《金属加工基础》金属材料的力学性能（3）（举一反三考点练）讲义

举一反三考点练 《金属加工基础》金属材料的力学性能（3）-讲义 1. 了解并掌握金属材料的韧度 2. 了解并掌握金属材料的疲劳强度 3. 了解并掌握塑性材料与脆性材料的特点 知识点一 韧度 1.定义：韧度是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，其大小通常采用吸收能量K(单位焦耳)指标来衡量。韧度指标可以通过夏比摆锤冲击试验法测得。 2.韧度的测定方法：金属材料吸收能量用夏比摆锤冲击试验（GB/T229 - 2007）测定。试验在摆锤式冲击试验机上进行，按规定几何形状缺口的试样置于支座间，缺口朝后，摆锤升到规定高度具势能，冲断试样后继续升高有剩余势能，失去势能即试样吸收能量K 。则摆锤冲断试样过程中所失去的势能就等于冲击试样吸收的能量K，计算公式为： V形缺口试样：KV2或KV8=EPV1-EPV2；U形缺口试样：KU2或KU8=EPU1-EPU2 KV2或KV8表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KU2或KU8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。金属材料的吸收能量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，吸收能量愈大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。吸收能量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。 3.冷脆转变：吸收能量随温度降低而降低，降至某值时急剧下降，金属材料由韧性变为脆性断裂，称冷脆转变。冲击试验中，吸收能量或断口性急剧变化的温度区域为脆转变温度，它是衡量冷脆倾向的指标，温度愈低，低温抗冲击性愈好。 1.（多项选择题）韧度是金属材料在断裂前所具备的重要性质，以下哪些选项正确地描述了韧度的含义？（ ） A. 韧度是金属材料在断裂前吸收冲击能量的能力。 B. 韧度仅与金属材料的硬度有关，硬度越高，韧度越大。 C. 韧度高的金属材料在受到外力作用时更不容易断裂。 D. 韧度是衡量金属材料抗疲劳性能的主要指标。 【答案】A C 【解析】B选项错误，因为韧度不仅与硬度有关，还与金属材料的微观组织、化学成分等多种因素有关；D选项错误，因为抗疲劳性能与韧度相关，但韧度不是衡量抗疲劳性能的唯一指标。 1.（填空题）韧度的常用衡量指标为________。 【答案】吸收能量K 【解析】吸收能量K是衡量金属材料韧度的主要指标。 2.（填空题）冲击韧性通常通过________试验测定，其单位为________。 【答案】夏比锤击冲击，J/cm² 【解析】夏比锤击冲击试验是测定冲击韧性的常用方法，单位为焦耳每平方厘米（J/cm²）。 3.（填空题）断裂韧性是材料抵抗________扩展的能力，通常用符号________表示。 【答案】裂纹，KIC 【解析】断裂韧性（KIC）表示材料抵抗裂纹扩展的能力。 1.（填空题）韧度与强度通常是________关系，即强度越高，韧度________。 【答案】反比，越低 【解析】金属材料的韧度和强度通常呈反比关系，强度越高，韧度越低。 2.（填空题）韧度受温度影响较大，随着温度降低，金属材料的韧度________。 【答案】降低 【解析】温度降低会使金属材料的韧度显著下降，甚至发生脆性断裂。 3.（判断题）韧度是金属材料抵抗断裂的能力，与塑性变形无关。（ ） 【答案】错误 【解析】韧度不仅与断裂有关，还与塑性变形密切相关。 · 韧度定义：韧度是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，其大小通常采用吸收能量K(单位焦耳)指标来衡量。 · 韧度可由夏比摆锤冲击实验法测得。 · 吸收能量对温度非常敏感，其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，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。 知识点二 金属材料的疲劳强度 1.金属材料的疲劳强度：疲劳强度是指金属材料在循坏应力作用下能经受无限多次循坏而不断裂的最大应力值。钢铁材料的循环次数选107，有色金属选108。 2.疲劳断裂：金属疲劳指材料在低于屈服极限的交变负荷下长时间工作后发生的断裂。疲劳破坏具有突发性、局部性及对环境和缺陷的敏感性，常不易及时发现且易造成事故。应力幅值、平均应力和循环次数是主要影响因素。 3.提高材料疲劳极限的方法：因疲劳是机械零件损坏主因，消除或减少疲劳失效对延长零件寿命重要。影响疲劳强度因素多，设计时要避免应力集中，还可改善表面粗糙度与残余应力状态、减小缺口效应来提高疲劳强度。如高频淬火、表面形变强化、化学热处理及表面复合强化工艺等可改变表层残余应力状态以提高疲劳强度。 1.（多项选择题）关于金属在交变应力作用下的断裂现象，以下哪些说法是正确的？（ ） A. 金属在交变应力作用下，经过一定的循环次数后发生断裂的现象称为疲劳断裂。 B. 疲劳断裂通常发生在金属材料的表面缺陷处，如裂纹、夹杂物等。 C. 疲劳断裂的循环次数越多，说明金属材料的疲劳强度越高。 D. 疲劳断裂是金属材料在静载荷作用下的一种常见失效形式。 【答案】A B 【解析】C选项错误，因为疲劳断裂的循环次数越多，并不意味着金属材料的疲劳强度越高，反而可能说明其疲劳性能较差；D选项错误，因为疲劳断裂是金属材料在交变应力作用下的一种失效形式，而非静载荷作用。 1.(填空题)：材料的疲劳强度是指在规定的循环次数下，材料不发生______的最大应力。 【答案】疲劳破坏 【解析】疲劳强度是描述材料在特定循环次数下抵抗疲劳破坏的最大应力。 2.(填空题)：金属材料的疲劳裂纹通常起源于材料的______或缺陷处。 【答案】表面 【解析】金属材料的疲劳裂纹往往起源于表面或内部的缺陷处，特别是应力集中区域。 3.(填空题)：提高金属材料的疲劳强度，通常采用的表面强化方法有喷丸、______等。 【答案】渗碳淬火 【解析】喷丸和渗碳淬火都是常用的表面强化方法，可以提高金属材料的疲劳强度。 1.(填空题)：在疲劳试验中，常用的应力比R定义为______与最大应力的比值。 【答案】最小应力 【解析】应力比R是描述疲劳试验中最小应力与最大应力之间关系的参数。 2.(填空题)：金属材料的疲劳寿命是指材料在交变应力作用下从受力开始到发生______的循环次数。 【答案】断裂 【解析】疲劳寿命是描述金属材料在交变应力作用下抵抗疲劳破坏的能力的一个重要指标。 3.(判断题)：金属材料的疲劳强度与其抗拉强度成正比。（ ） 【答案】错误 【解析】虽然抗拉强度与疲劳强度有一定的相关性，但它们之间并不是简单的正比关系。 · 金属材料的疲劳强度：疲劳强度是指金属材料在循坏应力作用下能经受无限多次循坏而不断裂的最大应力值。钢铁材料的循环次数选107，有色金属选108。 · 金属材料承受交变负荷时，虽然这时承受的应力值低于材料的屈服极限，但当较长时间工作后仍会发生断裂的现象叫做金属的疲劳。由于金属疲劳引起的断裂称为疲劳断裂。 · 提高材料疲劳极限的方法：采用高频淬火、表面形变强化(喷丸、滚压、内孔挤压等)、化学热处理(渗碳、渗氮、碳一氮共渗)以及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表层的残余应力状态，从而提高零件的疲劳强度。 知识点三 塑性材料与脆性材料 1.基本概念：工程上常将延伸率>5%的材料称为塑性材料，而将延伸率<5%的材料称为脆性材料。对于塑性材料，其抗拉与抗压强度基本相等；对于脆性材料，其抗拉强度一般小于其抗压强度。塑性材料失效一般用屈服强度衡量，而脆性材料失效一般用抗拉强度衡量。 2.塑性材料和脆性材料在力学性能上的主要差异 2.1塑性材料在断裂前的变形较大，塑性指标(断面收缩率和伸长率)较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且一般地说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。塑性材料抗拉强度通常比脆性材料的抗拉强度高，故塑性材料一般用来制成受拉杆件。 2.2脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而其抗拉强度远低于抗压强度，所以常用来制成受压构件。 2.3材料是塑性的还是脆性的，并非一成不变，它将随材料所处的温度、应变率和应力状态等条件的变化而不同。 1.(多项选择题)关于塑性材料在受到外力作用时的表现，以下哪些说法是正确的？（ ） A. 塑性材料在受到外力作用时，能够发生显著的塑性变形而不立即断裂。 B. 塑性变形是金属材料在弹性变形之后发生的一种不可逆变形。 C. 塑性材料的断裂韧性通常较低，容易发生脆性断裂。 D. 塑性变形有助于提高金属材料的抗疲劳性能。 【答案】A B D 【解析】C选项错误，因为塑性材料的断裂韧性通常较高，能够吸收更多的能量而不发生脆性断裂。 1.(填空题)脆性材料在受到外力作用时，往往在没有明显塑性变形的情况下就发生______。 【答案】断裂 【解析】脆性材料的特点是在受力时容易发生突然的断裂，且断裂前塑性变形很小或几乎没有。 2.(填空题)材料的塑性变形能力与其内部的______密切相关。 【答案】微观组织结构 【解析】材料的塑性变形能力与其内部的微观组织结构（如晶粒大小、相组成等）密切相关。 3.(填空题)在拉伸试验中，塑性材料的断裂通常发生在______阶段。 【答案】颈缩 【解析】在拉伸试验中，塑性材料在经历弹性阶段、屈服阶段后，通常会在颈缩阶段发生断裂。 1.(填空题)脆性材料的断裂韧性通常比塑性材料______。 【答案】差 【解析】脆性材料由于容易发生突然的断裂，因此其断裂韧性通常比塑性材料差。 2.(填空题)在低温环境下，许多材料的塑性会______，脆性会______。 【答案】减弱；增强 【解析】在低温环境下，许多材料的塑性会减弱，脆性会增强，因此更容易发生脆性断裂。 3.(判断题)塑性材料在受到外力作用时，一定会发生显著的塑性变形。（ ） 【答案】错误 【解析】虽然塑性材料具有发生塑性变形的特性，但在某些极端条件下（如高速冲击、高温等），也可能发生脆性断裂。 · 工程上常将延伸率>5%的材料称为塑性材料，而将延伸率<5%的材料称为脆性材料。 · 塑性材料和脆性材料在力学性能上的主要差异： 1.塑性材料在断裂前的变形较大，塑性指标(断面收缩率和伸长率)较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限。 2.脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限。 3.材料是塑性的还是脆性的，并非一成不变，它将随材料所处的温度、应变率和应力状态等条件的变化而不同。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$