文档介绍：第一章材料的机械性能指 标与常用工程材料
工程机械的机构零件、金属结构、连接件均由黑色金属、有色金属和非金属等材料加工制成,设计工程机械时,应考虑材料的机械性能和使用要求合理选择材料。
第一节     材料主要机械性能
材料主要机械性能指标有强度(抗拉强度、屈服强度)、塑性、韧性、硬度和可焊性。
一、强度(抗拉强度、屈服强度)
下图是常用碳素结构钢的应力一应变曲线图。 1。当应力值小于比例极限σp时,应力与应变之间成正比例关系,其比值即为钢材的弹性模量E。 2。当应力到达屈服点σs时,应力即使不再增加,应变却会继续增加,应力一应变曲线成水平段,称为屈服阶段。可近似地认为钢材在应力达到屈服点之前是弹性体,而在屈服点之后是塑性体。 3。应变超过屈服界阶段之后,钢由于应变硬化,应力—应变曲线开始上升,但应力与应变之间不再呈线性关系,而应变增加较快,最后达到曲线的最高点,材料出现颈缩而破坏,称极限强度σb 。
二、钢材的塑性和韧性
钢材的塑性用静力拉伸试验中的延伸率和载面收缩率来衡量。试件总伸长量与原标距之比为引伸率。
延伸率是说明钢材塑性的指标,延伸率大则钢的塑性好,加工容易,承载时虽出现较大变形而并不破坏。
钢材的韧性表征材料破坏前吸收机械能量的能力。测定冲击韧性的试件带有缺口,—2所示。我国目前用带U形缺口的梅氏试件,试验时将试件放在试验机的支架上,让摆锤冲击没有缺口的一面。摆锤冲断试件所耗的功(N·m)除以试件缺口截面积所得的商为钢材的冲击韧性。
三、硬度
硬度表征材料表面抵抗硬物压入或刻画的能力。硬度试验的方法很多,常用的有布氏硬度和洛氏硬度。
以一定压力F将直径为D的淬硬钢球或硬质合金球压入表面,并保持一段时间(10~30s),在试样表面形成直径为d的压痕,以压痕单位面积上承受的压力值来衡量材料的硬度。查表就能得到布氏硬度值。
布氏硬度的优点是测量准确性较高。但因采用的压力较大,压痕也较大,故不宜用来测试成品零件和较薄的试样,通常用来测试硬度较低的原材料,如退火钢和铜、铝等。
洛氏硬度也是一种压入式硬度试验法,以压痕深度来衡量材料的硬度。
洛氏硬度的优点是压痕小,测试简便迅速,特别适合在生产现场测试零件硬度,但其测量准确性不及布氏硬度。
-1 常用洛氏硬度标尺及适用范围
标尺
压头
载荷(kgf)
硬度值有效范围
适用范围
HRA
120º圆锥金刚石
60
60——85
硬质合金、钢的表面硬化层
HRB
ø
100
25——100
退火钢、铜合金等
HRC
120º圆锥金刚石
150
20——67
经淬火、回火的钢片
四、钢材的可焊性
工程机械结构大多为焊接结构,钢材的可焊性是衡量钢材焊接工艺好坏的指标。人们通常用焊缝及其相邻的基本金属的抗裂性和使用性能来说明材料可焊性的优劣。
碳素结构钢的可焊性,可以粗略地用碳当量来表示,当碳当量<%时,则认为钢材的可焊性良好。
第二节黑色金属材料
一、钢与铸铁
%~%之间的铁碳合金。有些钢除了含有铁和碳这两种必备元素外,还含有其他种类的合金元素,这些钢称为合金钢。不含合金元素的钢称为碳素钢。钢中常见的合金元素有铬(Cr)、锰(Mn)、硅(Si)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)等。此外,钢中还含有少量杂质元素。其中硫和磷会使钢的性能降低,因此高品质的钢都要严格限制硫和磷的含量。
按化学成份分类
低碳钢(含碳量<%)
碳素钢中碳钢(含碳量=%~%)
高碳钢(含碳量>%)
低合金钢(合金元素总量<5% )
合金钢中合金钢(合金元素总量=5%~10%)
高合金钢(合金元素总量>10%
%的铁碳合金,在常用的铸铁中,硅也是一种重要元素。
%~%的碳,%的~%硅,组织中存在片状石墨。灰口铸铁的强度、塑性和韧性都较低,但有良好的铸造性、吸震性和可切削性且成本低廉。制造箱体。
球墨铸铁组织中存在球状石墨,力学性能明显优于灰口铸铁,与钢接近。但铸造性能不及灰口铸铁,成本也稍高。制造曲轴、连杆等机械零件。
3. 工程机械常用钢
工程机械大都以泥沙、岩石为作业对象,工作环境恶劣,在作业中承受较大的冲击载荷和强烈磨料磨损。因此,工程机械用材要求具有耐疲劳性能、耐磨性、耐冲击性、低温韧性、耐腐蚀性和良好的可焊性。大部分材料采用碳钢和低合金钢,如Q235,16Mn,20CrMnTi,30CrMnSi 等,其中高强度低合金钢,以其高强度,延伸性、耐磨性、低温韧性和可焊性良好而得到越来越