专题二 金属材料的硬度、韧性与疲劳现象（教案)- 河南省职教高考《 金属加工基础》（机工版）专项复习讲练测

专题二. 金属材料的硬度、韧性与疲劳现象（讲义）-《金属加工基础》（机工版）专题复习讲练测 [考纲要求] 1. 硬度、韧性和疲劳现象的基本概念及其相互关系。 2. 不同金属材料的硬度、韧性和抗疲劳性能的影响因素和测定方法。 3. 金属材料的疲劳断裂机制和预防措施。 4. 金属材料的热处理对硬度、韧性和抗疲劳性能的影响。 5. 工程实践中金属材料硬度、韧性和疲劳现象的应用及案例分析。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 1.硬度是金属材料抵抗外物压人的能力。它直接反映金属材料的软硬程度，也反映金属材料的耐磨性和切削加工性。常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。 (1)布氏硬度是用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压人试样表面，经规定的保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d(mm)，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法，如图1-7所示。 (2)洛氏硬度是以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球(淬火120°钢球或硬质合金球)压入试样表面，根据试样残余压ZOH痕深度的增量来衡量试样硬度的大小，如图1-8所示。 2.韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。冲击载荷比静载荷的破坏性要大得多，因此，对于承受冲击载荷的金属零件，需要对金属材料规定冲击载荷下的性能指标。金属材料韧性的大小通常采用吸收能量K(单位是J)来衡量。金属材料的吸收能量K采用CB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法来测定。 (1)夏比摆锤冲击试样夏比摆锤冲击试样有V形缺口试样和U形缺口试样两种。带V形缺口的试样，称为夏比V形缺口试样;带U形缺口的试样，称为夏比U形缺口试样。 (2)夏比摆锤冲击试验方法 夏比摆锤冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的，如图1-10 所示。 3.疲劳现象 轴、齿轮、连杆、弹簧等金属零件是在循环应力的作用下工作的。循环应力是指应力的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力。常见的循环应力是对称循环应力，其最大值σmax 和最小值σmin的绝对值相等，即σmax/σmin=-1，如图1-12 所示。金属零件在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳(或称疲劳断裂)。 (1)金属发生疲劳断裂的主要特征如下， 1)零件工作时承受的实际循环应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或规定残余延伸强度，但是零件在这种循环应力的作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂 2)金属材料疲劳断裂时不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的。 3)疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生的，先形成微小的裂纹核心，即微裂源。随后在循环应力的作用下，微小裂纹不断扩展长大，形成扩展区。由于微小裂纹不断扩展，使零件的有效工作面积逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则突然发生疲劳断裂，形成最后的瞬断区。因此，金属材料的疲劳断裂断口一般由微裂源、扩展区和瞬断区三部分组成，如图 1-13 所示。 2.疲劳强度 金属材料所受循环应力σ与循环次数N之间的关系，可用σ-N曲线表示，如图 1-14)示。由图可见，当金属材料所受循环应力σ低于某一数值时，曲线与横坐标几乎平行，示金属材料可经受无限多次循环应力作用而不断裂这一应力值称为金属材料的疲劳强度。 如果金属构件所受应力是对称循环应力，则其疲劳强度用符号σ-1表示; 如果金属构N件所受应力是脉动循环应力(σmin=0，σ>0)，则其疲劳强度 用符号σ0 表示。 [真题练讲] 1. (2019年•河南省统一考试)以下哪种情况可能导致金属材料的硬度降低？ A.加工硬化 B.回火 C.淬火 D.高温处理 答案：B.回火 解析：回火过程会降低金属材料的硬度，但会提高其韧性。 2. (2020年• 河南省统一考试)在金属材料的热处理过程中，加热至高温后迅速冷却的工艺称为什么？ A.淬火 B.回火 C.退火 D.弛豫 答案：A.淬火 解析：淬火是通过迅速冷却来增加金属材料硬度的热处理工艺。 3. (2021年• 河南省统一考试)下列哪个因素不会影响金属材料的抗疲劳性能？ A.温度 B.外部载荷频率 C.加工方式 D.表面处理 答案：D.表面处理 解析：表面处理通常不是影响金属材料抗疲劳性能的主要因素。 4. (2023年• 江苏省统一考试)金属材料的韧性可以通过以下哪种方式增加？ A.加热至高温后迅速冷却 B.加热至高温后保持一段时间再冷却 C.加热至高温后加压冷却 D.加热至高温后迅速加热至更高温度 答案：B.加热至高温后保持一段时间再冷却 解析：通过加热至高温后保持一段时间再冷却的回火过程可以增加金属材料的