教案3-4金属材料完

课程名称汽车机械根底学时2教师课题金属材料与热处理根底第一节金属的力学性能课型新授学习目标知识目标：〔1〕掌握金属力学性能的根本概念。〔2〕了解各力学性能的衡量指标。能力目标：培养学生了解材料、认识材料、使用材料的能力。素质目标：通过演示、思考、归纳、运用知识的过程，培养学生的观察能力、思维能力和运用知识分析解决问题的能力。针对机械零件常见的失效形式，分析是由哪种性能缺乏引起的，以加深理解零件材料的力学性能对机器正常运转所起的保证作用。学习重点金属力学性能的五大指标学习难点强度的计算及硬度的比拟学情分析授课对象是中专生，学生文化课根底相对较弱，还没有金属材料与热处理方面的感性认识，生产实践更是一张白纸，学起来有一定难度，要学好确非易事。但他们对对新鲜的事物具有一定的好奇心。教学方法讲授、提问引导、图片视频展示、举例分析、比照教学手段多媒体PPT、板书、视频图片教学活动流程一、组织教学二、引入：以一张沧州铁狮〔铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨〕的图片提问学生，该狮子是什么材料做成的？三、新授课★材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料—指钢铁、有色金属等材料非金属材料—无机高分子材料〔陶瓷、水泥、木材等〕，有机高分子材料〔如塑料、橡胶〕，复合材料---玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。现在新材料----纳米材料、智能材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥材料按物质结构不同分：金属材料、非金属材料〔有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料★材料按用途不同分：机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料★材料按功能不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等材料开展概括石器时代：天然石，兽骨，树枝陶器时代：泥巴〔日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具〕铜器时代：〔公元前11—16世纪〕1130×780×1100〔前475—221年〕65个总重2500Kg铁器时代：沧州大狮〔公元953年〕重50T,长5.3m,宽3m人工复合材料：塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等金属材料的性能使用性能—力学、物理、化学工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据第一节金属的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。一、强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。σ=F/Sσ-----应力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa按载荷的作用方式不同，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。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度上下的指标。拉伸实验1.拉伸试样〔GB6397-86〕长试样：L0=10d0短试样：L0=5d02.力－伸长曲线拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂从图2-1中可以看出下面几个变形阶段：〔1〕Oe———弹性变形阶段 〔2〕es———屈服阶段 〔3〕sb———强化阶段 〔4〕bk———缩颈阶段 强度——金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力工程上常用的金属材料的强度指标：屈服点〔σs〕或规定剩余伸长应力〔σr〕抗拉强度(σb)屈服点〔σs〕:指材料产生屈服时的应力规定剩余伸长应力:规定剩余伸长率为0.2%时的应力抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值 拉伸过程中最大的拉力〔N〕假设零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的σs或σ0.2进行设计计算。假设零件在使用时只要求不发生破坏，那么以材料的σb来设计计算。因此σs和σb是机械零件设计计算的主要依据。强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，说明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。二、塑性—在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率1、断后伸长率L1——试样拉断后的标距〔mm〕L0——试样原始标距〔mm〕由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d02、断面收缩率S1——试样断裂后缩颈处的最小横截面积〔mm2〕S0——试样原始截面积〔mm2〕δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为脆性材料，如灰铸铁.塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高平安性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而防止突然断裂强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一局部塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一局部强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。三、硬度它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力〕硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。硬度试验方法:布氏硬度〔HB〕洛氏硬度〔HR〕维氏硬度〔HV〕布氏硬度测定原理计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于＜450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于＜650HBW表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径实验力保持时间500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验标准，如170HBS适用范围：常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复性强、测量结果准确缺点：压痕大，不适合成品检验洛氏硬度测定原理符号试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870～85适用于测量硬质合金、外表淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025～100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020～67适用于调质钢、淬火钢等表示方法硬度值+HR例：52HRC70HRA适用范围：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。维氏硬度〔1〕测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属外表，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2〔mm〕，并求出压痕对角线的平均值d。〔2〕计算公式〔3〕表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/20〔4〕适用范围适用于测量零件薄的外表硬化层的硬度。四、冲击韧性强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具〔如锻锤、冲床、铆钉枪等〕时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。例如：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低冲击试验冲击试样冲击试验原理：冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量AK=mg〔H1-H2〕，即为冲击功〔焦耳/J〕。一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法：国标GB/T229－1994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性上下的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。国标GB/T229－2007冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性上下的指标是冲击吸收能量;K＝mg〔H1-H2〕U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2，其单位是焦耳〔J〕。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。冲击试验的应用缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向〔测定韧脆转变温度〕。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。提高冲击韧性的途径冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：

改变材料的成分，如参加钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；

提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷；五、疲劳强度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或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。〔1〕疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。〔2〕疲劳断口尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区〔裂纹源〕、裂纹扩展区和最后断裂区。〔3〕疲劳强度当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作σR〔R为应力比〕，就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下〔R＝－1〕测定的，对称弯曲疲劳极限记作σ-1。在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出σmax，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限。〔4〕提高疲劳极限的途径①在零件结构设计中尽量防止尖角、缺口和截面突变。②提高零件外表加工质量。③对材料外表进行强化处理。点名〔2min〕通过图片资料引入本节课需解决的问题，由学生讨论，教师引导〔3min〕由生活中的常用物品的材料入手将材料进行分类，教师引导总结出材料的各种分类方式〔5分钟〕由起重机上的钢索悬吊物的拉力等引出力学性能拉伸皮筋过程引出金属材料通过拉伸也可以产生变形和破坏，引出强度的概念，讲授强度的大小及分类〔5分钟〕通过拉伸试验的录像让学生了解拉伸试验的整个过程。教师讲授总结出实验结论〔10分钟〕提示：一般机件都是在弹性状态下工作，不允许有微小的塑性变形，更不允许工作应力大于σb通过拉伸皮筋，由其发生的变形引出伸长率和收缩率的概念。并讲授其公式〔10分钟〕通过录像视频资料了解各种硬度试验的过程并进行比拟，分析各自的应用场合〔20分钟〕通过表格总结三种洛氏硬度适用条件及适用范围，加强印象通过视频了解冲击试验的整个过程。〔15分钟〕通过举例既提高了学生的注意力,又使他们有一种新鲜感,同时加深了对知识点的记忆〔15分钟〕举例：TITANIC的漂浮引出疲劳强度举例：美军F-1