【正文】 緒 論 材料是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以歷史學(xué)家以石器時代、陶瓷時代、銅器時代來劃分古代史各階段，而今人類正跨入人工合成材料的新時代。 如今，材料能源和信息以成為發(fā)展現(xiàn)代化生產(chǎn)的三大支柱，而材料又是能源與信息發(fā)展的物資基礎(chǔ)。各種材料的性能好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和可靠性?，F(xiàn)代工業(yè)裝備向著高速、自動、精密等方向發(fā)展。我們是繼往開來的接班人，要努力學(xué)好工程材料，為四化做貢獻(xiàn)。 這門課學(xué)習(xí)內(nèi)容有（主要內(nèi)容）：除解決正確選材外，還涉及到一些加工工藝問題，尤其是熱處理工藝。因此 ，正確選材、合理用材、正確選材熱處理方法來滿足機(jī)械零件性能要求是這門課學(xué)習(xí)的主導(dǎo)線。 工程材料是一門內(nèi)容廣泛，理論和實踐相結(jié)合的課程，希望我們共同努力完成本課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。 : 機(jī)械制造工藝分為 機(jī)械工程材料 :機(jī)械產(chǎn)品制造所必須的物質(zhì)基礎(chǔ) ,是工業(yè)的＂糧食＂，材料性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和可靠性。 機(jī)械工程材料分為 成型工藝：把原材料或半成品加工成 所需形狀和尺寸產(chǎn)品的過程。 ⑴綜合性能強(qiáng) 系統(tǒng)介紹工程材料的加工如 :鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工 等全部工藝過程。 ⑵實踐性強(qiáng) 有利于培養(yǎng)實踐技能，提高動手能力，為獲取“雙規(guī)”提供保障。 3．學(xué)習(xí)這門課的目的 通過理論和實踐，同學(xué)們應(yīng)掌握機(jī)械工程材料，金屬加工和熱處理的理論基礎(chǔ)知識。初步具有金屬加工的操作技能。 4．要求： ，初步具有一定的實驗操作技能和正確使用常用金屬材料和常規(guī)熱處理工藝的粘貼． 的工藝應(yīng)用范圍。 ，通過實驗具有一定的實驗操作技能和正確分析實驗的能力。 ，保護(hù)環(huán)境和具有質(zhì)量與效益的意識。 金屬材料的性能分：使用性能、工藝性能。 使用性能：為保證機(jī)械零件或工具能正常工作，金屬材料應(yīng)具備的性能，在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等）和化學(xué)性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）。 工藝性能：在制造機(jī)械零件及工具過程中，金屬材料適應(yīng)各種冷、熱加工的性能。如鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理性、切削加工 性等。 力學(xué)性能是指機(jī)械零件或工具在使用過程中，要受到各種載荷的作用，金屬材料在載荷作用下所反映出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊吸收功、疲勞極限、斷裂韌度等。 第一章 金屬的力學(xué)性能 第一節(jié) 強(qiáng)度與塑性 材料受外力作用時，將會產(chǎn)生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形－塑性變形－斷裂。 彈性變形是外力去除后能夠自行恢復(fù)的變形。塑性變形是外力去除后不能完全自動恢復(fù)而保留下來的變形，又稱永久變形。 一、拉伸試驗：可求出金屬材料的強(qiáng)度與塑性。 －伸長曲線 二、強(qiáng)度 強(qiáng)度 是指金屬材料在載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。 應(yīng)力是指材料單位面積上的內(nèi)力。 內(nèi)力是當(dāng)金屬材料受載荷作用未引起破壞時，其內(nèi)部產(chǎn)生與載荷相平衡的力。 屈服點是指金屬材料開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最低應(yīng)力。用符號σ s 表示 σ s＝ Fs/So 式中 Fs 表示試樣屈服時所承受的拉伸力（ N） So 表示試樣原始橫截面積（平方毫米） 抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，用符號σ b 表示。 σ b＝ Fb/So 式中 Fb 表示試樣承受的最大拉伸力（ N） So 表示試樣原始橫截面積（平方毫米） 三、 塑性指標(biāo) 塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。評定材料塑性的指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。 斷后伸長率是指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原標(biāo)距長度的百分比。用符號δ表示。 δ =(l1l0)/ l0 100% 斷面收縮率是指試樣斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號Ψ表示。即 Ψ =(S0S1)/S0 100% 斷面收縮繁不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了材料的塑性。 塑性直接影響到零件的 成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進(jìn)行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具用較高的強(qiáng)度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達(dá) 5％或斷面收縮率達(dá) 10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。 第二節(jié) 硬度 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個綜合的物理量。 材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。 硬度的測定常用壓入法。把規(guī)定的壓頭壓入金屬材料表面層， 然后根據(jù)壓痕的面積或深度確定其硬度值。根據(jù)壓頭和壓力不同，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度（ HBS、 HBW）、洛氏硬度（ HRA、 HRB、 HRC 等）和維氏硬度（ HV）。 一、布氏硬度 試驗原理 用直徑為 D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力 F 壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形 壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭時，布氏硬度用符號“ HBS”表示 。用硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號“ HBW”表示。 HBS(HBW)：用鋼球（硬質(zhì)合金球）試驗的布氏硬度值； F：試驗力（ N）； d：壓痕平均直徑（ mm）； D：鋼球（硬質(zhì)合 金球）直徑（ mm）． 布氏硬度的單位為 N/mm2，但習(xí)慣上只寫明硬度值而不標(biāo)出單位。 選擇試驗規(guī)范 在進(jìn)行布氏硬度試驗時，鋼球直徑Ｄ、施加的試驗力Ｆ和試驗力保持時間、應(yīng)根據(jù)被測試金屬的種類和試樣厚度，按下表所示的布氏硬度試驗規(guī)范正確地進(jìn)行選擇。 布氏硬度試驗規(guī)范 材料 布氏硬度 /D 2 備注 鋼及鑄鐵 ＜ 140 ＞ 140 10 30 Ｆ單位： Ｎ Ｄ單位： mm 銅及其合金 ＜ 35 35－ 130 ＞ 130 5 10 30 輕金屬及其合金 ＜ 35 35－ 80 ＞ 80 25 10 10 鉛、錫 由布氏硬度值的計算公式可以看出，當(dāng)所加試驗力Ｆ與鋼球（或硬質(zhì)合金球）直徑Ｄ已選定時，硬度埴 HBS（ HBW）只與壓痕直徑 d 有關(guān)。 d 越大，則 HBS（ HBW）值越小，表明材料越軟；反之， d 越小， HBS（ HBW）值越大，表明材料越硬。 除了采用鋼球（或硬質(zhì)合金球）直徑Ｄ為 10ｍｍ，試驗力Ｆ為 3000ｋｇｆ（２９４２１Ｎ），保持時間 10－ 15s 的試驗條件外，在其它試驗條件下測得的硬度值，應(yīng)在 符號 HBS 的后面用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。 如 120HBS10/1000/30，即表示用 10mm的鋼球作壓頭，在 1000kgf(9807N)的試驗力作用下，保持時間為 30s 后所測得的硬度值為 120。 如 500HBＷ 5/750，即表示用 5mm 的硬質(zhì)鋼球作壓頭，在 750kgf(735N)的試驗力作用下，保持時間為 01－ 15s 后所測得的硬度值為 500。 淬火鋼球用于測定硬度 HBS＜ 450 的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等。為了避免壓頭變形，可用硬質(zhì)合金 球壓頭，它適用于測試 HBW＜ 650 的金屬材料。（我國目前布氏硬度試驗機(jī)壓頭主要是淬火鋼球。） 試驗的優(yōu)缺點 布氏硬度試驗的優(yōu)點是：試驗時使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測得的硬度值也較準(zhǔn)確。 布氏硬度試驗的缺點是：對金屬表面的損傷較大，不易測試太薄工件的硬度，也不適于測定成品件的硬度。 布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻的材料（如鑄鐵）硬度。 二、洛氏硬度 試驗原理 洛氏硬度是以頂角為 120176。的金剛石圓錐體或直徑為Φ ㎜的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試 驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 如下圖所示， 0－ 0 為金剛石壓頭還沒有和試樣接觸的位置。 1－ 1 是在初試驗力作用下壓頭所處的位置，壓入深度為 h1，目的是為了消除由于試 樣表面不光潔對試驗結(jié)果的精確性造成的不良影響。圖中2－ 2 在總試驗力（初試力＋主試驗力）作用下壓頭所處位置，壓入深度為 h2。 3－ 3 是卸除主試驗力后壓頭所處的位置，由于金屬彈性變形得到恢復(fù)，此時壓頭實際壓入深度為 h3。故由于主試驗力所引起的塑性變形而使壓頭壓入深度為 h＝ h3－ h1。洛氏硬度值由 h的大小確定，壓入深度 h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習(xí)慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個常數(shù) c 減去 h來表示硬度的高低。并用每 ㎜的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬 度值，用符號ＨＲ表示。 式中， c 為常數(shù)（對于 HRC、 HRA， c 取 ；對于 HRB， c 取 ）。由此獲得的洛氏硬度值ＨＲ為一無名數(shù)，試驗時一般由試驗機(jī)指示器上直接讀出。 常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍 標(biāo) 尺 壓頭類型 總試驗力 kgf 硬度值有效范圍 應(yīng) 用 HRA HRB HRC 120176。金剛石圓錐體 (1/16) ” ( Φ ㎜ )鋼球 120176。金剛石圓錐體 600 1000 1500 70－ 88 20－ 100 20－ 70 硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層等 有色金屬、退火、正火鋼等 淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等 上述洛氏硬度的三種標(biāo)尺中，以ＨＲＣ應(yīng)用最多，一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用ＨＲＣ測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度ＨＲＣ與布氏硬度ＨＢＳ之間關(guān)系約為 1： 10，如 40ＨＲＣ 相當(dāng)于 400ＨＢＳ 。 如 50ＨＲＣ，表示用ＨＲＣ標(biāo)尺測定的洛氏硬 度值為 50。硬度值應(yīng)在有效測量范圍內(nèi)（ＨＲＣ為 20－ 70）為有效。 試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：①操作簡單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值； ②壓痕小，故可直接測量成品或較薄工件的硬度； ③對于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金剛石壓頭，可測量高硬度薄層和深層的材料。 缺點：由于壓痕小，測得的數(shù)值不夠準(zhǔn)確，通常要在試樣不同部位測定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。 三、維氏硬度 布氏硬度試驗不適用于測定硬度較高的材料。 洛氏硬度試驗雖然可用于測定較材料和硬材料，但其硬度值不能進(jìn)行比較。 維氏硬度試 驗可以測量從軟到硬的各種材料以及金屬零件的表面硬度，并有連續(xù)一致的硬度標(biāo)尺。 試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗力大小來計算硬度值。區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為 136176。的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時間后卸除試驗力，測量 壓痕兩對角線長度，如書上Ｐ９圖 1－ 5 所示。維氏硬度值用四棱錐壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示，符號ＨＶ。 式中 Ｆ－作用在壓頭上的試驗力（Ｎ） d－壓痕兩對角線長度的平均值（㎜） ＨＶ值的單位為Ｎ /㎜ 2 ，但習(xí)慣上只寫出硬度值而不標(biāo)出單位。 常用試驗力及其適用范圍 維氏硬度試驗所用 試驗力視其試件大小、薄厚及其它條件，可在 － 的范圍內(nèi)選擇試驗力。常用的試驗胃有 、 、 、 、 、 Ｎ。 ＨＶ符號前面的數(shù)字為硬度值，后面依次用相應(yīng)數(shù)字注明試驗力和試驗力保持時間（ 10－ 15s 不標(biāo)注）。如６４０／ＨＶ３０／２０ ,表示 30kgf () 試驗力，保持時間為 20s 測得維氏硬度值為 640。 維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學(xué)熱處理后的表面硬度，其結(jié)果精確可靠。當(dāng)試驗力小于 kgf （ ）時，可用于測量金相組織中不同相的硬度。 試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：①與布氏、洛氏硬度試驗比較，維氏硬度試驗不存在試驗力與壓頭直徑有一定比例關(guān)系的約束； ②不存在壓頭變形問題； ③壓痕輪廓清晰，采用對角線長度計量，精確可靠，硬度值誤差較小。 缺點：其硬度值需要先測量對角線長度，然后經(jīng)計算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗高。 四、里氏硬度簡介 里氏硬度試驗用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭距試樣表面 1 ㎜處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。其表示符號為ＨＬ。 如 700ＨＬＤ表示用Ｄ型沖擊裝置測定的里氏硬度值為 700。 第二章 純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)的性能與原子在空間的排列情況有著密切的關(guān)系。固態(tài)物質(zhì)按原子排列特點可分為晶體與非晶體兩大類。 凡原子按一定規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)，稱為晶體。如金剛石、石墨和一切固態(tài)金