金属材料与热处理.docx
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金属材料与热处理
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教案
系（部）汽车与机械工程系
教研室机械教研室
课程名称金属材料与热处理
授课对象模具、数控
授课教师
教材名称金属材料与热处理
2013～2014学年度第二学期
课题
金属材料的力学性能
课时
2
主要教学内容
时间分配
1、新课程的导入
5
2、课程的内容讲述
75
3、课后小结及作业布置
10
教学目标
一、知识目标
1、掌握金属力学性能的基本概念及其指标；
2、认识拉伸曲线图，掌握强度、塑性的衡量指标及其意义；
3、掌握常用硬度的测试方法及适用范围；
4、掌握冲击韧度、疲劳强度的衡量指标及其意义。
二、能力目标
1、能根据拉伸曲线图比较不同金属材料的强度、塑性；
2、能根据材料及其热处理状态，正确选用硬度测试方法；
3、能根据力学性能指标合理选用金属材料。
教学重点
1、强度指标的定义与分类；
2、硬度指标的定义与分类。
教学难点
1、金属材料的强度概念及种类。
教学方法
讲授法
使用教具
教材、教案、计算机、多媒体课件
教学过程
教法提示及时间分配
（一）课程导入
1、历史上由于材料的力学性能引发的灾难性事故举不胜举，如：
①泰坦尼克号遭遇冰山撞击发生突然断裂而沉没；
②1950年，美国北极星导弹在试发射时由于断裂而发生爆炸；
③2001年纽约一架美国航空客机从肯尼迪机场起飞不到几分钟，因飞机方向舵与机身脱离而解体，造成机上265名人员全部罹难。
2、这些事故发生的原因究竟是什么？
为什么在没有任何征兆情况下突然发生呢？
（二）新课讲授
一、金属材料的性能
金属材料的性能包括：
使用性能、工艺性能
1、工艺性能：
是指制造过程中表现出的性能，包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能。
2、使用性能：
是指在使用过程中表现出来的性能。
包括：
①物理性能有熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。
②化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性等。
物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。
本章节主要研究的是力学性能对工艺性能的影响。
③金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。
常见的指标有：
强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。
二、强度与塑性
1、拉伸试验
2、力一伸长曲线
3、弹性与塑性
1）弹性金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性（OP直线）。
2）弹性变形随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。
3）塑性金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性（PE曲线）。
4）塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。
4、强度
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。
屈服强度Re、抗拉强度Rm
1）屈服点与屈服强度
金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点（S点），用符号Re表示。
Re=Fs/Ao
式中：
Fs—试样发生屈服时的载荷（N）；
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点，按GB/T2228规定，可用条件屈服强度Rr0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。
屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即
Rr0.2=F0.2/Ao
式中：
F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
2）抗拉强度
金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号Rm表示。
Rm=Fb/Ao
式中：
Fb—试样在断裂前所承受的载荷（N）；
Ao—试样原始横截面积（mm2）。
5、塑性
金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。
通过拉伸试验可测定材料的塑性。
常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率ψ。
=（L1-L0）/L0
ψ=（F0-F1）/F0
三、硬度
硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。
1、布氏硬度
1）布氏硬度试验原理
式中：
F—试验力（N）；
d—压痕平均直径（mm）；
D—硬质合金球直径（mm）
2）选择试验规范
根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表1—1所列的布氏硬变试验规范正确选择。
3）试验的优缺点
优点：
试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。
缺点：
对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。
4）应用
布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。
2、洛氏硬度
1）洛氏硬度测量原理
洛氏硬度：
HR=K-h/s
式中：
K为给定标尺的硬度数，
S为给定标尺的单位，
通常以0.002为一个硬度单位。
2）常用洛氏硬度标尺及适用范围
3）试验优缺点
优点：
操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。
缺点：
由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值
3、维氏硬度
1）试验原理
维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。
HV=0.102×2F×Sin1360/2/d2=0.189F/d2
式中：
F—作用在压头上试验力（N）；
d—压痕两对角线长度的平均值（mm）。
2）常用试验力及其适用范围
维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03—980.7N的范围内选择试验力。
常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。
维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。
3）试验优缺点
优点：
与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。
缺点：
其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。
四、冲击韧度
1）冲击试验方法与原理
一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行。
试验时，将试样放在试验机两支座上。
把质量为m的摆锤抬到高H，使摆锤具有位能为mHg。
摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHg—mhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg（H-h）用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2.aK=AK/SN
2）冲击试验的实际意义
①韧脆转变温度
材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。
因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。
韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。
如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。
②衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量
冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。
目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。
五、疲劳强度
1）疲劳概念
虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。
据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。
2）疲劳曲线与疲劳极限
试验证明，金属材料所受最大交变应力Rmax愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力Rmax与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或S—N曲线。
工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号R-1表示。
3）提高材料疲劳极限的途径
①设计方面尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。
②材料方面通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。
如疏松、气孔和表面氧化等。
③机械加工方面要降低零件表面粗糙度值。
④零件表面强化方面可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。
补充：
断裂韧度
金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。
（三）小结
1、金属材料的六大力学性能指标：
强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度
2、力学性能指标的判断依据
3、三种硬度值的测试方法
（四）布置作业
1、拉伸试验
2、硬度测试
[板书设计]
金属材料的力学性能
PPT（投影仪）
一、金属材料的性能
1、工艺性能
2、使用性能
二、强度与塑性
1、拉伸试验
2、力-伸长曲线
3、弹性与塑性
4、强度
5、塑性
三、硬度
1、布氏硬度
2、洛氏硬度
3、维氏硬度
四、冲击韧度
五、疲劳强度
举例法
提问法
5分钟
重点
难点
画图
形象教学法
30分钟
重点
画图
形象教学法
实物教学法
25分钟
10分钟
10分钟
归纳法
8分钟
2分钟
作业记录
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