第二篇 机械常用金属材料及热处理
一部机器往往由很多个零件组成，每个零件由于其要实现的功能不同而选用不同的材料。零件的材料可以分为金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷及复合材料）。在机械领域尤以金属材料的应用最广泛。
金属材料经过热处理后，可以发挥其潜力，提高使用性能，改善工艺性能和延长使用寿命。
本篇主要介绍机械常用金属材料的成分、组织、性能及其应用的基本知识和热处理的原理及工艺，旨在机械设计时能根据需要来正确选择材料及其热处理。
第十七章 金属材料的机械性能
金属材料具有许多优良的性能，它是用于制造各种机床，矿山机械，农业机械和运输机械等的最主要材料。从事机械工程的设计人员或工艺人员必须首先熟悉金属材料各种主要性能，才能根据机件的技术要求合理地选用所需的金属材料。
金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两类。使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的性能，主要包括机械性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括热处理性能、可锻性、可焊性和切削加工性等。
金属材料的主要性能是指机械性能，物理性能，化学性能和工艺性能等。
机械性能是指金属材料在各种不同性质的外力作用下所表现的抵抗能力，也称为力学性能，如弹性，塑性，强度，硬度和韧性等，这些性能指标是机械设计，材料选择，工艺评定及材料检验的主要依据。
纯金属与合金统称为金属材料，而合金更为常用。
第一节 强度和塑性
一、强度（strength，intensity，intension）
强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度大小可通过拉伸试验来测定。试验时将按国家标准规定的试样两端夹在试验机的两个夹头上，随着负荷的缓慢增加，试样逐步变形并伸长直至被拉断为止。
根据载荷(F)与变形量(ΔL)的变化关系绘制的曲线为拉伸曲线，低碳钢的拉伸曲线如图
拉伸曲线的oe阶段，负荷与伸长量成线性关系。当负荷除去后，试样恢复原来的形状和尺寸，是金属材料的弹性变形阶段。e点应力为材料的弹性极限。当负荷超过e点，试样开始产生塑性变形。
1、屈服强度(yield strength)
当负荷增加到Fs时，如果载荷不再增加，而塑性变形量明显增加，这段曲线几乎呈水平，这种现象叫屈服(yield)。S点就叫做屈服点。 产生屈服现象时的应力称为屈服强度，通常用σs来表示：
σs=Fs(MPa) (1-1) S0
其中，Fs－试样产生屈服现象时的载荷(N)；
S0－试样原截面积(mm2)。
除低碳钢种中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度σ0.2可以替代σs。
因为机械零件在正常工作时是不允许产生塑性变形的，所以设计零件时都以σs 或σ0.2作为选用金属材料的依据。
2.抗拉强度(tensile strength)
试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。通常用σb来表示：
σb=Fb(MPa) (1-2) S0
式中，Fb－试样拉断前的最大拉力(N)；
S0－试样原截面积(mm2)。
显然，材料不能在承受其σb的载荷条件下工作，这样将导致金属构件和零件的破坏，因此抗拉强度和屈强比σs/σb 也是设计和选材的重要依据。
二、塑性（plasticity）
指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。通常用两种方法来表示。
1.伸长率
δ=L1−L0×100% (1-3) L0
式中L1－试样拉断后的长度(mm)；
L0－试样的原长度(mm)。
由于δ值与试样尺寸有关，故一般规定L0=5d0(短试样)或 L0=10d0(长试样)分别以δ5或δ10表示其伸长率，δ10 通常写成δ。
2.断面收缩率
ψ =S0−S1×100 % (1-4) S0
式中S0－试样原截面积(mm2);
S1－试样断口面处截面积(mm2).
δ和ψ的数值越大，说明金属材料的塑性越好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件，并能使机械零件意外超载，由于塑性变形使强度提高而不致突然断裂。一般δ达5%或ψ达10%能满足大多数零件要求。
第二节 硬度（hardness）
硬度是指金属材料表面抵抗硬物压入的能力。或者说是指金属表面对局部塑性变形的抗力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。
一、布氏硬度（Brinell hardness）
源自约翰·奥古斯特 布里内尔(1849-1925年），瑞典工程师。在一定直径(10,5,2.5,2或1mm)的淬火钢球上， 加以一定载荷，压入被
测金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球面上的平均压力，即表示布氏硬度的高低。 用符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)表示。如图17-3所示。
压痕表面积S又可以通过钢球直径D和压痕直径d来计算。
实际上布氏硬度可以直接查表得到，不需要再作计算，习惯上也不标单位。
布氏硬度测量的数值较准确，但不宜于测太薄、太硬(>450HB)的材料。
二、洛氏硬度（Rockwell hardness）
洛氏硬度的试验是在一特定的压头上加上一定的压力压入被测材料，根据压痕的深度来度量材料的硬度值。压痕愈深，材料愈软，硬度值愈低。
如采用120°锥顶角的金刚石圆锥体为压头和150Kgf则以HRC表示。此外还有HRA、HRB等表示不同洛氏硬度的符号。分别可测从软到硬较大范围的硬度。
洛氏硬度试验操作简便、迅速，可直接从表盘上读出硬度值，没有单位。由于压痕小，可用于成品及薄件检验，但不及布氏硬度试验准确。
第三节 冲击韧性
前面讨论的是在静载荷作用下的机械性能指标，但是许多机械上的工具还经常受到各种冲击动载荷的作用，例如蒸气锤的锤杆，柴油机上的连杆、曲轴、冲床的冲头以及大锤、扁铲、风镐钎子等在工作时都受到冲击载荷的作用，对承受冲击载荷的工件不仅要求有高的强度和一定的硬度，还必须具有抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。
所谓冲击韧性（impact toughness）就是金属材料抵抗冲击载荷的能力。由于外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷作用下大得多，因此在设计受冲击载荷的零件和工具时必须考虑所用材料的冲击韧性。
工程上常用一次摆锤冲击来测定冲击韧性，利用升高的摆锤将带有U型缺口的标准试样打断，算出打断时所需的冲击功Aku，再除以试样断口处的截面积S，即为冲击韧性值，aku值愈大，表示材料的韧性愈好。如图17-4所示。
aku=Aku(J/cmS2) (1-7)
式中 Aku－冲断试验所消耗的冲击功(J)；
S－试样断口处原始截面积(cm2)。
冲击韧性并不直接用于设计计算，因为aku 值不仅决定于材料本身，同时还随试样缺口深浅， 加工精度和试样温度等因素在很大范围内变化。事实上，摆锤冲击试样所消耗的冲击功不是全部用于试样变形和断裂，故aku 值并不能正确代表材料所吸收的冲击能量。在冲击载荷下的机器零件很少是受大能量一次冲击而破坏，这时强度较高而冲击韧性较低的材料寿命较长。因此在一次冲断条件下确定的aku值只能作为设计和选材的参考性指标。
第四节 疲劳强度
很多机械零件，如各种轴、齿轮、连杆、弹簧、钢轨等，经常受到大小及方向随时间周期性变化的重复交变的载荷，在交变载荷下工作的机器零件虽然工作应力远低于其抗拉强度σb， 甚至低于屈服强度σs，但在长时间工作后发生断裂，这种现象称为疲劳（fatigue）。 因此，在交变载荷作用下工作的零件，选材和设计时，不仅要考虑材料
的屈服强度，还要考虑它的疲劳强度。
疲劳断裂时不发生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，损坏的机器零件中，约有80%都是由于金属疲劳而造成的。因此研究疲劳破断的原因， 提高疲劳抗力，防止疲劳事故发生是非常重要的。
疲劳强度（fatigue strength）是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。一般规定钢铁材料的循环次数为107次，有色金属为108次。当循环的应力是对称时，疲劳强度用σ-1表示。
疲劳破断常发生在金属材料最薄弱的部位，如材料的内部缺陷或是由于加工过程中所形成的磨痕、刀痕，或是由于零件局部应力集中导致产生的裂纹。
提高金属材料的疲劳强度，可通过控制材料内部质量改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度和进行表面热处理等措施来实现。
第二篇 机械常用金属材料及热处理
一部机器往往由很多个零件组成，每个零件由于其要实现的功能不同而选用不同的材料。零件的材料可以分为金属材料和非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷及复合材料）。在机械领域尤以金属材料的应用最广泛。
金属材料经过热处理后，可以发挥其潜力，提高使用性能，改善工艺性能和延长使用寿命。
本篇主要介绍机械常用金属材料的成分、组织、性能及其应用的基本知识和热处理的原理及工艺，旨在机械设计时能根据需要来正确选择材料及其热处理。
第十七章 金属材料的机械性能
金属材料具有许多优良的性能，它是用于制造各种机床，矿山机械，农业机械和运输机械等的最主要材料。从事机械工程的设计人员或工艺人员必须首先熟悉金属材料各种主要性能，才能根据机件的技术要求合理地选用所需的金属材料。
金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两类。使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的性能，主要包括机械性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括热处理性能、可锻性、可焊性和切削加工性等。
金属材料的主要性能是指机械性能，物理性能，化学性能和工艺性能等。
机械性能是指金属材料在各种不同性质的外力作用下所表现的抵抗能力，也称为力学性能，如弹性，塑性，强度，硬度和韧性等，这些性能指标是机械设计，材料选择，工艺评定及材料检验的主要依据。
纯金属与合金统称为金属材料，而合金更为常用。
第一节 强度和塑性
一、强度（strength，intensity，intension）
强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度大小可通过拉伸试验来测定。试验时将按国家标准规定的试样两端夹在试验机的两个夹头上，随着负荷的缓慢增加，试样逐步变形并伸长直至被拉断为止。
根据载荷(F)与变形量(ΔL)的变化关系绘制的曲线为拉伸曲线，低碳钢的拉伸曲线如图
拉伸曲线的oe阶段，负荷与伸长量成线性关系。当负荷除去后，试样恢复原来的形状和尺寸，是金属材料的弹性变形阶段。e点应力为材料的弹性极限。当负荷超过e点，试样开始产生塑性变形。
1、屈服强度(yield strength)
当负荷增加到Fs时，如果载荷不再增加，而塑性变形量明显增加，这段曲线几乎呈水平，这种现象叫屈服(yield)。S点就叫做屈服点。 产生屈服现象时的应力称为屈服强度，通常用σs来表示：
σs=Fs(MPa) (1-1) S0
其中，Fs－试样产生屈服现象时的载荷(N)；
S0－试样原截面积(mm2)。
除低碳钢种中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度σ0.2可以替代σs。
因为机械零件在正常工作时是不允许产生塑性变形的，所以设计零件时都以σs 或σ0.2作为选用金属材料的依据。
2.抗拉强度(tensile strength)
试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。通常用σb来表示：
σb=Fb(MPa) (1-2) S0
式中，Fb－试样拉断前的最大拉力(N)；
S0－试样原截面积(mm2)。
显然，材料不能在承受其σb的载荷条件下工作，这样将导致金属构件和零件的破坏，因此抗拉强度和屈强比σs/σb 也是设计和选材的重要依据。
二、塑性（plasticity）
指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。通常用两种方法来表示。
1.伸长率
δ=L1−L0×100% (1-3) L0
式中L1－试样拉断后的长度(mm)；
L0－试样的原长度(mm)。
由于δ值与试样尺寸有关，故一般规定L0=5d0(短试样)或 L0=10d0(长试样)分别以δ5或δ10表示其伸长率，δ10 通常写成δ。
2.断面收缩率
ψ =S0−S1×100 % (1-4) S0
式中S0－试样原截面积(mm2);
S1－试样断口面处截面积(mm2).
δ和ψ的数值越大，说明金属材料的塑性越好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件，并能使机械零件意外超载，由于塑性变形使强度提高而不致突然断裂。一般δ达5%或ψ达10%能满足大多数零件要求。
第二节 硬度（hardness）
硬度是指金属材料表面抵抗硬物压入的能力。或者说是指金属表面对局部塑性变形的抗力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。
一、布氏硬度（Brinell hardness）
源自约翰·奥古斯特 布里内尔(1849-1925年），瑞典工程师。在一定直径(10,5,2.5,2或1mm)的淬火钢球上， 加以一定载荷，压入被
测金属材料的表面，根据所用载荷的大小和所得压痕面积来计算压痕球面上的平均压力，即表示布氏硬度的高低。 用符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)表示。如图17-3所示。
压痕表面积S又可以通过钢球直径D和压痕直径d来计算。
实际上布氏硬度可以直接查表得到，不需要再作计算，习惯上也不标单位。
布氏硬度测量的数值较准确，但不宜于测太薄、太硬(>450HB)的材料。
二、洛氏硬度（Rockwell hardness）
洛氏硬度的试验是在一特定的压头上加上一定的压力压入被测材料，根据压痕的深度来度量材料的硬度值。压痕愈深，材料愈软，硬度值愈低。
如采用120°锥顶角的金刚石圆锥体为压头和150Kgf则以HRC表示。此外还有HRA、HRB等表示不同洛氏硬度的符号。分别可测从软到硬较大范围的硬度。
洛氏硬度试验操作简便、迅速，可直接从表盘上读出硬度值，没有单位。由于压痕小，可用于成品及薄件检验，但不及布氏硬度试验准确。
第三节 冲击韧性
前面讨论的是在静载荷作用下的机械性能指标，但是许多机械上的工具还经常受到各种冲击动载荷的作用，例如蒸气锤的锤杆，柴油机上的连杆、曲轴、冲床的冲头以及大锤、扁铲、风镐钎子等在工作时都受到冲击载荷的作用，对承受冲击载荷的工件不仅要求有高的强度和一定的硬度，还必须具有抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。
所谓冲击韧性（impact toughness）就是金属材料抵抗冲击载荷的能力。由于外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷作用下大得多，因此在设计受冲击载荷的零件和工具时必须考虑所用材料的冲击韧性。
工程上常用一次摆锤冲击来测定冲击韧性，利用升高的摆锤将带有U型缺口的标准试样打断，算出打断时所需的冲击功Aku，再除以试样断口处的截面积S，即为冲击韧性值，aku值愈大，表示材料的韧性愈好。如图17-4所示。
aku=Aku(J/cmS2) (1-7)
式中 Aku－冲断试验所消耗的冲击功(J)；
S－试样断口处原始截面积(cm2)。
冲击韧性并不直接用于设计计算，因为aku 值不仅决定于材料本身，同时还随试样缺口深浅， 加工精度和试样温度等因素在很大范围内变化。事实上，摆锤冲击试样所消耗的冲击功不是全部用于试样变形和断裂，故aku 值并不能正确代表材料所吸收的冲击能量。在冲击载荷下的机器零件很少是受大能量一次冲击而破坏，这时强度较高而冲击韧性较低的材料寿命较长。因此在一次冲断条件下确定的aku值只能作为设计和选材的参考性指标。
第四节 疲劳强度
很多机械零件，如各种轴、齿轮、连杆、弹簧、钢轨等，经常受到大小及方向随时间周期性变化的重复交变的载荷，在交变载荷下工作的机器零件虽然工作应力远低于其抗拉强度σb， 甚至低于屈服强度σs，但在长时间工作后发生断裂，这种现象称为疲劳（fatigue）。 因此，在交变载荷作用下工作的零件，选材和设计时，不仅要考虑材料
的屈服强度，还要考虑它的疲劳强度。
疲劳断裂时不发生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，损坏的机器零件中，约有80%都是由于金属疲劳而造成的。因此研究疲劳破断的原因， 提高疲劳抗力，防止疲劳事故发生是非常重要的。
疲劳强度（fatigue strength）是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。一般规定钢铁材料的循环次数为107次，有色金属为108次。当循环的应力是对称时，疲劳强度用σ-1表示。
疲劳破断常发生在金属材料最薄弱的部位，如材料的内部缺陷或是由于加工过程中所形成的磨痕、刀痕，或是由于零件局部应力集中导致产生的裂纹。
提高金属材料的疲劳强度，可通过控制材料内部质量改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度和进行表面热处理等措施来实现。