学习情境一金属材料的力学性能

1、知识目标知识目标 1 1掌握基本力学性能的概念掌握基本力学性能的概念； 2 2了解力学性能的评价指示和评价方法了解力学性能的评价指示和评价方法； 3 3了解机械零件的制造过程；了解机械零件的制造过程； 4. 了解金属材料常用加工方法及其工艺性了解金属材料常用加工方法及其工艺性。技能目标技能目标 1 1掌握拉伸试验机的使用方法；掌握拉伸试验机的使用方法； 2 2掌握布氏硬度、洛氏硬度测定方法掌握布氏硬度、洛氏硬度测定方法。（1 1）、为什么菜刀、镰刀、锤子等）、为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？用铁制而不用铅制？（2 2）、银的导电性比铜好，为什么）、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜

2、制而不用银制？电线一般用铜制而不用银制？ （3 3）、为什么灯泡里的灯丝用钨制）、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？会出现什么情况？ 物理性质物理性质物理性质比较物理性质比较导电性导电性（以银的（以银的导电性为导电性为100100作标准）作标准）密度密度（g gcmcm-3-3）熔点熔点()()硬度硬度（以金刚石的（以金刚石的硬度为硬度为1010作标准）作标准）19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 金金 铅铅 银银 铜铜 铁铁 锌锌 铝铝 良良优优银银 铜铜 金金 铝铝 锌锌 铁铁 铅铅大大钨

3、钨 铁铁 铜铜 金金 银银 铝铝 锡锡 100 99 74 61 27 17 7.9小小3410 1535 1083 1064 962 660 232 铬铬 铁铁 银银 铜铜 金金 铝铝 铅铅9 45 2.54 2.53 2.53 22.9 1.5 高高低低大大小小 2 2、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？而不用银制？ 3 3、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？ 1 1、为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用、为什么菜刀、镰刀、

4、锤子等用铁制而不用 铅制？铅制？ 密度密度硬度硬度制造飞机制造飞机小小大大制造机器底座制造机器底座大大大大用来铸造硬币的用来铸造硬币的金属材料需要具金属材料需要具有什么性质有什么性质资源丰富资源丰富无毒性无毒性耐磨耐腐蚀耐磨耐腐蚀 美观、易加工美观、易加工考虑物质的用途时，首先要考虑物质的用途时，首先要考虑物质的考虑物质的_，还需要，还需要考虑那些因素？考虑那些因素？性质性质是否是否美观美观对环境对环境的影响的影响废料是否废料是否易于回收易于回收使用使用是否便利是否便利资源资源价格价格金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能力学性能试验力学性能试验基本力学概念基

5、本力学概念 金属材料在外力作用下所表现出来的金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗能力。抵抗能力。（1 1）力学性能：力学性能： 作用在金属材料上的外力称为载荷，按照性质可作用在金属材料上的外力称为载荷，按照性质可以分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。以分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。（2 2）载载 荷：荷： 静载荷是指大小、方向不变或变化缓慢的载荷。静载荷是指大小、方向不变或变化缓慢的载荷。大部分载荷都可认为是静载荷。大部分载荷都可认为是静载荷。（3 3）静载荷：静载荷： 交变载荷是指大小、方向周期性变化的载荷，如交变载荷是指大小、方向周期性变化的载荷，如内燃机连杆、汽车齿轮等受到交变载荷作用内燃

6、机连杆、汽车齿轮等受到交变载荷作用（5 5）交变载荷：交变载荷： 金属受外力作用时，在材料内部产生与外力相抵金属受外力作用时，在材料内部产生与外力相抵抗的力。抗的力。（6 6）内内 力：力： 冲击载荷是指突然增加的载荷，如：锤击时铁砧冲击载荷是指突然增加的载荷，如：锤击时铁砧所受的载荷。所受的载荷。（4 4）冲击载荷：冲击载荷： 单位截面积上的内力。其计算公式：单位截面积上的内力。其计算公式：（7 7）应应 力：力：SFR 式中：式中：F F 为外力为外力（N N）；）；S S 为横截面积为横截面积（mm2mm2）；）； R R 为为应力应力（MPaMPa）。）。1.1.强度强度1 1）拉伸试

7、样）拉伸试样圆形拉伸试样圆形拉伸试样d 试样直径 Lo 标距长度低碳钢拉伸实验低碳钢拉伸实验拉伸试验机拉伸试验机 万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式2 2）低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段AB缩颈阶段缩颈阶段D强化阶段强化阶段C低低碳碳钢钢的的拉拉伸伸曲曲线线 在低碳钢的拉伸曲线中，锯齿下沿对应的载荷在低碳钢的拉伸曲线中，锯齿下沿对应的载荷FeL 称称为下屈服载荷，锯齿上沿对应的载荷为下屈服载荷，锯齿上沿对应的载荷 FeH 称为上屈服载荷。称为上屈服载荷。在金属材料中，一般用下屈服载荷在金属材料中，一般用下屈服载荷F

8、eL 来计算屈服强度。来计算屈服强度。看清楚！看清楚！3 3）铸铁拉伸时的力学性能铸铁拉伸时的力学性能灰灰铸铸铁铁的的拉拉伸伸曲曲线线4 4）强度指标强度指标 金属材料产生屈服现象的最低应力值称为屈服强度，用 ReL 表示，即:0SFReLeL（1 1）屈服强度）屈服强度ReL 试样的下屈服强度，试样的下屈服强度，N/mm2FeL 试样屈服时的最小载荷，试样屈服时的最小载荷，NSo 试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mm2 屈服强度是工程材料最重要的屈服强度是工程材料最重要的力学性能指标之一，力学性能指标之一，ReL、Rp0.2 是设是设计机械零件时选用金属材料的依据，也是计机械零件时选

9、用金属材料的依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。评定金属材料优劣的重要指标。小拓展小拓展 金属材料在断金属材料在断裂前所能承受的最裂前所能承受的最大的应力称为抗拉大的应力称为抗拉强度，用强度，用Rm 表示表示，即即: :0SFRmm（2 2）抗拉强度）抗拉强度Rm 抗拉强度，抗拉强度， MPa Fm 试样断裂前所能抵抗的最大载荷，试样断裂前所能抵抗的最大载荷，NSo 试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mm2小拓展小拓展 去氢处理一般采用加热烘烤方式，去氢处理一般采用加热烘烤方式，常用的温度为常用的温度为150 300 ，保温保温时间时间224 h。具体的处理温度和时间具体的处理温度和时

10、间应根据零件大小、强度等确定。应根据零件大小、强度等确定。2 2. .塑性塑性1 1）断后伸长率）断后伸长率 A%100-00LLLAu2 2）断面收缩率）断面收缩率 Z%100-00SSSZu布氏硬度试验机 洛氏硬度试验机 维氏硬度试验机 硬度试验机硬度试验机1.1.布氏硬度试验法布氏硬度试验法 布氏硬度值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：2220.102 ()FFHBWSD DDd表示方法：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1015s时可不标。 应用范围：应用范围：

11、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 2. .洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法洛氏洛氏硬度硬度试验试验过程过程示意示意图图表示方法：表示方法：常用洛氏硬度试验的标尺、试验规范及应用：硬度标尺压头类型总测试力(N)硬度值有效范围应用举例HRC120金刚石圆锥体1471.02067HRC一般淬火钢HRB1.5875mm 硬质合金球980.725100HRB软钢、退火钢、铜合金等HRA120金刚石圆锥体588.46085HRA硬质合金、表面淬火钢等3 3. .维氏硬度试验法维氏硬度试验法维维氏氏硬硬度度试试验验压压头头及及压压痕痕图图表示方法：表示方法：应用

12、范围：应用范围： 用于测定金属箔、极薄的表面层以及合金中各种组成相的硬度。 弹性模量（切变模量）是在外力作用下产生单位弹性模量（切变模量）是在外力作用下产生单位弹性（剪切）变形所需要的应力，是衡量材料产生弹弹性（剪切）变形所需要的应力，是衡量材料产生弹性（剪切）变形难易程度的指标。其值越大，使材料性（剪切）变形难易程度的指标。其值越大，使材料发生一定弹性（剪切）变形的应力也越大，即材料刚发生一定弹性（剪切）变形的应力也越大，即材料刚度越大。度越大。注意哦！注意哦！2 2. .一次冲击弯曲试验的实际应用一次冲击弯曲试验的实际应用1）测定韧脆转变温度测定韧脆转变温度2）衡量原材料的冶金衡量原材料的

13、冶金质量和热加工产品质量质量和热加工产品质量1 1. .疲劳的概念疲劳的概念 零件在交变应力或重复应力下工作时，虽然所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 2 2. .疲劳曲线与疲劳强疲劳曲线与疲劳强疲疲劳劳曲曲线线3 3. .提高材料的疲劳强度的途径提高材料的疲劳强度的途径 （1）设计方面。尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避）设计方面。尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免由此产生的应力集中及其所引起的疲劳裂纹。免由此产生的应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 （2）材料方面。通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂）材料方面。通常应

14、使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷，如疏松、气孔和表面氧化。晶粒物和由于热加工不当引起的缺陷，如疏松、气孔和表面氧化。晶粒细化使晶界增多，从而使疲劳裂纹的扩展受到阻碍。细化使晶界增多，从而使疲劳裂纹的扩展受到阻碍。 （3）机械加工方面。要降低零件表面粗糙度，提高表面加工质）机械加工方面。要降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为表面刀痕、碰伤、划伤等都是疲劳裂纹产生的根源。量。因为表面刀痕、碰伤、划伤等都是疲劳裂纹产生的根源。 （4）零件的表面强化方面。可采用化学热处理（如渗碳、渗）零件的表面强化方面。可采用化学热处理（如渗碳、渗氮）、表面淬火、喷丸处理和表面涂层

15、等提高零件的表面性能，抵氮）、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等提高零件的表面性能，抵消或降低表面引起疲劳的可能性。消或降低表面引起疲劳的可能性。 喷丸处理是将无数小圆形的钢丸介质高速且连续喷射击打零件表面，从而在零件表面产生一个残余压应力层。零件在压应力层保护下，能极大地改善抗疲劳强度，延长安全工作寿命。机机械械制制造造工工艺艺过过程程齿轮毛坯的铸造工艺过程齿轮毛坯的铸造工艺过程 3） 用压力加工成形方法获得优良零用压力加工成形方法获得优良零件的难易程度称为压力加工性。压力件的难易程度称为压力加工性。压力加工一般分为热加工和冷加工。锻压、加工一般分为热加工和冷加工。锻压、热轧等压力加工属于热加工

16、，冷拔、热轧等压力加工属于热加工，冷拔、冲压等属于冷加工。冲压等属于冷加工。 锻压设备及锻压件锻压设备及锻压件 冲压设备及冲压件冲压设备及冲压件 焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。 1 1. .切削加工性切削加工性 选材的经济性不只是指选用的材料价格便宜，更重要的是要使生产零件的总成本降低。 零件的总成本包括制造成本（材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费）和附加成本（零件的寿命，即更换零件和停机损失费及维修费）。2 2. .热处理性能热处理性能（1）淬透性淬透性（2 2）淬硬性）淬硬性（3 3）过热敏感性过热敏感性（4 4）变形开

17、裂倾向变形开裂倾向 （5 5）回火脆）回火脆性倾向性倾向（6 6） 氧化脱碳倾氧化脱碳倾向向TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。 想想 一一 想想想想 一一 想想人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力