机械工程师中级职称资格考试指导书精编版Word文档格式.docx

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标准推荐，基孔制的间隙配合、轴的基本偏差用a，b，c，d，e，f，g，h；

过渡配合用js，k，m，n；

过盈配合用p，r，s，t，u，v，x，y，z。

零件单一实际要素（指构成零件几何特征实际存在的点、线、面）形状所允许的变动全量称为形状公差。

关联实际要素（指对其他要素有功能关系的实际要素）的位置对基准所允许的变动全量称为位置公差。

形状和位置公差简称为形位公差。

表而粗糙度指已加工表面波距在lmm以下的微观几何形状误差。

表面粗糙度由加工过程中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因造成。

同一表面粗糙度值Ry＞Rz＞Ra，且Ry值约为Ra值的8倍。

一般表面粗糙度标注优先采用Ra值。

尺寸链是在零件加工或机器装配过程中，由相互联接的尺寸形成的封闭尺寸组。

按尺链的形成和应用场合，尺寸链可分为工艺尺寸链和装配尺寸链。

在零件加工过程中，由同零件有关工序尺寸所形成的尺寸链，称为工艺尺寸链。

在机器设计和装配过程中由有关零设计尺寸所形成的尺寸链，称为装配尺寸链。

按尺寸链各环的几何特征和所处空间位置，尺寸链可分为直线尺寸链、角度尺寸链、面尺寸链和空间尺寸链。

第二部分工程材料

2.1金属材料

金属材料的主要性能包括工艺性能和使用性能。

工艺性能是指金属材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度。

使用性能是指金属材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。

力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。

其主要指标有硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。

材料的力学性能主要取决于材料的组分和晶体结构。

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

硬度是材料的重要力学性能指标。

一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。

材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

硬度和其他力学性能之间存在一定关系。

金属材料的布氏硬度HBS与抗拉强度σb在一定硬度范围内存在线性关系，即σb=KHBS，钢铁材料和铝合金K值约为3.3～3.5，铜及铜合盆约为4.8～5.3。

根据洛式硬度换算σb=－801.24＋50.08×

HRC。

对于刀具、冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨损失效的零件，其磨损抗力和材料的硬度成正比，硬度是决定耐磨性的主要性能指标。

对于承受接触疲劳载荷的零件如齿轮、滚动轴承等，在一定硬度范围内提高硬度对减轻麻点剥落是有效的。

用硬度作为控制材料性能的指标时，必须对热处理工艺作出明确的规定，设计零件时在图样上除注明材料外，还必须注明热处理技术条件和热处理后达到的硬度（硬度应有一定范围，一般波动为5个HRC）。

生产中常用的硬度测试方法有布氏（HB）硬度测试法、洛氏（HR）硬度试验方法和维氏（HV）硬度试验方法三种（HS-肖氏硬度）。

（一）布氏硬度试验法

布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P（kgf或N）的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间t后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。

布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；

后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料，如淬火钢等。

布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。

试验数据稳定，重复性强。

检测布氏硬度时，检测面应是光滑的，表面粗糙度一般为Ra<

0.8μm，试样厚度至少应为压痕直径的10倍。

试验时，压痕中心应距试样边缘≥4d，当材料硬度<

35HBS时应为6d。

相邻两个压痕之间的间隔必须大于压痕直径的3倍以上。

布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。

（二）洛氏硬度试验法

洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。

洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°

的金刚石圆锥体或直径为（1.558mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。

常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。

洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验，热处理质量检验。

缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度较大。

常用于检查淬火后的硬度。

（二）维氏硬度试验法

维氏硬度试验的压头是两对面夹角α为136°

的金刚石四棱锥体。

压头在试验力F的作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度d，用以计算压痕的表面积A。

l）金属维氏硬度试验方法。

试验力范围为49.03～980.7N，共分六级，主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。

2）金属小负荷维氏硬度试验方法。

试验力范围为1.961～49.03N，共分七级，主要用于测定较薄工件和具有较浅硬化层零件的表面硬度，也可测表面硬化零件的表层硬度梯度或硬化层深度。

3）金属显微硬度试验方法。

试验力范围为18.07×

10-3～1.961N，共分五级，主要用于测量微小件，极薄件以及具有极薄的表面层的硬度以及合金中组成相的硬度。

维氏硬度不仅试验力可任意选取，而且压痕测量精度高，硬度值准确。

缺点是硬度值需通过测量压痕对角线长度后进行计算或查表，效率较低。

其他还有努氏硬度（HK）试验，它是一种显微硬度的试验方法，对表面淬硬层或镀层，渗层等薄层区域的硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便；

肖氏硬度（HS）试验也是一种动载荷试验法（也称回跳硬度），较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，其缺点是硬度测量精度较低；

里氏硬度（HL）试验法，是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等、精度较高，可自动转换成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出测量结果，被测表面的粗糙度应达到Ra=2μm，表面清洁，不得有油污，被测零件的重量≥100g，厚度＞5mm，硬化层深度＞0.8mm。

习题1.材料的基本力学性能主要包括哪此内容？

答：

力学性能主要指标有硬度、强度、塑性、韧性等。

硬度：

制造业中，通常采用压入法测量材料的硬度，按试验方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬度（HR）、维氏硬度（HV），表达材料表面抵抗外物压入的能力。

布氏硬度（HB）是用一定载荷将淬火钢球压入试样表面，保持规定时间后卸载，测得表面压痕的面积后，计算出单位面积承受的压力，为布氏硬度值（HB），单位是kgf/mm2，通常不标注；

布氏硬度（HB）测试法一般用于HB<

450。

洛氏硬度（HR）以压痕深浅表示材料的硬度。

洛式硬度有三种标尺，分别记为HRA、HRB和HRC，采用不同的压头和载荷。

生产中按测试材料不同，进行选择，有色金属和正火钢，选用HRB，淬火钢选用HRC；

硬质合金、表面处理的高硬层选用HRA进行测量。

维氏硬度（HV）根据单位压痕表面积承受的压力定义硬度值，压头为锥角136度金钢石角锥体，载荷根据测试进行选择，适用对象普遍。

肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定义为一定重量的具有金钢石圆头和钢球的标准冲头从一定高度落下，得到的回跳高度与下落高度的比值，适用于大型工件的表面硬度测量。

强度：

常用的强度指标为屈服强度σs，通过拉伸试验确定，定义为材料开始产生塑性变形的应力，其大小表达材料抵抗塑性变形的能力，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。

抗拉强度σb是材料产生最大均匀变形的应力。

σb对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。

设计时以抗拉强度确定许用应力，即[σ]＝σb/K（K为安全系数）。

塑性：

通过拉伸试验确定塑性指标，包括伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ），分别定义为断裂后试样的长度相对伸长和截面积的相对收缩，单位是％。

它们是材料产生塑性变形重新分布而减小应力集中的能力的度量。

δ和Ψ值愈大则塑性愈好，金属材料具有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件。

塑性还可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然断裂。

韧性：

冲击韧度指标αk或Ak表示在有缺口时材料在冲击载荷下断裂时塑性变形的能力及所吸收的功，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，单位为kgf·

m/cm2。

δ和ψ数值大小只能表示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能表示复杂应力状态下的塑性，即不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸对零件断裂强度的影响，因此不能可靠地避免零件脆断。

标准件厂在螺栓或螺钉成品检验时都必须随机抽样对螺栓或螺钉实物进行偏斜拉伸试验。

冲击韧度指标αk或Ak、表征在有缺口时材料塑性变形的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了δ和ψ的不足。

在设计中对于脆断是主要危险的零件，冲击韧度是判断材料脆断抗力的重要性能指标。

其缺点是αk或Ak不能定量地用于设计，只能凭经验提出对冲击韧度值的要求。

若过分追求高的αk值，结果会造成零件笨重和材料浪费。

尤其对于中低强度材料制造的大型零件和高强度材料制造的焊接构件，由于其中存在冶金缺陷和焊接裂纹，此时，仅以冲击韧度值已不能评定零件脆断倾向的大小。

应当指出，在冲击载荷作用下工作的零件，实际承受的载荷是小能量多次重复冲击，这与αk值的实验条件不同，因此材料承受小能量多次重复冲击的能力主要决定于强度，而无需过高的冲击韧度。

材料经受无数次重复交变应力作用而不致引起断裂的最大应力，此种应力称为疲劳强度，用σ-l表示弯曲疲劳强度。

试验规范规定：

钢的循环次数以107为基数，非铁合金或某些超高强度钢取108为基数。

疲劳断裂的原因是由于材料内部缺陷，表面伤痕及在工作中零件局部应力集中，导致微裂纹的产生。

这些微裂纹在交变应力作用下，随循环次数增加而逐渐扩展，使零件有效截面减小，从而导致突然断裂。

为了提高零件的疲劳强度，在设计时可通过改变零件结构的形状，避免应力集中。

加工时改善表面粗糙度，采取表面处理、滚压和喷丸等措施，以提高材料的疲劳强度。

习题5.常用材料硬度的测定法有哪三种？

它们主要适应于检验什么材料？

（1）硬度（HB）测定法：

布氏硬度测定是用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，测量压痕球形面积A（mm2）。

布氏硬度（HB）就是试验力F除以压痕球形面积A所得的商。

（2）洛式硬度（HR）试验：

洛式硬度试验所用的压头有两种。

一种是圆锥角ɑ＝120°

的金钢石圆锥体；

另一种是一定直径的小淬火钢球。

常的三种洛式硬度如表2.1-2所示。

洛氏硬度试验常用于检查淬火后的硬度。

标尺符号压头类型总试验力F（N）测量硬度范围应用举例

AHRA金钢石圆锥5.88422-88硬质合金、表面薄层硬化钢

BHRBΦ1.558钢球980.720-100低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁

CHRC钢金石圆锥147120-70淬火钢、高硬铸件、珠光体可锻铸铁

（3）维氏硬度（HV）试验：

维氏硬度试验适用于常规材料，其压头是两对面夹角ɑ＝136°

的金钢石四棱锥体。

测量出压痕对角线平均长度并计算压痕的表面积A（mm2），得到HV＝0.1891F÷

d2。

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。

抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；

对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

从图2.1-1可看出，钢在低于弹性极限σe的应力下，应力和应变成正比，服从虎克定律，即σ=Eξ称为线弹性变形，式中E为拉伸杨式模量。

显然比例极限σp是应力和应变成正比的最大应力，而弹性极限σe则是不产生塑性变形的最大应力。

当应力超过弹性极限σe后，在继续发生弹性变形的同时，开始发生塑性变形并出现屈服现象，即外力不增加，但变形继续进行。

显然，屈服极限σs是材料开始产生塑性变形的应力。

当应力超过屈服极限

σs后，随着应力增加，塑性变形逐渐增加，并伴随加工硬化，即塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，产生均匀塑性变形，直至应力达到抗拉强度σb后均匀塑性变形阶段结束，试样开始产生不均匀集中塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大至K点而发生断裂。

显然，抗拉强度σb是材料产生最大均匀变形的应力，而断裂强度σK则是材料发生断裂的应力。

除低碳钢外，正火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料也具有上述类似的应力—应变行为。

σs是强度设计中应用最多的性能指标，设计中规定零件工作应力σ必须小于许用应力[σ]。

即

K—安全系数。

按此式计算材料的屈服强度σs愈高，承载能力愈大，零件的寿命越长。

实际上不能一概而论。

对于纯剪或纯拉伸的零件，例如螺栓，σs可直接作为设计的依据，并取K=1.1～1.3；

对于承受交变接触应力的零件，由于表面经热处理强化（渗碳、渗氮、感应加热淬火），疲劳裂纹多发生在表面硬化层和心部交界处，因而适当提高零件心部屈服强度对提高接触疲劳性能有利；

对于低应力脆断零件，其承载能力已不是由材料的屈服强度来控制，而是决定于材料的韧性，此时应适当降低材料屈服强度；

对于承受弯曲和扭转的轴类零件，由于工作应力表层最高，心部趋于零，因此只要求一定的淬硬层深度，对于零件心部的屈服强度不需过高的要求。

需要指出的是大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。

抗拉强度对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。

设计时以抗拉强度确定许用应力，即[σs]=σb/K。

而对于塑性材料制作的零件，σb虽然在设计中没有直接意义，但由于大多数断裂事故都是由疲劳断裂引起的，疲劳强度σ-1与抗拉强度σb有一定关系。

对于钢，当σb<

1400MPa时，σ-1/σb=0.5；

对于灰铸铁σ-1/σb=0.4；

有色金属σ-1/σb=0.3～0.4。

通常以抗拉强度来衡量材料疲劳强度的高低，提高材料的抗拉强度对零件抵抗高周疲劳断裂有利。

此外，抗拉强度对材料的成分和组织很敏感。

两种材料的成分或热处理工艺不同，有时尽管硬度相同，但抗拉强度不同，因此可用抗拉强度作为两种不同材料或同一种材料两种不同热处理状态的性能比较标准，这样可以弥补硬度作为检验标准的不足之处。

习题2.设计中的许用应力[σ]与材料的强度有何关系？

如何确定设计中的许用应力？

设计中规定零件工作应力σ必须小于许用应力[σ]，即屈服强度除以安全系数的值σ≤[σ]＝σs÷

K，式中K—安全系数，σb对设计塑性低的材料，如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的具有直接意义。

设计时以抗拉强度σb确定许用应力，即[σ]＝σb÷

K（K为安全系数）。

弹性模量（E）（等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力）

刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。

工程中弹性模量E被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。

设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量。

金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。

导热差的材料，在经热处理或锻压工艺加工的加热速度应缓慢些，以防止产生裂纹。

金属材料的化学性能是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。

金属材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理工艺性能。

晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列；

非晶体中的这些质点，则是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。

这就是晶体和非晶体的根本区别。

晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。

最典型、最常见的三种晶体结构类型：

体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。

晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。

最常见的点缺陷是空位和间隙原子，因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。

晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。

晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。

所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。

因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。

面缺陷即晶界和亚晶界。

晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层。

晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。

亚组织之间的边界称为亚晶界。

亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。

晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。

晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。

晶界还有耐蚀性低、熔点低，原子扩散速度较快的特点。

晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高。

对于在较低温度下使用的金属材料，一般总是希望获得细小的晶粒。

在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。

金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶。

而一般非晶体由液态向固态的转变则称为凝固。

每种金属都有一个平衡结晶温度，也称理论结晶温度。

只有金属的实际结晶温度低于理论结晶温度才能结晶，这种现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。

因此认为：

金属要结晶就必须有过冷度，即过冷度是结晶的必要条件，冷却速度愈快，则过冷度愈大。

生产中，细化晶粒的方法如下：

1）增加过冷度。

结晶时增加过冷度ΔT会使结晶后晶粒变细。

增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。

实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。

但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。

因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。

2）变质处理。

变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。

如往钢液中加入钛、锆、铝等。

3）附加振动。

金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。

纯金属在固态下的转变有两种，一种是同素异晶转变，一种是磁性转变。

纯铁的同素异晶转变是：

1538～1394℃时为体心立方晶格称δ-Fe；

在1394～912℃时为面心立方晶格，称γ-Fe；

在912℃以下时为体心立方晶格，称α-Fe。

晶格改变，其性能随之变化，这就是钢能利用热处理方法改变性能的原因所在。

面心立方结构的金属塑性最好，可加工成极薄的金属箔，体心立方结构的金属塑性次之，密封六方结构的金属塑性最差。

具有同素异晶转变的金属有铁、锡、钛、锰等。

磁性转变与同素异晶转变有着原则上的区别，不发生晶格类型转变，而是发生磁性和无磁性的转变。

铁、钻、镍均具有磁性转变特性。

纯铁的磁性转变温度为768℃，低于768℃的铁才具有磁性。

合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。

相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。

通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。

所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。

一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。

通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。

根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物、机械混合物三大类。

合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。

形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。

固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

置换固溶体如铜镍二元合金，铁碳合金中，铁素体和奥氏体皆为间隙固溶体。

由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

它是强化金属材料的重要途径之一。

金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。

如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等。

金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高、硬度高、而脆性大、电阻高。

当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。

因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。

它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。

机械混合物具有比单一固溶体更高的硬度、强度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蚀性较差，如锡、锑、铜组成的轴承合金。

Fe-Fe3