胀系数高,疲劳强度 低,价格昂贵 铜及铜合金 1.纯铜 纯铜呈红色,又称紫铜,密度为8.9g/cm3,熔点为1083°c,具有优良的导电性和导热 性;化学性质较稳定,有一定耐腐蚀性,塑性好(δ=40%~50%),但强度低 (230~250MPa)。纯铜不宜用作结构材料,主要用于制造导电器材和配制各种 合金 2铜合金 铜合金按照化学成分及外观色泽的特点分为黄铜、青铜和白铜三大类。机械工程上常 用的是黄铜和青铜。 黄铜的机械性能、抗腐蚀性和工艺性能都比较好,并有美观的金黄色光泽,价格较纯 铜和其他铜合金便宜,因此是应用较广泛的铜合金。 青铜的弹性、耐磨性及耐蚀性优于黄铜。可用来制造弹性、耐磨性、耐蚀性更髙的零 件
2. 铝合金 在铝中加入铜、镁、锰和硅等元素制成的铝合金，强度较纯铝有大幅度提高，成为重 要的结构材料。铝合金具有容重小（26500~2800N/m3），强度不比其他钢材低， 低温冲击韧性好，耐腐蚀强等优点，在工程机械金属结构中是一种有发展前途的 材料，可以制成重量轻又承受较高负荷的零件。如飞行器外壳。所以铝合金是一 种重要的航空结构材料。国外采用铝合金制造汽车起重机吊臂，使起重机金属结 构自重降低40%. 铝合金的可焊性较差，弹性模数小（只有钢的三分之一），线膨胀系数高，疲劳强度 低，价格昂贵。 二、铜及铜合金 1. 纯铜 纯铜呈红色，又称紫铜，密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃，具有优良的导电性和导热 性；化学性质较稳定，有一定耐腐蚀性，塑性好（δ=40%~50%），但强度低 （230~250MPa）。纯铜不宜用作结构材料，主要用于制造导电器材和配制各种 合金。 2.铜合金 铜合金按照化学成分及外观色泽的特点分为黄铜、青铜和白铜三大类。机械工程上常 用的是黄铜和青铜。 黄铜的机械性能、抗腐蚀性和工艺性能都比较好，并有美观的金黄色光泽，价格较纯 铜和其他铜合金便宜，因此是应用较广泛的铜合金。 青铜的弹性、耐磨性及耐蚀性优于黄铜。可用来制造弹性、耐磨性、耐蚀性更高的零 件