第一章 金属材料及机加工基础知识

第一节 金属材料的性能

金属材料的性能一般可分为两类：即使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料使用过程应具备的性能，其中包括机械性能（如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度），物理性能（如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性）和化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性）。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺应具备的性能（如铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理）。

实践证明，大部分的机械零件在使用过程中，用于传递动力和运动的，因此在设计、制造和选材时，以机械性能为主要依据。机械性能是指金属在外力作用下所表现出来的特性。常用机械性能指标主要有以下几种。

一、金属材料的强度和塑性

材料受到外力的作用时，会引起其尺寸与形状的改变，这种外力叫载荷(或称负荷)，而这种尺寸与形状的改变则叫变形。载荷与变形的关系可由拉伸试验测定。拉伸试验就是把制成规定形状和尺寸的试样装在拉伸试验机上，对试样(以低碳钢为例)缓慢施加拉力(即静载荷)，使之不断产生变形，直到拉断试样为止(试验方法详见GB 228—87《金属拉伸试验》)。再根据拉伸试验过程中的载荷大小和对应的变形量关系，便可画出材料的拉伸曲线来。图1—1为低碳钢的拉伸曲线。图中的纵轴表示载荷，横轴表示变形量，可以从图上确定出材料的一些常规机械性能指标。

（一）强度

材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。强度特性的指标主要是屈服强度和抗拉强度。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(又称内

力)，其大小和外力相等，方向相反。材料单位

面积上的抵抗力称为应力。强度的大小，就是用应力来度量的。

1．屈服强度(屈服极限，屈服点)

由图1—1可知，当载荷增加到Fs时，如果不再继续增加载荷，则试样仍能继续伸长，这种现象叫屈服。将开始发生屈服现象时的应力，也即开始出现塑性变形时的应力，叫做屈服强度，以符号σ

s

图1—l 低碳钢的拉伸曲线

屈服强度代表材料抵抗微量塑性变形的能力。它是设计零件时选用材料

的重要依据。例如，为了保证气缸盖和气缸体之间的密封性，缸盖螺栓是不允许发生塑性变形的。所以，设计缸盖螺栓时就以屈服强度作为计算依据。

2．抗拉强度(强度极限)

材料在受拉力过程中，在发生断裂以前所能承受的最大应力值叫抗拉强度，以符号σb表示。σ

b

可由（1-1）式计算：

FbS0 σb＝(MPa) （1-1）

其中 Fb—试样发生屈服现象时的载荷（Ｎ） Sσ—试样的原始截面面积（M）

抗拉强度是设计和选材的主要依据之一。表1-1列出了一些金属材料的抗拉强度值。

表l－1几种金属材料的抗拉强度值

材料 优质中碳碳素结构钢 常用合金调质钢 铬不锈钢(1Crl3,2Crl3) 灰铸铁 铁素体球墨铸铁 常用硬铝 抗拉强度σb(MPa) 460～690 800～1150 550～650 100～400 400～420 300～420 2

工程上所用的材料，不仅希望具有较高的强度，还希望具有一定的屈强比(强度与屈服度的比值)屈强比愈小，结构零件的可靠性愈高，万一超载，也能由于塑性变形而使材料的强度提高，不致立刻断裂。但如果屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低，因此一般希望屈强比大些。不同的材料有不同的屈强比，例如碳素钢一般为0.6左右，低合金钢一般为0.65～0.75，合金结构钢一般为0.85。

（二）塑性

金属材料在外力作用下发生显著变形而不破坏的能力叫塑性。常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。

1．伸长率

试样在拉伸断裂后的总伸长量与原来长度比值的百分率，称为伸长率。

2．断面收缩率

试样受拉伸断裂后，试样截面的缩减量与原始截面面积比值的百分率，称为断面收缩率。 伸长率与断面收缩率也是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。表1—2列出了一些金属材料的伸长率值。

表1-2几种金属材料的伸长率值

材料 伸长率δ5(％) 优质中碳碳素结构钢 常用合金调质钢 铬不锈钢(1Crl3、2Crl3) 铁素体球墨铸铁 常用硬铝。 12～23 9～15 20～25(δ10) 10～17 15～24(δ10)

材料塑性的好坏，对零件的加工和使用都具有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性较好，可进行压力加工；普通铸铁的塑性很差，不能进行压力加工，但能进行铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，能保证不致因稍有超载而突然破断，这就增加了材料使用的安全可靠性。因此，对于材料的塑性指标是有一定要求的。

二、硬 度

硬度是衡量材料软硬的一个指标。硬度的物理意义随着试验方法的不同而不同。在应用最广泛的压入法硬度试验中，硬度是指金属抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便、迅速，又属无损检验，所以，无论在生产上和科研中应用十分广泛。

压入法是用一定的静载荷(压力)把一定尺寸的压头压入材料表面，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大或压痕愈深，则硬度愈低。按照压头和压力的不同，常用的硬度试验指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。

（一）布氏硬度

将一个一定直径D的硬钢球，在一定载荷p使用下压入所试验的金属材料表面，并保持数秒钟以保证达到稳定状态．，然后将载荷卸除。用带有标尺的低倍显微镜测得表面的压痕直径d，再从硬度换算表上换算成布氏硬度值。材料越硬，压痕的直径就越小，布氏硬度值越大；反之，材料越软，压痕的直径就越大，布氏硬度值越小。(详见GB 231—84《金属布氏硬度试验方法》)。 布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。

布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定灰口铸铁、结构钢、有色金属及非金属材料等的硬度。其缺点是压痕较大易损坏成品的表面，也不能检验薄片材料。

应尽量避免将布氏硬度换算成其他硬度或抗拉强度。当必须进行换算时，应按有关规定换算。

（二）洛氏硬度

洛氏硬度试验，是用顶角为120°的金刚石圆锥压头或直径为1.588 mm的淬火钢球压头，在先后施加两个载荷(初载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面来进行的。总载荷F为初载荷F0和主载荷F1之和，即F=F0＋F1 。

洛氏硬度值是施加总载荷并卸除主载荷后，在初载荷下，从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出的(无单位)。若压痕深度残余增量愈大，则刻度盘的硬度示值愈小，即材料愈软。反之，刻度盘的硬度示值愈大，即材料愈硬。

洛氏硬度试验方法的优点是操作迅速、简便，压痕小，不损伤试样表面，硬度值的测量范围也较大，故应用范围很广，可用于测定钢铁、有色金属、硬质合金以及工程塑性等材料的硬度。其缺点是由于洛氏硬度试验的压痕较小，其准确性不如布氏硬度高，所测硬度值的重复性差，也易受试样微小区域不均匀的影响。

三、冲击韧性

以很快的速度作用于零件上的载荷称为冲击载荷。许多机器零件在工作时会遇到冲击载荷。如火车在开车、刹车或改变速度时，车辆间的挂钩、连杆以及曲轴等都将受到冲击。另外，还有一些机械本身就是利用冲击载荷工作的，如锻锤、冲床、凿岩机、铆钉等，其中一些零件必然要受到冲击。对于承受冲击载荷的零件的机械性能就不能只以强度和硬度指标来衡量了。这是因为一些强度较高的金属，在冲击载荷的作用下也往往会发生脆断。因此，对于这种承受冲击载荷的零件，还要求具有一定的冲击韧性。

材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性。用金属夏比(u型缺口)冲击试验方法(详见GB 229—84)，其冲击韧性值以αKU表示。冲击韧性值的测定是在专门的冲击试验机上进行的。

应当指出，经实践证明，这种在一次冲断条件下确定的冲击韧性，对于判别材料抵抗大能量冲击能力方面，是有一定作用的。实际上，生产中的许多机件一般总在多次(>103)冲击之后才会断裂，而不是一次或少数几次冲击就断裂的，所承受的冲击能量也远小于一次冲击断裂的能量，所以把这种冲击叫做小能量多次冲击，简称多次冲击。对于材料承受多次冲击的阐题，冲击能量低时，材料的多次冲击抗力主要取决于材料的强度；冲击能量高时，材料的多次冲击抗力主要决定于材料的塑性。例如，目前广泛采用球墨铸铁制造柴油机的曲轴，其冲击韧性值虽仅为15J／cm，但运转较好。因此，冲击韧性值一般只作设计和选材的参考。

四、疲 劳 许多机械零件，如各种轴、齿轮、弹簧等，经常受到大小不同和方向变化的交变载荷作用。这种交变载荷常常会使材料在小于其强度极限，甚至小于其弹性极限的情况下，经多次循环后并无显著的外观变形却会发生断裂。这种现象叫做材料的疲劳。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示示脆性或塑性的材料，在疲劳断裂时，事先都不产生明显的塑性变形。断裂往往是突然发生的，因此具有很大的危险性，常常造成严重事故。 机器零件在使用过程中，不允许产生疲劳破坏，因此在交变载荷作用下工作的零件，应能在无数次交变载荷(钢常以107周次为基数)作用下不致断裂。材料在长期经受交变载荷下，不致引起断裂的最大应力，称为疲劳强度。光滑试样的对称弯曲疲劳强度用σ-1表示，其值是在专门的疲劳试验机上测定的。

金属的疲劳强度同很多因素有关。人们可通过改善零件结构形状，避免应力集中，改善表面粗糙度和进行表面热处理等措施来提高材料的疲劳强度。

2