机械设计基础-金属材料知识（图文教程）

（一） 金属材料的机械性能

    金属零件受一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。

1、金属材料的变形和应力

    金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变）。

当金属材料受外力作用时，其内部还将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号σ表示。

σ=P/F

式中： σ — 应力，MPa;

P — 拉伸外力，N；

F — 试样的横截面积，mm2。

2、强度

   强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（B）直到断裂如图（C）。

    以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值⊿L为横坐标，给制出拉伸曲线。

    OE段：负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。

    金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力称为弹性极限，用σe表示。

σe=Pe/Fo

式中：σe — 弹性极限，MPa；

Pe — 材料开始塑性变形时的负荷，N；

Fo — 试样原横截面积，㎜2 。

    当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。产生现象时的应力称为屈服点，用σs表示。

σs=Ps/Fo

式中： σs — 屈服点，Mpa ；

Ps — 材料产生明显形变时的负荷，N；

Fo — 试样原横截面积，㎜2  。

    负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断前能承受的最大负荷 Pb所对应的应力称为抗拉强度，用σb表示。

σb= Pb/Fo

    式中： σb — 抗拉强度，Mpa ；

    Pb — 试样拉断前的最大拉力，N；

Fo — 原横截面积，㎜2  。

    屈服强度（σs），抗拉强度（σb）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比σs/σb）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。

3、塑性

   塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。

（1）伸长率：试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用δ表示。

δ=（L1－L0）/L0×100%

式中：δ — 试样的伸长率，%；

L1 — 试样拉断后标距长度，㎜；

L0 — 试样原标距长度，㎜.

(2)  断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原截面积的百分比，用φ表示。

式中 φ — 试样的断面收缩率，%；

F0 — 试样原横截面积，㎜2  。

F1 — 试样拉断后缩颈处的最小横截面积，㎜2  。

δ、φ的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。

4、硬度

    硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。

生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW）表示。

HBS（HBW）=

式中：HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－㎜2  ;

      P — 加在淬火钢球上的负荷，kgf；

      D — 淬火钢球直径，㎜。

    压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料，如铸铁和有色金属。压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。

（2）洛氏硬度：用压头压入的压痕深度表示材料的硬度值。压痕越深表示材料越软，硬度值越低。两种硬度可以利用特制的表格进行换算。 

硬度表示金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，所以硬度与强度间有一定的换算关系。

5、冲击韧性

    冲击韧性是金属材料抗击冲击负荷的能力。现在普通采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧性。

    实验表明，材料受小能量多次重复冲击的能力，主要取决于材料强度。强度越高，寿命越长，设计中可不必过分追求高冲击值。

6、疲劳强度

    实际中许多工件所承受负荷的方向和大小是周期变化的。这种周期变化的负荷称为交变负荷。金属工件在交变负荷作用下，经长时间工作而发生断裂的现象称为金属疲劳。

    在交变负荷作用下金属工件所受应力大小和断裂前应力交变循环的次数有关。应力越大，则断裂前能随承受的循环次数越低。当钢铁材料的循环次数达到107，有色金属的循环次数达到108 时，若试样仍不发生疲劳破坏，其最大应力称为该材料的疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用σ-1表示。

    生产中多数金属工件是在交变负荷下工作的，疲劳破坏是破裂的主要形式。因此疲劳强度设计是材料的重要强度计算之一。另外，改善零件结构形状避免应力集中；降低表面粗糙度；采取表面强化处理等都能有效提高金属工件的抗疲劳能力。

（二）金属材料的其他性能

1、金属材料的物理性能

    包括比重、溶点、导电性、导热性和膨胀性等。工件用途不同，对金属材料的物理性能要求不一样

2、金属材料的化学性能

    主要指金属材料在定温或高温条件下抵抗活泼介质对其浸蚀的能力。

3、金属材料的工艺性能

    是金属材料物理和化学性能的综合，是否易于加工成型的能力。按工艺方法不同，工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性和切削加工性能。在设计零件及选择加工方法时要考虑材料的工艺性能。

（三）铁碳合金的基本组织及性能

    普通碳钢和铸铁均属钢碳合金范畴，合金钢和合金铸铁是有意加入合金元素的铁碳合金。铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。

    目前应用的铁碳合金，其含碳量均在6.69%以下，当含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有实用意义。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为生铁。

    一切固态物质，根据其内部原子的聚集状态可分为晶体与非晶体两大类。晶体内部的原子在空间作规则的排列，如食盐、金刚石、石墨和所有的金属都是晶体。非晶体内部的原子则杂乱无章地无规则的规程，如玻璃、沥青、石腊和松香等都是非晶体。

    大多数金属在固态下的晶格保持不变，但是有些金属，如铁、锌、锑、锰、钼等在固态下，随着温度的变化，其晶体结构还会发生转变，这种晶体形式的转变称为同素异构转变。同素异构转变过程也是重结晶过程。如纯铁的溶点为1534℃和912℃时先后发生两次晶格形式的转变；①在1538～1394℃时为体心立方晶格，称为σ——铁，②1394～912℃为面心立方晶格，称γ——铁，③在912℃以下为体心立方晶格，称为α——铁。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。

    各种金属材料具有不同的性能，这是由于其内部组织结构决定的。在液态时，铁和碳可以溶解为一个均匀的液相。在固态时，它可以形成固溶体、化合物或混合物。

    固溶体是合金中一种组元（溶剂）溶解其他组元（溶质），或组元之间互相溶解而形成的一种均匀固相，形成单一的均匀物质，其中所溶解的组元在显微镜下也区别不出来。

    金属化合物，是两组元相互作用而形成的一种新的具有金属特性的物质。其晶体结构与性能和两组元都不同，如铁碳合金中铁和碳组成的碳化物称为渗碳体，化学式为Fe3C。

    混合物是纯金属，固溶体或化合物按一定重量比例组成的均匀物质。混合物中多部分仍按自己原来的晶格形式结合而成晶体，显微镜下可区别出多组元的晶体。绝大多数工业用合金都是混合物，其性能取决于这些混合物多部分的性能及它们的形态、大小和分布。

铁碳合金的基本组织：

（1）铁素体：碳溶于α-Fe中的固溶体称为铁素体，符号为Fe。铁素体含碳量非常低，在727℃时为0.0008%，其机械性能与纯铁相似，强度和硬度不高，塑性和韧性好。

（2）奥氏体：碳溶于γ-Fe中的固溶体称为奥氏体，符号为A。稳定的奥氏体存在温度为727℃，此时碳的溶解度为0.77%，奥氏体的强度，硬度和塑性都很好，是大多数钢进行高温锻造或轧制时所要求的组织。

（3）渗碳体：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，分子式Fe3C用符号Cm表示。硬度高，塑性差，硬而脆，钢中渗碳体数量增多，强度和硬度提高而塑性下降。

（4）珠光体：是铁素体与渗碳体的混合物，用P表示。显微镜下渗碳体和铁素体片层相间，交替排列。在平衡条件下珠光体的含碳量为0.77%，它的强度高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体与铁素体之间.

（5）莱氏体：高温状态下奥氏体和渗碳体的混合物，用Le表示.其机械性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

    上述五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相。

    碳素钢中还含有少量的硅、锰、硫、磷，它们对钢的组织和性能也有很大影响。硅和锰是有益元素，可溶于α-Fe内，使钢的强度和硬度提高。硫和磷是有害元素。硫以FeS的形式存在，削弱了晶粒间连接，在轧制或锻造时会造成钢材开裂，此现象称为热脆性。磷可与α-Fe相溶，形成脆性很大的Fe3P，使钢在高温下塑性和韧性急剧下降，此现象称为冷脆性。

（四）钢的分类和编号

1、钢的分类

（1）按化学成分分类有：

①碳素钢：根据含碳量多少又分为：

低碳钢：含C量﹤0.25%,强度低,但塑性、焊接性好。

中碳钢: 0.25～0.60%之间,强度高 塑性、焊接性差。

高碳钢:含C量﹥0.6%，塑性及焊接性都差，热处理后有较高强度和硬度。

②合金钢：加入一种或数种合金元素的钢称合金钢，比碳素钢有较高强度和韧性，或有特殊性能。

（2）按质量分类：

碳素钢质量的高低是根据钢中杂质——磷、硫的含量来区分的

普通钢：钢中磷、硫的含量较高；

优质钢：钢中磷、硫的含量较低；

高级优质钢：钢中磷、硫的含量很低。

（3）按用途分类：

①结构钢——制造多种机械零件和工程结构。

②工具钢——制造多种刃具、量具和模具。

③特殊性能钢——特殊的物理化学性能、如不锈钢，耐热、耐磨钢等。

2、钢的编号

（1）碳素结构钢

钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。

Q——钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；

A、B、C、D——质量等级；

F——沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；

b——半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；

Z——镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；

TZ——特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母；

（2）合金结构钢：

    钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号三个部分按顺序组成。

Q——钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；

A、B、C、D——质量等级；

(五) 钢的热处理

    钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或表面组织，获得所需性能的工艺方法。重要的零件要进行热处理，以提高金属材料的强度和硬度，改善材料的逆性和韧性等，充分发挥材料的潜力。

    大多数的热处理都要将钢加热到相变温度以上，使其组织由铁素体和渗碳体的混 合物转变为均匀的奥氏体。只有奥氏体状态才能通过不同的冷却方式转变成不同的组织，从而使钢获得所需要的性能。

    钢的热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。

1、退火

    将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），以达到接近平衡状态组织。根据退火目的将退火分为以下两种：

（1）完全退火：使用最广泛，主要用于亚共析钢（C﹤0.77%）锻件，轧件和铸件退火，其目的是通过重结晶使晶粒细化，均匀组织，消除残余应力。

（2）球化退火：使钢中碳化物呈球化，用于过共析钢（含碳0.77%﹤C﹤2.11%）和工具钢，使渗碳体球化，降低硬度提高韧性，改善工件切削加工性能，减少工件淬火时产生变形和开裂。

2、正火

    将工件加热后，保温适当时间后在自由流通的空气中冷却得到球光体组织。对低碳钢或低碳合金钢，正火目的是提高硬度改善切削加工性能。对过共析钢或合金工具钢，正火目的是减少渗碳体数量，便于球化退火。对不太重要的工件，目的是细化晶粒，使组织均匀化，提高机械性能，可作为工件的最终热处理。

3、淬火

    将合金加热到相变温度以上，保温，快速冷却，获得不稳定组织。淬火后的工件再配合适当的回火，使金属材料达到使用要求。如刃具和模具要求高的硬度和耐磨性，多种轴类和齿轮要求较好的韧性都是通过淬火和回火来达到的。

    钢件淬火通常用水、油和盐、碱的水溶液作为淬火介质，使用什么介质取决于钢的化学成分及对工件的技术要求，形状简单，截面较大的碳素钢件多在水中淬火，合金钢和复杂的碳素钢件多在油中淬火 。

4、回火

    为消除残余应力及获得所要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到一定温度保温，然后冷却到室温。淬火后的工件应及时回火，这是由于淬火马氏体是不稳定的组织，回火促使其组织结构稳定，保持工件使用过程中不再发生形状和尺寸的改变，其次回火可降低淬火工件的脆性，减少和消除内应力，最后回火可获得要求的强度，硬度和韧性，以满足工件使用要求。

    根据加热温度范围，回火可分为低温、中温和高温回火，其中低温回火应用于高碳工具模具、量具、渗碳后表面淬火的工件；中温回火用于多种弹簧、弹性夹头及锻模；高温回火用于重要工件如轴、齿轮、连杆和螺栓等。

5、表面热处理

    仅对工件表面加热、冷却而不改变成分的热处理称为表面热处理。最常用的是表面淬火，使工件表层变硬，而心部仍保持原来的组织。表面淬火使工件表面具有较好的硬度和耐磨性。

    表面淬火有火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火等。

    火焰加热是用氧气—乙炔（或氧气—煤气）混合气体燃烧的火焰，喷射加热工件表面，然后再喷水冷却，这种方法设备简单，淬硬速度快，成本低，但火焰加热表面容易过热，淬火效果不稳定。

利用中、高频（频率一般为500～30万HZ）高变电磁场在工件表面产生感应电流进行加热的热处理工艺称为感应加热表面淬火。感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，心部电流几乎等于零，表面电流密度极大，这个现象称为集肤效应。频率越高，电流密度极大的表层越薄。工件表层可迅速被加热，几秒钟即可使温度升高800～1000℃，而心部仍接近室温。一但表层温度上升到淬火加热温度时，立即喷水冷却（合金钢浸油淬火），表面形成马氏体，工件表面变硬。

    这种方法较为先进，生产率高，加热温度和淬硬层容易控制，淬火质量好，但是设备昂贵，主要适用于大批生产。

6、化学热处理

    将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变表面的化学成份，组织和性能，提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性等。

    常见的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

    渗碳多用气体渗碳，在专用井式电阻炉中进行。渗碳后，工件表层0.5～2.0㎜范围内含碳量可提高0.85～1.0%，渗碳后，工件还要进行淬火和低温回火。适用低碳钢和低碳合金钢，提高工件表面硬度，耐磨性和使用寿命。

    渗氮也称氮化。氮化可使工件表面得到一定的氮化层，有更高的硬度和耐磨性，高的耐疲劳强度。渗氮没有相变，不需淬火，变形也很小。但生产周期长，工艺复杂，成本高。

    碳氮共渗也叫氰化。碳氮共渗时通入碳氮气体和一定数量的干燥无水的氨气，使其发生分解，形成活性碳原子和氮原子，同时被工件表面吸附并扩散形成氰化层。氰化过程加热温度较低（820～840℃），氰化后可直接淬火或冷却后再加热淬火。碳氮共渗工件变形小，渗层有较高的耐磨性，疲劳强度和抗压强度。但其工艺复杂，用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件，如仪表和缝纫机零件等。