第2章　工程训练基础知识

2.1　机械工程材料的性能

我们先来研究一下，如图2-1所示的汽车都用哪些材料制作的，为什么要选用这些材料呢？

汽车里面首先使用了大量的钢材，因为钢材具有很高的强度，很结实，能承受住各种载荷的作用；汽车里的阀门材料是铜合金，利用了铜合金不易生锈的优点；发动机活塞用铝合金，利用了铝合金低密度的优点；另外轮胎用橡胶制作能减震、风挡玻璃透光性好等。这些都说明了一个问题，那就是在制造零件时，被选择的材料一定是因为它的某些性能满足了该零件的使用要求。

2.1.1　机械工程材料的物理性能

①密度　指机械工程材料单位体积内物体的质量。不同金属密度不同，密度小于5g/cm3的金属称为轻金属，密度大于5g/cm3的金属称为重金属。材料的密度直接关系到产品重量和效能，如飞机上面的很多零件常采用密度小的铝合金制造，减轻重量，有利于起飞。

②导热性　指机械工程材料传导热量的性能，通常用热导率来衡量。金属的导热能力以银最好，铜、铝次之。导热性是金属材料的重要性能之一，导热性好的金属，可以用来做传热设备的零部件。制定加热工艺时，要考虑金属的导热性，否则会因为导热性差，导致开裂。

③熔点　指金属或合金从固态向液态转变的温度，纯金属有固定的熔点，合金的熔点取决于化学成分。熔点对于金属材料的冶炼、铸造和焊接等是一个重要的工艺参数。 飞机、导弹、航天工程上的耐高温材料，防火安全阀、熔断器（保险丝）等都须考虑材料的熔点。

④导电性　指金属材料传导电流的性能，通常用电阻率来衡量。导电材料的导电能力依次为银、铜、铝等。涉及材料导电性的领域有电火花加工、电解加工、电子束加工及制造电线、电缆和玻璃拉丝模等。

⑤热膨胀性　指材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能，通常用体膨胀系数来表示。对精密仪器而言，热膨胀性是一个重要的指标。此外，在高压线的拉设、桥梁的架设、钢轨的铺设、精密的测量器具等领域，线膨胀系数也是一个重要的参数。

⑥磁性　指金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。涉及材料磁性的领域有手表的加工、磨床的磨削加工等。

2.1.2　机械工程材料的化学性能

①耐腐蚀性　指机械工程材料在常温下抵抗氧、水蒸气和其它化学介质腐蚀破坏的性能。例如，钢铁生铁锈和铜生铜绿等。在食品、医药和化工等行业，选择金属材料制造相关设备时，应特别考虑材料的耐腐蚀性。

②抗氧化性　指机械工程材料在加热时抵抗氧化作用的能力。在锻造、电焊和热处理等热加工作业时，氧化比较严重，必须采取措施避免金属的氧化。

③化学稳定性　指机械工程材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。加工耐热设备、高温锅炉时，热稳定性是必须考虑的一个重要参数。

2.1.3　机械工程材料的工艺性能

机械工程材料的工艺性能是指材料对不同加工工艺方法的适应能力。也可以理解为材料被加工成型的难易程度。机械工程材料的工艺性能包括以下几方面。

①铸造性能　铸造性能是金属材料及其合金在铸造生产中获得优良铸件的能力。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等。铸造性好的金属充型能力强，易于铸造成形，而且铸件缺陷较少。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。

②锻造性能　锻造性能是金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻、轧制和挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。

③焊接性能　焊接性能指金属材料对焊接加工适应能力。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容，一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适应性。

④切削加工性能　切削加工性能是指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性能好坏常用加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。通常是用硬度和韧性作为切削加工性能好坏的判断依据。一般讲，金属材料的硬度越高越难切削，如果硬度不高，但韧性大，切削也较困难。但有时由于材料的硬度过低，切削时会产生“粘刀”现象，切削加工性能反倒不好。

2.1.4　机械工程材料的机械性能

机械工程材料的机械性能又称力学性能，是指机械工程材料在外力或载荷作用时所表现出来的性能，是设计零件时我们要考虑的最主要的性能。要想知道某种材料机械性能如何，应当从强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度五个方面加以全面研究。

（1）强度

金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示。根据载荷作用形式不同，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度和扭转强度。一般情况下，多以拉伸强度作为衡量金属强度大小的性能指标。拉伸强度要通过拉伸试验来测定。

①拉伸试验　按国家标准规定的尺寸制作标准拉伸试样，拉伸试样一般为圆柱形，如图2-2所示。图中d0为试样直径，一般取d0=10mm；l0为标距长度。标准试样有长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种。

在拉伸试验机上缓慢地对试样进行拉伸，使试样承受轴向拉力F，并引起试样沿轴向伸长Δl直至试样断裂。在实验中同时连续测量拉力和相应的伸长量，根据测得的数据即可得到拉力F和相应伸长变形Δl的关系曲线，该曲线图称为拉伸曲线图，如图2-3所示。

通过观察可以发现，低碳钢的拉伸曲线包括以下几个阶段。

Oc阶段——弹性变形阶段。此时发生的是弹性变形，撤除拉力后，变形可以完全恢复。

cs阶段——微量塑性变形阶段。此时试样发生了少量塑性变形，但变形还是以弹性变形为主。

ss'阶段——屈服阶段。这种在应力不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服现象。Fs为屈服阶段对试样施加的拉力，此时试样内部对应产生的应力为σs称为屈服点或屈服强度。零件发生塑性变形意味着零件丧失了对尺寸和公差的控制，因此工程上常根据σs确定材料的许用应力。

s'b阶段——大量塑性变形阶段。继续增大拉力，试样开始发生明显的塑性变形。随着塑性变形的加大，材料的变形抗力也显著增加，这种现象叫做冷变形强化或冷作硬化。生产上，常利用材料的这一特性来增加材料的承载能力。Fb为试样能够承受的最大拉力，其对应的产生的内应力为σb称为抗拉强度。

bz阶段——缩颈阶段。当材料加载到σb以后，试样直径发生局部收缩，称为缩颈。此时变形主要集中在缩颈部位，直至断裂。

②强度指标

a.屈服强度（屈服点）：用符号σs表示。计算公式如下：

σs=

式中，Fs为拉伸试样产生屈服现象时承受的载荷，N；A0为试样拉伸前的横截面积，mm2；σs为屈服强度（屈服点），MPa或N/mm2。

屈服强度是衡量金属材料塑性变形抗力的性能指标。机械零件在工作时如受力过大，则会因过量的塑性变形而失效。如零件工作时所受的应力低于材料的屈服强度，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服强度越高，允许的工作应力也越高。因此，材料的屈服强度是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。

b.抗拉强度：用符号σb表示。计算公式如下：

σb=

式中，Fb为拉伸试样拉断前承受的最大载荷，N；A0为试样拉伸前的横截面积，mm2；σb为抗拉强度，MPa或N/mm2。

机械零件在工作时所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则将会断裂。σb也是机械设计及选材的重要依据。

（2）塑性

金属材料在载荷作用下产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力称为塑性。塑性指标也是通过拉伸试验测得的，常用伸长率和断面收缩率来表示。

①伸长率（或延伸率）　试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，用符号δ表示。其计算公式如下：

式中，δ为伸长率，%；l1为试样拉断后的标距，mm；l0为试样的原始标距，mm。

②断面收缩率　试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用符号Ψ表示，其计算公式如下：

式中，Ψ为断面收缩率，%；A1为试样拉断后缩颈处的横截面积，mm2；A0为试样的原始横截面积，mm2。

金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，且易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件。例如，黄金是塑性最好的金属。1g金可以拉成长达4000m的细丝。如果用300g黄金拉成细丝，可以从南京出发，沿着铁路线一直延伸到北京。一吨黄金拉成的细丝，可以从地球到月亮来回五次。黄金还可以压成比纸还薄很多的金箔，厚度只有五十万分之一厘米。这样薄的金箔，看上去几乎是透明的，带点绿色或蓝色。薄到一定程度的黄金，既能隔热，又能透光，所以黄金薄膜可以用作航天员和消防队员面罩的隔热物质。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此较安全。大多数机械零件除了要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。

（3）硬度

材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力称为硬度。它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，硬度是一个综合性的物理量。

通常硬度越高，金属表面抵抗塑性变形的能力越强，材料产生塑性变形就越困难，材料耐磨性就越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。机械制造业中所用的刀具、量具、模具等都应具有足够的硬度，才能保证其使用性能和使用寿命。

常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。它们是在专门的硬度试验计上测定的。测定工件的硬度不需做专门的试样，可以在工件上直接测定而不损坏工件。

①布氏硬度　布氏硬度测试原理如图2-4所示。布氏硬度的试验方法是：在布氏硬度计上，用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）在一定（规定）载荷作用下压入试件表面，保持一定（规定）时间后卸除载荷，测量其压痕直径d，计算试件表面压痕单位面积承受的压力，即可确定被测金属材料的硬度值。这种方法测定出来的硬度称为布氏硬度，用HB表示。

在实际测定时，一般并不进行计算，而是用读数显微镜测量出压痕平均直径后，查《金属布氏硬度数值表》即可直接读出HB值。布氏硬度的标注，一般采用在符号“HBS”或“HBW”之前注明硬度值，“HBS”表示所用的实验压头为淬火钢球，“HBW”表示所用的实验压头为硬质合金球。由于布氏硬度测定的压痕面积较大，故不受金属内部组成相细微不均匀性的影响，测试结果较准确。一般使用布氏硬度测定硬度值小于450的材料，如有色金属、低碳钢、灰铸铁和退火、正火、调质处理的中碳结构钢及半成品件，而对于硬度高的材料、薄壁工件、表面要求高的工件和成品件，则不宜用布氏硬度计测定。

②洛氏硬度　洛氏硬度试验的原理和方法是在洛氏硬度计上用金刚石圆锥体（或钢球）压头，在先后施加两个载荷（即初始载荷F0和主载荷F1）的作用下逐步压入试件表面，经保持一定（规定）时间后卸去主载荷F1，保持初始载荷F0，并用测量其残余压入深度h来计算硬度值。这种方法测定出来的硬度称为洛氏硬度，用HR表示。根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用HRA、HRB、HRC三种测量规范表示，见表2-1。生产实际中，测量工件的硬度可以直接从洛氏硬度计表盘上读出硬度值，不需要测量和计算。图2-5示为洛氏硬度测试原理图。

洛氏硬度的表示方法采取“HR”前面的数值为硬度数值，例如：55HRC，表示用C测量规范测得的洛氏硬度值为55。洛氏硬度测量范围大，较硬和较软的材料都可测量；压痕小，可直接测量成品。因此，广泛用于测定各种材料、不同工件以及薄、小和表面要求高的工件的硬度。但因为洛氏硬度测定压痕小，对内部组织和性能不均匀的材料，测量结果可能不够准确、稳定、典型，所以要求测量不同部位三个点，取其算术平均值作为被测定材料或构件的硬度值。当布氏硬度在220～500之间时，布氏硬度与洛氏硬度之间大致满足以下关系：

③维氏硬度　维氏硬度测定的方法和基本原理与布氏硬度相同，也是根据试件表面压痕单位面积承受的压力大小来测量的。不同的是，维氏硬度压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体。维氏硬度测量原理如图2-6所示。根据《金属维氏硬度试验方法》的规定，测量时，用选定的试验压力F，将压头压入试件表面并保持一定时间，卸载后测量压痕对角线长度d，查维氏硬度值表即可确定被测金属材料的硬度值。这种方法测定出来的硬度称为维氏硬度，用HV表示，如某零件维氏硬度值为600HV。

由于维氏硬度测试的压痕为轮廓分明的正方形或近似正方形，便于测量，误差较小，精度较高，测量范围广，所以适用于测定各种软、硬金属，尤其适用于渗碳、渗氮工件和极薄零件的硬度。但其操作不如洛氏硬度测量方法简便，效率不高，测点的代表性不强，所以不宜用于大批量工件的硬度测定。

硬度试验和拉伸试验都是利用静载荷确定金属材料力学性能的方法，但拉伸试验属于破坏性试验，测定方法也比较复杂；硬度试验则简便迅速，基本上不损伤材料，甚至不需要做专门的试样，可以直接在工件上测试。因此，硬度试验在生产中得到更为广泛的应用，常常把各种硬度值作为技术要求标注在零件工作图上。实际上工作中，多数机械零件和构件不是在静载荷作用下工作，它们往往要承受动载荷的作用。由于动载荷作用下产生的变形和破坏要比静载荷作用时大很多，因此，必须考虑动载荷对机械零件和构件的作用。韧性和疲劳强度是在动载荷作用下测定的金属材料的力学性能。

（4）韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为韧性，即金属材料在冲击力作用下折断时吸收变形能量的能力。许多机械零件和工具在工作中往往要承受短时突然加载的冲击载荷作用，例如，汽车启动和刹车、冲床冲压工件、空气锤锻压工件等。由于零件在冲击力作用下产生的变形和破坏要比在静载荷作用时大得多，因此，设计承受冲击载荷的零件时，必须考虑金属材料的韧性。

金属的冲击试验是指用规定高度的摆锤对处于最下方的具有V型或U型缺口的标准试件进行一次性打击并使试样折断，然后通过刻度盘和指针读出被测试样件折断时所吸收的功的一种试验。冲击试验原理，如图2-7所示。

冲击吸收功的大小表示了金属材料韧性的优劣，冲击吸收功大，则金属的韧性好。试样缺口处单位面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度或冲击值，即：

式中，AK为冲击吸收功，J；aK为冲击韧度，J/cm2；A为试样缺口处的横截面积，cm2。

值得注意的是，有些金属材料在高温下韧性降低、脆性增大，而大多数金属材料（如钢铁）则在低温下韧性降低、脆性增大。它们都会给工作零件和构件带来很大的危害。

（5）疲劳强度

轴、齿轮、轴承、弹簧、叶片等零件在工作过程中，各点所受的载荷随时间作周期性的变化，且其应力的大小、方向也发生相应变化。这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力，也称循环应力。金属材料在交变应力或应变作用下，在一处或几处产生局部的永久性累积损伤，经一定工作循环次数后，产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属疲劳。

产生疲劳破坏所需的应力值通常远远小于材料的屈服强度和抗拉强度，在工件工作较长时间并达到某一数值后，就会发生突然断裂。疲劳断裂前不产生明显的塑性变形，不容易引起注意，故危险性非常大，常造成严重危害。据统计，机械零件的失效80%是属于疲劳破坏造成的。

金属材料在指定循环基数的交变载荷作用下，不产生疲劳断裂所能承受的最大应力称为疲劳强度，也称疲劳极限。对称循环交变应力的疲劳强度值用σ-1表示。一般规定钢的交变应力循环基数为107次；有色金属、不锈钢的交变应力循环基数为108次，在这种循环基数下不发生疲劳破坏的最大应力值即为该材料的疲劳强度σ-1。疲劳强度σ与循环次数N的关系曲线，如图2-8所示。

导致疲劳断裂的原因很多，一般认为是由于材料内部有残余应力或存在气孔、疏松、夹杂等组织缺陷，表面有划痕、缺口等引起应力集中的缺陷等，从而导致微裂纹的产生，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，最后造成工件不能承受所加载荷而突然断裂破坏。

生产实际中主要是通过改善零件结构形状，例如采用圆弧过渡等避免尖角和尺寸的突然变化；减小表面粗糙度值；表面强化处理，例如表面淬火、表面滚压、喷丸处理等；减小内应力，例如退火热处理、时效处理等；合理选择材质等方法来提高材料和工件的疲劳强度。