《机械工程材料》教案(3)

课 题：第四节 金属的力学性能（2课时）

教学要求：理解并掌握强度、塑性及其衡量指标的符号、意义。 教学重点：强度、塑性及其衡量指标的符号、意义。 教学难点：强度、塑性衡量指标的符号、意义。

教学器材：直径相同的细低碳钢镀锌钢丝、弹簧钢丝。 教学过程： 【复习】1.低碳钢的拉伸曲线有哪四个典型阶段？什么是屈服现象？发生屈服现象时的载荷与发生变形强化的载荷有什么区别？

2.什么叫应力？应力是如何计算的？Ｑ235钢的最大应力460 MPa它的含义是什么？

【导入新课】有了前面四部分知识作准备，我们就可以开始学习讨论力学性能的知识了。 【板书】一.强度：金属材料抵抗变形或断裂的能力称为强度。

【演示】让学生演示直径相同的细低碳钢镀锌钢丝、弹簧钢丝塑性变形，观察谁的抵抗能力大。

【讲解】抵抗能力越大，则强度越高。衡量强度大小的指标主要有屈服点和抗拉强度。 【板书】屈服点（σS）：材料产生屈服现象时的最小应力。计算公式如下： Fs σs= So Fs──试样产生屈服现象时的载荷（N）； SO──试样原始横截面积（mm2）； σs──屈服点（MPa）。 【交流与讨论】 1．依据表4-2，查出下表的σs。 10钢 45钢 65钢 碳 钢 （低碳钢） （中碳钢） （高碳钢） σs 【板书】抗拉强度（σb）：材料拉断前所承受的最大的应力。计算公式如下： Fbσb= SoFb──试样承的最大载荷（N）； S0──试样原始横截面积（mm2）； σb──抗拉强度（MPa）。 【交流与讨论】 1．依据表4-2，查出下表的σs、σb。 10钢 45钢 65钢 碳 钢 （低碳钢） （中碳钢） （高碳钢） σs σb 2．45钢制造的机械零件，当工作应力σ工作＞355MPa，甚至σ工作＞600 MPa将发生什么时候危害？ 【讲解】金属材料的屈服点和抗拉强度数值越大，材料的强度越大。机械零件工作时所受的

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应力当超过材料的屈服点时，零件则发生塑性变形，导致零件精度下降；零件工作时当所受的应力超过材料的抗拉强度时，零件则产生过量的塑性变形而造成失效甚至断裂。因此，金属材料的屈服点和抗拉强度是机械设计和选材的主要依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。

【板书】二、塑性：金属材料产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。 【讲解】衡量塑性好与差的指标主要是伸长率和断面收缩率，它们也是通过金属试样拉伸试验测得的。

【演示】让学生演示直径相同的细低碳钢镀锌钢丝、弹簧钢丝塑性变形，观察谁的塑性好。 【板书】伸长率（ψ） 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率。 L1—L0δ=×100% L0式中 L1──试样拉断后的标距（mm）； L0──试样的原始标距（mm）； δ──伸长率。 【讲解】同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试验样的伸长率分别用符号δ10和δ5表示。习惯上δ10也常写成δ。 【板书】断面收缩率（ψ）：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。 SO—S1 ψ=×100% SO式中 SO──试样原始横截面积（mm2）； S1──试样拉断处的最小横截面积（mm2）； ψ──断面收缩率。 【讲解】金属材料的δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。 【板书】塑性好的金属的实用意义： 塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑性变形加工，制成形状复杂的零件； 塑性好的金属在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，使用比较安全。 【拓展视野】 超塑性金属材料 超塑性金属材料是指伸长率大于300%的金属材料。它是1920年德国材料专家 罗森汉在研究锌－铝－铜合金时发现的。超塑性是在特定条件下的一种奇特现象， 超塑性金属材料能像软糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会 断裂。最常用的铝、镍、铜、铁、钛合金，它们的伸长率在200~6000%之间。如碳 钢和不锈钢在150~800%之间，铝锌合金为1000%纯铝高达6000%。 超塑性材料加工具有很大的实用价值。难变形的合金因超塑性变成了软糖状， 从而可以像玻璃和塑料一样，用吹塑和可挤压加工方法制造零件，从而大大节省能 源和设备。超塑性材料制造零件的另一优点是可以一次成形，省掉了机械加工、铆 焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。据专家展望，未来超塑性材料将在 航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用。 【板书】【例】有一直径为do=10mm，Lo=100mmr的低碳钢试样，拉伸试验时测得Fs= 21000N，Fb=29000N，d1=5.65mm，,L1=138mmr。求此试样的σs、σb、δ、ψ。

解 （1）计算S0、S1

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3.14×102

S0= = =78.5（mm2）

44

∏do∏d1

2

3.14×5.652

S1= = =25（mm2）

44

2

(2) 计算σs、σ

b

Fs21000σs= = =267.5（MPa）

So78.5Fb29000σb = = =369.4（MPa）

78.5So

(3) 计算δ、ψ

L1—L0138—100

δ=×100%= ×100%=38%

L0100SO—S178.5—25ψ=×100%= ×100%=68%

SO78.5

答 此低碳钢的σs为267.5MPa，σb为369.4MPa，δ为38%，ψ为68%。

【交流与讨论】

1．依据课本表4-2和纯铝、纯铜内容，完成下列材料的δ、ψ填充。

10钢 45钢 60钢 碳 钢 铸铁 纯铝 纯铜 （低碳钢） （中碳钢） （高碳钢）

δ ≈0

ψ ≈0

2．根据上表不同材料的δ、ψ值，可知： 塑性好的是___________________________________________； 塑性一般的是_________________________________________；

塑性差的是___________________________________________。

3．请你用收集到的纯铜、纯铝、镀锌钢丝和弹簧钢丝，做一根相同直径的弹

簧，在实验中观察比较它们强度和塑性。

【小结】本节课学习内容

力学性能 一、强度 Fs屈服点 σs= SoFb抗拉强度 σb= So二、塑性 L1—L0伸长率 δ=×100% L0SO—S1断面收缩率 ψ=×100% SO学习重点：强度、塑性及其衡量指标的符号、意义。 【作业】一、1，2，3，4；二、1，2，3，4；四

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课 题：第四节 金属的力学性能（2课时）

教学要求：1．理解硬度概念，明确三种硬度测定方法；

2．掌握三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。

教学重点：三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。 教学难点：三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。

教学器材：布氏硬度压头、压痕，洛氏硬度、维氏硬度压头。 教学过程： 【复习】

1．填写下列力学性能名称或符号： 力学性能 符号 屈服点 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 2．上题中哪些是强度指标？哪些是塑性指标？ 【新课导入】金属材料的软硬是我们经常关注的问题，请问常见的金属材料中哪些是比较软的？哪些是比较硬的？ 在工业生产中，我们仅仅知道金属材料软和硬是远远不够的，还必须精确知道其硬度值的大小。本节课我们来深入学习第三个力学性能硬度的有关知识。 【板书】三、硬度：金属材料抵抗其它更硬物体压入表面的能力。 【讲解】硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。各种不同的机械零件对硬度都有不同的要求，尤其是机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命，因此硬度是金属材料重要的力学性能之一。

硬度试验设备简单，操作方便，能在零件上进行试验而不破坏。硬度值还可以间接地反映金属材料的强度和金属的化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在机械工程中得到普遍应用。

硬度试验方法很多，生产中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。 【板书】

硬度测定方法 压头类型 原 理 硬度值 应 用 HBS：淬硬钢球 以球面压痕单位表面积 HBS＜450 测定较软的原材料、 布氏硬度 HBW：硬质合金球 上的压力来计量硬度值。 HBW＜650 半成品的硬度。 F 直径1、2、2.5、5、10 HB = （完成交流与讨论1、2） S压 HRA 1200金刚石圆锥体 以压痕深度(h)来 HRA 20~80 适用于测定硬度极高的材

料和成品。如硬质合金。

洛氏硬度 HRB 1.588 mm的钢球 计量硬度值。 HRB 20~100 适用于测定硬度较低的材

料和成品。如黄铜轴套。

HRC 1200金刚石圆锥体 HRC 20~70 适用于测定硬度较高的

材料和成品。如淬火钢。

相对面夹角为 1360 以压痕单位表面积 HV 10~1000 适用测定极软到极硬的各种

维氏硬度 的正四棱锥体金刚石 上的压力计量硬度值。 材料，主要用于测试很薄工

件及渗碳层等的硬度。

【小结】学习内容

硬度测定方法： 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度

【板书】一、各种硬度值越大，材料的硬度越大；

二、不同硬度值的近似换算：

（讲解：HBS、HRC、HV因测定方法不同，其硬度值也不同。哪么如何比较不同硬度值的大小呢？除通

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过直接查阅硬度值换算表外，可用以下经验公式进行近似换算）

HRC≈

1

HBS 10

HBS≈HV

如400 HBS≈40 HRC

三、制图时硬度值标注应注意 1.硬度值范围 HBS ＜450

HRC 20~70

如锉刀硬度 60~62 HRC （对） 600~620 HBS （错）

2

2.不能用等号，不能有单位。如HBS=300kgf/mm(错) 【交流与讨论】 1．某私营企业自制了一批水泥砖，需要检验这批水泥砖的硬

度是否达到样品的硬度。这时有人说只要有一个小铁球就可 以做这个试验。你认为可行吗？应怎样试验，能够测出水泥 砖的硬度是否达标？

（1．让小铁球从相同高度自由下落，检查铁球落在每块水泥砖上的深度，深度浅的硬度大。

2．让水泥砖成 45 度角安放，小铁球从相同高度下落，看铁球滚动多远。硬度大，小铁球滚得远些。） 【作业】略

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