第一章 机械性能 2课时.docx
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第一章机械性能2课时
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授课时间;200年月日星期2节次
课程
名称
机械基础
授课
班级
普高电气05
普高楼宇05
授课
内容
§1-1概述
§1-2金属的力学性能
教学目的
和要求
1、了解金属材料的主要性能
2、掌握金属材料力学性能的种类及概念，领会其实验方法
3、熟知疲劳强度和金属的蠕变发生的场合
教学重点
1、金属材料力学性能的种类及实验方法
2、金属的蠕变
教学难点
强度、塑性、冲击、韧性、疲劳强度、硬度、蠕变和松弛等的应用和相互关系
复习提问
1、课程的性质和主要内容
2、本课程的主要任务
︵后附详细内容︶
教学过程
一、金属材料的应用
二、金属材料的主要性能
三、力学性能的主要指标：
强度、塑性、冲击、韧性、疲劳强度、硬度、蠕变和松弛
作业布置
1、什么是金属的力学性能？
各包括哪几项主要指标？
各自的定义和符号是什么？
2、有一低碳钢短试样，原直径φ10mm，屈服时拉力为21000N，断裂前最大拉力为30000N，拉断后将试样接起来量得标距长度为133mm，断裂处最小直径为6mm，问该试样的бs、бb、δ和ψ各为多少？
3、机械零件设计时主要用哪两种强度指标？
为什么？
4、屈服强度бs与条件屈服强度б0.2有什么不同？
5、常用的硬度试验方法有哪三种？
各应用范围如何？
6、疲劳破坏是怎样形成的？
金属的蠕变主要发生在什么场合和设备中？
课后小结
1、金属的性能包括使用性能和工艺性能两个方面
2,衡量金属力学性能的主要指标有：
强度、塑性、冲击、韧性、疲劳强度、硬度、蠕变和松弛等
教研室主任签名
第一章金属的性能
§1-1概述
一.金属材料的应用
在供热通风与空调工程、工程机械、电机电器、水泵、通风机、加热设备、制冷设备等得到了广泛的应用。
二.金属材料的主要性能
金属的性能包括使用性能和工艺性能两个方面：
1.使用性能
指金属材料在使用条件下表现的性能，如力学性能、物理性能和化学性能。
2.工艺性能
工艺性能是指金属材料在加工过程中表现出的性能，如铸造性、可锻性、可焊性和切削加工性等。
一般机械在设计和选择材料时是以金属的力学性能的指标作为主要依据。
§1-2金属的力学性能
一、金属力学性能的定义
金属的力学性能就是指金属材料在外力作用时，所表现出的抵抗能力。
二、力学性能的主要指标
主要指标有：
强度、塑性、冲击韧性、疲劳强度、硬度、蠕变和松弛等。
三、强度
（一）定义
强度是指材料在载荷外力作用下抵抗产生塑性变形和破坏的能力。
（二）强度的分类
按载荷（外力）的类型、强度可分为拉伸、压缩、扭转、弯曲、剪切等几种。
（三）金属拉伸强度的应用
按载荷的类型不同，金属的强度指标也不同。
测定金属拉伸强度最普遍，手册与规范上所标出的强度值，一般都指拉伸强度。
（四）拉伸试验
拉伸强度的测定是在拉伸试验机上进行的。
按国家标准将金属材料制成一定形状的拉伸试样。
如图1-1所示。
图1-1钢的标准拉伸试样
d0：
试样直径，毫米；L0：
标距长度，毫米；L：
试样长度，毫米；L=14d0（或9d0）。
其中L0=10d0为长试样；L0=5d0为短试样。
试验时，将标准试件夹在拉伸试验机的两个卡头上，逐渐加拉力直到试样被拉断为止，其拉力的大小可从拉伸试验机的刻度盘上读出。
（五）拉伸曲线
将试件的伸长为横座标，载荷（拉力）为纵坐标，便绘成一条用来表示试件所受载荷（拉力）与其伸长关系之间的曲线，此曲线称为拉伸曲线。
如图1-2所示。
1、弹性变形阶段
由图中可知，当载荷由零逐渐增大到Fe拉伸曲线是一条直线，此时试样伸长和载荷成正比例关系，当载荷Fe去除后，试样可恢复到原来的形状和尺寸，此阶段变形阶段。
图1-2退火低碳钢拉伸图
2、屈服点S
当载荷大于Fe时，卸载后试样只能部分恢复而保留一部分残余变形。
当载荷增加到Fs时，图中出现水平阶段，即表示载荷不增加时，变形继续增加，这种现象称为屈服。
S点叫作屈服点。
3、应力
强度指标通常以“应力”表示。
所谓应力，常用的拉伸强度指标有屈服强度和抗拉强度。
（六）强度的计算
1、屈服强度（бs）
（1）定义
材料产生屈服现象时的应力，称屈服强度，又称屈服极限，用符号бs表示。
（2）计算
（N/mm2）
式中：
Fs—试样产生屈服现象时的拉伸载荷，单位N
A0—试样拉伸前的横截面积，单位mm2
（3）条件屈服强度
很多金属材料，如大多数合金钢、铜合金及铝合金的拉伸曲线，没有明显的水平阶段，脆性材料如普通铸铁、钨合金、镁合金等，甚至断裂之前也不发生塑性变形，因此工程上规定试样发生某一微量塑性变形（0.2%）时的应力作为该材料的屈服强度，称为条件屈服强度，并以符号б02表示。
2、抗拉强度（бb）
（1）定义
材料由开始加载到最后断裂时止，所能承受的最大应力，称为抗拉强度，又称为强度极限，用符号бb表示。
（2）计算
（N/mm2）
式中：
Fb—试样在断裂前的最大应力，单位N
Ao—试样拉伸前的横截面积，单位mm2
四、塑性
（一）定义
塑性是指材料在载荷（外力）作用下，抵抗产生塑性变形而不破坏的能力。
（二）主要指标
常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率。
（三）延伸率（δ）
1、定义
它是指试样拉断后，标距长度的伸长量与原来标距长度比值的百分率。
2、计算
式中
L0—试样原来标距长度，单位㎜
L1—试样拉断后的标距长度，单位㎜
由于对同一材料用不同长度的试样所测得延伸率（δ）的数值是不同的，不能直接进行比较。
短试样（L0=5d0）的延伸率大于长试样（L0=10d0）的延伸率，因此，对不同尺寸的试样应标以不同的符号，长试样用符号δ10表示，通常写成δ；短试样用符号δ5表示。
（四）断面收缩率（
）
1、定义
它是指试样被拉断后，横截面积的收缩量与试样原来横截面积比值的百分率。
2、计算
式中
A0—试样原始横截面积，单位
A1—试样断口处的横截面积，单位
δ和
代表金属材料拉断前发生塑性变形的最大能力，一般来说塑料性材料的δ和
较大，而脆性材料的δ和
较小。
一般δ达5%或
达10%就能满足绝大多数零件的要求。
五、冲击韧性
（1）定义
冲击韧性是指材料在冲击载荷使用下抵抗断裂的一种能力。
用符号ak表示。
（2）试验方法
冲击韧性值是专门的冲击试验机上用一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力。
把要试验的材料，作成标准试样，如图1-3所示。
但在某些工业部门，开始采
，图1-3冲击试验的标准试样图1-4夏氏V型缺口冲击试样
用夏氏V型缺口试样，如图1-4所示。
试验时，试样安放在摆式冲击试验机上的支座上，试样缺口方向应背向摆锤的冲式方向。
然后将试验机上的摆锤举至一定的高度H，然后摆锤自由下落，冲击试样。
测定原理，如图1-5所示。
冲击试样所消耗的功AK，直接由试验机的指针指示盘直接读出。
用Ak除以试样缺口处的横截面积F可计算出冲击韧性值ak。
J/㎝2
式中
AK——冲击试样后所消耗的功，J；
G——摆锤重量，N；
F——试样缺口处的横截面积，㎝2；
H——摆锤举起的高度，m；
h——冲断试样后，摆锤回升的高度，m。
冲击韧性值越大，表明材料的韧性越好。
金属材料在实际使用时，绝大多数是在小能量多次冲击后才破坏的。
图1-5摆式冲击试验机
六、硬度
（一）定义
硬度就是指材料抵抗比它更硬物体压入的能力。
（二）测量硬度的方法
测量硬度的方法很多，常用的试验方法有：
布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
（三）布氏硬度
（1）测量方法
布氏硬度的测定原理如图1-6所示。
它是用一个直径D为10mm
（或5、2.5mm）直径的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在一定的压力P的作用下，压入被测金属表面，并保持一定时间，然后卸去载荷，金属表面形成一个压痕，根据所加压力P的大小和压痕直径d的大小来求布氏硬度值。
当压头为淬火钢球时，符号为HBS；压头用硬质金球时，符号为HBW。
（2）计算
由图1-6所示可计算出
布氏硬度值=0.102×
上式中，P和D是试验时选定的。
（3）布氏硬度与抗拉强度之间的近似关系
低碳钢бb≈3.6HBS高碳钢бЬ≈3.4HBS
调质合金钢бb≈3.25HBS灰口铸铁бb≈
（4）应用
布氏硬度压痕面积较大，故测定的硬度值较准确。
主要用于HBS<450金属材料，如退火、正火、调质及灰口铸铁等零件的硬度，不能检验薄片材料或成品。
（四）洛氏硬度
（1）测量方法
洛氏硬度的测定原理如图1-7所示。
它是用一个顶角为120°的金钢石圆锥体或直径1.588㎜（1/16英寸）的淬火钢球作为压头，在一定的压力F的作用下，压入试样表面，根据压坑深度来确定洛氏硬度值。
规定0.002㎜为一个硬度值。
它没有单位，直接用数字表示。
（2）应用
适用于较软的材料，如有色金属、退火、正火、调质钢等，它的硬度值有效范围在HRB25-100之间。
洛氏硬度法操作简单迅速、简便、压痕小，可测成品及薄层材料，可测最硬的金属与合金。
洛氏硬度计算式为：
HRC=100-
式中
100—常数；
h—主载荷所引起的塑性变形深度，单位mm；
0.002—人为规定，0.002mm压痕深度为1洛氏单位，刻度盘上的一度，单位mm。
布氏硬度和洛氏硬度在数值上仍存在着一定的关系。
当HB=220~250之间，洛氏硬度与布氏硬度值的关系为：
HRC=
HB
七、疲劳强度
（1）定义
疲劳强度就是金属材料在无数次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
（2）疲劳曲线
当交变应力对称时用符号б-1表示。
通常用疲劳曲线来描述，如图1-9所示。
实际上各种金属材料不可能进行无数次的重复试验，故应有一定的应力循环基数。
实践证明，对钢铁材料来讲，如果应力循环基数。
实践证明，对钢铁材料来讲，如果应力循环次数N达到107次仍不断裂，就可以认为该材料能经受无限次应力循环而不会断裂，所以钢以107为基数，同理有色金属和某些超高强度钢常取108为系数。
（3）疲劳强度与抗拉强度之间近似比例关系
金属材料的疲劳强度与抗拉强度之间存在着近似比例关系：
碳素钢б-1≈（0.4~0.55）бb；
灰口铸钢б-1≈0.4бb；
有色金属б-1≈（0.3~0.4）бb；
很多零件虽然在工作时受到的应力在屈服点以内，但经过长时间的工作也会断裂。
八、金属的蠕变
（1）定义
金属材料在高温中及一定应力作用下，随着时间的增加而产生缓慢的连续塑性变形的现象，叫做金属的蠕变。
（2）发生的场合
蠕变现象主要出现在长期处于高温下工作的锅炉、汽轮机、燃汽机、炼油和化工设备长期受热的部位，金属的蠕变在设计、使用和维修中要着重考虑。
实践证明，蠕变是在一定温度下产生的，对于碳钢多在400℃以上才发生蠕变。
发生蠕变现象时间相当长，一般达几百甚至几万小时；应力并不很大，一般低于材料的屈服极限甚至低于弹性极限。
（3）常用的指标
常用的指标有，蠕变极限（蠕变强度），持久极限（持久强度）和持久塑性。
持久塑性是根据试样在一定温度下，经过一定时间发生断裂后的延伸率和断面收缩率来评定的。
蠕变现象的发生，与零件本身的化学成分，组织结构有很大的关系。
为此提高材料的蠕变强度，就要从改善冶炼方法，选择合理的热处理。
选材上要考虑选择耐热钢。
九、金属的松驰
（1）定义
具有恒定总变形的零件，随着时间的延长而自行减低应力的现象，叫做金属的松驰。
（2）发生的场合
在实际中，经常采用螺栓联接。
如热力管线接头处，用螺栓联接两个法兰盘，旋紧螺母产生一个预紧力，使管线紧密的连成一体，防止泄漏。
但在高温下经过一段时间后，螺栓总变形不变，但拉应力自行减小。
为了克服松驰的现象，蒸汽管接头螺栓工作一定时间后必须拧紧一次，以免产生漏水或漏气的现象。
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授课时间;200年月日星期2节次
课程
名称
机械基础
授课
班级
普高电气05
普高楼宇05
授课
内容
§1-3金属的其它性能
教学目的
和要求
1、了解什么是物理性能、化学性能和工艺性能
2、熟知金属工艺性能的主要指标
3、能够根据零部件对切削加工性、金属的铸造性能、金属的可锻性能和金属的可焊性的不同要求选择材料
教学重点
1、物理性能、化学性能和工艺性能的含义
2、工艺的选择
教学难点
根据零部件对切削加工性、金属的铸造性能、金属的可锻性能和金属的可焊性的不同要求选择材料
复习提问
︵后附详细内容︶
教学过程
一、金属材料物理性能
二、金属材料化学性能
三、金属材料工艺性能
作业布置
1、什么是物理性能？
各包括哪几项主要指标？
2、什么是化学性能？
各包括哪几项主要指标？
3、什么是工艺性能？
各包括哪几项主要指标？
4、什么是金属的切削加工性、金属的铸造性能、金属的可锻性能和金属的可焊性？
课后小结
1、物理性能有六项主要指标
2、工艺性能有切削加工性、金属的铸造性能、金属的可锻性能和金属的可焊性四项主要指标
3、化学性能有三项主要指标
教研室主任签名
§1-3金属的其它性能
金属材料除具有力学性能之外还包括物理性能、化学性能和工艺性能。
一、物理性能
不需要发生化学反应就能表现出来的性能，即金属材料导电、导热、导磁的程度，叫做金属的物理性能。
它的主要指标有比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等。
（一）比重
物理单位体积的重量叫做比重。
即一个物体的重量与同等体积水重量的比值。
在常用金属中，比重最重的是锇，比重为22.5；比重最轻的是钾，比重为 ：
0.86；钢材的比重为7.87；纯铜的比重为8.93；纯铝的比重为2.7等。
一般比重在5g/cm3以下的称为轻金属；比重在5g/cm3以上的称为重金属。
同一种金属，温度的高低，成分和杂质的含量都会影响材料的比重。
例如灰口铸铁比重6.6～7.4；低碳钢（含碳0.1%时）比重7.85；中碳钢（含碳0.4%时）比重7.81。
在实际工作中一般利用比重来计算大型零、部件的数量。
（二）熔点
金属和合金从固体状态向液体转变时的深化温度叫做溶点。
金属都有固定的溶点，根据其熔化的难易程度分为：
难熔金属（如钨、钼、铬、钒等）和易熔金属（如锡、铅、锌等）。
在主要的纯金属和非金属中，熔点最高的非金属为碳，熔点为3600℃，熔点最高的纯金属为钨，熔点为3410℃；熔点最低的非金属为磷，熔点为44.1℃；熔点最低的纯金属为锡，熔点为231.9℃。
工业上常用的钢熔点1400～1500℃；生铁1130～1350℃。
对于磨擦和受热大的零件，选用材料时要考虑材料的熔点。
易熔金属可用来进行钎焊，熔点高的金属，可做灯丝、高速钢和硬质合金。
（三）导电性
金属能够导电的性能叫做导电性。
导电性的好坏，用电阻系数表示，电阻系数越小，导电性就越好，一般金属都具有良好的导电性。
银的导电性最好，可以用100%来表示银的导电率，导电性比较差的铋是银的1%。
在制造电机绕组、导线等的材料要具有良好的导电性。
（四）导热性
金属在加热和冷却时能够传导热量的性质，叫做导热性。
导电性好的材料导热性也好。
为比较金属的导热性，设导热性最好的材料银的导热率为1，则铜0.9；铝0.5；铁0.15；汞0.02等。
利用材料的导热性，来考虑材料的加工工艺，如合金钢的导热性差，进行锻造和热处理时，应该用较低的速度进行加热，以免产生裂纹。
在制造散热器，热交换器等要选用导热性好的材料。
（五）热膨胀性
金属在温度升高时，产生体积胀大现象称为热膨胀性。
通常用线膨胀系统来表示，它的单位是金属在温度升高1℃时其单位长度（㎜）所伸长的大小（㎜）。
在生产中，某些场合必须考虑热膨胀的影响。
如测量工件，温度高时尺寸符合要求，冷却后尺寸就变小了。
内燃机气门应具备热膨胀系数小的材料避免热冷转换过程中气门漏气；又如汽轮机中活塞和气缸间隙不能过小，否则，升温后会造成拉缸事故。
（六）磁性
金属的导磁性能，叫做磁性。
具有导磁性的金属材料能被磁铁吸引，如铁、镍、钴等都具有较高的磁性，也称为磁性金属。
但对于某些金属来说，磁性也不是固定不变的，当温度升高时，磁性金属或合金有的会消失磁性，如铁在768℃以上就没有磁性。
在生产中制造永久磁铁，电动机变压器铁芯等要选用硬磁钢等。
二、化学性能
金属材料在室温或高温条件下与其它物质发生化学变化的性能，叫做金属的化学性能。
它的主要指标有耐腐蚀性，抗氧化性和化学稳定性等。
（一）耐腐蚀性
金属材料在室温条件下抵抗氧，水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，叫做耐腐蚀性。
腐蚀对金属材料的危害很大，腐蚀不仅使金属材料本身受到损失，严重时还会使金属结构遭到破坏以及引起重大伤亡事故。
这样现象在供热、空调、制药、化肥、制酸、制碱设备中要引起足够的重视，根据腐蚀介质的不同选择不同抗腐蚀的材料。
（一）抗氧化性
金属材料在加热时抵抗氧气氧化作用的能力，叫做抗氧化性。
金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。
因此在加热时常在坏件或材料的周围制造一种还原气氛和保护气氛，以免金属材料的氧化。
（三）化学稳定性
化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。
金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。
如工业用的锅炉，加热设备、汽轮机、蒸气泵等设备中的许多零部件都是在高温下工作的，对制造这些设备零部件的材料要求具有良好的热稳定性。
三、工艺性能
所谓工艺性能是金属材料在冷、热加工中表现出来的性能。
它是物理、化学、机械性能的综合。
金属工艺性能的主要指标有切削加工性、铸造性、可锻性和可焊性。
（一）金属的切削加工性
金属材料在用切削方法加工时，所反映出来的难易程度，称为金属的切削加工性。
切削加工性好的金属材料，在加工时，切削刀具的磨量小，进刀量大加工的表面质量也比较好。
在现代机械制造中，绝大多数零件都要进行切削加工。
因此，切削加工在机械设备制造过程中占有重要的地位。
（二）金属的铸造性能
金属材料能否用铸造的方法制成优良铸件的性能，称为铸造性能。
铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。
凡流动性好，收缩性小和偏析倾向小的金属材料，则铸造性良好。
常用的钢铁材料中，铸铁具有优良的铸造成性，而钢的铸造成性低于铸铁。
（三）金属的可锻性能
金属材料在热压力加工过程中，所反映出的加工易难程度。
可锻性与材料的变形抗力和塑性有关。
变形抗力愈小，塑性愈高，则可锻性愈好。
一般说，含碳量低的钢比含碳量高的钢具有较好的可锻性。
而铸铁不可锻造。
（四）金属的可焊性
金属材料在采用一定焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。
焊接性是产品设计，施工准备及正确拟定焊接工艺的重要依据。
一般情况下，钢材的焊接性用抗裂性来评定。
可焊性好的金属材料能获得没有裂纹、气孔等缺陷的焊缝，易于用一般的焊接工艺。
可焊性较差或可焊性不好的金属材料，则必须采用特定的工艺进行焊接。
对于以上工艺性能的四项指标来看，任何一种金属材料都不可能同时满足所有的指标，故在设计、选材等具体问题上要有侧重。
如对于做构件的材料主要保证可焊性；对机械零件，要锻造的在保证切削性前提下同时要保证可锻性；对于铸造毛坏的机械零件，尤其结构复杂的构件在保证切削性的前提下要保证铸造性，对于以切削加工为主的零件一般均要保证切削性。
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