教案3-4金屬材料完

課程名稱汽車機(jī)械根底學(xué)時2教師課題金屬材料與熱處理根底第一節(jié)金屬的力學(xué)性能課型新授學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：〔1〕掌握金屬力學(xué)性能的根本概念?！?〕了解各力學(xué)性能的衡量指標(biāo)。能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生了解材料、認(rèn)識材料、使用材料的能力。素質(zhì)目標(biāo)：通過演示、思考、歸納、運(yùn)用知識的過程，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力和運(yùn)用知識分析解決問題的能力。針對機(jī)械零件常見的失效形式，分析是由哪種性能缺乏引起的，以加深理解零件材料的力學(xué)性能對機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)所起的保證作用。學(xué)習(xí)重點(diǎn)金屬力學(xué)性能的五大指標(biāo)學(xué)習(xí)難點(diǎn)強(qiáng)度的計算及硬度的比擬學(xué)情分析授課對象是中專生，學(xué)生文化課根底相對較弱，還沒有金屬材料與熱處理方面的感性認(rèn)識，生產(chǎn)實(shí)踐更是一張白紙，學(xué)起來有一定難度，要學(xué)好確非易事。但他們對對新鮮的事物具有一定的好奇心。教學(xué)方法講授、提問引導(dǎo)、圖片視頻展示、舉例分析、比照教學(xué)手段多媒體PPT、板書、視頻圖片教學(xué)活動流程一、組織教學(xué)二、引入：以一張滄州鐵獅〔鑄造于公元953年。鐵獅子通高5.78米，身長6.5米，體寬3.17米，重約40噸〕的圖片提問學(xué)生，該獅子是什么材料做成的？三、新授課★材料分：金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料金屬材料—指鋼鐵、有色金屬等材料非金屬材料—無機(jī)高分子材料〔陶瓷、水泥、木材等〕，有機(jī)高分子材料〔如塑料、橡膠〕，復(fù)合材料---玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料、硼纖維材料?，F(xiàn)在新材料----納米材料、智能材料世界四大材料：鋼鐵、木材、塑料、水泥材料按物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分：金屬材料、非金屬材料〔有機(jī)高分子材料和陶瓷料)、復(fù)合材料★材料按用途不同分：機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料★材料按功能不同分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等材料開展概括石器時代：天然石，獸骨，樹枝陶器時代：泥巴〔日曬→原始陶器；火燒→瓷器用具〕銅器時代：〔公元前11—16世紀(jì)〕1130×780×1100〔前475—221年〕65個總重2500Kg鐵器時代：滄州大獅〔公元953年〕重50T,長5.3m,寬3m人工復(fù)合材料：塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等金屬材料的性能使用性能—力學(xué)、物理、化學(xué)工藝性能—鑄造、鍛壓、焊接、切削加工力學(xué)性能：受外力作用下所表現(xiàn)出的性能。不能說：機(jī)械性能研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第一節(jié)金屬的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過金屬拉伸試驗(yàn)來測定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。通過拉伸試驗(yàn)測得大小。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示。σ=F/Sσ-----應(yīng)力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度上下的指標(biāo)。拉伸實(shí)驗(yàn)1.拉伸試樣〔GB6397-86〕長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d02.力－伸長曲線拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：〔1〕Oe———彈性變形階段 〔2〕es———屈服階段 〔3〕sb———強(qiáng)化階段 〔4〕bk———縮頸階段 強(qiáng)度——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)〔σs〕或規(guī)定剩余伸長應(yīng)力〔σr〕抗拉強(qiáng)度(σb)屈服點(diǎn)〔σs〕:指材料產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力規(guī)定剩余伸長應(yīng)力:規(guī)定剩余伸長率為0.2%時的應(yīng)力抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值 拉伸過程中最大的拉力〔N〕假設(shè)零件在使用時不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進(jìn)行設(shè)計計算。假設(shè)零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，那么以材料的σb來設(shè)計計算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計計算的主要依據(jù)。強(qiáng)度的意義強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～1000MPa之間。強(qiáng)度越高，說明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。二、塑性—在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率1、斷后伸長率L1——試樣拉斷后的標(biāo)距〔mm〕L0——試樣原始標(biāo)距〔mm〕由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d02、斷面收縮率S1——試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積〔mm2〕S0——試樣原始截面積〔mm2〕δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵.塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高平安性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r萬一超載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而防止突然斷裂強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一局部塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一局部強(qiáng)度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強(qiáng)度和塑性。三、硬度它是材料性能的一個綜合的物理量。(表示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力〕硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。硬度試驗(yàn)方法:布氏硬度〔HB〕洛氏硬度〔HR〕維氏硬度〔HV〕布氏硬度測定原理計算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于＜650HBW表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑實(shí)驗(yàn)力保持時間500HBW5/750表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如170HBS適用范圍：常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù)性強(qiáng)、測量結(jié)果準(zhǔn)確缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)洛氏硬度測定原理符號試驗(yàn)時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種表常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍硬度符號壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力F/N硬度值有效范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測量硬質(zhì)合金、外表淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等表示方法硬度值+HR例：52HRC70HRA適用范圍：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。維氏硬度〔1〕測定原理用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬外表，保持一定時間后卸去試驗(yàn)力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2〔mm〕，并求出壓痕對角線的平均值d?！?〕計算公式〔3〕表示方法硬度值+HV+試驗(yàn)力/保持時間如：640HV30/20〔4〕適用范圍適用于測量零件薄的外表硬化層的硬度。四、沖擊韌性強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。材料在工作時還經(jīng)常受到動載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具〔如鍛錘、沖床、鉚釘槍等〕時，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。例如：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低沖擊試驗(yàn)沖擊試樣沖擊試驗(yàn)原理：沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定，試驗(yàn)時將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量AK=mg〔H1-H2〕，即為沖擊功〔焦耳/J〕。一次擺錘沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的表示方法：國標(biāo)GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性上下的指標(biāo)是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。國標(biāo)GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性上下的指標(biāo)是沖擊吸收能量;K＝mg〔H1-H2〕U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2，其單位是焦耳〔J〕。沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。用來評定材料的冷脆傾向〔測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度〕。設(shè)計時要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。提高沖擊韌性的途徑?jīng)_擊韌性是一個對材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有：

改變材料的成分，如參加釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細(xì)化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性；

提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、氣泡等缺陷；五、疲勞強(qiáng)度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)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞?！?〕疲勞斷裂零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴(kuò)展—瞬時斷裂三個階段組成?！?〕疲勞斷口盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂,但實(shí)際上它們是一個逐漸失效的過程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長的時間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)〔裂紋源〕、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。〔3〕疲勞強(qiáng)度當(dāng)應(yīng)力低于某值時，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，記作σR〔R為應(yīng)力比〕，就是S-N曲線中的平臺位置對應(yīng)的應(yīng)力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下〔R＝－1〕測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。在工程中，有時根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出σmax，并稱之為疲勞強(qiáng)度，實(shí)際上就是條件疲勞極限?！?〕提高疲勞極限的途徑①在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量防止尖角、缺口和截面突變。②提高零件外表加工質(zhì)量。③對材料外表進(jìn)行強(qiáng)化處理。點(diǎn)名〔2min〕通過圖片資料引入本節(jié)課需解決的問題，由學(xué)生討論，教師引導(dǎo)〔3min〕由生活中的常用物品的材料入手將材料進(jìn)行分類，教師引導(dǎo)總結(jié)出材料的各種分類方式〔5分鐘〕由起重機(jī)上的鋼索懸吊物的拉力等引出力學(xué)性能拉伸皮筋過程引出金屬材料通過拉伸也可以產(chǎn)生變形和破壞，引出強(qiáng)度的概念，講授強(qiáng)度的大小及分類〔5分鐘〕通過拉伸試驗(yàn)的錄像讓學(xué)生了解拉伸試驗(yàn)的整個過程。教師講授總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論〔10分鐘〕提示：一般機(jī)件都是在彈性狀態(tài)下工作，不允許有微小的塑性變形，更不允許工作應(yīng)力大于σb通過拉伸皮筋，由其發(fā)生的變形引出伸長率和收縮率的概念。并講授其公式〔10分鐘〕通過錄像視頻資料了解各種硬度試驗(yàn)的過程并進(jìn)行比擬，分析各自的應(yīng)用場合〔20分鐘〕通過表格總結(jié)三種洛氏硬度適用條件及適用范圍，加強(qiáng)印象通過視頻了解沖擊試驗(yàn)的整個過程?！?5分鐘〕通過舉例既提高了學(xué)生的注意力,又使他們有一種新鮮感,同時加深了對知識點(diǎn)的記憶〔15分鐘〕舉例：TITANIC的漂浮引出疲勞強(qiáng)度舉例：美軍F-1