【原创】：我的一篇教案：金属材料的力学性能

阳春飞华

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课题：金属材料的力学性能

一、学习内容

常用力学性能的定义、测定原理与方法、使用范围等。

二、知识目标

  1、熟悉力学性能的基本概念；

  2、理解拉伸曲线；

  3、掌握强度、塑性、硬度、韧性和疲劳的表示方法和应用。

三、重点：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等概念及其表示方法和工程意义。

四、难点：屈服强度、抗拉强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等概念的理解。

五、课时安排

2课时

阳春飞华

六、教案

（一）引入课题：

零件的选材为什么要考虑到金属的力学性能？

1. 零件受力→形变（形状和尺寸的变化）→材料遭到破坏

2.选材的考虑要素：

（1）使用性能（物理性能、化学性能、力学性能）

（2）加工性能（工艺性能）

（3）经济性能

3.关于载荷（载荷→外力）

（1）载荷按性质的分类：

（a）静载荷：大小和方向不变或变化缓慢的载荷。

（b）冲击载荷：突然增加的载荷。

（c）交变载荷：大小和方向随着时间做周期性变化的载荷。

（2）载荷按作用方式不同分类：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转

（3）载荷、内力和应力

（a）载荷→载，装载的重量；荷，负荷的重量→材料在加工和使用过程中受到的外力

（b）内力→在外力作用下,引起构件内部相互作用的力。内力是同一物体各部分之间的相互作用力。由于物体是由无数质点所组成的，因此，在未受外力作用时，内部各质点间就已存在着相互作用的力，它使各质点处于相对平衡状态，从而物体才能保持一定的形状，这种力称为物体的固有内力，即自然状态粒子结合力。当物体收到外力作用时，其内部各质点的相对位置就发生了变化，他们的相互作用力也就会发生改变，这种内力的改变量称为附加内力。附加内力阻止物体继续变形并力图恢复其原来的形状。

（c）应力→材料单位横截面积上所产生的抵抗力（内力）。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力（Stress）。

4.材料的变形及其形式

物体受外力作用而产生的形状和大小改变。材料的变形有两种，即弹性变形和塑性变形。
  （1）弹性变形的特点是：外力在，变形在，外力消、变形消，也就是说弹性变形有外力的时候发生变形，当外力去除的时候，则恢复原来的状态。
  （2）塑性变形的特点是：外力在，变形在，外力消、变形存，也就是说塑性变形有外力的时候发生变形，当外力去除的时候，则不能恢复原来的状态，结果有一些变形保留了下来，成为永久的变形。

阳春飞华

（二）强度

1.强度：材料在外力（载荷）作用下→抵抗永久变形和断裂的能力→通常用应力表示。

3.强度通常分为：抗拉强度、抗压强度、抗剪切强度和抗弯曲强度等四种。

4.拉伸试验及拉伸曲线：

（1）介绍拉伸试验方法

（2）讲解拉伸曲线的分析：

拉伸试验中，低碳钢拉伸变形的四个阶段：

（a）弹性变形阶段（oe）→变形量与外力成正比，卸除载荷，恢复原状。Fe为式样产生弹性变形的最大载荷。
插播“刚度 ”这个概念→刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料弹性变形难易程度的一个象征。
强度是指某种材料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。一般只是针对材料而言的。它的大小与材料本身的性质及受力形式有关。刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。

（b）屈服阶段（es）→载荷不变或变化很小，被拉伸的式样却继续伸长，Fs称为屈服载荷。

（c）强化阶段（sb）→由于塑性变形是材料的变形抗力增大，只有增加载荷，变形才可以继续进行。在这个阶段，变形与硬化交替进行，随着属性变形增大，式样变形的抗力也逐渐增大，这种现象称为“加工硬化”。这个阶段式样各处的变形都是均匀的，也称均匀塑性变形阶段，Fb为式样拉伸试验时的最大载荷。

   插播“位错”这个概念→位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。

（d）缩颈阶段（bz）→当载荷超过最大载荷Fb时，式样发生局部收缩，这种现象称之为“缩颈”。由于变形处主要发生在缩颈处，其所需要的载荷也随之降低，随着变形的继续增加，直至式样断裂。

5.强度的几个指标：

弹性极限（Fe）→金属材料发生弹性形变的最大承载能力

屈服强度→金属材料对微量塑性变形的抗力

抗拉强度→金属材料被拉断前，能够承受的最大应力

     插播“刚度 ”这个概念→
      刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料弹性变形难易程度的一个象征。
      强度是指某种材料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。一般只是针对材料而言的。它的大小与材料本身的性质及受力形式有关。
      刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。

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（三）塑性

1.概念：

塑性→金属材料在载荷作用下发生塑性变形而不断裂的能力，可以通过拉伸试验测定。

2.评价指标：

（1）断后伸长率：式样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。

（2）断面收缩率：拉断后，颈缩处的截面积的最大减缩量与原始横截面的百分比。

（四）硬度

硬度→指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬的依据，符号：HB。材料的硬度越高，其耐磨性越好。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度

1.布氏硬度（HBW）：把规定直径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，然后按公式求出布氏硬度HB值，数值越大，材料的硬度越高。

生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。

2.洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。

3.维氏硬度以HV表示，测量极薄试样。

4.硬度与强度的关系：强度和硬度有直接的关系强度越高硬度也就越高成正比，一般，硬度高，则强度也高。

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（五）韧性

1.韧性，是指材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。

2.某些高强度材料，在冲击载荷作用下也会遭到破坏。冲击韧度越高，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。

3.小能量多次冲击：实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。所以需采用小能量多冲击作为衡量这些零件承受冲击抗力的指标。实践证明，在小能量多次冲击下，冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。

（六）疲劳强度

机械零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受10ˇ7次、非铁（有色）金属材料经受10ˇ8次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

（七）金属材料力学性能之间的联系：

一般来说，提高金属的强度、硬度，往往会降低其塑性；反之，提高塑性、韧性，则又会削弱其强度。因此，在选用材料时，要兼顾各项力学性能。

七、讲授内容的梳理

举例总结，让学生结合实际去理解金属材料的力学性能。

八、作业

P19页6～12题

阳春飞华

全贴发完，谢谢关注，多提宝贵意见！

横刀长啸

很。。很专业啊