资源简介

第二章 金属材料的性能
§2－2 金属的力学性能
一 教学内容 各项力学性能指标，拉伸试验方法
二 教学要求 掌握金属的力学性能，包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等的概念及各项力学性能的衡量指标；熟悉布氏硬度、维氏硬度的测量方法。
三 教学重点 本章的重点为力学性能的概念及衡量指标
四 教学难点 对拉伸曲线各阶段的分析
五 教具准备 多媒体课件
六 参考资料 《金属材料与热处理》第六版，全国中等职业技术学校机械类通用教材
七 教学方法 讲授与课堂演示、举例相结合
八 课时安排 学时
九 授课思路
时 间分 配 教 学 过 程 辅助手段及说明
一、组织教学：考勤、学习准备等。 二、引入课题：举例引入新的课程。 【新课内容】 §2－2 金属的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。 学习引导： 古代弓箭都以富有弹性的木材或竹子制作弓体，当拉弦力量太大时，弓会折断，为什么？ 如采用金属制作，是不是任何金属都可以呢？ 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
材料的其他性能 物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等； 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。 一、强度 1、强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。 根据载荷的作用方式不同，可分为 抗拉强度——拉伸实验测定、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度、抗弯强度 2、强度指标 常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度。都是通过拉伸试验测定的。利用拉伸试验机产生的静拉力，对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量变化的载荷及对应的试样伸长量，直至断裂，并根据测得的数据计算出有关的力学性能指标。 注：不同的材料，其抵抗能力不同，强度越高，抵抗能力 就越强，越不容易被破坏，即承载能力越好。 3、强度的测定 为了使试验结果具有公认性，做拉伸试验时必须采用标准的拉伸试样。 强度应用：是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。 （1）拉伸试样 d——试样直径 Lo——标距长度 试样的标距 拉伸试验过中以测量试样伸长的两标记之间的长度，称为标距。 试样的分类 长试样(L0 =10d0) ，100mm和200mm用 短试样(L0 =5d0) ，50mm和80mm (2) 力－伸长曲线 依据拉伸试验中拉力F与伸长量ΔL之间的关系，在直角坐标系中绘出的曲线称为力——伸长曲线。拉伸过程分为 弹性变形阶段、 屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段 弹性变形阶段（Oe段）卸除载荷，立即恢复原状。 屈服阶段（es-ss′段）卸除载荷，部分变形恢复，还有一部分不能恢复。 强化阶段（s′b段）随着塑性变形的增大，材料的变形抗力增加. 缩颈阶段（bk段）载荷最大时，发生局部收缩。
（3）．强度指标 1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。 除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料（如高碳钢、铜合金、铝合金等），没有明显的屈服现象。因此，这些材料规定用产生0.2%残余伸长时的应力作用屈服强度，可以替代ReL。 规定产生0.2 残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2，替代ReL，称为条件（名义）屈服强度。 塑性材料：在外力作用下，虽然产生较显着变形而不被破坏的材料 脆性材料：在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料，屈服强度表示材料将发生破坏。 屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。 2）．抗拉强度Rm 抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。 物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。 屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。
二、塑性 塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。在外力作用下的金属材料在断裂前产生不可逆的永久变形的能力 材料的塑性指标通常用断后伸长率和断面收缩率来表征。 1．断后伸长率A 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。 2．断面收缩率Z 试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。 【例】有一直径 d =10mm，Lo=100mm 的低碳钢试样，拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。 三、硬度 硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。 1．布氏硬度 布氏硬度原理 布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示： 表示方法： 布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。 例: 170HBW10/1000/30： 直径10mm的压头，在9807N（1000kg）的试验力作用下，保持30 s时测得的布氏硬度值为170。 600HBW1/30/20： 直径为1mm压头，在294.2N（30kg）的实验力作用下，保持20 s时测得的布氏硬度值为600。 应用范围: 主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。 2．洛氏硬度 洛氏硬度原理: 表示方法： 符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。 例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。 四、冲击韧性 冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击弯曲试验来测定。 用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标，称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示 *五、疲劳强度 由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽低于材料的屈服强度，但经过长时间的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号R－1表示。
分钟 【课后小结】 小结时提出若干个问题

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