2碳鋼的力學(xué)性能

1、【課題】1.1.2 了解碳鋼的力學(xué)性能（授課人：王競(jìng)男）【授課類型】理論課【教學(xué)目標(biāo)】【知識(shí)與技能目標(biāo)】.了解碳鋼常見的力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度的含義及其衡量指標(biāo)；.了解拉伸試驗(yàn)的原理、過程，常見的硬度測(cè)試方法及其指標(biāo)；.進(jìn)一步理解常見類型碳鋼及其力學(xué)性能特點(diǎn)。【過程與方法目標(biāo)】.通過學(xué)習(xí)碳鋼常見的力學(xué)性能及其衡量指標(biāo)，理解力學(xué)性能對(duì)碳鋼應(yīng)用的重要影響；.通過學(xué)習(xí)拉伸試驗(yàn)的原理、觀看拉伸試驗(yàn)過程的視頻， 了解碳鋼強(qiáng)度、塑性衡量指標(biāo)的來源和含義；. 了解硬度測(cè)試方法和類型，能根據(jù)材料類型初步選擇合適的硬度。 【情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)】.通過對(duì)材料的拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試方法的學(xué)習(xí)，形

2、成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度；.通過對(duì)碳鋼的力學(xué)性能與其衡量指標(biāo)的學(xué)習(xí)，懂得方法的選擇以合適、恰當(dāng)為最好?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】1.碳鋼常見的力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度的含義及其衡量指標(biāo)；.拉伸試驗(yàn)過程和硬度測(cè)試方法。.常見類型碳鋼及其力學(xué)性能特點(diǎn)?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】常見類型碳鋼及其力學(xué)性能特點(diǎn)?！窘虒W(xué)方法】學(xué)情分析：學(xué)生已經(jīng)對(duì)碳鋼及其成分有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)碳鋼力學(xué)性能及其衡量指標(biāo)缺乏 系統(tǒng)的認(rèn)知，且由于學(xué)生在力學(xué)相關(guān)的物理學(xué)科知識(shí)方面基礎(chǔ)薄弱，所以在學(xué)習(xí)力學(xué)性能部分時(shí)，應(yīng)聯(lián)系生活、生產(chǎn)中生動(dòng)形象的實(shí)際例子幫助學(xué)生理解。教法：讀書指導(dǎo)法、問題引導(dǎo)法、小組討論法學(xué)法：以自學(xué)法為主，配合討論法【教學(xué)用具

3、】多媒體設(shè)備及多媒體課件【教學(xué)時(shí)間】2課時(shí)（90分鐘）【教學(xué)過程】一、新課導(dǎo)入（7分）師：同學(xué)們，本節(jié)課我們將進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和了解碳鋼的力學(xué)性能。假如你已經(jīng)步入工作崗 位，現(xiàn)在需要為一批訂單選購適于數(shù)控車削的原材料，那么你會(huì)從哪些方面來挑選？請(qǐng)簡(jiǎn)要說 明原因。下面給大家半分鐘思考時(shí)間，然后分別請(qǐng)幾位同學(xué)為大家舉例。生：材料的軟硬程度，這將決定其是否適宜車削加工師：碳鋼之所以獲得廣泛應(yīng)用，是由于它具有良好的力學(xué)性能。碳鋼的力學(xué)性能不但是設(shè)計(jì) 零件、選用材料的重要依據(jù)，而且也是按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來鑒定材料的依據(jù)以及對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行質(zhì)量 控制的重要參數(shù)。下面，就讓我們進(jìn)入到今天這節(jié)課的學(xué)習(xí)一一碳鋼的力學(xué)性能。

4、二、明確目標(biāo)結(jié)合PPT展示，明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)，讓學(xué)生將任務(wù)了然于胸。三、講授新課.強(qiáng)度與拉伸試驗(yàn)（1）強(qiáng)度的含義師：哪位同學(xué)能從課本上找到強(qiáng)度的含義并為大家響亮地讀出來？生：強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。師：下面讓我們來一起學(xué)習(xí)和理解強(qiáng)度的含義，你們認(rèn)為這則定義的關(guān)鍵詞有哪些？生集體回答：靜載荷、永久變形師：何謂靜載荷呢？靜載荷：構(gòu)件所承受的不隨時(shí)間而變化的外力。師：什么又叫做永久變形？永久變形： 外力去除后不可恢復(fù)的變形，相對(duì)的叫做彈性變必師：誰能舉些永久變形或斷裂的的例子呢？生：折彎的鋼管、斷裂的路面、折斷的粉筆（2）內(nèi)力與應(yīng)力師：那么，我們?nèi)绾?/p>

5、來衡量一種材料的強(qiáng)度呢？這就要用到內(nèi)力與應(yīng)力的知識(shí)。內(nèi)力當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí),其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用會(huì)發(fā)生改變,產(chǎn)生一種抵抗外力與變形的力，稱為內(nèi)力。應(yīng)力是構(gòu)件的單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力。公式：（T = F/s【F內(nèi)力，N;s受力面積，m2; （T應(yīng)力，Pa師：那么應(yīng)力對(duì)于材料的強(qiáng)度有何作用呢？當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一極限值（許用應(yīng)力）時(shí)，材料就會(huì)遭到破壞。拉伸試驗(yàn)師：根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。工程中 常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。通過拉伸試驗(yàn)可以測(cè)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中可以繪制出施加的載荷與試件變形量的線圖，稱為拉伸曲線。第I階段

6、：彈性變形階段（OE段）試件受力后，長(zhǎng)度增加， 產(chǎn)生變形，這時(shí)如將外力卸 去，試件工作段的變形可以消失，恢復(fù)原狀。此類變形稱 為彈性變形，故稱此階段為彈性變形階段。此階段，曲線 呈直線狀。第n階段：屈服階段（es段）彈性變形階段后，試件的伸長(zhǎng)顯著增加， 但外力卻在 小范圍內(nèi)上下波動(dòng)。 外力不需增加，變形卻繼續(xù)增大，這 種現(xiàn)象稱為屈服。屈服階段中拉力波動(dòng)的最低值稱為屈服 載荷，用Fs表示。所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限，用*表示。此階段，曲線出現(xiàn)波動(dòng)。第出階段：強(qiáng)化階段（SB段）屈服階段后，需加大外力，才能繼續(xù)增加變形，試件對(duì)變形的抵抗能力又獲得增強(qiáng)，力與變 形是非線性的關(guān)系。此階段稱為強(qiáng)化階段。第I

7、V階段：頸縮階段（BK段）當(dāng)拉力繼續(xù)增大到某確定數(shù)值時(shí)，試件某處突然逐漸局部變細(xì)，形同細(xì)頸，稱頸縮現(xiàn)象。頸 縮出現(xiàn)前，試件所能承受的拉力最大值， 稱為最大載荷，用Fb表示。所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限, 用bb表示。 此階段，曲線單調(diào)下降。.塑性師：根據(jù)你們的自學(xué)，什么叫做塑性？生：塑性是指金屬材料在給定載荷作用下，產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。師：當(dāng)某種材料制成的構(gòu)件由于塑性較低產(chǎn)生永久變形后，其常見的變化都有哪些？生：金屬材料在受到拉伸產(chǎn)生變形時(shí)，長(zhǎng)度和橫截面積都要發(fā)生變化。師：有哪些衡量指標(biāo)來衡量一種材料塑性的高低呢？生：金屬材料的塑性可以用材料的 斷后伸長(zhǎng)率8和斷面收縮率少兩個(gè)指標(biāo)來衡量。

8、師：那么下面讓我們來學(xué)習(xí)一下什么叫做斷面伸長(zhǎng)率8和斷面收縮率少？斷后伸長(zhǎng)率8 :試件拉斷后，工作段的殘余伸長(zhǎng)量 A l=l o-li與標(biāo)距長(zhǎng)度10的比值，代表試件拉斷后塑性變形程度，稱為材料的伸長(zhǎng)率，用 8表示。即5 二上4 *100%h斷面收縮率少：試件斷口處橫截面面積的相對(duì)變化率稱為斷面收縮率，用 力表示，即4 -A中=x IWJP o4師：根據(jù)對(duì)上面兩個(gè)指標(biāo)的學(xué)習(xí)，你覺得 斷面伸長(zhǎng)率8和斷面收縮率少與材料的塑性高低有 何關(guān)系？生：金屬材料的斷面伸長(zhǎng)率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大 的塑性變形而不被破壞。師：工程上通常把常溫、靜載下 伸長(zhǎng)率大于5%的金屬材料稱為塑

9、性材料，如低碳鋼；而把 伸長(zhǎng)率小于5%的金屬材料稱為 脆性材料，如灰口鑄鐵 等。.硬度師：根據(jù)你們的自學(xué)，什么叫做硬度？生：硬度是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。師：硬度是由 硬度計(jì)測(cè)試出來的，你們知道常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有哪些嗎？生：有布氏硬度和洛氏硬度。師：常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有很多，最常用的三種除了布氏硬度和洛氏硬度還有維氏硬度，下面就讓我們來學(xué)習(xí)這三種硬度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法和應(yīng)用范圍。布氏硬度（HB）測(cè)試方法：用一定大小的試驗(yàn)力 P,把直徑為 D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被 測(cè)金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕平均直徑d,然后按公式求出布氏硬度 H

10、B值，或者卞據(jù)d從布氏硬度表中 查出HB值。HB450的材料上得到清晰1-1加上初載荷后壓頭的位置2-2加上初載荷+主載荷后壓頭的位置3-3卸去主載荷后壓頭的位置卸去主載的彈性阪復(fù)缺點(diǎn)：被測(cè)材料太硬，會(huì)使鋼球明顯變形，故只能在硬度值小于 壓痕。且試樣須經(jīng)表面準(zhǔn)備、打磨，較費(fèi)時(shí)。應(yīng)用范圍：布氏硬度主要用來測(cè)定鑄鐵、有色金屬、以及 退火、正火和調(diào)質(zhì)處理后鋼材的硬度，如半成品和原材料。不 宜測(cè)定太硬、太小、太薄的工件。洛氏硬度（HR）試驗(yàn)方法：用一個(gè)頂角為120度的金剛石圓錐體在一定載 荷下壓入被測(cè)材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。優(yōu)點(diǎn)：洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、迅速、壓痕小。缺點(diǎn)：對(duì)于組織和硬度不均

11、勻的材料，硬度值波動(dòng)較大， 準(zhǔn)確性不如布氏硬度值。應(yīng)用范圍：測(cè)試熱處理后硬度較高的成品零件及 較薄的 工件，當(dāng)被測(cè)樣品過小或者布氏硬度（ HB）大于450時(shí)，改 用洛氏硬度計(jì)量。維氏硬度（HV）試驗(yàn)方法：以49.03980.7N的負(fù)荷，將相對(duì)面夾角為138 的方錐形金剛石壓入材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，再按公式來計(jì)算硬度的大小。維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號(hào)HV前寫出硬度值。優(yōu)點(diǎn)：維氏硬度試驗(yàn)力小（常用49.03N）,壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確, 試驗(yàn)力選擇范圍大（49.03980.7N）,所以可測(cè)量從很軟到很硬材料的硬度， 維氏硬度值之間能直接比較。缺點(diǎn)：試驗(yàn)麻煩，不宜用于

12、成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。適用范圍：維氏硬度常用來測(cè)試薄片材料、金屬鍍層及零件表面硬化層的 硬度。.韌性師：什么叫做韌性？生：韌性表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收 能量的能力。師：韌性能表示一種材料的什么性能呢？生：可用來衡量金屬料抵抗沖擊載荷的能力。韌 性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。師：衡量材料抗沖擊能力的指標(biāo)用沖擊韌度ak來表示。沖擊韌度是通過沖擊試驗(yàn)來測(cè)定的。ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材 料。.疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。如：軸、齒輪、彈簧等。承受交變載 荷的構(gòu)件將產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間作周期性的變化。師：人長(zhǎng)時(shí)

13、間工作后會(huì)覺得疲勞，金屬材料也是如此，那么什么叫做金屬材料的疲勞呢？ 生：在交變載荷作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力循環(huán)作用后，也會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做疲勞。師：大家覺得在工程結(jié)構(gòu)中，疲勞可能帶來什么后果呢？生：由于疲勞不易發(fā)現(xiàn)，機(jī)械零件發(fā)生疲勞破壞前往往沒有預(yù)兆，因此疲勞破壞常常會(huì)造成 重大事故。師：疲勞性能可通過疲勞試驗(yàn)測(cè)出，主要設(shè)備為疲勞試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)過試驗(yàn)可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整 理成線圖，即為疲勞曲線。試驗(yàn)證明，當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時(shí)，材料可經(jīng)過無數(shù)次循環(huán)應(yīng)力作用 而不斷裂，這一應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。在工程上，疲勞強(qiáng)度指材料在交變載荷作用下經(jīng)受無限多次循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。一般規(guī)定，鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取108,有色金屬取107。師：那么有什么措施可以提高工件的疲勞強(qiáng)度呢？合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表面粗糙度值、進(jìn)行表面滾壓、噴丸處理、表面熱 處理等，可以提高工件的疲勞強(qiáng)度。四、教學(xué)小結(jié).碳鋼常見力學(xué)性能的含義及其衡量指標(biāo)；.拉伸試驗(yàn)的原理、過程，常見的硬度測(cè)試方法及其指標(biāo)；.常見類型碳鋼及其力學(xué)性能特點(diǎn)。五、課堂練習(xí)練習(xí)冊(cè)P4第一題、基礎(chǔ)知識(shí)；第二題、能力拓展1 （必做）能力拓展2、3 （選做）六