第4讲 金属材料的韧性与疲劳强度（教案）《金属加工与实训—基础常识与技能训练》同步精品课堂（高教版）

《金属加工与实训》学科教学设计（教案） 授课课题 韧性与疲劳强度（第4讲） 授课教师 XXXX 授课年级 职高二年级 授课学时 2学时 授课学期 职高二年级 第一学期 教材分析 《金属加工与实训》选自高等教育出版社，王英杰主编，为中等职业教育课程改革国家规划新教材。最新版教材使知识与技能通俗化、职业化和科普化；突出实践性，贴近生产过程，突出典型案例介绍，使学生初步建立感性认识，为后续相关课程的学习奠定基础。 学情分析 学生为职高二年级，经过一定时间的学习，对本专业的基础知识已经有一定的认识了，对新鲜事物的追求和学习能力很强，需要在本阶段抓住其好奇心和积极学习的心理。采用多练习、少讲授，多训练、少演示的方法提高对课程学习的兴趣。 教学目标 思政目标 1.熟悉安全生产、文明生产的有关知识，做到安全文明生产。 2.培养吃苦耐劳的精神品质，树立大国工匠精神。 知识目标 1.了解金属材料韧性与疲劳强度的作用。 2.了解夏比摆锤冲击试验的方法与原理。 3.了解温度对金属材料韧性的影响。 4.掌握常用提高金属材料疲劳强度的方法。 技能目标 1.通过学习知道传输塔架、铁桥、工程结构件等在风雪交加的寒冷天气中容易损坏。 2.能利用掌握的知识对日常生活现象如疲劳现象进行分析与思考。 教学重点 1.了解温度对金属材料韧性的影响。 2.掌握常用提高金属材料疲劳强度的方法。 教学难点 1.通过学习知道传输塔架、铁桥、工程结构件等在风雪交加的寒冷天气中容易损坏。 2.能利用掌握的知识对日常生活现象如疲劳现象进行分析与思考。 教法 教授法+演示法 学法 练习法+训练法 教具（教学手段） 教学视频、多媒体教学课件 教学过程（教学活动设计） 教学环节 教学内容 设计意图 课前准备 对教材进行深入研究，提前备好课，准备好教学用课件及电子教案、图片、视频资源等。 提前知晓本次课的任务 新课导入 通过复习及简短的教学视频或图片引入本次课。 提高学习兴趣 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 第三节 金属材料的韧性 韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量，而测定金属材料的吸收能量，通常采用夏比摆锤冲击试验方法来测定。 一、夏比摆锤冲击试样 夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种。 在试样上开缺口的目的是：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生破断，以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。 同一种金属材料的试样缺口愈深、愈尖锐，吸收能量愈小，金属材料表现脆性愈显著。 二、夏比摆锤冲击试验方法 夏比摆锤冲击试验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。 KV2或KU2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。 吸收能量大，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。 三、温度对吸收能量的影响 吸收能量对温度非常敏感，随着试验温度的降低，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，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，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。 图1-8 吸收能量—温度曲线 韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。 在选择金属材料时，应考虑其服役条件的最低温度必须高于金属材料的韧脆转变温度。 第四节 金属材料的疲劳强度 一、疲劳现象 循环应力和循环应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。 机械零件在循环载荷（或循环应力、循环应变）作用下，而且工作时所承受的应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或规定残余伸长应力，经过一定工作时间后发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。 疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，疲劳断裂具有很大的危险性，常造成严重事故。 研究表明：疲劳断裂首先是在零件的应力集中区域产生，先形成微小的裂纹核心（裂纹源）。随后在循环应力作用下，裂纹继续扩展和长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，造成零件实际承载区的应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。 二、疲劳强度 金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属材料的疲劳强度。即循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。 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下的中值疲劳强度。 对于钢铁材料其循环基数N=107，对于非铁金属其循环基数N=108。对于对称循环应力，其疲劳强度用σ-1表示。 图1-10 对称循环应力 图1-11 疲劳断口示意图 影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表面粗糙度，可减少缺口效应，从而提高零件的疲劳强度。例如，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-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，从而使零件的疲劳强度提高。 韧性的概念 夏比摆锤冲击试验 温度对韧性的影响 疲劳现象 疲劳强度 影响疲劳强度的因素 课堂总结 通过学习能够归纳出布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度鸽子的测试方法，特点及应用范围？ 复习与巩固 作业布置 1.一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨？ 课堂考核 课堂纪律+课堂练习+课后检测 板书设计 采用多媒体课件，大大提高教学效果，在板书方面采用条款式进行板书，再例题讲解时重点板书。 教学后记（反思） 本节主要介绍金属材料的力学性能指标的分类、含义、使用范围等内容。在学习之后，要注意以下几个方面：第一，要准确理解有关名词的定义和范围；第二，要学会利用掌握的知识对日常生活中的现象进行分析和思考，试一试能否用学到的理论知识对遇到的实际问题或现象进行科学地解释。例如，零件的疲劳断裂，在日常生活和工作中将会经常地遇到，如果我们能够细心地观察和分析日常生活和工作中的疲劳现象，做到理论联系实际，就一定会加强对疲劳现象的认识和理解；第三，为了巩固所学的知识，要学会对所学的知识进行分类、归纳和整理，提高学习效率。 ( - 28 - ) 学科网（北京）股份有限公司 $$