考点1 金属材料的力学性能《金属加工与实训》四川省（对口招生）智能制造类 知识点讲解

四川省智能制造类对口高考复习讲义 《金加工与实训》 考点1 金属材料的力学性能 ■考纲要求 1.了解金属材料的强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等力学性能。 2.理解金属材料工艺性能的概念。 ■知识网络 一、金属材料的力学性能知识树 图3-1-1 金属材料性能的分类知识树 图3-1-2 金属材料的强度与塑性知识树 图3-1-3 金属材料的硬度知识树 图3-1-4 金属材料的韧性知识树 图3-1-5 金属材料的疲劳强度知识树 二、重点知识梳理 （一）金属材料的性能相关术语 金属材料性能相关指标、概念及术语见表3-1-1所示。 表3-1-1 金属材料性能相关概念及术语 序号 名称 概念 1 使用性能 指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能 2 工艺性能 指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能 3 力学性能 （机械性能） 指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力－应变关系的性能 4 内力 物体受外力作用后导致物体内部产生的相互作用的力 5 应力 单位面积上的内力称为应力。单位N/mm2或Mpa 6 应变 由外力引起物体原始尺寸或形状的变化 7 弹性变形 外力去除后，试样变形消失，恢复其原来形状 8 塑性变形 外力去除后，试样不能完全恢复，变形被长期保留下来 9 强度 指金属材料抵抗永久变形和断裂的能力 10 屈服强度 ReH/ReL 指在拉伸试验过程中拉伸力不增加，试样仍然能继续伸长时的应力。单位N/mm2或Mpa 11 规定塑性延伸强度 塑性延伸率等于规定的引申计标距百分率时对应的应力 12 抗拉强度 Rm 指拉伸试样拉断前所承受的最大标称拉应力。单位N/mm2或Mpa 13 塑性 指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 14 断后伸长率 A/A11.3 拉伸试样被拉断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率 15 断面收缩率 Z 拉伸试样被拉断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率 16 硬度 HB/HR/HV 指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力 17 韧性 KV/KU 指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。单位焦耳或J 18 冷脆转变 当温度降至某一数值时，冲击吸收能力急剧下降，金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变 19 疲劳强度 R-1 金属材料在循环应力作用下能经受无限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N无穷大时所对应的最大应力值 （二）强度与塑性 1.强度 （1）屈服强度 屈服强度分为上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）。一般情况下，屈服强度指下屈服强度（ReL）。屈服强度是大多数机械零件选材和设计的依据。 ReL=Fs/So 式中：ReL——下屈服强度，Mpa或N/mm2； Fs——拉伸试样产生屈服现象时的最小拉伸力，N； So——拉伸试样原始横截面面积，mm2。 规定残余伸长应力是指拉伸试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距比值达到规定的百分比时的应力，用符号Rr表示，如Rr0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。 圆面积计算公式如下。 So=πro2=πdo2/4 式中：So——拉伸试样原始横截面面积，mm2； ro——拉伸试样原始半径，mm； do——拉伸试样原始直径，mm。 （2）抗拉强度 抗拉强度是指拉伸试样拉断前承受的最大标称拉应力，用符号Rm表示。 Rm=Fb/So 式中：Rm——抗拉强度，Mpa或N/mm2； Fs——拉伸试样承受的最大拉伸力，N； So——拉伸试样平行长度的原始横截面积，mm2。 Rm是表征金属材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。 2.塑性 金属材料的塑性可以用断后伸长率和断面收缩率评价。 （1）断后伸长率 拉伸试样拉断后的标距伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A或A11.3表示。 A或A11.3=(Lu-Lo)/Lo×100% 式中：A或A11.3——断后伸长率，%； Lu——拉伸试样断后对接的标距长度，mm； Lo——拉伸试样原始标矩长度，mm。 使用短拉伸试样测定的断后伸长率用符号A表示；使用长拉伸试样测定的断后伸长率用符号A11.3表示。 （2）断面收缩率 断面收缩率是指拉伸试样拉断后收缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用符号Z表示。 Z=(So-Su)/S0×100% 式中：Z——断面收缩率，%； So——拉伸试样原始横截面面积，mm2； Su——拉伸试样断口处最小横截面面积，mm2。 塑性好的金属材料容易进行锻压、轧制等成形加工，所以，大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还须有一定的塑性。 拉伸试验方法采用的标准为GB/T228.1-2010与旧标准GB/T228-1987对应的名称和符号见表1-2。 表3-1-2 强度与塑性的名词和符号对照表 GB/T228-2010新标准 GB/T228-1987旧标准 名词 符号 名词 符号 断面收缩率 Z 断面收缩率 断后伸长率 A和A11.3 断后伸长率 δ5和δ10 屈服强度 - 屈服点 σs 上屈服强度 ReH 上屈服点 σsU 下屈服强度 ReL 下屈服点 σsL 规定残余伸长强度 Rr，如Rr0.2 规定残余伸长应力 σr，如σr0.2 抗拉强度 Rm 抗拉强度 σb （三）工艺性能 工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能。就是说金属材料采用加工方法制成成品的难易程度。包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性等。是设计零件、选择材料和编制零件加工工艺流程的重要依据之一，对保证产品质量、降低生产成本、提高生产效率有着重大的作用。 1.铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。合金的铸造性能主要是指合金的流动性、收缩性和偏析倾向等。 液体金属材料充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液体合金的流动性。流动性主要受化学成分、浇注温度以及铸型等因素影响，流动性好的材料容易充满型腔，从而获得外形完整、尺寸精确和轮廓清晰的铸件。 铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。包括液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。液态收缩是金属液由于温度的防止而发生的体积缩减。凝固收缩是金属液凝固阶段的体积缩减。液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，通常称为体收缩。固态收缩是金属在固态下由于温度的防止而发生的体积缩减，固态收缩虽然也导致体积的缩减，但通常用铸件的尺寸缩减量来表示，故称为线收缩。 液态材料凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和比重偏析三类。 2.锻压性能 锻压性是指金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能，称为锻压性或可锻性。锻压性一般与材料的塑性及塑性变形抗力有关。在一般情况下，材料的塑性好，变形抗力小，则锻压性也好。低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢则较次。低合金钢的锻压性近似于中碳钢，高合金钢的锻压性比碳钢差。 3.焊接性能 焊接性是指材料在规定的施焊条件下，焊接成设计要求所规定的构件并满足预定服役要求的能力。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性能受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。焊接性主要包括：使用焊接性、工艺焊接性、冶金焊接性和热焊接性。通常，把材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头处性能变坏的倾向，作为评价材料焊接性能的主要指标。在常用钢材的焊接中，对焊接性影响最大的是碳，故常把钢中碳含量的多少作为判别钢材焊接性的主要标志，含碳量越高，其焊接性越差。一般来说，低碳钢的焊接性能优良，高碳钢的焊接性能较差，铸铁的焊接性能更差。合金元素对焊接性能也将产生一定的影响，所以合金钢的焊接性比非合金钢差。收缩率小的金属焊接性比较好。 4.切削加工性能 切削加工性是指金属材料被刀具切削加工后成为合格工件的难易程度。切削加工性的好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分、力学性能、导热性及加工硬化等诸多因素有关。通常用硬度和韧性做切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。一般有色金属不如黑色金属切削加工性好，铸铁不如钢好。 5.热处理工艺性 热处理工艺性，是金属材料的工艺性能之一。热处理是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却方法，以改变金属或合金的内部组织，而得到所需的性能的一种操作工艺。热处理工艺性就是指金属经过热处理后其组织和性能发生改变的能力，包括淬硬性、淬透性、回火脆性等。淬硬性是以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征。淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布来表征。回火脆性是淬火钢回火后出现韧性下降的现象。 ■真题练习 一、单选题（下列选项中只有一个答案是正确的，每题2分，共20分） 1.下列选项中，属于金属材料工艺性能的是( )。 A.强度 B.硬度 C.疲劳强度 D.切削加工性能 2.常用的塑性判断依据是( )。 A.断后伸长率和断面收缩率 B.塑性和韧性 C.断面收缩率和塑性 D.断后伸长率和塑性 3.拉伸实验中，试样所受的力为( )。 A.冲击力 B.多次冲击 C.交变载荷 D.静态力 4.低碳钢试样在拉伸过程中，当载荷增大到Fs时，载荷保持不变而试样的变形继续增加，这种现象为试样的( )。 A.弹性变形阶段 B.屈服阶段 C.变形强化阶段 D.缩颈与断裂阶段 5.根据GB/T228.1-2021规定，断后伸长率用符号( )表示。 A.σs B.A C.Z D.δs 6.拉伸试验主要用于测定金属材料的强度、塑性等力学性能指标，其测量过程是对试样进行( )。 A.横向拉伸 B.轴向拉伸 C.抗弯 D.压缩 7.在机械制造业中，缩写英文字母“CIMS”表示( )。 A.计算机辅助制造 B.计算机集成制造系统 C.柔性制造单元 D.柔性制造系统 8.下列选项中，属于金属材料化学性能的是( )。 A.导电性 B.抗氧化性 C.导热性 D.硬度 9.洛氏硬度A标尺，是使用120°金刚石圆锥压头，测定材料的硬度值。其现行国家标准GB/T 230.1-2018 规定有效值在( )HRA范围。 A.20～70 B.20～100 C.20～95 D.20～85 10.我国是世界上使用和加工金属材料最早的国家，其中“水与火合为淬”出自( )。 A.西汉《史记·天官书》 B.《汉书·王褒传》 C.明朝《天工开物》 D.《周礼·考工记》 二、多选题（下列选项中有两个以上答案是正确的，每题2分，共20分） 1.下列选项中，属于材料物理性能的是( )。 A.导电性 B.导热性 C.热膨胀性 D.耐腐蚀性 2.下列选项中，是金属力学性能的是( )。 A.强度 B.硬度 C.韧性 D.压力加工性能 3.下列选项中，是金属材料工艺性能的是( )。 A.锻造性能 B.硬度 C.疲劳强度 D.切削加工性能 4.金属零件（产品）的加工过程主要包括( )。 A.设计阶段 B.制造阶段 C.准备阶段 D.使用阶段 5.强度按外力作用形式的不同分为( )。 A.抗断裂强度 B.抗拉强度 C.抗压强度 D.抗弯强度 6.下列公式中，圆面积计算公式正确的是( )。 A.S=πr2 B.S=πd2 C.S=（πd）/4 D.S=（πd2）/4 7.下列选项中，属于黑色金属的是( )。 A.非合金钢 B.滑动轴承合金 C.合金钢 D.铸铁 8.金属材料硬度测定方法主要包括( )。 A.压入法 B.回弹高度法 C.维氏硬度 D.划痕法 9.下列硬度符号中，采用硬质合金球压头测得的是( )。 A.HBS B.HBW C.HRA D.HRBW 10.金属材料疲劳断裂要经过( )阶段。 A.微裂源 B.裂纹扩展区 C.变形强化 D.瞬断区 三、判断题（正确的填“A”，错误的填“B”，每题2分，共30分） 1.( )屈服强度是工程技术上的重要力学性能指标，是机械零件选材和设计的依据。 2.( )硬度是一项综合力学性能指标，从金属表面的局部压痕可以反映金属材料的强度和塑性。 3.( )洛氏硬度试验操作简便，试验测得的硬度值准确性比布氏硬度高。 4.( )重复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。 5.( )金属材料的硬度越高，其耐磨性越好。 6.( )在金属加工的职业规范中，应当具备高度责任感以严谨、细致的工作态度对待工作。 7.( )一般情况下合金的力学性能比纯金属更好。 8.( )韧性高的材料，其冲击韧性必然也高。 9.( )进行硬度试验时，同种材料的洛氏硬度值低于其布氏硬度值。 10.( )低碳钢拉伸实验中，冷作硬化现象发生在屈服阶段。 11.( )一般认为，硬度过高或过低的金属材料，切削加工性能较好。 12.( )同一种材料经过不同类型的冲击试验，测出材料的韧性是不同的。 13.( )了解机械设备性能后，启动设备时，可以直接开机操作以提高生产效率。 14.( )断面收缩率是塑性的重要指标，它的百分率越大，材料的塑性越差。 15.( )随着现代科学技术的发展，金属材料正向着高刚度、高韧性、高屈强比、耐高温和多功能的方向发展。 四、填空题（将最恰当答案填写在横线上，每题2分，共30分） 1.金属材料的 是评定金属材料质量、选材和进行强度计算的依据。 2.强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和 的能力。 3.工业上使用的部分金属材料如高碳钢、铸铁等进行拉伸试验时，没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要规定一个相当于屈服强度的指标，即 强度。 4.金属材料的布氏硬度用字母HB表示，洛氏硬度用字母 表示。 5. 是指在拉伸试验过程中拉伸力不增加的情况下，拉伸试样仍然能继续伸长时的应力。 6.物体受外力作用后导致物体内部产生的相互作用的力称为 。 7.根据国家标准GB/T 229-2020，夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样、 和无缺口试样三种。 8.以铁或以铁为主形成的金属材料称为 。 9.由金属元素或以金属元素为主要材料构成的具有金属特性的工程材料称为 。 10.在拉伸试验过程中，当拉伸力超过屈服拉伸力Fs后，试样抵抗变形的能力会增加，随着变形的增大，试样变形抗力也会逐渐增大的现象为 阶段。 11.其应变的大小、方向都随时间发生周期性变化的应变称为 。 12.金属材料在循环次数N无穷大时所对应的最大应力值称为 。 13.测定某钢的力学性能时，试样的原始直径为10mm，其标距长度是直径的五倍，拉断后的标距长度是63mm，断面处最小直径为8mm。此试样的断口处横截面积S1为 mm2，（π取3.14）。 14.金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为 。 15.一长圆柱形比例试样原始直径d0测得值9.96mm。进行拉伸试验时：当载荷达到16400N时，试样产生屈服现象；当载荷加至25168N时，试样产生颈缩现象，然后断裂。试样拉断后比原始长度增加了23.25mm，断裂处直径d1=6.86mm，此试样的最大抗拉强度Rm为 MPa，（保留小数点后两位，π取3.14）。 考点1 金属材料的力学性能 真题练习答案 一、单选题 1-5：DADBB 6-10：BBBCA 二、多选题 1.ABC 2.ABC 3.AD 4.ABD 5.BCD 6.AD 7.ACD 8.ABD 9.BD 10.ABD 三、判断题 1-5：对对错对对 6-10：对对对对错 11-15：错错错错对 四、填空题 1.力学性能 2.断裂 3.规定塑性延伸 4.HR 5.屈服强度 6.内力 7.U型缺口 8.钢铁材料 9.金属材料 10.变形强化 11.循环应变 12.疲劳强度 13.50.24 14.硬度 15.323.20 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 $