2碳鋼的力學性能

1、【課題】1.1.2 了解碳鋼的力學性能（授課人：王競男）【授課類型】理論課【教學目標】【知識與技能目標】.了解碳鋼常見的力學性能：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度的含義及其衡量指標；.了解拉伸試驗的原理、過程，常見的硬度測試方法及其指標；.進一步理解常見類型碳鋼及其力學性能特點?！具^程與方法目標】.通過學習碳鋼常見的力學性能及其衡量指標，理解力學性能對碳鋼應(yīng)用的重要影響；.通過學習拉伸試驗的原理、觀看拉伸試驗過程的視頻， 了解碳鋼強度、塑性衡量指標的來源和含義；. 了解硬度測試方法和類型，能根據(jù)材料類型初步選擇合適的硬度。 【情感態(tài)度與價值觀目標】.通過對材料的拉伸試驗、硬度測試方法的學習，形

2、成科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度；.通過對碳鋼的力學性能與其衡量指標的學習，懂得方法的選擇以合適、恰當為最好?！窘虒W重點】1.碳鋼常見的力學性能：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度的含義及其衡量指標；.拉伸試驗過程和硬度測試方法。.常見類型碳鋼及其力學性能特點?！窘虒W難點】常見類型碳鋼及其力學性能特點?！窘虒W方法】學情分析：學生已經(jīng)對碳鋼及其成分有了一定的認識，但對碳鋼力學性能及其衡量指標缺乏 系統(tǒng)的認知，且由于學生在力學相關(guān)的物理學科知識方面基礎(chǔ)薄弱，所以在學習力學性能部分時，應(yīng)聯(lián)系生活、生產(chǎn)中生動形象的實際例子幫助學生理解。教法：讀書指導(dǎo)法、問題引導(dǎo)法、小組討論法學法：以自學法為主，配合討論法【教學用具

3、】多媒體設(shè)備及多媒體課件【教學時間】2課時（90分鐘）【教學過程】一、新課導(dǎo)入（7分）師：同學們，本節(jié)課我們將進一步深入學習和了解碳鋼的力學性能。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，那么你會從哪些方面來挑選？請簡要說 明原因。下面給大家半分鐘思考時間，然后分別請幾位同學為大家舉例。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性能。碳鋼的力學性能不但是設(shè)計 零件、選用材料的重要依據(jù)，而且也是按驗收標準來鑒定材料的依據(jù)以及對產(chǎn)品工藝進行質(zhì)量 控制的重要參數(shù)。下面，就讓我們進入到今天這節(jié)課的學習一一碳鋼的力學性能。

4、二、明確目標結(jié)合PPT展示，明確本節(jié)課的學習目標和學習重、難點，讓學生將任務(wù)了然于胸。三、講授新課.強度與拉伸試驗（1）強度的含義師：哪位同學能從課本上找到強度的含義并為大家響亮地讀出來？生：強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習和理解強度的含義，你們認為這則定義的關(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度呢？這就要用到內(nèi)力與應(yīng)力的知識。內(nèi)力當一個結(jié)構(gòu)受到外力作用時,其內(nèi)部各質(zhì)點之間的相互作用會發(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)力對于材料的強度有何作用呢？當應(yīng)力達到某一極限值（許用應(yīng)力）時，材料就會遭到破壞。拉伸試驗師：根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，主要有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。工程中 常用的是屈服強度和抗拉強度。通過拉伸試驗可以測定屈服強度和抗拉強度。拉伸試驗機在試驗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，長度增加， 產(chǎn)生變形，這時如將外力卸 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，試件的伸長顯著增加， 但外力卻在 小范圍內(nèi)上下波動。 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的最低值稱為屈服 載荷，用Fs表示。所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限，用*表示。此階段，曲線出現(xiàn)波動。第出階段：強化階段（SB段）屈服階段后，需加大外力，才能繼續(xù)增加變形，試件對變形的抵抗能力又獲得增強，力與變 形是非線性的關(guān)系。此階段稱為強化階段。第I

7、V階段：頸縮階段（BK段）當拉力繼續(xù)增大到某確定數(shù)值時，試件某處突然逐漸局部變細，形同細頸，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。所對應(yīng)的應(yīng)力稱為強度極限, 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，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，長度和橫截面積都要發(fā)生變化。師：有哪些衡量指標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 斷后伸長率8和斷面收縮率少兩個指標來衡量。

8、師：那么下面讓我們來學習一下什么叫做斷面伸長率8和斷面收縮率少？斷后伸長率8 :試件拉斷后，工作段的殘余伸長量 A l=l o-li與標距長度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)對上面兩個指標的學習，你覺得 斷面伸長率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 伸長率大于5%的金屬材料稱為塑

9、性材料，如低碳鋼；而把 伸長率小于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，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。師：硬度是由 硬度計測試出來的，你們知道常用的硬度標準有哪些嗎？生：有布氏硬度和洛氏硬度。師：常用的硬度標準有很多，最常用的三種除了布氏硬度和洛氏硬度還有維氏硬度，下面就讓我們來學習這三種硬度標準的測試方法和應(yīng)用范圍。布氏硬度（HB）測試方法：用一定大小的試驗力 P,把直徑為 D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被 測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均直徑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：被測材料太硬，會使鋼球明顯變形，故只能在硬度值小于 壓痕。且試樣須經(jīng)表面準備、打磨，較費時。應(yīng)用范圍：布氏硬度主要用來測定鑄鐵、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 宜測定太硬、太小、太薄的工件。洛氏硬度（HR）試驗方法：用一個頂角為120度的金剛石圓錐體在一定載 荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。優(yōu)點：洛氏硬度試驗操作簡單、迅速、壓痕小。缺點：對于組織和硬度不均

11、勻的材料，硬度值波動較大， 準確性不如布氏硬度值。應(yīng)用范圍：測試熱處理后硬度較高的成品零件及 較薄的 工件，當被測樣品過小或者布氏硬度（ HB）大于450時，改 用洛氏硬度計量。維氏硬度（HV）試驗方法：以49.03980.7N的負荷，將相對面夾角為138 的方錐形金剛石壓入材料表面，保持規(guī)定時間后，測量壓痕對角線長度，再按公式來計算硬度的大小。維氏硬度值一般不標單位，在符號HV前寫出硬度值。優(yōu)點：維氏硬度試驗力?。ǔＳ?9.03N）,壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準確, 試驗力選擇范圍大（49.03980.7N）,所以可測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：試驗麻煩，不宜用于

12、成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。適用范圍：維氏硬度常用來測試薄片材料、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用沖擊韌度ak來表示。沖擊韌度是通過沖擊試驗來測定的。ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材 料。.疲勞強度許多機械零件和工程構(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間作周期性的變化。師：人長時

13、間工作后會覺得疲勞，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)過長時間的應(yīng)力循環(huán)作用后，也會產(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造成 重大事故。師：疲勞性能可通過疲勞試驗測出，主要設(shè)備為疲勞試驗機，經(jīng)過試驗可以將試驗數(shù)據(jù)整 理成線圖，即為疲勞曲線。試驗證明，當應(yīng)力低于某一數(shù)值時，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)力稱為疲勞強度。在工程上，疲勞強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度呢？合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表面粗糙度值、進行表面滾壓、噴丸處理、表面熱 處理等，可以提高工件的疲勞強度。四、教學小結(jié).碳鋼常見力學性能的含義及其衡量指標；.拉伸試驗的原理、過程，常見的硬度測試方法及其指標；.常見類型碳鋼及其力學性能特點。五、課堂練習練習冊P4第一題、基礎(chǔ)知識；第二題、能力拓展1 （必做）能力拓展2、3 （選做）六