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鋼及其金屬材料的機械性能

一.鋼的分類

　　鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。鋼是經濟建設中極為重要的金屬材料。 鋼按化學成分分為碳素鋼（簡稱碳鋼）與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金，除鐵、碳為其主要成分外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質。碳鋼具有一定的機械性能，又有良好的工藝性能，且價格低廉。因此，碳鋼獲得了廣泛的應用。但隨著現代工業與科學技術的迅速發展，碳鋼的性能已不能完全滿足需要，于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎上，有目的地加入某些元素（稱為合金元素）而得到的多元合金。與碳鋼比，合金鋼的性能有顯著的提高，故應用日益廣泛。

　　由于鋼材品種繁多，為了便于生產、保管、選用與研究，必須對鋼材加以分類。按鋼材的用途、化學成分、質量的不同，可將鋼分為許多類：

一)． 按用途分類 

　　按鋼材的用途可分為結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。
　　結構鋼：1.用作各種機器零件的鋼。它包括滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼及滾動軸承鋼。
　　        2.用作工程結構的鋼。它包括碳素鋼中的甲、乙、特類鋼及普通低合金鋼。
　　工具鋼：用來制造各種工具的鋼。根據工具用途不同可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。
　　特殊性能鋼：是具有特殊物理化學性能的鋼。可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。

二)． 按化學成分分類 

　　按鋼材的化學成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。
　　碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量≤0.25%）；
　　　　　　中碳鋼（0.25%＜含碳量＜0.6%）；
　　　　　　高碳鋼（含碳量≥0.6%）。
　　合金鋼：按合金元素含量又可分為低合金鋼（合金元素總含量≤5%）；
　　　　　　中合金鋼（合金元素總含量=5%--10%）；
　　　　　　高合金鋼（合金元素總含量＞10%）。
         此外，根據鋼中所含主要合金元素種類不同，也可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。

三)． 按質量分類 

　 按鋼材中有害雜質磷、硫的含量可分為普通鋼（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0　.050%）；優質鋼（磷、硫含量均≤0.040%）；高級優質鋼（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。
　　此外，還有按冶煉爐的種類，將鋼分為平爐鋼（酸性平爐、堿性平爐），空氣轉爐鋼（酸性轉爐、堿性轉爐、氧氣頂吹轉爐鋼）與電爐鋼。按冶煉時脫氧程度，將鋼分為沸騰鋼（脫氧不完全），鎮靜鋼（脫氧比較完全）及半鎮靜鋼。
　　鋼廠在給鋼的產品命名時，往往將用途、成分、質量這三種分類方法結合起來。如將鋼稱為普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高級優質碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼等。

四.金屬材料的機械性能 

　　金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現出來的性能，它包括機械性能、物理性能、化學性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。在機械制造業中，一般機械零件都是在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為機械性能（或稱為力學性能）。
　　金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。外加載荷性質不同（例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等），對金屬材料要求的機械性能也將不同。常用的機械性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。下面將分別討論各種機械性能。

1． 強度
　　強度是指金屬材料在靜荷作用下抵抗破壞（過量塑性變形或斷裂）的性能。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強度也分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度間常有一定的聯系，使用中一般較多以抗拉強度作為最基本的強度指標。

2． 塑性
　　塑性是指金屬材料在載荷作用下，產生塑性變形（永久變形）而不破壞的能力。

3． 硬度
　　硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。目前生產中測定硬度方法最常用的是壓入硬度法，它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的金屬材料表面，根據被壓入程度來測定其硬度值。
常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和維氏硬度（HV）等方法。

4． 疲勞
　　前面所討論的強度、塑性、硬度都是金屬在靜載荷作用下的機械性能指標。實際上，許多機器零件都是在循環載荷下工作的，在這種條件下零件會產生疲勞。

5． 沖擊韌性
　　以很大速度作用于機件上的載荷稱為沖擊載荷，金屬在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。

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