2016年機械工程材料知識點

　　1.1.1 強度

　　強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號為σ，單位為MPa。

　　工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產生屈服現象時的應力，或開始出現塑性變形時的最低應力值，用σs表示。抗拉強度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應力值，用σb表示。

　　對于大多數機械零件，工作時不允許產生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設計的依據;對于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設計的依據。

　　1.1.2 塑性

　　塑性是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力。

　　工程中常用的塑性指標有伸長率和斷面收縮率。伸長率指試樣拉斷后的伸長量與原來長度之比的百分率，用符號δ表示。斷面收縮率指試樣拉斷后，斷面縮小的面積與原來截面積之比，用y表示。

　　伸長率和斷面收縮率越大，其塑性越好;反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進行壓力加工的必要條件，也是保證機械零件工作安全，不發生突然脆斷的必要條件。

　　1.1.3 硬度

　　硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度的測試方法很多，生產中常用的硬度測試方法有布氏硬度測試法和洛氏硬度試驗方法兩種。

　　(一)布氏硬度試驗法

　　布氏硬度試驗法是用一直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球作為壓頭，在載荷P的作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時間后卸載，測量金屬表面形成的壓痕直徑d，以壓痕的單位面積所承受的平均壓力作為被測金屬的布氏硬度值。

　　布氏硬度指標有HBS和HBW，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調質鋼及鑄鐵、有色金屬等;后者壓頭為硬質合金，適用于布氏硬度值為450~650的金屬材料，如淬火鋼等。

　　布氏硬度測試法，因壓痕較大，故不宜測試成品件或薄片金屬的硬度。

　　(二)洛氏硬度試驗法

　　洛氏硬度試驗法是用一錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為f1.558mm(1/16英寸)的淬火鋼球為壓頭，以一不定的載荷壓入被測試金屬材料表面，根據壓痕深度可直接在洛氏硬度計的指示盤上讀出硬度值。常用的洛氏硬度指標有HRA、HRB和HRC三種。

　　采用120°金剛石圓錐體為壓頭，施加壓為600N時，用HRA表示。其測量范圍為60～85，適于測量合金、表面硬化鋼及較薄零件。

　　采用f1.588mm淬火鋼球為壓頭，施加壓力為1000N時，用HRC表示，其測量硬度值范圍為25～100，適于測量有色金屬、退火和正火鋼及鍛鐵等。

　　采用120°金剛石圓錐體為壓頭，施加壓力為1500N時，用HRC表示，其測量硬度值范圍為20～67，適于測量淬火鋼、調質鋼等。

　　洛氏硬度測試，操作迅速、簡便，且壓痕小不損傷工件表面，故適于成品檢驗。

　　硬度是材料的重要力學性能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。

　　1.1.4 沖擊韌性

　　金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。

　　沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗測定，即把被測材料做成標準沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功ak表示沖擊韌性。

　　ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時受到很大的沖擊載荷，因此要用ak值高的材料制造。鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近于零，不能用來制造承受沖擊載荷的零件。

　　1.2 常用金屬材料

　　金屬材料來源豐富，并具有優良的使用性能和加工性能，是機械工程中應用最普遍的材料，常用以制造機械設備、工具、模具，并廣泛應用于工程結構中。

　　金屬材料大致可分為黑色金屬兩大類。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵;有色金屬是指黑色以外的金屬及其合金，如銅合金、鋁及鋁合金等。

　　1.2.1 鋼

　　鋼分為碳素鋼(簡稱碳鋼)和合金兩大類。

　　碳鋼是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、錳、硫、磷雜質的鐵碳合金。工業用碳鋼的含碳量一般為0.05%～1.35%。

　　為了提高鋼的力學性能、工藝性能或某些特殊性能(如耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等)，冶煉中有目的地加入一些合金元素(如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等)，這種鋼稱為合金鋼。

　　(一)碳鋼

　　1.碳鋼的分類

　　碳鋼的分類方法有多種，常見的有以下三種。

　　(1)按鋼的含碳量多少分類 分為三類：

　　低碳鋼，含碳量<0.25%;

　　中碳鋼，含碳量為0.25%～0.60%;

　　高碳鋼，含碳量>0.60%。

　　(2)按鋼的質量(即按鋼含有害元素S、P的多少)分類 分為三類：

　　普通碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.055%和0.045%;

　　優質碳素鋼，鋼中S、P含量均≤0.040%;

　　高級碳素鋼，鋼中S、P含量分別≤0.030%和0.035%。

　　(3)按鋼的用途分類 分為兩類：

　　碳素結構鋼，主要用于制造各種工程構件和機械零件;

　　碳素工具鋼，主要用于制造各種工具、量具和模具等。

　　2.碳鋼牌號的表示方法

　　(1)碳素結構鋼 碳素結構鋼的牌號由屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母Q、屈服點數值、質量等級符號(A、B、C、D)及脫氧方法符號(F、b、Z)等四部分按順序組成。其中質量等級按A、B、C、D順序依次增高，F代表沸騰鋼，b代表鎮靜鋼，Z代表鎮靜鋼等。如Q235-A·F表示屈服強度為235Mpa的A級沸騰碳素結構鋼。

　　(2)優質碳素結構鋼 優質碳素結構鋼的牌號用兩位數字表示。這兩位數字代表鋼中的平均含碳量的萬分之幾。例如45鋼，表示平均含碳量為0.45%的優質碳素結構鋼。08鋼，表示平均含碳量為0.08%的優質碳素結構鋼。

　　(3)碳素工具鋼 碳素工具鋼的牌號是用碳字漢語拼音字頭T和數字表示。其數字表示鋼的平均含碳量的千分之幾。若為高級優質，則在數字后面加“A”。例如，T12鋼，表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。T8鋼，表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。T12A，表示平均含碳量為1.2%的高級優質碳素工具鋼。

　　3.碳鋼的用途舉例

　　Q195、Q215，用于鉚釘、開口銷等及沖壓零件和焊接構件。

　　Q235、Q255，用于螺栓、螺母、拉桿、連桿及建筑、橋梁結構件。

　　Q275，用于強度較高轉軸、心軸、齒輪等。

　　Q345，用于船舶、橋梁、車輛、大型鋼結構。

　　08鋼，含碳量低，塑性好，主要用于制造冷沖壓零件。

　　10、20鋼，常用于制造沖壓件和焊接件。也常用于制造滲碳件。

　　35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經熱處理后可獲得良好的綜合力學性能，主要用制造齒輪、套筒、軸類零件等。這幾種鋼在機械制造中應用非常廣泛。

　　T7、T8鋼，用于制造具有較高韌性的工具，如沖頭、鑿子等。

　　T9、T10、T11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鉆頭、絲錐、鋸條等。

　　T12、T13鋼，用于要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。

　　(二)合金鋼

　　合金鋼的分類方法有多種，常見的有以下兩種。

　　(1)按用途分類 分為三類：

　　合金結構鋼，用于制造各種性能要求更高的機械零件和工程構件;

　　合金結構鋼，用于制造各種性能要求更高的刃具、量具和模具;

　　特殊性能鋼，具有特殊物理和化學性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

　　(2)銨合金元素總含量多少分類 分為三類：

　　低合金鋼，合金元素總含量小于5%;

　　中合金鋼，合金元素總含量為5%～10%;

　　高合金鋼，合金元素總含量大于10%。

　　2.合金鋼牌號的表示方法

　　合金鋼是按鋼材的含碳量以及所含合金元素的種類和數量編號的。

　　① 鋼號首部是表示含碳量以及所含合金結構鋼與碳素結構鋼相同，以萬分之一的碳作為單位，如首部數字為45，則表示平均含碳量為0.45%;合金工具鋼以千分之一的碳作為單位，如首部數字為5，則表示平均含碳量為0.5%。

　　② 在表示含碳量的數字后面，用元素的化學符號表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之幾表示，當平均含量小于1.5%時，只標明元素符號，不標含量。如25Mn2V，表示平均含碳量為0.25%，含錳量約為2%，含釩量小于1.5%的合金結構鋼。又如9SiCr，表示平均含碳量為0.9%，含硅、鉻都少于1.5%的合金工具鋼。