學(xué)習(xí)情境一金屬材料的力學(xué)性能

1、知識目標(biāo)知識目標(biāo) 1 1掌握基本力學(xué)性能的概念掌握基本力學(xué)性能的概念； 2 2了解力學(xué)性能的評價指示和評價方法了解力學(xué)性能的評價指示和評價方法； 3 3了解機(jī)械零件的制造過程；了解機(jī)械零件的制造過程； 4. 了解金屬材料常用加工方法及其工藝性了解金屬材料常用加工方法及其工藝性。技能目標(biāo)技能目標(biāo) 1 1掌握拉伸試驗機(jī)的使用方法；掌握拉伸試驗機(jī)的使用方法； 2 2掌握布氏硬度、洛氏硬度測定方法掌握布氏硬度、洛氏硬度測定方法。（1 1）、為什么菜刀、鐮刀、錘子等）、為什么菜刀、鐮刀、錘子等用鐵制而不用鉛制？用鐵制而不用鉛制？（2 2）、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么）、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么電線一般用銅

2、制而不用銀制？電線一般用銅制而不用銀制？ （3 3）、為什么燈泡里的燈絲用鎢制）、為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？如果用錫制的話，可能而不用錫制？如果用錫制的話，可能會出現(xiàn)什么情況？會出現(xiàn)什么情況？ 物理性質(zhì)物理性質(zhì)物理性質(zhì)比較物理性質(zhì)比較導(dǎo)電性導(dǎo)電性（以銀的（以銀的導(dǎo)電性為導(dǎo)電性為100100作標(biāo)準(zhǔn)）作標(biāo)準(zhǔn)）密度密度（g gcmcm-3-3）熔點熔點()()硬度硬度（以金剛石的（以金剛石的硬度為硬度為1010作標(biāo)準(zhǔn)）作標(biāo)準(zhǔn)）19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 金金 鉛鉛 銀銀 銅銅 鐵鐵 鋅鋅 鋁鋁 良良優(yōu)優(yōu)銀銀 銅銅 金金 鋁鋁 鋅鋅 鐵鐵 鉛鉛大大鎢

3、鎢 鐵鐵 銅銅 金金 銀銀 鋁鋁 錫錫 100 99 74 61 27 17 7.9小小3410 1535 1083 1064 962 660 232 鉻鉻 鐵鐵 銀銀 銅銅 金金 鋁鋁 鉛鉛9 45 2.54 2.53 2.53 22.9 1.5 高高低低大大小小 2 2、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么電線一般用銅制、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么電線一般用銅制而不用銀制？而不用銀制？ 3 3、為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？、為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？如果用錫制的話，可能會出現(xiàn)什么情況？如果用錫制的話，可能會出現(xiàn)什么情況？ 1 1、為什么菜刀、鐮刀、錘子等用鐵制而不用、為什么菜刀、鐮刀、

4、錘子等用鐵制而不用 鉛制？鉛制？ 密度密度硬度硬度制造飛機(jī)制造飛機(jī)小小大大制造機(jī)器底座制造機(jī)器底座大大大大用來鑄造硬幣的用來鑄造硬幣的金屬材料需要具金屬材料需要具有什么性質(zhì)有什么性質(zhì)資源豐富資源豐富無毒性無毒性耐磨耐腐蝕耐磨耐腐蝕 美觀、易加工美觀、易加工考慮物質(zhì)的用途時，首先要考慮物質(zhì)的用途時，首先要考慮物質(zhì)的考慮物質(zhì)的_，還需要，還需要考慮那些因素？考慮那些因素？性質(zhì)性質(zhì)是否是否美觀美觀對環(huán)境對環(huán)境的影響的影響廢料是否廢料是否易于回收易于回收使用使用是否便利是否便利資源資源價格價格金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能力學(xué)性能試驗力學(xué)性能試驗基本力學(xué)概念基

5、本力學(xué)概念 金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。抵抗能力。（1 1）力學(xué)性能：力學(xué)性能： 作用在金屬材料上的外力稱為載荷，按照性質(zhì)可作用在金屬材料上的外力稱為載荷，按照性質(zhì)可以分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。以分為靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。（2 2）載載 荷：荷： 靜載荷是指大小、方向不變或變化緩慢的載荷。靜載荷是指大小、方向不變或變化緩慢的載荷。大部分載荷都可認(rèn)為是靜載荷。大部分載荷都可認(rèn)為是靜載荷。（3 3）靜載荷：靜載荷： 交變載荷是指大小、方向周期性變化的載荷，如交變載荷是指大小、方向周期性變化的載荷，如內(nèi)燃機(jī)連桿、汽車齒輪等受到交變載荷作用內(nèi)燃

6、機(jī)連桿、汽車齒輪等受到交變載荷作用（5 5）交變載荷：交變載荷： 金屬受外力作用時，在材料內(nèi)部產(chǎn)生與外力相抵金屬受外力作用時，在材料內(nèi)部產(chǎn)生與外力相抵抗的力?？沟牧Α＃? 6）內(nèi)內(nèi) 力：力： 沖擊載荷是指突然增加的載荷，如：錘擊時鐵砧沖擊載荷是指突然增加的載荷，如：錘擊時鐵砧所受的載荷。所受的載荷。（4 4）沖擊載荷：沖擊載荷： 單位截面積上的內(nèi)力。其計算公式：單位截面積上的內(nèi)力。其計算公式：（7 7）應(yīng)應(yīng) 力：力：SFR 式中：式中：F F 為外力為外力（N N）；）；S S 為橫截面積為橫截面積（mm2mm2）；）； R R 為為應(yīng)力應(yīng)力（MPaMPa）。）。1.1.強(qiáng)度強(qiáng)度1 1）拉伸試

7、樣）拉伸試樣圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣d 試樣直徑 Lo 標(biāo)距長度低碳鋼拉伸實驗低碳鋼拉伸實驗拉伸試驗機(jī)拉伸試驗機(jī) 萬能材料試驗機(jī) a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式2 2）低碳鋼拉伸時的力學(xué)性能低碳鋼拉伸時的力學(xué)性能彈性變形階段彈性變形階段屈服階段屈服階段AB縮頸階段縮頸階段D強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段C低低碳碳鋼鋼的的拉拉伸伸曲曲線線 在低碳鋼的拉伸曲線中，鋸齒下沿對應(yīng)的載荷在低碳鋼的拉伸曲線中，鋸齒下沿對應(yīng)的載荷FeL 稱稱為下屈服載荷，鋸齒上沿對應(yīng)的載荷為下屈服載荷，鋸齒上沿對應(yīng)的載荷 FeH 稱為上屈服載荷。稱為上屈服載荷。在金屬材料中，一般用下屈服載荷在金屬材料中，一般用下屈服載荷F

8、eL 來計算屈服強(qiáng)度。來計算屈服強(qiáng)度。看清楚！看清楚！3 3）鑄鐵拉伸時的力學(xué)性能鑄鐵拉伸時的力學(xué)性能灰灰鑄鑄鐵鐵的的拉拉伸伸曲曲線線4 4）強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) 金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度，用 ReL 表示，即:0SFReLeL（1 1）屈服強(qiáng)度）屈服強(qiáng)度ReL 試樣的下屈服強(qiáng)度，試樣的下屈服強(qiáng)度，N/mm2FeL 試樣屈服時的最小載荷，試樣屈服時的最小載荷，NSo 試樣原始橫截面面積，試樣原始橫截面面積，mm2 屈服強(qiáng)度是工程材料最重要的屈服強(qiáng)度是工程材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，力學(xué)性能指標(biāo)之一，ReL、Rp0.2 是設(shè)是設(shè)計機(jī)械零件時選用金屬材料的依據(jù)，也是計機(jī)械零件時選

9、用金屬材料的依據(jù)，也是評定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。評定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。小拓展小拓展 金屬材料在斷金屬材料在斷裂前所能承受的最裂前所能承受的最大的應(yīng)力稱為抗拉大的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用強(qiáng)度，用Rm 表示表示，即即: :0SFRmm（2 2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度Rm 抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度， MPa Fm 試樣斷裂前所能抵抗的最大載荷，試樣斷裂前所能抵抗的最大載荷，NSo 試樣原始橫截面面積，試樣原始橫截面面積，mm2小拓展小拓展 去氫處理一般采用加熱烘烤方式，去氫處理一般采用加熱烘烤方式，常用的溫度為常用的溫度為150 300 ，保溫保溫時間時間224 h。具體的處理溫度和時間具體的處理溫度和時

10、間應(yīng)根據(jù)零件大小、強(qiáng)度等確定。應(yīng)根據(jù)零件大小、強(qiáng)度等確定。2 2. .塑性塑性1 1）斷后伸長率）斷后伸長率 A%100-00LLLAu2 2）斷面收縮率）斷面收縮率 Z%100-00SSSZu布氏硬度試驗機(jī) 洛氏硬度試驗機(jī) 維氏硬度試驗機(jī) 硬度試驗機(jī)硬度試驗機(jī)1.1.布氏硬度試驗法布氏硬度試驗法 布氏硬度值布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示，單位為MPa，但一般均不標(biāo)出，用符號HBW表示：2220.102 ()FFHBWSD DDd表示方法：表示方法： 布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、實驗力及實驗力保持時間表示。當(dāng)保持時間為1015s時可不標(biāo)。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：

11、主要用于測定鑄鐵、有色金屬及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。 2 2. .洛氏硬度試驗法洛氏硬度試驗法洛氏洛氏硬度硬度試驗試驗過程過程示意示意圖圖表示方法：表示方法：常用洛氏硬度試驗的標(biāo)尺、試驗規(guī)范及應(yīng)用：硬度標(biāo)尺壓頭類型總測試力(N)硬度值有效范圍應(yīng)用舉例HRC120金剛石圓錐體1471.02067HRC一般淬火鋼HRB1.5875mm 硬質(zhì)合金球980.725100HRB軟鋼、退火鋼、銅合金等HRA120金剛石圓錐體588.46085HRA硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等3 3. .維氏硬度試驗法維氏硬度試驗法維維氏氏硬硬度度試試驗驗壓壓頭頭及及壓壓痕痕圖圖表示方法：表示方法：應(yīng)用

12、范圍：應(yīng)用范圍： 用于測定金屬箔、極薄的表面層以及合金中各種組成相的硬度。 彈性模量（切變模量）是在外力作用下產(chǎn)生單位彈性模量（切變模量）是在外力作用下產(chǎn)生單位彈性（剪切）變形所需要的應(yīng)力，是衡量材料產(chǎn)生彈彈性（剪切）變形所需要的應(yīng)力，是衡量材料產(chǎn)生彈性（剪切）變形難易程度的指標(biāo)。其值越大，使材料性（剪切）變形難易程度的指標(biāo)。其值越大，使材料發(fā)生一定彈性（剪切）變形的應(yīng)力也越大，即材料剛發(fā)生一定彈性（剪切）變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大。度越大。注意哦！注意哦！2 2. .一次沖擊彎曲試驗的實際應(yīng)用一次沖擊彎曲試驗的實際應(yīng)用1）測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度2）衡量原材料的冶金衡量原材料的

13、冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量1 1. .疲勞的概念疲勞的概念 零件在交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力下工作時，雖然所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長時間運轉(zhuǎn)后也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。 2 2. .疲勞曲線與疲勞強(qiáng)疲勞曲線與疲勞強(qiáng)疲疲勞勞曲曲線線3 3. .提高材料的疲勞強(qiáng)度的途徑提高材料的疲勞強(qiáng)度的途徑 （1）設(shè)計方面。盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避）設(shè)計方面。盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。免由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。 （2）材料方面。通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜）材料方面。通常應(yīng)

14、使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷，如疏松、氣孔和表面氧化。晶粒物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷，如疏松、氣孔和表面氧化。晶粒細(xì)化使晶界增多，從而使疲勞裂紋的擴(kuò)展受到阻礙。細(xì)化使晶界增多，從而使疲勞裂紋的擴(kuò)展受到阻礙。 （3）機(jī)械加工方面。要降低零件表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)）機(jī)械加工方面。要降低零件表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量。因為表面刀痕、碰傷、劃傷等都是疲勞裂紋產(chǎn)生的根源。量。因為表面刀痕、碰傷、劃傷等都是疲勞裂紋產(chǎn)生的根源。 （4）零件的表面強(qiáng)化方面。可采用化學(xué)熱處理（如滲碳、滲）零件的表面強(qiáng)化方面。可采用化學(xué)熱處理（如滲碳、滲氮）、表面淬火、噴丸處理和表面涂層

15、等提高零件的表面性能，抵氮）、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等提高零件的表面性能，抵消或降低表面引起疲勞的可能性。消或降低表面引起疲勞的可能性。 噴丸處理是將無數(shù)小圓形的鋼丸介質(zhì)高速且連續(xù)噴射擊打零件表面，從而在零件表面產(chǎn)生一個殘余壓應(yīng)力層。零件在壓應(yīng)力層保護(hù)下，能極大地改善抗疲勞強(qiáng)度，延長安全工作壽命。機(jī)機(jī)械械制制造造工工藝藝過過程程齒輪毛坯的鑄造工藝過程齒輪毛坯的鑄造工藝過程 3） 用壓力加工成形方法獲得優(yōu)良零用壓力加工成形方法獲得優(yōu)良零件的難易程度稱為壓力加工性。壓力件的難易程度稱為壓力加工性。壓力加工一般分為熱加工和冷加工。鍛壓、加工一般分為熱加工和冷加工。鍛壓、熱軋等壓力加工屬于熱加工

16、，冷拔、熱軋等壓力加工屬于熱加工，冷拔、沖壓等屬于冷加工。沖壓等屬于冷加工。 鍛壓設(shè)備及鍛壓件鍛壓設(shè)備及鍛壓件 沖壓設(shè)備及沖壓件沖壓設(shè)備及沖壓件 焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，即在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 1 1. .切削加工性切削加工性 選材的經(jīng)濟(jì)性不只是指選用的材料價格便宜，更重要的是要使生產(chǎn)零件的總成本降低。 零件的總成本包括制造成本（材料價格、零件自重、零件的加工費、試驗研究費）和附加成本（零件的壽命，即更換零件和停機(jī)損失費及維修費）。2 2. .熱處理性能熱處理性能（1）淬透性淬透性（2 2）淬硬性）淬硬性（3 3）過熱敏感性過熱敏感性（4 4）變形開

17、裂傾向變形開裂傾向 （5 5）回火脆）回火脆性傾向性傾向（6 6） 氧化脫碳傾氧化脫碳傾向向TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。 想想 一一 想想想想 一一 想想人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力