工程材料教案模块一

1、江 苏 省 盐 城 技 师 学 院教 案 首 页编 号：YJQD-0507-07 版 本：B/O 流水号：编 制： 审 核： 批 准：授课日期班 级课题： 模块一 金属材料的力学性能 任务1 测定螺栓的强度和塑性教学目的、要求：1、了解学习本课程的目的； 2、掌握材料的力学性能；教学重点、难点： 力学性能； 载荷： 授课方法：讲授法、多媒体教学法教学参考教具（含电教设备）：多媒体设备授课执行情况及分析： 板书设计或授课提纲：新课导入讲授新课模块一 金属材料的力学性能 任务1 测定螺栓的强度和塑性一、任务描述二、任务分析三、任务实施四、知识链接 1、载荷 2、应力 3、强度和塑性课堂小结:巩固练

2、习：布置作业:习题册 模块一 任务1讲授新课 ： 一、学习本课程的目的和意义二、本课程的主要内容三、金属材料的发展史四、本课程的任务及学习方法模块一 金属材料的力学性能任务1 测定螺栓的强度和塑性一、任务描述 测定螺栓的强度和塑性二、任务分析 为什么要测定强度和塑性？什么叫强度和塑性一、使用性能和工艺性能。使用性能：-指金属材料在使用条件下所表现来的性能。1、物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨涨性、磁性等。2、化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性等。3、力学性能：指金属在外力作用下所表现出来的性能。它包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度。工艺性能：指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性

3、能。二、金属的力学性能：1、力学性能：指金属在外力作用下所表现出来的性能。它包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度。2、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称载荷 。根据载荷的作用性质分三种：（1）载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷；（2）冲击载荷：在短时间内以较高的速度作用于零件上的载荷；（3）交变载荷：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷；根据载荷的作用形式不同分五种：拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。3、金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。分弹性变形和塑性变形。4、内力；金属受外力作用时，为保证其不变形，在材料内部作用着与

4、外力相对抗的力称为内力。5、应力 单位面积上的内力称为应力FS三、强度：1、概念：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。 根据载荷的作用形式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。一般情况多以抗拉强度作为金属材料强度高低的指标。2、强度是通过拉伸试验测定的。（静拉力、标准试样）课件 动画拉伸试样：在国家标准中，对试样的形状、尺寸及加工要求明确的规定。拉伸试样按形状分有圆形和矩形两类；按试样的直径与标距长度的关系又可分为长试样（l010d0）和短试样(l05d0)两种。拉伸试验中得到的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力-伸长曲线，也称拉伸曲线图。图课件（1）

5、、oe-弹性变形阶段：此时试样变形完全是弹性的，如果卸载，试样即恢复原状。随着载荷的存在而产生、随着载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。其中：Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）、es-屈服阶段：当载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部份残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。在此阶段载荷不增加或略有减小的财情况下，试样还能继续伸长现象叫做屈服。Fs称为屈服载荷。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。（3）、sb-强化阶段：在屈服阶段后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或加工硬化）

6、。此阶段的变形是均匀发生的。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。（4）、bz-缩颈阶段：（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。课堂小结：强度 载荷 应力 布置作业：习题册江 苏 省 盐 城 技 师 学 院教 案 首 页编 号：YJQD-0507-07 版 本：B/O 流水号：编 制： 审 核： 批 准：授课日期班 级课题： 任务1测定螺栓的强度和塑性（二）教学目的、要求： 1、塑性； 2、硬度（布氏硬度）；教学重点、难点： 1、和 ； 2、布氏硬度；授课方法：教学参考及教具（含电教设备）：授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲： 复习提问： 新授新课：一

7、、塑性： 二、硬度1、概念 1、概念2、塑性指标 2、方法（1） 伸长率 3、布氏硬度（2）断面收缩率 1）原理（3）例题 2）表示方法课堂小结：布置作业： 复习提问：1、力学特性？2、内力？计算公式（应力）？3、什么叫载荷？怎么分类？强度？力-伸长曲线？4、屈服点s？抗拉强度b？碳钢强度衡量指标？铸铁强度衡量指标？讲授新课： 任务1测定螺栓的强度和塑性1、强度指标：（1）屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点，用符号s表示。sFsS0对于无明显屈服现象的金属材料，规定可用规定残余伸长应力0.2表示。称为屈服强度。屈服点s和规定残余伸长应力0.2都是

8、衡量金属材料塑性变形抗力的指标。材料的屈服点和规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的尺寸和质量就可以减小。（2）抗拉强度：材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号b表示。计算公式：bFbS0零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。b是机械零件设计和选材的重要依据。一、塑性1、 概念：断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。2、 塑性指标是通过拉伸试验测得。常用伸长率和断面收缩率表示。（1）、伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。（l1l0）10 （%）说明：同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的。分别用10、5表示。习

9、惯上10常用表示。（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。 （S0S1）S0 （%）金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属材料可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成复杂的零件。3、 例题：教材P7二、硬度：1、概念：材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度值可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、金相组织的热处理工艺上的差异，且与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，所以硬度试验应用十分广泛。2、方法：硬度测试的方法很多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法、维氏硬度试

10、验法三种。1）、布氏硬度：（1） 原理：使用一定直径的球体（钢球S或硬质合金球W），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS（钢球）或HBW（硬质合金球）表示。当试验压力（F）、压头球体直径（D）一定时，布氏硬度值仅与压痕直径(d)的大小有关。D越小，布氏硬度值越大，也就是硬度值越高。通常布氏硬度值不标出单位。（2） 布氏硬度的表示方法：布氏硬度值HBS（HBW）球径试验力试验力保持时间做布氏硬度试验时，压头球体直径（D）、试验力（F）、及试验力保持时间（t），应根据被测金属材

11、料的种类、硬度值的范围及金属的厚度进行选择。常用的压头球体直径有1，2，2.5，5和10mm五种，试验（F）在9807N-29.42KN范围内，一般黑色金属为10-15s；有色金属为30s；布氏硬度值小于35时为60s。小结 衡量塑性指标 布氏硬度作业：习题册江 苏 省 盐 城 技 师 学 院教 案 首 页编 号：YJQD-0507-07 版 本：B/O 流水号：编 制： 审 核： 批 准：授课日期班 级课题： 任务2 测定工件的硬度教学目的、要求： 布氏硬度的应用范围 洛氏硬度、维氏硬度教学重点、难点： 测量原理、应用范围、优缺点授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲： 复习提问： 新课导入

12、：一、布氏硬度的应用范围及优缺点 二、洛氏硬度1、范围； 三、维氏硬度2、优缺点； 1、洛氏硬度的测量原理；2、洛氏硬度的测量范围；3、优缺点课堂小结：布置作业： 复习提问：1、硬度？塑性？2、布氏硬度的表示方法？3、s？ b？讲授新课：一、布氏硬度的应用范围及优缺点：1、应用范围：主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。2、优点：测量布氏硬度采用的试验力，球体直径也大，因此能较准确地反映出金属材料的平均性能。3、缺点：测量时间长；对不同的材料需要不同的压头和试验力，压痕测量较费时；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确。用钢球压头测量时，材料硬度值

13、必须小于450；用硬质合金球压头时，材料的硬度值必须小于650。又因其压痕较大，所以布氏硬度不宜于测量成品及薄件。二、洛氏硬度：1、洛氏硬度的测量原理：洛氏硬度试验是采用金刚石圆锥体或游淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。注：布氏布度试验是测量压痕的直径；而洛氏硬度试验是测量压痕的深度，压痕深度（eh3h2）越大，被测金属的硬度越低。洛氏硬度没有单位，试验时硬度值直接从硬度计上读出。2、常用洛氏硬度标尺及其应用范围：为了用一台硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母

14、在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最广泛。注：各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，但可以用实验测定的换算表进行相互比较。3、洛氏硬度的表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。4、洛氏硬度试验的优点：首先，洛氏硬度试验操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；其次，压痕较小，可以测定成品及较薄的工件；第三，测定的硬度值范围较大，可测从很软到很硬的金属材料。5、洛氏硬度试验的缺点：洛氏硬度测量由于压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，测量值的代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来

15、代表金属材料的硬度。三、维氏硬度：1、维氏硬度的测量原理：维氏硬度的试验原理基本上与布氏硬度的试验相同，将相对面夹角为1360的下四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压入试样表面，经规定保持的时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。维氏硬度用符号HV表示。在实际工作中，维氏硬度值同布氏硬度值勤一样，不用计算，而是根据压痕对角线长度，从表中直接查出。维氏硬度试验所用的试验力可根据试验的大小、厚薄等条件进行选择。2、维氏硬度的表示方法：维氏硬度的表示方法与布氏硬度相同。例：硬度值HV试验选用的力保持时间3、优点：维氏硬度因试验时所加的力小，压入深度较浅，所以可以测量较薄的材料；也可以测量表

16、面渗碳、渗氮层的硬度。又因维氏硬度值具有连续性，故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度，且准确性高。4、缺点：维氏硬度试验的缺点是测量压痕的对角线的长度较繁；压痕小，对试件表面质量要求较高。课堂小结：洛氏硬度 维氏硬度 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度各自应用范围布置作业：习题册、书后练习题江 苏 省 盐 城 技 师 学 院教 案 首 页编 号：YJQD-0507-07 版 本：B/O 流水号：编 制： 审 核： 批 准：授课日期班 级课题： 任务3测定冲头的冲击韧性教学目的、要求：掌握力学性能指标冲击韧性和疲劳强度教学重点、难点： 各性能指标间的相互联系授课方法：教学参考及教具（含电教设备）：授

17、课执行情况及分析：板书设计或授课提纲：复习提问：讲授新课：一、 冲击韧性：1、概念；2、冲击试样；3、原理和方法；二、疲劳强度：1、疲劳强度的概念；2、疲劳曲线和疲劳极限三、工艺性能1、金属材料的铸造性能；2、金属材料的锻造性能；3、金属材料的焊接性能；4、金属材料的切削加工性能课堂小结：布置作业；教 学 过 程复习提问：1、 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的表示方法？2、 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的各自优缺点及适用范围？3、 各种硬度测验时它们所用的试验条件怎样？讲授新课：一、 冲击韧性：1、冲击韧性指标的概念：在实际工作当中，许多机械零件，往往要受到冲击载荷的作用，制造这些零件所用的材料

18、，其性能指标不能单纯用静载荷作用下指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧性测试常用一交摆锤冲击弯曲试验来测定。2、冲击试样：为了使试验结果具有可比性，必须采用标准试样。冲击试样的类型很多，可根据国家标准有关规定来选择。常用试样有10mm×10mm×55mm的U形缺口和V形缺口试样。3、冲击试验的原理和方法：利用能量守恒原理，试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击试验：将待测金属材料加工成标准试样，然后放在试验机支架上，放置时注意缺口方向背向摆锤，将一定质量的摆锤升至一定高度，然后使摆锤自

19、由落下，将试样冲断。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功，用符号AK。冲击吸收功（AK）除以试样缺口处截面积（S0）即得到材料的冲击韧度，用符号K表示。冲击韧度是冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸收功。冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。必须说明的是：使用不同的类型试样（V形缺口或U形缺口）进行试验时，其冲击吸收功应分别标为AKV或AKU，冲击韧度则标为KV或KU。4、小能量多次冲击试验在实际工作中，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭到破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，所以，对于这样的零件，用冲击韧度来作为设计依

20、据显然是不符合实际的。必须用小能量多次冲击试验。一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高。反过来也一样。金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。二、 疲劳强度：1、疲劳的概念：许多机械零件在工作过程中各个点的应力随时间作周期性的变化，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）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。而且疲劳破坏前机械零件没有明显的变形。2、

21、疲劳破坏的特征：（1）、疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；（2）、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；（3）、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部份）和最后断裂区（粗糙部份）。机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部存在有缺陷（夹杂、划痕、显微裂纹等），这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。3、疲劳曲线和疲劳极限：疲劳曲线：是指交变应力与循环次数的关系曲线。疲劳极限：是金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。显然疲劳极限数值越大，材料抵抗疲劳破坏的能力越强。金属材料不可能作无数次

22、交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力为疲劳极限；有色金属、不锈钢等取108周次。金属的疲劳极限受到很多因素的影响，如：工作条件、表面状态、材料成份、组织以及残余内应力等。改善零件的结构形式、降低零件表面的粗糙度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。三、工艺性能的概念：工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。（金属的热处理性能）工艺性能直接影响到零件的制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。1、铸造性能：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸

23、造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。a) 流动性：熔熔金属的流动能力称为流动性，它主要受金属化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，获得外形完整、尺寸精确、轮廓清淅的铸件。b) 收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。c) 偏析倾向：金属凝固后，内部化学成份和组织的不均匀现象称为偏析。偏析的存在能使铸件各部份的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量。2、锻造性能：用锻压成形的方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要和金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变

24、形抗力越小，金属的锻造性能越好。3、焊接性能：焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的难易程度。焊接性能主要同金属材料的化学成分有关。4、切削加工性能切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具的使用寿命等方面来衡量。铸铁比钢的切削性能好，一般碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢切削加工性能的重要途径。课堂小结：疲劳强度 工艺性能布置作业：习题册、书后练习题江 苏 省 盐 城 技 师 学 院教 案 首 页编 号：YJQD-0507-07 版 本：B/O 流水号：编 制： 审

25、核： 批 准：授课日期班 级课题： 模块二 铁碳合金 任务1了解金属的晶体结构教学目的、要求：理解晶体结构概念教学重点、难点： 纯铁的晶体结构类型及转变式授课方法：教学参考及教具（含电教设备）：授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲：复习提问：讲授新课：一、晶格的概念二、晶格的类型三、晶粒大小对金属力学性能的影响：四、纯铁的金属的同素异构转变：课堂小结：布置作业；复习导入：讲授新课： 模块二 铁碳合金任务1了解金属的晶体结构一、晶格的概念二、晶格的类型 1、 体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排六方晶格 三、晶粒大小对金属力学性能的影响：金属的晶粒大小对金属材料的力学性能有重要影响。细晶粒金属

26、具有较高的强度和韧性。因此，为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。细化晶粒的根本途径是控制形核率和长大速度。四、金属的同素异构转变：1、 定义：金属在固态下，随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、锰、锡等。2、 同素异晶体：以不同晶格形式存在的同一种金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。由低温到高温用、表示。3、金属的同素异构转变：定义：金属在固态下，随温度的改变，由一种晶格转变为另一种的现象。纯铁的同素异构转变：（体心立方晶格） （面心立方晶格） （体心立方晶格）4、金属的同素异构转变与金属的结晶过程有许多相似之处：（1） 有一定的转变温度，转变时有过冷现象；（2） 放出和吸收潜热；（3） 转变过程也是一个形核和晶核长大的过程；5、同素异构转变属于固态相变，又具有本身的特点：（4） 同素异构转变时，新晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；（5） 转变需要较大的过冷度；（6） 晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。课堂小结：晶格 晶格类型 同素异构转变布置作业：习题册、书