1.4 金属材料的韧性与疲劳现象（课件）-高一《金属加工基础》同步精品课堂（机工版）

《金属加工基础》（机工版） 机械工业出版社 同步精品课程——中职专业课 第1章 金属材料的力学性能 1.4 金属材料的韧性与疲劳现象 知识目标 1.掌握冲击吸收能量与温度之间的关系，理解在不同温度条件下金属材料的冲击吸收能量变化规律。 2.能够掌握提高金属材料疲劳强度的方法，包括优化材料的结构设计等措施。 能力目标 1.能够运用夏比摆锤冲击试验方法，评价金属材料的韧性表现，并解释试验结果的意义和应用。 2.能够评估材料的抗疲劳性能，并提出改善材料疲劳强度的方法，如优化结构设计等。 情感目标 1.激发学生对材料科学的兴趣和好奇心，通过生动的案例和实验，引发他们对金属材料性能的探索欲望。 2.提高学生的分析和解决问题的能力，通过讨论疲劳现象及其影响因素，培养他们面对困难时的坚韧和毅力。 3.培养学生的团队合作意识，鼓励他们在实验和讨论中相互交流、合作，共同探索金属材料韧性与疲劳现象背后的奥秘。 三维目标 导入情景 01 下图所示的是夏比冲击试验 新知学习 02 二、金属材料的韧性 部分零件工作时受到的力是冲击载荷，如锻锤锤杆、钢钎、冲压模具、曲轴、压力机连杆等，这些零件除要求具备足够的强度、塑性、硬度外，还应具有足够的韧性。 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)来量。金属料的吸收能量 K采用 CB/T 229--2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法来测定。 新知学习 02 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。 二、夏比摆锤冲击试样 新知学习 02 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。试验时，将带有缺口的标准试样安置在冲击试验机的机架上，使试样的缺口位于两支座中间，并背向摆锤的冲击方向。将一定质量的摆锤升高到规定高度 H1则摆锤具有势能Akv1(V形缺口试样)或Aku1(U形缺口试样);当摆落下将试样冲断后，摆锤继续向前升高到 B，此时摆的剩余势能是Akv2或Aku2，则冲击试样的吸收能量K就等于摆冲断试样过程中所失去的势能。 二、夏比摆锤冲击试验方法 切削运动分析： 新知学习 02 其计算公式为 V形缺口试样 U形缺口试样 式中 KV2或KU2——用切削刃半径为2mm的摆锤测定的吸收能量 (J) KV8或KU8——用切削刃半径为8mm 的摆测定的吸收能量 (J)。 二、夏比摆锤冲击试验方法 切削运动分析： 新知学习 02 吸收能量 KV2或KV8(KU2或 KU8) 可以从试验机的刻度盘上直接读出，它是表征金属材料韧性的重要指标。显然，吸收能量越大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力越强。 吸收能量K对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。 二、夏比摆锤冲击试验方法 切削运动分析： 新知学习 02 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。 二、冲击吸收能量与温度的关系 切削运动分析： 新知学习 02 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 -20C，因此，在非常寒冷 (低于 -20C) 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。 二、冲击吸收能量与温度的关系 切削运动分析： 新知学习 02 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，其最大值和最小值的绝对值相等，即/=-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)。 二、疲劳现象 切削运动分析： 新知学习 02 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楼。 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。 二、疲劳现象 新知学习 02 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。 疲劳断裂的危害很大，常常会造成严重事故。据统计，大部分零件的损坏是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用金属材料，合理设计机械构件具有重要意义。 二、疲劳现象 新知学习 02 金属材料所受循环应力与循环次数N之间的关系，可用曲线表示，如图1-14 所示。由图可见，当金属材料所受循环应力低于某一数值时，曲线与横坐标几乎平行，表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。由于零件不可能承受无限次循环应力的作用，因此在工程实践中一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数 N。下的中值疲劳强度。钢铁材料的循环基数 N =10，非铁金属的循环基数 N=10。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 o_表示;如果金属构件所受应力是脉动循环应力。 二、疲劳强度 新知学习 02 研究表明，疲劳断裂一般是由金属材料内部的气孔、疏松、夹杂、表面划痕、缺口、应力集中等引起的。因此，改善金属材料的内部组织，减小应力集中，减小零件表面粗糙度值等，可提高零件的疲劳强度。 例如，对零件表面进行表面强化(如喷丸、滚压、内1孔挤压、表面淬火、表面化学热处理等) 可改变零件表层的残留应力分布状态，从而提高零件的疲劳强度。 二、实践经验 小试牛刀 题目 1： 金属材料的韧性指的是其在何种条件下抵抗破坏的能力？ A. 压缩力下的破坏 B. 拉伸力下的破坏 C. 冲击力下的破坏 D. 扭转力下的破坏 正确答案：C。韧性是指材料在受到冲击或撞击时的抗破坏能力。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 2： 下列何种方法可以评价金属材料的韧性？ A. 夏比摆锤冲击试验 B. 拉伸试验 C. 压缩试验 D. 弯曲试验 正确答案：A。夏比摆锤冲击试验是评价金属材料韧性的一种常用方法。 尝试解答下面习题 单相变压器的基本结构包括以下哪些部分？ A. 铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘材料 B. 铁芯、次级绕组、初级绕组、绝缘材料 C. 铁芯、绝缘材料、初级绕组、次级绕组 D. 初级绕组、次级绕组、铁芯、绝缘材料 解析：正确答案是A。单相变压器的基本结构包括铁芯、初级绕组、次级绕组和绝缘材料等组成部分，它们共同实现电能的变压和传输。 小试牛刀 题目 3： 夏比摆锤冲击试验用于评价材料的哪个性质？ A. 弹性模量 B. 屈服强度 C. 韧性 D. 硬度 正确答案：C。夏比摆锤冲击试验是评价材料韧性的一种试验方法。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 4： 在夏比摆锤冲击试验中，试样的形状通常为？ A. 圆形 B. 方形 C. 梯形 D. V形 正确答案：D。夏比摆锤冲击试验的试样形状通常为V形。 尝试解答下面习题 题目 5： 夏比摆锤冲击试验中，试样受冲击时的速度是？ A. 固定的 B. 可调节的 C. 随机的 D. 不确定的 正确答案：A。夏比摆锤冲击试验中，试样受冲击时的速度是固定的。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 6： 冲击吸收能量与温度之间的关系通常表现为？ A. 随温度升高而增加 B. 随温度升高而减少 C. 与温度无关 D. 与温度呈周期性变化 正确答案：B。一般情况下，随着温度的升高，材料的冲击吸收能量会减少。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 7： 金属材料的疲劳现象是指？ A. 长时间受压力作用而变形 B. 在应力循环下引起的裂纹和断裂 C. 受到高温影响而失去韧性 D. 长时间受到震动作用而断裂 正确答案：B。金属材料的疲劳现象是在应力循环作用下引起的裂纹和断裂现象。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 8： 疲劳强度是指？ A. 材料在长时间受压力作用下的强度 B. 材料在应力循环下的抗疲劳性能 C. 材料在高温下的抗拉伸性能 D. 材料在震动作用下的变形能力 正确答案：B。疲劳强度是指材料在应力循环下的抗疲劳性能。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 9： 疲劳断裂的特点是？ A. 断口平整 B. 断口有明显的沟纹 C. 断口呈韧窝状 D. 断口呈金属光泽 正确答案：B。疲劳断裂的特点是断口有明显的沟纹。 小试牛刀 尝试解答下面习题 课堂小结 03 今天我们学习了金属材料的韧性与疲劳现象。 首先，我们介绍了夏比摆锤冲击试验，这是评价金属材料韧性的常用方法，通过观察材料在受冲击载荷下的行为来评估其韧性表现。在试验中，我们了解了冲击吸收能量与温度的关系，通常随着温度升高，材料的冲击吸收能量会减少。 接着，我们深入探讨了疲劳现象。疲劳现象是指在应力循环下引起的裂纹和断裂，其特点是断口有明显的沟纹。我们还学习了疲劳强度的概念，即材料在应力循环下的抗疲劳性能。为了提高金属材料的疲劳强度，我们需要优化材料的结构设计等方法。 通过今天的学习，我们对金属材料的韧性与疲劳现象有了更深入的了解，这些知识对于我们设计和选择材料具有重要意义。在今后的学习和工作中，我们将继续探索材料科学领域，不断提升自己的专业能力。 作业布置 04 1. 研究冲击吸收能量与温度的关系，尝试寻找实际应用中的案例，并分析不同温度条件下金属材料的冲击性能变化规律。 2. 选择一个金属材料，了解其常见的夏比摆锤冲击试样，包括样品的几何形状和尺寸。 3.查阅资料了解不同金属材料的疲劳强度指标，比较不同材料的抗疲劳性能，并讨论影响疲劳强度的因素。 感谢观看 $$