专题二 金属材料的硬度、韧性及疲劳现象（教案）-山东省职教高考《金属加工基础》（机工版）专题复习讲练测

专题二. 金属材料的硬度、韧性及疲劳现象（教案）-《金属加工基础》机工版-专题复习讲练测 [考纲要求] 1. 理解金属材料硬度的概念和各种硬度测试方法的原理。 2. 掌握金属材料韧性的定义、夏比摆锤冲击试样及实验方法。 3. 理解金属材料韧性与冲击吸收能量、温度的关系。 4. 了解金属材料疲劳现象的特点和疲劳强度计算方法。 5. 掌握金属材料硬度、韧性和疲劳现象在工程材料设计中的应用。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 1.洛氏硬度 目前，金属材料洛氏硬度试验方法执行GB/T230.1—2009标准。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(萍火钢球或硬质合金球)压入试样表面，根据试样残余压痕深度的增量来衡量试样硬度的大小，如图1-8所示。残余压痕深度h的增量越小，金属材料的硬度越高。洛氏硬度计采用不同的压头和载荷，并对应不同的硬度标尺，每种标尺由一个专用字母表示，标注在符号“HR”后面，如HRA、HRB、HRC等(表1-2)不同标尺的洛氏硬度值之间没有直接的换算关系。测定的硬度数值写在符号“HR”的前面，符号“HR”后面写使用的标尺，如4SHRC 表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为45。 2.冲击吸收能量与温度的关系 冲击吸收能量对温度非常敏感。有些金属材料在室温时可能并不显示脆性，但在较低温度下，则可能发生脆断。如图1-11所示，在进行不同温度的一系列冲击试验时，随试验温度的降低，冲击吸收能量总的变化趋势是随着温度的降低而降低。当温度降至某一数值时，冲击吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度区。金属材料的韧脆转变温度越低，说明金属材料的低温抗冲击性越好。非合金钢的韧脆转变温度约为-20℃，因此，在非常寒冷（低于-20℃)的地区使用非合金钢构件（如钢轨、车辆、桥梁、输运管道、电力铁塔等）时，其易发生脆断现象。所以，选用金属材料时，一定要考虑金属材料使用条件的最低温度必须高于金属材料的韧脆转变温度。 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)。 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。 [真题练讲] 1.(2018年山东省统一考试) 什么是疲劳极限？ A. 材料在循环载荷下发生疲劳破坏的最低应力水平 B. 材料在持续加载下的最高应力水平 C. 材料发生静态断裂的应力水平 D. 不同材料之间的硬度比较值 答案：A. 材料在循环载荷下发生疲劳破坏的最低应力水平 解析：疲劳极限是指材料在循环载荷下发生疲劳破坏的最低应力水平。 2.(2018年江苏省统一考试) 什么是疲劳寿命？ A. 材料在静态载荷下的最长使用寿命 B. 材料在循环载荷下的最长使用寿命 C. 材料在高温条件下的最长使用寿命 D. 材料在低温条件下的最长使用寿命 答案：B. 材料在循环载荷下的最长使用寿命 解析：疲劳寿命是指材料在循环载荷下的最长使用寿命。 3.(2019年山东省统一考试) 为什么疲劳裂纹会在材料中逐渐扩展？ A. 因为压力作用下材料分子结构发生变化 B. 因为材料表面受到化学侵蚀 C. 因为疲劳载荷使材料表面强度减小 D. 因为疲劳载荷引起裂纹尖端的应力集中 答案：D. 因为疲劳载荷引起裂纹尖端的应力集中 解析：疲劳载荷会引起裂纹尖端的应力集中，导致裂纹逐渐扩展。 4.(2021年山东省统一考试) 材料的屈服点是指材料开始？ A. 塑