1、中 等 专 业 学 校 教 材金 属 工 艺 学铁 路 金 工 课 程 编 写 组 编 郑 州 铁 路 机 械 学 校 李 凤 翔 主 审中 国 铁 道 出 版 社1 9 9 9 年 北 京( 京 ) 新 登 字 063 号内 容 简 介本 书 是 中 等 专 业 学 校 教 材 , 适 用 于 机 械 类 及 近 机 械 类 专 业 , 也 可 作 为 机 械 类 中 级 技 术 人 员 的 培 训 教 材 。全 书 共 十 三 章 , 内 容 主 要 有 金属 材 料 及 热 处 理 ; 金 属 材 料 加 工 工 艺 ( 包 括 铸 造 、 金 属 压 力 加 工 、 焊 接 及 切 削
2、 加 工 ) ; 金 属 防 护 及 非 金 属 材 料 。本 教 材 有 与 之 配套 辅 助 教 材 金 属 工 艺 学 实 验 及 习 题 , 供 实 验 及 课 外 作 业 使 用 。图 书 在 版 编 目 ( CI P) 数 据金 属 工 艺 学 / 铁 路 金 工 课 程 编 写 组 编 。 -北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社 , 1999中 等 专 业 学 校 教 材ISBN 7-113-03273-7 . 金 . 铁 . 金 属 加 工 -工 艺 -专 业 学 校 -教 材 .T G-43中 国 版 本 图 书 馆 CI P 数 据 核 字 ( 1999) 第 12577
3、 号书 名 : 金 属 工 艺 学著 作 责 任 者 : 铁 路 金 工 课 程 编 写 组出 版 发 行 : 中 国 铁 道 出 版 社 ( 10 0 05 4 , 北 京 市 宣 武 区 右 安 门 西 街 8 号 )责 任 编 辑 : 吴 桂 萍封 面 设 计 : 薛 小 卉印 刷 : 北 京 兴 顺 印 刷 厂开 本 : 7 87 1 0 92 1 / 1 6 印 张 : 1 4 字 数 : 34 3 千版 本 : 1 99 9 年 7 月 第 1 版 1 9 99 年 7 月 第 1 次 印 刷印 数 : 1 5 50 0 册书 号 : ISBN 7-11 3 -0 32 7 3 -
4、7 / T H 7 4定 价 : 1 6. 5 0 元版 权 所 有 盗 印 必 究凡 购 买 铁 道 版 的 图 书 , 如 有 缺 页 、 倒 页 、 脱 页 者 , 请 与 本 社 发 行 部 调 换 。前 言近 年 来 , 随 着 教 育 教 学 改 革 不 断 深 入 发 展 , 对 职 业 技 术 教 育 提 出 了 更 高 的 要 求 , 特 别 是 在 强 调 培 养 学 生 适 应 岗 位 能 力 方 面 , 各 课 程 在 教 学 内 容 、 教 学 方 法 和 教 学 手 段 等 方 面 都 进 行 了 大 量 的 改 革 。 根 据 中 等 专 业 学 校 课 程 改
5、革 的 要 求 , 铁 路 中专 金 工 课 程 组 决 定 新 编 金 属 工 艺 学 教 材 , 并 成 立 了 金 工 课 程 编 写 组 。 编 写 组 成 员 首 先 对 1987 年 原 国 家 教 育 委 员 会 颁 布 的 教 学 大 纲 根 据 实 际 情 况 进 行 了 修 订 , 对 编 写 提 纲 进 行 了 认 真 的 讨 论 ; 之 后 通 过 到 有 关 厂 、 段 召 开 座 谈 会 并 现 场 考 察 , 进 行 了 广 泛 的 调 研 , 收 集 了 大 量 的 有 关 资 料 。 编 写 中 吸 收 了 各 校 的 教 学 经 验 , 采 用 了国 家 最
6、 新 术 语 及 标 准 , 丰 富 充 实 了 教 材 的 内 容 。全 书 由 铁 路 金 工 课 程 编 写 组 编 , 由 郑 州 铁 路 机 械 学 校 李 凤 翔 主 审 。 参 加 本 书编 写 的 有 : 郑 州 铁 路 机 械 学 校 夏 国 贤 ( 第 二 、 三 、 四 、 五 、 六 章 及 绪 论 ) ; 广 州 铁 路 机 械 学 校 李 英 ( 第 一 、 七 、 八 章 ) ; 济 南 铁 路 机 械 学 校 单 洪 标 ( 第 九 、 十 、 十 一 章 ) ; 株 洲 铁 路 机 械 学 校 余 新 萍 ( 第 十 二 、 十 三 章 ) 。 教 材 编 写
7、 组 成 员 还 有 : 张 建 国 、 刘 春 秀 、 曾 健 、 余 明 亮 、 丁 克 强 、 金 升 、 张 芙 丽 、 高 明 智 、 林 荣 、 徐 文 淑 、 黄 亮 、 赵 秋 华 、 陈 大 新 、 苏 松 涛 、 崇 培 锟 、 朱 安 莉 、 黄 铮 、 谢 桂 山 、 王 青 、 龙 雄 辉 。在 编 写 过 程 中 , 得 到 株 洲 电 力 机 车 厂 、 株 洲 车 辆 厂 、 株 洲 机 务 段 和 株 洲 铁 路 电 机 学 校 的 领 导 和 工 程 技 术 人 员 的 大 力 支 持 , 在 此 表 示 诚 挚 的 感 谢 。由 于 编 者 水 平 有 限
8、 , 书 中 不 当 之 处 在 所 难 免 , 敬 请 读 者 批 评 指 正 。编 者1998 年 12 月1目 录绪 论 1第 一 章 金 属 材 料 的 力 学 性 能 3第 一 节 强 度 和 塑 性 3第 二 节 硬 度 6第 三 节 冲 击 吸 收 功 9第 四 节 金 属 的 疲 劳 强 度 与 蠕 变 11第 二 章 金 属 及 合 金 的 晶 体 结 构 与 结 晶 14第 一 节 纯 金 属 的 晶 体 结 构 与 结 晶 14第 二 节 金 属 的 同 素 异 构 转 变 17第 三 节 合 金 的 相 结 构 与 结 晶 18第 三 章 铁 碳 合 金 状 态 图 2
9、3第 一 节 铁 碳 合 金 的 基 本 组 织 23第 二 节 铁 碳 合 金 状 态 图 24第 四 章 钢 的 热 处 理 工 艺 基 础 29第 一 节 概 述 29第 二 节 钢 的 热 处 理 基 础 理 论 29第 三 节 钢 的 退 火 与 正 火 35第 四 节 钢 的 淬 火 与 回 火 36第 五 节 钢 的 表 面 热 处 理 39第 六 节 热 处 理 新 工 艺 简 介 40第 五 章 工 业 用 钢 42第 一 节 钢 铁 冶 炼 简 介 42第 二 节 杂 质 元 素 和 合 金 元 素 在 钢 中 的 作 用 43第 三 节 钢 的 分 类 与 牌 号 45第
10、 四 节 非 合 金 钢 51第 五 节 低 合 金 钢 56第 六 节 机 械 结 构 和 工 程 结 构 用 合 金 钢 59第 七 节 合 金 工 具 钢 和 高 速 工 具 钢 62第 八 节 不 锈 钢 、 耐 热 钢 及 特 殊 物 理 性 能 钢 65第 九 节 典 型 零 件 材 料 的 选 择 及 热 处 理 举 例 68第 六 章 铸 铁 73第 一 节 概 述 73第 二 节 灰 铸 铁 75第 三 节 其 它 常 用 铸 铁 77第 七 章 有 色 金 属 及 粉 末 冶 金 81第 一 节 铜 及 铜 合 金 81第 二 节 铝 及 铝 合 金 85第 三 节 滑 动
11、 轴 承 合 金 89第 四 节 粉 末 冶 金 简 介 92第 五 节 金 属 腐 蚀 与 防 护 概 述 94第 八 章 非 金 属 材 料 简 介 98第 一 节 工 程 塑 料 概 述 98第 二 节 橡 胶 、 陶 瓷 及 复 合 材 料 概 述 101第 九 章 铸 造 105第 一 节 概 述 105第 二 节 砂 型 铸 造 105第 三 节 常 用 合 金 的 铸 造 性 能 111第 四 节 铸 件 结 构 工 艺 性 及 铸 造 工 艺 规 程 的 制 订 112第 五 节 特 种 铸 造 简 介 117第 十 章 金 属 压 力 加 工 121第 一 节 概 述 121
12、第 二 节 金 属 压 力 加 工 的 基 本 原 理 122第 三 节 金 属 锻 造 时 的 加 热 与 冷 却 125第 四 节 自 由 锻 126第 五 节 模 锻 简 介 135第 六 节 冲 压 136第 十 一 章 焊 接 139第 一 节 概 述 139第 二 节 焊 条 电 弧 焊 140第 三 节 金 属 材 料 的 焊 接 性 能 143第 四 节 焊 接 应 力 与 变 形 145第 五 节 常 见 焊 接 缺 陷 及 其 产 生 原 因 147第 六 节 焊 接 工 艺 规 程 制 订 14823第 七 节 其 它 焊 接 方 法 简 介 153第 十 二 章 金 属
13、 切 削 加 工 158第 一 节 金 属 切 削 加 工 基 本 知 识 159第 二 节 金 属 切 削 刀 具 160第 三 节 金 属 切 削 过 程 中 的 物 理 现 象 163第 四 节 金 属 切 削 机 床 167第 五 节 常 用 加 工 方 法 综 述 173第 六 节 数 控 加 工 与 特 种 加 工 简 介 184第 十 三 章 零 件 材 料 和 毛 坯 的 选 择 及 零 件 切 削 加 工 工 艺 的 制 订 189第 一 节 零 件 材 料 的 选 择 189第 二 节 零 件 毛 坯 分 析 与 选 择 192第 三 节 零 件 切 削 加 工 工 艺 1
14、94第 四 节 零 件 结 构 的 切 削 加 工 工 艺 性 196第 五 节 零 件 切 削 加 工 方 法 的 选 择 199第 六 节 热 处 理 工 序 在 加 工 工 艺 路 线 中 位 置 的 确 定 201第 七 节 零 件 切 削 加 工 工 艺 规 程 的 制 订 202第 八 节 典 型 零 件 切 削 加 工 工 艺 分 析 与 制 订 2067绪 论一 、 金 属 工 艺 学 在 机 械 产 品 生 产 中 的 地 位 与 作 用在 人 们 的 生 活 中 , 离 不 开 机 械 制 造 行 业 制 造 的 各 种 产 品 , 从 日 常 生 活 用 品 到 高 精
15、尖 的 机 械 产 品 , 都 是 用 不 同 种 类 和 性 能 的 材 料 , 通 过 一 定 的 方 法 加 工 成 零 件 , 再 经 过 组 合 装 配 成 为 产 品 , 以 满 足 人 们 生 活 日 益 发 展 的 需 要 。 例 如 , 制 造 一 台 SS6 型 电 力 机 车 , 根 据 设 计 图 纸 的 要 求 , 需 要 几 百 种 材 料 , 重 量 近 140 t , 经 过 铸 造 、 锻 造 、 焊 接 、 切 削 加 工 和 热 处 理 等 加 工 方 法 制 成 零 件 , 再 经 过 组 装 、 检 验 合 格 后 成 为 一 台 机 车 。 随 着
16、国 民 经 济 的 迅 速 发 展 , 我 国 已 形 成 了 产 品 门 类 齐 全 、 分 布 合 理 的 机 械 工 业 体 系 。 如 汽 车 、 船 舶 、 桥 梁 、 机 车 、 通 讯 和 宇 航 等 行 业 的 各 种 产 品 , 不 仅 满 足 了 国 内 各 个 生 产 部 门 的 需 要 , 而 且 部 分 产 品 还 远 销 国 外 。 对 金 属 工 艺 学 的 研 究 , 将 促 进 我 国 机 械 产 品 的 发 展 , 所 以 它 在 国 民 经 济 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。二 、 金 属 工 艺 学 发 展 概 况金 属 工 艺 学 是 在
17、生 产 实 践 中 发 展 起 来 的 一 门 科 学 , 它 对 人 类 文 明 进 步 起 了 积 极 的 推 动 作用 。 在 金 属 工 艺 学 发 展 的 历 史 上 , 我 国 是 使 用 金 属 材 料 最 早 的 国 家 之 一 。 我 国 使 用 铜 的 历 史 约有 4000 余 年 , 从 大 量 出 土 文 物 证 明 , 在 商 代 ( 公 元 前 1562 1066 年 ) 就 有 了 高 度 发 达 的 青 铜 加 工 技 术 。 例 如 , 河 南 安 阳 出 土 的 司 毋 戊 大 方 鼎 , 重 达 875 k g, 它 不 仅 体 积 庞 大 , 而 且
18、上 面 花 纹 精 巧 、 造 型 精 美 。 在 春 秋 时 期 我 国 就 有 了 大 量 的 铁 器 使 用 于 农 耕 。 这 说 明 我 国 的 炼 铁 技 术 比 欧 洲 早 1900 余 年 。 战 国 时 期 我 国 已 掌 握 较 高 的 铸 造 、 热 处 理 技 术 , 制 出 了 “干 将 “莫 邪 ”等 名 剑 , 还 可 以 用 白 口 铁 经 热 处 理 制 造 可 锻 铸 铁 。 从 东 汉 时 期 我 国 就 掌 握 了 炼 钢 技 术 , 并 流 传 到 欧 洲 , 比 其 他 国 家 早 1600 余 年 。 到 明 朝 就 有 比 较 完 整 的 文 字
19、 著 作 , 宋 应 星 所 著 的 天 工 开 物 一 书 , 内 有 记 载 冶 铁 、 炼 钢 、 铸 钟 、 锻 铁 和 淬 火 等 各 种 金 属 加 工 方 法 , 是 世 界 上 最 早 较 全 面 阐 述 金 属 工 艺 科 学 文 献 之 一 。 从 以 上 历 史 事 例 , 可 以 充 分 说 明 我 国 劳 动 人 民 在 金 属 材 料 及 加 工 工 艺 方 面 取 得 了 辉 煌 的 成 就 , 为 人 类 文 明 进 步 作 出 了 巨 大 贡 献 。 到 了 近 代 , 由 于 封 建 社 会 制 度 的 腐 败 和 外 国 的 侵 略 , 严 重 阻 碍 了
20、 这 门 学 科 的 发 展 , 使 它 长 期 处 于 落 后 停 滞 状 态 。新 中 国 成 立 后 , 我 国 人 民 在 党 的 领 导 下 , 在 金 属 材 料 、 非 金 属 材 料 及 其 加 工 工 艺 方 面 有 了 很 大 提 高 , 不 断 出 现 新 材 料 、 新 工 艺 、 新 技 术 和 新 设 备 , 这 就 标 志 着 金 属 工 艺 学 的 研 究 与 应 用 在 我 国 历 史 上 达 到 了 新 水 平 , 并 已 跨 入 世 界 先 进 行 列 。三 、 金 属 工 艺 学 的 性 质 、 内 容 和 学 习 基 本 要 求金 属 工 艺 学 是
21、一 门 实 践 性 较 强 的 综 合 技 术 基 础 课 , 是 研 究 机 械 制 造 与 设 备 维 修 的 基 础 知识 和 基 本 技 能 , 是 中 等 专 业 学 校 机 械 类 专 业 的 必 修 课 程 。本 课 程 的 内 容 可 概 略 分 为 三 部 分 , 包 括 : 金 属 材 料 及 热 处 理 ; 金 属 材 料 加 工 工 艺 ; 金 属 防 护 及 非 金 属 材 料 。 上 述 内 容 在 形 式 上 各 有 独 立 性 , 但 在 机 械 制 造 与 维 修 过 程 中 , 要 因 地 制 宜 , 合 理 应 用 , 以 获 得 最 好 的 质 量 和
22、最 大 的 经 济 效 益 。2对 本 课 程 学 习 的 基 本 要 求 是 :1. 初 步 掌 握 常 用 金 属 材 料 的 分 类 、 牌 号 ( 代 号 ) 、 性 能 特 点 及 应 用 范 围 , 以 及 一 般 选 材 知 识 和 常 用 的 热 处 理 方 法 ;2. 了 解 零 件 的 各 种 加 工 方 法 的 基 本 原 理 、 工 艺 特 点 及 加 工 范 围 , 并 初 步 具 有 选 择 毛 坯 和 零 件 加 工 方 法 的 能 力 ;3. 通 过 金 工 实 验 和 金 工 实 习 , 初 步 达 到 具 有 动 手 操 作 的 能 力 。3第 一 章 金
23、属 材 料 的 力 学 性 能金 属 材 料 的 性 能 包 括 工 艺 性 能 和 使 用 性 能 。 金 属 材 料 的 工 艺 性 能 是 指 金 属 材 料 在 制 造 机 械 零 件 和 工 具 的 过 程 中 , 适 应 各 种 冷 、 热 加 工的 性 能 , 也 就 是 金 属 材 料 采 用 某 种 加 工 方 法 制 成 成 品 的 难 易 程 度 。 它 包 括 铸 造 性 能 、 锻 造 性 能 、焊 接 性 能 、 热 处 理 性 能 和 切 削 加 工 性 能 等 。 金 属 材 料 的 使 用 性 能 是 指 金 属 材 料 在 使 用 条 件 下 所 表 现 出
24、 来 的 性 能 , 它 包 括 物 理 性 能 、 化学 性 能 和 力 学 性 能 。 金 属 材 料 的 物 理 性 能 是 指 金 属 固 有 的 属 性 , 包 括 密 度 、 熔 点 、 导 热 性 、 导 电 性 、 热 膨 胀 性 和 磁 性 等 。 金 属 材 料 的 化 学 性 能 是 指 金 属 在 化 学 介 质 作 用 下 所 表 现 出 来 的 性 能 ,包 括 耐 腐 蚀 性 、 抗 氧 化 性 和 化 学 稳 定 性 等 。 金 属 材 料 的 力 学 性 能 是 指 金 属 在 力 作 用 下 所 显 示 与 弹 性 和 非 弹 性 反 应 相 关 或 涉 及
25、 应 力 -应 变 关 系 的 性 能 。 它 包 括 强 度 、 塑 性 、 硬 度 、 韧 性 及 疲 劳 强 度 等 。一 般 在 机 械 设 备 及 工 具 的 设 计 、 制 造 过 程 中 , 所 选 用 的 金 属 材 料 大 多 以 力 学 性 能 为 主 要 依 据 , 因 此 熟 悉 和 掌 握 金 属 材 料 的 力 学 性 能 是 非 常 重 要 的 。第 一 节 强 度 和 塑 性一 、 基 本 概 念金 属 材 料 在 加 工 及 使 用 过 程 中 所 受 的 外 力 称 为 载 荷 。 根 据 载 荷 作 用 性 质 的 不 同 , 可 以 分 为 静 载 荷
26、、 冲 击 载 荷 及 疲 劳 载 荷 三 种 。静 载 荷 静 载 荷 是 指 大 小 不 变 或 变 动 很 慢 的 载 荷 。 如 机 床 作 用 在 地 面 上 的 载 荷 。 冲 击 载 荷 冲 击 载 荷 是 指 突 然 增 加 的 载 荷 。 如 用 铁 锤 打 桩 时 , 桩 所 受 的 载 荷 。疲 劳 载 荷 疲 劳 载 荷 是 指 所 经 受 的 周 期 性 或 非 周 期 性 的 动 载 荷 ( 也 称 循 环 载 荷 ) 。 如 车 轮运 转 时 , 车 轮 上 某 一 点 所 受 的 载 荷 。 金 属 材 料 受 不 同 载 荷 作 用 而 发 生 的 几 何 形
27、 状 和 尺 寸 的 变 化 称 为 变 形 。 变 形 分 为 弹 性 变 形和 塑 性 变 形 。 弹 性 变 形 是 指 随 着 外 力 的 消 失 而 消 失 的 变 形 , 如 弹 簧 在 正 常 工 作 时 的 拉 长 与 恢 复 的 变 形 。 塑 性 变 形 是 指 随 着 外 力 的 消 失 而 保 留 下 来 的 变 形 , 也 叫 永 久 变 形 或 残 留 变 形 , 如 将 圆 钢 锻 造 成 齿 轮 毛 坯 的 变 形 。物 体 受 外 力 作 用 后 所 导 致 物 体 内 部 之 间 的 相 互 作 用 力 称 为 内 力 , 单 位 面 积 上 的 内 力 即
28、 称为 应 力 , 用 符 号 表 示 。 其 计 算 公 式 为 :式 中 F 外 力 ( N ) ;S 横 截 面 积 ( mm2 ) 。 = F S ( MP a)4二 、 强 度金 属 抵 抗 塑 性 变 形 和 断 裂 的 能 力 称 为 强 度 。 强 度 大 小 通 常 用 应 力 来 表 示 。 根 据 载 荷 作 用 方 式 不 同 , 强 度 可 分 为 抗 拉 强 度 ( b ) 、 抗 压 强 度 ( b c ) 、 抗 弯 强 度 ( bb ) 、 抗 剪 强度 和 抗 扭 强 度 ( b ) 等 五 种 。 金 属 材 料 的 抗 拉 强 度 和 塑 性 , 可 用
29、 拉 伸 试 验 测 定 。( 一 ) 拉 伸 实 验用 静 拉 伸 力 对 试 样 轴 向 拉 伸 , 测 量 力 和 相 应 的 伸 长 , 一 般 拉 至 断 裂 , 测 定 其 力 学 性 能 。1. 拉 伸 试 样 按 GB 639786 规 定 , 对 棒 材 ( 包 括 方 形 和 六 方 形 等 ) 拉 伸 试 样 的 形 状 一 般 采 用 圆 形 试 样 , 如 图 1-1 所 示 。图 中 L 0 为 标 距 长 度 ( 原 始 标 距 , 即 试 验 前 的 标 距 。 标 距 是 指 拉 伸 试 验 过 程 中 用 以 测 量 试 样 伸 长 的 两 个 标 记 间
30、的 长 度 ) 。 d 0 是 试 样 原 始 直 径 。 根 据 L 0 与 d0 之 间 的 关 系 , 试 样 可 分 为 长 试 样 ( L 0 = 10d 0 ) 和 短 试 样 ( L 0 = 5d0 ) 。 一 般 无 特 殊 说 明 , 均 采 用 长 试 样 。 但 是 , 短 试 样 较 长 试 样 节 约 材 料 , 各 国 标 准 中 有 优 先 选 用 短 试 样 的 趋 势 。图 1 -1 圆 形 拉 伸 试 样 图 1 -2 低 碳 钢 力 -伸 长 曲 线2. 力 -伸 长 曲 线 拉 伸 试 验 中 记 录 的 拉 伸 力 对 伸 长 的 关 系 曲 线 叫
31、做 力 -伸 长 曲 线 , 也 称 拉伸 图 。 图 1-2 是 低 碳 钢 的 力 -伸 长 曲 线 , 图 中 纵 坐 标 表 示 力 F , 单 位 为 N ; 横 坐 标 表 示 绝 对 伸 长 L , 单 位 为 mm。 图 中 表 现 出 四 个 变 形 阶 段 :0e弹 性 变 形 阶 段 。 此 阶 段 内 试 样 变 形 是 弹 性 变 形 , 卸 载 后 试 样 即 恢 复 原 状 。 F e 是 试 样 保 持 弹 性 变 形 的 最 大 拉 伸 力 。es屈 服 阶 段 。 当 载 荷 超 过 F e 时 , 若 此 时 卸 载 , 试 样 的 伸 长 只 能 部 分
32、 地 恢 复 , 而 保 留 一 部 分 残 余 变 形 , 即 为 塑 性 变 形 。 当 载 荷 增 加 到 F s 时 , 图 上 出 现 平 台 或 锯 齿 状 , 产 生 屈 服 现 象 。 即 在 载 荷 不 增 加 或 略 有 减 少 的 情 况 下 , 试 样 继 续 发 生 变 形 的 现 象 叫 做 屈 服 。 此 时 的 载 荷 F s 称 为 屈 服 载 荷 。 屈 服 后 , 材 料 将 残 留 较 大 的 塑 性 变 形 。sb强 化 阶 段 。 在 屈 服 阶 段 以 后 , 欲 使 试 样 继 续 伸 长 , 必 须 不 断 加 载 , 直 到 所 加 载 荷
33、为 最 大 载 荷 F b 。 在 此 过 程 中 , 随 着 塑 性 变 形 增 大 , 试 样 变 形 抗 力 也 逐 渐 增 加 , 产 生 形 变 强 化 ( 或 称 加 工 硬 化 ) 。 此 时 F b 为 拉 伸 试 验 时 试 样 所 能 承 受 的 最 大 载 荷 。bk缩 颈 阶 段 ( 局 部 塑 性 变 形 阶 段 ) 。 当 载 荷 达 到 最 大 值 F b 时 , 试 样 的 直 径 发 生 局 部 收 缩 ,称 为 缩 颈 。 由 于 截 面 变 小 , 试 样 继 续 变 形 所 需 载 荷 也 随 之 降 低 , 当 载 荷 达 到 F k 时 , 试 样
34、被 拉 断 。 ( 二 ) 强 度 指 标 金 属 材 料 抵 抗 拉 伸 载 荷 的 强 度 指 标 有 屈 服 点 、 规 定 残 余 伸 长 应 力 、 抗 拉 强 度 等 。1. 屈 服 点 和 规 定 残 余 伸 长 应 力试 样 在 试 验 过 程 中 力 不 增 加 ( 保 持 恒 定 ) 仍 能 继 续 伸 长 ( 变 形 ) 时 的 应 力 称 为 屈 服 点 , 用 符 号 s 表 示 , 计 算 公 式 如 下 :52式 中 F s 试 样 屈 服 时 的 载 荷 ( N ) ; S0 试 样 原 始 横 截 面 积 ( mm s =) 。F s S 0( M Pa)对
35、塑 性 很 低 的 金 属 材 料 ( 如 一 般 机 床 床 身 ) , 不 仅 没 有 明 显 的 屈 服 现 象 , 而 且 也 不 产 生 缩颈 。 如 图 1-3 所 示 铸 铁 的 力 -伸 长 曲 线 。对 于 无 明 显 屈 服 现 象 的 金 属 材 料 , 一 般 测 定 其 规 定 残 余 伸 长 应 力 值 用 r 表 示 。 规 定 残 余 伸 长 应 力 是 指 试 样 卸 除 拉 伸 力 后 , 其 标 距 部 分 的 残 余 伸 长 达 到 规 定 的 原 始 标 距 百 分 比 时 的 应力 。 表 示 此 应 力 的 符 号 应 附 以 下 角 标 说 明
36、。 例 如 r 0.2 表 示 规 定 残 余 伸 长 率 为 0.2% 时 的 应 力 , 按 下 列 公 式 计 算 : r 0 .2 = F r 0 . 2 S 0( M Pa )式 中 F r 0. 2 残 余 伸 长 率 达 0.2% 时 的 载 荷 ( N ) ;S 0 试 样 原 始 横 截 面 积 ( mm2 ) 。图 1-4 为 规 定 残 余 伸 长 应 力 示 意 图 。图 1 -3 铸 铁 的 力 -伸 长 曲 线 图 1 -4 规 定 残 余 伸 长 应 力 示 意 图屈 服 点 和 规 定 残 余 伸 长 应 力 是 机 械 和 工 程 技 术 上 极 为 重 要
37、的 力 学 性 能 指 标 之 一 。 因 为 绝 大 部 分 结 构 件 或 零 件 在 工 作 过 程 中 不 允 许 出 现 塑 性 变 形 。 如 内 燃 机 车 上 柴 油 机 的 缸 盖 螺 栓 若 产 生 塑 性 变 形 后 果 将 不 堪 设 想 。2. 抗 拉 强 度 试 样 拉 断 前 承 受 的 最 大 标 称 拉 应 力 称 为 抗 拉 强 度 。用 符 号 b 表 示 , 按 下 列 公 式 计 算 : b =式 中 F b 试 样 承 受 的 最 大 载 荷 ( N ) ;S0 试 样 原 始 横 截 面 积 ( mm2 ) 。F b S0( M Pa) s ( r
38、 ) 、 b 都 是 金 属 材 料 的 主 要 力 学 性 能 指 标 , 也 是 机 械 设 计 选 材 的 主 要 依 据 之 一 。 塑 性 材 料 一 般 用 s 值 , 脆 性 材 料 没 有 屈 服 现 象 , 一 般 则 用 b 值 。生 产 上 使 用 的 金 属 材 料 , 把 s / b ( 或 r / b ) 称 为 屈 强 比 。 屈 强 比 小 表 示 材 料 的 可 靠 性 好 , 即 当 零 件 承 受 载 荷 万 一 超 过 屈 服 点 时 , 虽 然 产 生 塑 性 变 形 但 还 未 达 到 断 裂 应 力 , 零 件 不 至 于 断 裂 , 保 证 安
39、全 。 但 屈 强 比 太 小 , 则 材 料 强 度 的 利 用 率 低 。 不 同 的 金 属 材 料 对 屈 强 比 的 要 求 有 所 不 同 , 一 般 非 合 金 钢 约 为 0.5 0.6; 低 合 金 结 构 钢 约 为 0.65 0.75; 合 金 结 构 钢 约 为 0.7620.8; 弹 簧 钢 约 为 0.5 0.6。 ( 三 ) 塑 性 指 标断 裂 前 金 属 材 料 产 生 永 久 变 形 的 能 力 称 为 塑 性 。 常 用 拉 伸 试 样 断 裂 时 的 最 大 相 对 变 形 量 来 表 示 塑 性 指 标 。 如 拉 伸 时 的 断 后 伸 长 率 和
40、断 面 收 缩 率 。1. 断 后 伸 长 率 试 样 拉 断 后 , 标 距 的 伸 长 与 原 始 标 距 的 百 分 比 称 为 断 后 伸 长 率 。 用 符 号 表 示 , 其 计 算 公 式 如 下 : = L 1 - L0L 0 100%式 中 L 1 试 样 拉 断 后 的 标 距 ( mm) ;L 0 试 样 的 原 始 标 距 ( mm) 。注 意 : 长 试 样 断 后 的 伸 长 率 用 符 号 1 0 表 示 , 通 常 写 成 ; 短 试 样 的 断 后 伸 长 率 用 符 号 5 表 示 。 同 一 材 料 的 断 后 伸 长 率 1 0 和 5 数 值 是 不
41、相 等 的 。因 此 在 比 较 不 同 材 料 的 断 后 伸 长 率 时 , 应 尽 量 采 用 同 样 尺 寸 规 格 的 试 样 。 对 同 样 的 材 料 , 一 般 情 况 下 5 = ( 1.2 1.5) 10 。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 始 横 截 面 积 的 百 分 比 为 断 面 收 缩 率 , 用 符 号 表 示 。 其 计 算 公 式 如 下 : = S 0 - S1S0 100%式 中 S 0 试 样 的 原 始 横 截 面 积 ( mm ) ;S 1 试 样 拉 断 处 的 最 小
42、横 截 面 积 ( mm2 ) 。断 面 收 缩 率 的 大 小 与 试 样 尺 寸 因 素 无 关 。 因 此 , 所 得 的 比 的 数 值 准 确 。 金 属 材 料 的 和 数 值 越 大 , 表 示 材 料 的 塑 性 越 好 。塑 性 好 的 金 属 适 用 于 用 压 力 加 工 、 焊接 等 加 工 方 法 制 成 形 状 复 杂 的 零 件 。 例 如 工 业 纯 铁 的 可 达 50% , 可 达 80% , 可 以 拉 成 细 丝 、 轧 薄 板 等 。 而 白 口 铸 铁 的 和 几 乎 为 零 , 不 能 进 行 塑 性 变 形 加 工 。第 二 节 硬 度材 料 抵
43、 抗 局 部 变 形 , 特 别 是 塑 性 变 形 、 压 痕 或 划 痕 的 能 力 称 为 硬 度 。 硬 度 是 各 种 零 件 和 工 具 必 须 具 备 的 性 能 指 标 。 机 械 设 备 中 的 齿 轮 , 铁 路 机 车 车 轮 和 钢 轨 ,生 产 中 使 用 的 刀 具 、 量 具 和 模 具 等 , 都 应 具 备 足 够 的 硬 度 , 才 能 保 证 使 用 性 能 。 因 此 硬 度 是 金 属 材 料 重 要 的 力 学 性 能 之 一 。由 于 测 定 硬 度 的 试 验 设 备 比 较 简 单 , 操 作 方 便 、 迅 速 , 损 伤 很 小 ( 属 无
44、 损 检 验 ) , 硬 度 值 又 可 以 间 接 地 反 映 金 属 的 强 度 以 及 金 属 在 化 学 成 分 、 金 相 组 织 和 热 处 理 工 艺 上 的 差 异 , 因 此 硬 度 在 产 品 的 设 计 、 制 造 及 维 修 过 程 中 应 用 十 分 广 泛 。硬 度 试 验 的 方 法 很 多 , 有 压 入 法 ( 如 布 氏 硬 度 、 洛 氏 硬 度 等 ) 、 划 痕 法 ( 莫 氏 硬 度 ) 、 回 跳 法( 肖 氏 硬 度 ) 等 。 生 产 中 常 用 的 是 压 入 硬 度 试 验 法 。一 、 布 氏 硬 度1. 布 氏 硬 度 的 测 试 原
45、理 根 据 GB 23184 规 定 , 是 用 一 定 直 径 的 球 体 ( 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 持 时 间 后 卸 除 试 验 力 , 用 测 量 的 表 面 压 痕 直 径 计算 硬 度 的 一 种 压 痕 硬 度 试 验 。 如 图 1-5 所 示 。7布 氏 硬 度 值 是 用 球 面 压 痕 单 位 表 面 积 上 所 承 受 的 平 均 压 力 表 示 的 硬 度 值 。 其 计 算 公 式 如下 :H BS( H BW ) = 0 .1 02 2F D( D - D 2 - d 2 )式
46、中 H BS( H BW ) 用 钢 球 ( 或 硬 质 合 金 球 ) 试 验 时 的 布 氏 硬 度 值 ;F 试 验 力 ( N ) ;D 球 体 直 径 ( mm ) ;d 测 出 的 压 痕 平 均 直 径 ( mm ) 。上 式 布 氏 硬 度 计 算 值 一 般 不 标 出 单 位 , 只 写 明 硬 度 的 数 值 。图 1 -5 布 氏 硬 度 试 验 原 理 图一 般 规 定 布 氏 硬 度 值 小 于 450 时 , 选 用 淬 火 钢 球 压 头 , 硬 度 符 号 用 H BS 表 示 ; 当 布 氏 硬 度 值 在 450 650 之 间 时 , 选 用 硬 质 合
47、 金 球 压 头 , 硬 度 符 号 用 HBW 表 示 。在 实 际 应 用 中 , 布 氏 硬 度 值 一 般 不 用 计 算 , 而 是 用 专 用 的 刻 度 放 大 镜 量 出 压 痕 直 径 d , 根 据 压 痕 直 径 的 大 小 , 再 从 硬 度 对 照 表 中 查 出 相 应 的 布 氏 硬 度 值 ( 见 金 属 工 艺 学 实 验 及 习 题 附 录 一 ) 。2. 布 氏 硬 度 的 标 注 方 法 布 氏 硬 度 用 硬 度 数 值 及 符 号 和 实 验 条 件 表 示 。 符 号 HBS 或 H BW 之 前 的 数 字 为 硬 度 值 , 符 号 后 面 的
48、 数 字 按 球 体 直 径 、 试 验 力 和 保 持 时 间 ( 10 15 s 不 标 注 ) 的 顺 序 表 示 试 验 条 件 。 例 如 :120HBS10/ 1000/ 30 表 示 用 直 径 10 mm 钢 球 在 1000 kgf( 9.807 kN ) 试 验 力 作 用 下 保 持30 s 测 得 的 布 氏 硬 度 值 为 120。500HBW 5/ 750 表 示 用 直 径 5 mm 硬 质 合 金 球 在 750 k gf ( 7.355 kN ) 试 验 力 作 用 下 保 持10 15 s 测 得 的 布 氏 硬 度 值 为 500。一 般 情 况 , 应 尽 量 选 用 直 径 为 10 mm 钢 球 。3. 布 氏 硬 度 的 适 用 范 围 布 氏 硬 度 的 特 点 是 试 验 时 金 属 材 料 表 面 压 痕 大 , 能 在 较 大 范 围 内 反 映 材 料 的 平 均 硬 度 , 测 得 的 硬 度 值 也 较 准 确 , 数 据 重 复 性 强 。 布 氏 硬 度 测 量 法 适 用 于 铸 铁 、 有 色 金 属 及 其 合 金 、 各 种 退 火 及 调 质 的 钢 件 , 特 别 适 用 于 软 金 属 , 如 铝 、 铅 、 锡 等
