考点1 金属材料的力学性能 《金属加工基础》 山东省（春季高考）机械制造类 知识讲解

山东省（春季高考）机电技术类 金属加工 复习讲义 1—1 金属材料的力学性能 【考纲要求】 （1）了解静力学基本公理和推论。 （2）理解金属材料的强度、塑性、硬度、韧性等概念，了解金属材料疲劳断裂现象及提高材料疲劳极限的方法。 （3）了解对金属材料的强度、塑性、硬度、韧性等进行试验测试的方法。 （4）了解塑性材料与脆性材料在力学性能上的差异。 【知识和技能要点】 考点1 金属材料的性能 1.分类 (1)金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 (2)使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能(或机械性能)等。 2.概念 (1)金属材料的使用性能：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，即在 使用过程中所表现出来的性能。 ①金属材料的物理性能是指金属固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和 磁性等。 ②金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现出来的性能。包括耐腐蚀性、抗氧化 性和化学稳定性等。 ③金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能，它主要包括强度、 塑性、硬度、冲击性和疲劳强度，金属材料的力学性能是评定金属材料质量的主要依据，也是金 属构件设计时选材和进行强度计算的主要依据。 (2) 金属材料的工艺性能：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(即金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下所表现出的性 能)。工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。 考点2 拉 伸 实 验 1.定义 拉伸实验是指用静(缓慢)拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量来测定试 样强度、塑性等力学性能的实验。 2.试样 通常采用圆柱形比例拉伸试样。圆柱形比例拉伸试样分为短圆柱形比例拉伸试样和长圆 柱形比例拉伸试样两种。 3.实验过程 试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。 在弹性变形阶段，F。是试样保持弹性变形的最大拉伸力。 在屈服阶段，Fm 称为屈服拉伸力，对应屈服强度。 在缩颈与断裂阶段，Fm 称为极限拉伸力，对应抗拉强度。 考点3 强 度 (1)定义：金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。 (2)衡量强度高低的指标是屈服强度(ReL) 和抗拉强度(Rm)。 (3)屈服强度：指在拉伸试验过程中拉力(或载荷)不增加(保持恒定)的情况下，拉伸试样仍 然能继续伸长(变形)时的应力。屈服强度分为上屈服强度(RH) 和下屈服强度(ReL), 一般情况 下，屈服强度为下屈服强度。 (4)抗拉强度：指拉伸试样拉断前所承受的最大标称拉应力，用Rm 表示。 考点4 塑 性 (1)定义：指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 (2)衡量塑性好坏的指标是断后伸长率A 或A11.3和断面收缩率Z。 (3)断后伸长率：指拉伸试样进行拉伸试验被拉断后的标距伸长量与原始标距之比的百分 率，用A 或A11.3表示。 (4)断面收缩率：指拉伸试样进行拉伸试验拉断处横截面积的最大缩减量与原始横截面积 之比的百分率，用Z 表示。 考点5 硬度 (1)定义：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。 (2)硬度是一项综合力学性能指标。因此，在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。 (3)硬度对于机械零件的耐磨性有直接影响，金属材料的硬度值越高，其耐磨性亦越高。 (4)硬度测定方法：硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法的应用最为 普遍。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常将硬度分为布氏硬度(HBW) 、洛氏硬度 (HRA 、HRB 、HRC) 和维氏硬度(HV) 三种。 (5)布氏硬度(HBW)。 ①布氏硬度的试验原理：用一定直径的硬质合金球，以匹配的试验力压入试样表面，保持规 定的时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径 d, 然后根据压痕直径 d 计算其硬度值的方 法。用符号 HBW 表示。标准规定的布氏硬度值试验范围上限为650。 ②布氏硬度的标注方法：将测定的硬度值标注在符号 HBW 的前面。除了保持时间为10~ 15 s的试验条件外，在其他条件下测得的硬度值，均应在符号 HBW 的后面。例如，150HBW10/ 1000/30表示用压头直径为10 mm 的硬质合金球，在1000 kgf 试验力作用下，保持30 s 时测得 的布氏硬度值为150。 ③布氏硬度试验的特点及适用范围：试验时金属材料表面压痕大，能在较大范围内反映被 测金属材料的平均硬度，测得的硬度值比较准确，数据稳定。但由于压痕较大，对金属表面的损 伤较大，不宜测定太小或太薄的试样。布氏硬度试验主要用于测定原材料的硬度，如铸铁、非铁 金属、经退火处理或正火处理的金属材料及其半成品。 (6)洛氏硬度(HR)。 ①洛氏硬度的试验原理：将锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875 mm 的球(淬火钢 球或硬质合金球)分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验 力下的残余压痕深度，洛氏硬度试验就是用残余压痕深度来计算金属材料的硬度值，实际测量 时可通过试验机的表盘直接读取被测金属材料的硬度值。洛氏硬度按选用的总试验力及压头 类型的不同，常用A、B、C三种标尺。 ②洛氏硬度的标注方法：洛氏硬度数值写在符号 HR 的前面，HR 后面写使用的标尺，如 50HRC 表示用“C” 标尺测定的洛氏硬度值为50。 ③洛氏硬度试验的特点及适用范围：硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验 成品或半成品零件的硬度，尤其是经过淬火处理的零件，常采用洛氏硬度计进行测量。另外，试 验操作简便，可直接从试验机上读取硬度值。但是，由于压痕小，硬度值的准确性不如布氏硬度 高，数据重复性差。因此，在测量时要选取不同位置的三点测出硬度值，将三点硬度的平均值作 为被测金属材料的洛氏硬度值。 (7)维氏硬度(HV)。 ①维氏硬度的试验原理：将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头，在规定试验 力 F 作用下，压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，用测微仪器测出压痕的对角线长度， 算出两对角线长度d₁ 和 d₂ 的算术平均值 d 后，查国家标准即可得出维氏硬度值。 ②维氏硬度的标注方法：维氏硬度的测量范围为5～1000。硬度数值写在符号 HV 的前面， 试验条件写在符号 HV 的后面，如640HV30 表示用294.2 N 试验力，保持10～15 s 时测得的维 氏硬度值为640;又如640HV30/20 表示用294.2 N 试验力，保持20 s 时测得的维氏硬度值 为640。 ③维氏硬度试验的特点及适用范围：维氏硬度试验适用范围广，从很软的材料到很硬的材 料都可以测量，尤其适用于零件表面层硬度的测试，如化学热处理的渗层硬度测量，其测量结果 精确可靠。但维氏硬度测量时，步骤较多，对试样表面的质量要求高，测量效率较低。因此，维氏硬度没有洛氏硬度使用方便。 考点6 韧性 (1)定义：韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。(2)其大小通常采用吸收能量 K(单位焦耳)来衡量。 (3)韧性指标可以通过夏比摆锤冲击试验法测得。试验试样有 V 形缺口和 U 形缺口两种。 采用的摆锤刀刃半径有2 mm 和8 mm 两种。所以测定的吸收能量有 KV₂ 或 KV₈(KU₂ 或 KU₈)。 (4)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越低，说明 金属材料的低温抗冲击性越好。 考点6 疲劳强度 (1)定义：疲劳强度是指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 应力值称为疲劳强度。 (2)提高材料疲劳强度的方法：①在结构上注意避免零件应力集中。②改善零件表面粗糙 度值和表面残余应力状态，减小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。 【练习题】 一、单项选择题 1．金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力称为 ( )。 A.强度 B.塑性 C.硬度 D.韧性 2.Rm表示试样所能承受的最大拉应力( )。 A.拉断前 B.拉断后 C.屈服时 D.变形时 3．金属的( )越好，则它的锻造性能就越好。 A.强度 B.塑性 C.硬度 D.韧性 4．一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为下列哪项力学性能值不足。( ) A. ReL B. AKV C.A D.Z 5．材料A的硬度为380HBS，材料B的硬度为43HRC,A的硬度比B( )。 A.硬 B.软 C.相近 D.不能比较 6．高速钢车刀应采用( )硬度试验法测定硬度。 A. HBS B. HRC C. HRA D.HV 7．现有标准圆形截面长试样A和短试样B，经拉伸试验测得δ10、δ5均为25%，表明试样A的塑性比试样B ( )。 A.好 B.相同 C.差 D.无法比较 8．在有关零件的图纸上，出现以下几种硬度技术条件的标注方法，其中正确的标注是 ( )。 A. 600~650 HBS B. HBW=200~250kgf/m㎡ C. 45~50 HRC D. 70~75 HRC 9．冲击吸收功AK与温度有关，AK随温度降低而 ( )。 A.升高 B.不变 C.减小 D.先升高，后降低 10．适于测试硬质合金、表面淬火刚及薄片金属的硬度的测试方法是( )。 A.布氏硬度 B.洛氏硬度 C.维氏硬度 D.莫氏硬度 11.(2012年高考）金属材料抵抗永久变形和断裂的能力称为( )。 A.塑性 B.韧性 C.硬度 D.强度 12.(2013年高考）下列零件可用布氏硬度HBW来测定硬度值的是( )。 A.淬火轴 B.硬质合金刀片 C.铸铁底座 D.渗碳淬火齿轮 13.(2014年高考）在拉伸试验中，拉伸试样拉断前所能承受的最大标称应力是( )。 A.屈服强度 B.抗拉强度 C.抗压强度 D.弯曲强度 14.(2015年高考）钢丝绳在吊起重物时发生断裂，则说明钢丝绳的那项力学性能不够( )。 A.韧性 B.塑性 C.强度 D.硬度 15.(2016年高考）某金属的耐磨性好，说明该金属的力学性能较好 ( )。 A.强度 B.塑性 C.硬度 D.韧性 16.(2017年高考）压入法检验成品或半成品的零件硬度，应采用的测定方法是( )。 A.维氏硬度 B.洛氏硬度 C.布氏硬度 D.莫氏硬度 17.(2018年高考）低碳钢棒料拉伸试验过程中，最大拉伸力出现在 ( )。 A.弹性变形 B.屈服阶段 C.冷变形强化阶段D.缩颈与断裂阶段 18.(2019年高考）下列符号中，用来表示塑性力学性能指标的是( )。 A. RcL B.K C. Z D. Rm 19.物体间相互作用的关系不包括( )。 A.大小相等 B.方向相反 C.沿同一条直线 D.作用于同一物体 20.下列不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 21.在洛氏硬度中，使用最为普遍的为C标尺，它常用作压头( )。 A.淬火钢球 B.金刚石圆锥体 C.金刚石正四棱锥体 D.硬质合金球 22.某金属试样标有“640HV30/20”的字样，则下列说法正确的是( )。 A．维氏硬度值为640 B．用30N的试验力 C．试验保持20分钟 D．布氏硬度值为640 23.方法提高金属材料的疲劳强度( )。 A.高频淬火 B.回火处理 C.振动时效 D.三种方法均可 24.塑性材料与脆性材料在力学性能上的主要区别说法错误的是 ( )。 A.塑性材料有屈服现象，而脆性材料没有 B.塑性材料的延伸率和截面收缩率都比脆性材料大 C.脆性材料的压缩强度极限远远大于拉伸 D.塑性材料的拉伸强度极限远远大于压缩 二、简答题 1．什么是金属材料的力学性能？金属的力学性能主要有哪些？它们常用的指标是什么？ 2．常用的硬度试验方法有哪几种？测定原材料常用什么硬度试验？测定淬火钢常用什么硬度试验？ 3．机械零件在交变应力作用下，失效形式是什么？与哪些因素有关？ 4．泰坦尼克号邮轮选择了很厚的钢板来建造，但撞击冰山后，导致沉没，试分析是哪项力学性能不足导致的。 【答案】 一、单项选择题 1. A 2. A 3. B 4．A 5. B 6. C 7. C 8.C 9. C 10. B 11. D 12. C 13. B 14. C 15. C 16. B 17. C 18. C 19.D 20. D 21.B 22.A 23.D 24.D 二、简答题 1．力学性能是指金属材料在力的作用下所显示出的与弹性或非弹性反应相关或涉及应力一应变关系的性能，也叫机械性能。强度（屈服强度和抗拉强度）、塑形（断后伸长率和断面收缩率）、硬度（布氏硬度洛氏硬度）、韧性和疲劳强度 2．常用硬度的测试方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。测定原材料硬度时常采用布氏硬度试验。测定淬火钢是长采用洛氏硬度试验。 3．机械零件在交变应力作用下的失效形式为疲劳损坏，与金属材料的外形、表面质量、受力状态和周围的有关。 4．韧性不足。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $