1.1.2 碳钢的力学性能

1、【课题】1.1.2了解碳钢的力学性能（授课人：王竞男）【授课类型】理论课【教学目标】【知识与技能目标】1. 了解碳钢常见的力学性能：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的含义及其衡量指标；2. 了解拉伸试验的原理、过程，常见的硬度测试方法及其指标；3. 进一步理解常见类型碳钢及其力学性能特点。【过程与方法目标】1. 通过学习碳钢常见的力学性能及其衡量指标，理解力学性能对碳钢应用的重要影响；2. 通过学习拉伸试验的原理、观看拉伸试验过程的视频，了解碳钢强度、塑性衡量指标的来源和含义；3. 了解硬度测试方法和类型，能根据材料类型初步选择合适的硬度。【情感态度与价值观目标】1. 通过对材料的拉伸试验、硬

2、度测试方法的学习，形成科学严谨的学习态度；2. 通过对碳钢的力学性能与其衡量指标的学习，懂得方法的选择以合适、恰当为最好。【教学重点】1.碳钢常见的力学性能：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的含义及其衡量指标；2.拉伸试验过程和硬度测试方法。3. 常见类型碳钢及其力学性能特点。【教学难点】常见类型碳钢及其力学性能特点。【教学方法】学情分析：学生已经对碳钢及其成分有了一定的认识，但对碳钢力学性能及其衡量指标缺乏系统的认知，且由于学生在力学相关的物理学科知识方面基础薄弱，所以在学习力学性能部分时，应联系生活、生产中生动形象的实际例子帮助学生理解。教法：读书指导法、问题引导法、小组讨论法学法：以自学

3、法为主，配合讨论法【教学用具】多媒体设备及多媒体课件【教学时间】2课时（90分钟）【教学过程】一、新课导入（7分）师：同学们，本节课我们将进一步深入学习和了解碳钢的力学性能。假如你已经步入工作岗位，现在需要为一批订单选购适于数控车削的原材料，那么你会从哪些方面来挑选？请简要说明原因。下面给大家半分钟思考时间，然后分别请几位同学为大家举例。生：材料的软硬程度，这将决定其是否适宜车削加工师：碳钢之所以获得广泛应用，是由于它具有良好的力学性能。碳钢的力学性能不但是设计零件、选用材料的重要依据，而且也是按验收标准来鉴定材料的依据以及对产品工艺进行质量控制的重要参数。下面，就让我们进入到今天这节课的学习

4、碳钢的力学性能。二、明确目标结合PPT展示，明确本节课的学习目标和学习重、难点，让学生将任务了然于胸。三、讲授新课1. 强度与拉伸试验（1）强度的含义师：哪位同学能从课本上找到强度的含义并为大家响亮地读出来？生：强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。师：下面让我们来一起学习和理解强度的含义，你们认为这则定义的关键词有哪些？生集体回答：静载荷、永久变形师：何谓静载荷呢？静载荷：构件所承受的不随时间而变化的外力。师：什么又叫做永久变形？永久变形：外力去除后不可恢复的变形，相对的叫做弹性变形。师：谁能举些永久变形或断裂的的例子呢？生：折弯的钢管、断裂的路面、折断的粉笔（2）内力与应

5、力师：那么，我们如何来衡量一种材料的强度呢？这就要用到内力与应力的知识。 内力当一个结构受到外力作用时，其内部各质点之间的相互作用会发生改变,产生一种抵抗外力与变形的力，称为内力。 应力应力是构件的单位横截面上所产牛的内力。公式：a=F/s【F内力，N;s受力面积，m2；a一应力，Pa】师：那么应力对于材料的强度有何作用呢？当应力达到某一极限值（许用应力）时，材料就会遭到破坏。 拉伸试验师：根据外力作用性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。工程中常用的是屈服强度和抗拉强度。通过拉伸试验可以测定屈服强度和抗拉强度。拉伸试验机在试验过程中可以绘制出施加的载荷与试件变形量的线图，

6、称为拉伸曲线。第I阶段：弹性变形阶段（OE段）试件受力后，长度增加，产生变形，这时如将外力卸去，试件工作段的变形可以消失，恢复原状。此类变形称为弹性变形，故称此阶段为弹性变形阶段。此阶段，曲线呈直线状。第II阶段：屈服阶段（ES段）弹性变形阶段后，试件的伸长显著增加，但外力却在小范围内上下波动。外力不需增加，变形却继续增大，这种现象称为屈服。屈服阶段中拉力波动的最低值称为屈服载荷，用F表示。所对应的应力称为屈服极限，用。表SS示。此阶段，曲线出现波动。第皿阶段：强化阶段（SB段）屈服阶段后，需加大外力，才能继续增加变形，试件对变形的抵抗能力又获得增强，力与变形是非线性的关系。此阶段称为强化阶段

7、。第W阶段：颈缩阶段（BK段）当拉力继续增大到某确定数值时，试件某处突然逐渐局部变细，形同细颈，称颈缩现象。颈缩出现前，试件所能承受的拉力最大值,称为最大载荷，用Fb表示。所对应的应力称为强度极限，b用Ob表示。此阶段，曲线单调下降。b2. 塑性师：根据你们的自学，什么叫做塑性？生：塑性是指金属材料在给定载荷作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。师：当某种材料制成的构件由于塑性较低产生永久变形后，其常见的变化都有哪些？生：金属材料在受到拉伸产生变形时，长度和横截面积都要发生变化。师：有哪些衡量指标来衡量一种材料塑性的高低呢？生：金属材料的塑性可以用材料的断后伸长率6和断面收缩率屮两个指标来衡量

8、。师：那么下面让我们来学习一下什么叫做断面伸长率&和断面收缩率屮？断后伸长率6:试件拉断后，工作段的残余伸长量厶l=l0-l1与标距长度10的比值，代表试件拉断后塑性变形程度，称为材料的伸长率，用&表示。即100%断面收缩率屮：试件断口处横截面面积的相对变化率称为断面收缩率，用屮表示，即师：根据对上面两个指标的学习，你觉得断面伸长率6和断面收缩率W与材料的塑性高低有何关系？生：金属材料的断面伸长率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不被破坏。师：工程上通常把常温、静载下伸长率大于5%的金属材料称为塑性材料，如低碳钢；而把伸长率小于5%的金属材料称

9、为脆性材料，如灰口铸铁等。3.硬度师：根据你们的自学，什么叫做硬度？生：硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是衡量材料软硬程度的指标。师：硬度是由硬度计测试出来的，你们知道常用的硬度标准有哪些吗？生：有布氏硬度和洛氏硬度。师：常用的硬度标准有很多，最常用的三种除了布氏硬度和洛氏硬度还有维氏硬度，下面就让我们来学习这三种硬度标准的测试方法和应用范围。 布氏硬度（HB）测试方法：用一定大小的试验力P,把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从布氏硬度表中查出HB值。缺点：被测材料太硬，

10、会使钢球明显变形，故只能在硬度值小于HB450的材料上得到清晰压痕。且试样须经表面准备、打磨，较费时。1- 1力口上初载荷后压头的位置2- 2-卽上初载荷+主载荷后压头的位置3- 3卸去主载荷后压头的位置he：卸去主载的弹性恢复应用范围：布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理后钢材的硬度，如半成品和原材料。不宜测定太硬、太小、太薄的工件。 洛氏硬度（HR）试验方法：用一个顶角为120度的金刚石圆锥体在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。优点：洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小。缺点：对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。应用范

11、围：测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，改用洛氏硬度计量。 维氏硬度（HV）试验方法：以49.03980.7N的负荷，将相对面夹角为138。的方锥形金刚石压入材料表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。优点：维氏硬度试验力小（常用49.03N），压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03980.7N）,所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接比较。缺点：试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。适用范围：维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层

12、及零件表面硬化层的硬度。4. 韧性师：什么叫做韧性？生：韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。师：韧性能表示一种材料的什么性能呢？生：可用来衡量金属料抵抗冲击载荷的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。师：衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度ak来表示。冲击韧度是通过冲击试验来测定的。ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。5疲劳强度 许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。如：轴、齿轮、弹簧等。承受交变载荷的构件将产生循环应力。循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。 师：人长时间工作后会觉得疲劳，金属材料也是如此，那么什么叫做金属材料的疲劳呢？

13、生：在交变载荷作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力循环作用后，也会产牛裂纹或突然发牛脆性断裂，这种现象叫做疲劳。师：大家觉得在工程结构中，疲劳可能带来什么后果呢？生：由于疲劳不易发现，机械零件发生疲劳破坏前往往没有预兆，因此疲劳破坏常常会造成重大事故。 师：疲劳性能可通过疲劳试验测出，主要设备为疲劳试验机，经过试验可以将试验数据整理成线图，即为疲劳曲线。试验证明，当应力低于某一数值时，材料可经过无数次循环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳强度。在工程上，疲劳强度指材料在交变载荷作用下经受无限多次循环而不发牛断裂的最大应力。一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108,有色金属取107。 师：那么有什么措施可以提高工件的疲劳强度呢？合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等，可以提高工件的疲劳强度。四、教学小结1. 碳钢常见力学性能的含义及其衡量指标；2. 拉伸试验的原理、过程，常见的硬度测试方法及其指标；3. 常见类型碳钢及其力学性能特点。五、课堂练习练习册P4第一题、基础知识；第二题、能力拓展1（必做）能力拓展2、3（选做）六、板书设计碳钢