第15练 金属材料的性能 江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练

编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练的第15练，内容涵盖3-1 金属材料的性能。 江苏省（职教高考）机械类 一课一练 《机械基础》（高教版·第3版） 第15练 模块3 工程材料 第1节 金属材料的性能 一、单项选择题 1．在材料拉伸试验中，试件拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度之比的百分数称为断后伸长率δ。δ值的大小主要反映材料的（ ） A．强度高低 B．硬度大小 C．疲劳极限 D．塑性好坏 2．质检员在验收一批齿轮毛坯时，用压头压入法测量材料抵抗局部塑性变形的能力，所得数值用于间接估算材料的强度。这种测量的力学性能指标是（ ） A．硬度 B．屈服强度 C．冲击韧性 D．疲劳极限 3．起重机吊钩在工作中受拉应力，若吊钩材料的屈服极限σs为235MPa，吊钩危险截面上的实际应力为180MPa。吊钩的受力状态属于（ ） A．已发生塑性变形 B．已发生断裂破坏 C．安全，处于弹性工作状态 D．处于疲劳破坏的临界状态 4．冲床的冲头在冲孔瞬间承受巨大的冲击载荷，在一次冲裁中短时受力后卸载。对这种承受冲击载荷的零件，选材时应特别关注的力学性能指标是（ ） A．疲劳强度 B．冲击韧性 C．布氏硬度 D．断后伸长率 5．一根传动轴在长期运转中承受交变弯曲应力，即使最大应力远低于材料的屈服极限，运行数万小时后仍出现了断裂，断口表面光滑无塑性变形痕迹。这种失效属于（ ） A．静强度不足导致的断裂 B．冲击载荷下的脆性断裂 C．疲劳断裂 D．高温蠕变断裂 二、填空题 6．金属材料的力学性能指标主要包括：反映材料抵抗破坏能力的____和____；反映材料塑性变形能力的____和____；反映材料抵抗局部塑性变形的____；以及反映材料抵抗冲击载荷能力的____。 7．金属材料的工艺性能是指材料在加工过程中所表现的适应能力，主要包括：金属液充填铸型的能力即____性、金属承受压力加工产生塑性变形的能力即____性、金属材料被切削加工的难易程度即____性，以及金属在焊接过程中获得优质接头的____性。 三、问答题 8．强度、塑性、硬度和冲击韧性是金属材料力学性能的四项基本指标。请分别说明这四项指标各自的定义、常用测量方法或指标符号、以及对应的工程意义（各举一例说明选材时为何关注该指标）。 9．疲劳断裂是机械零件最主要的失效形式。请回答：（1）什么是疲劳断裂？疲劳断裂的断口有什么宏观特征？（2）什么是疲劳极限？为什么零件设计时需要考虑疲劳极限而不仅仅考虑屈服强度和抗拉强度？（3）列举三种提高零件疲劳强度的常用措施。 四、计算题 10．一直径d等于10mm的圆形截面标准拉伸试件，标距长度l0等于50mm。拉伸试验测得屈服载荷Fs等于18.84kN，最大载荷Fb等于28.26kN，断裂后标距长度lu等于62mm，断裂处最小直径du等于7mm。试求：（1）材料的屈服强度σs和抗拉强度σb；（2）材料的伸长率δ和断面收缩率ψ。（π取3.14） 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 $ 编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机械类《机械基础》（高教版·第3版）一课一练的第15练，内容涵盖3-1 金属材料的性能。 江苏省（职教高考）机械类 一课一练 《机械基础》（高教版·第3版） 第15练 模块3 工程材料 第1节 金属材料的性能 一、单项选择题 1．在材料拉伸试验中，试件拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度之比的百分数称为断后伸长率δ。δ值的大小主要反映材料的（ ） A．强度高低 B．硬度大小 C．疲劳极限 D．塑性好坏 【答案】D 【解析】伸长率δ和断面收缩率ψ是衡量材料塑性的两个主要指标。δ越大，材料塑性越好。低碳钢δ可达20%至30%（塑性好），铸铁δ通常小于1%（脆性材料）。塑性好的材料在断裂前有明显的塑性变形预兆，使用更安全。 2．质检员在验收一批齿轮毛坯时，用压头压入法测量材料抵抗局部塑性变形的能力，所得数值用于间接估算材料的强度。这种测量的力学性能指标是（ ） A．硬度 B．屈服强度 C．冲击韧性 D．疲劳极限 【答案】A 【解析】硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）等。硬度和强度之间存在近似经验关系（如低碳钢σb≈0.36HB），可通过测硬度间接估算强度，在生产中用于快速质量检验而不破坏零件。 3．起重机吊钩在工作中受拉应力，若吊钩材料的屈服极限σs为235MPa，吊钩危险截面上的实际应力为180MPa。吊钩的受力状态属于（ ） A．已发生塑性变形 B．已发生断裂破坏 C．安全，处于弹性工作状态 D．处于疲劳破坏的临界状态 【答案】C 【解析】实际工作应力180MPa小于屈服极限235MPa，材料处于弹性阶段，卸载后恢复原状，吊钩安全工作。若应力超过σs则发生塑性变形——吊钩会伸长变细且不可恢复。若超过σb则发生断裂。强度设计的核心是保证σmax≤[σ]。 4．冲床的冲头在冲孔瞬间承受巨大的冲击载荷，在一次冲裁中短时受力后卸载。对这种承受冲击载荷的零件，选材时应特别关注的力学性能指标是（ ） A．疲劳强度 B．冲击韧性 C．布氏硬度 D．断后伸长率 【答案】B 【解析】冲击韧性αk反映材料在冲击载荷下抵抗破坏的能力，单位为J/cm²。冲头、锻锤锤头、凿岩机钎头等承受冲击载荷的零件必须具有足够的冲击韧性。注意冲击韧性与疲劳强度不同——疲劳是交变载荷的长期累积损伤，冲击是瞬时的巨大载荷。 5．一根传动轴在长期运转中承受交变弯曲应力，即使最大应力远低于材料的屈服极限，运行数万小时后仍出现了断裂，断口表面光滑无塑性变形痕迹。这种失效属于（ ） A．静强度不足导致的断裂 B．冲击载荷下的脆性断裂 C．疲劳断裂 D．高温蠕变断裂 【答案】C 【解析】疲劳断裂的特征：应力远低于屈服极限却发生断裂、断口无塑性变形（脆性断裂外观）、长期运行后突然断裂。疲劳断裂是机械零件最常见的失效形式——约占失效总数的80%。设计受交变应力的零件时必须校核疲劳强度。 二、填空题 6．金属材料的力学性能指标主要包括：反映材料抵抗破坏能力的____和____；反映材料塑性变形能力的____和____；反映材料抵抗局部塑性变形的____；以及反映材料抵抗冲击载荷能力的____。 【答案】屈服强度；抗拉强度；伸长率；断面收缩率；硬度；冲击韧性 【解析】六大核心力学性能指标分类：强度（σs和σb）衡量抗力、塑性（δ和ψ）衡量变形能力、硬度（HB/HRC）衡量软硬、韧性（αk）衡量抗冲击。工程选材时需要综合考量——强度高的材料往往塑性差，需根据使用条件权衡取舍。 7．金属材料的工艺性能是指材料在加工过程中所表现的适应能力，主要包括：金属液充填铸型的能力即____性、金属承受压力加工产生塑性变形的能力即____性、金属材料被切削加工的难易程度即____性，以及金属在焊接过程中获得优质接头的____性。 【答案】铸造；锻压；切削加工；焊接 【解析】四大工艺性能对应四种基本加工方法：铸造（流动性、收缩性）、锻压（塑性变形能力）、切削加工（刀具寿命和表面质量）、焊接（焊缝质量）。工艺性能直接影响制造成本和产品质量——灰铸铁铸造性好但焊接性差，低碳钢焊接性好。 三、问答题 8．强度、塑性、硬度和冲击韧性是金属材料力学性能的四项基本指标。请分别说明这四项指标各自的定义、常用测量方法或指标符号、以及对应的工程意义（各举一例说明选材时为何关注该指标）。 【答案】（1）强度：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。常用指标为屈服强度σs和抗拉强度σb，通过拉伸试验测定。工程意义：设计起重吊钩时必须保证σmax<[σ]，防止吊钩在起吊重物时发生塑性变形（吊钩伸长变细）或断裂，危及人身安全。（2）塑性：材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。指标为伸长率δ和断面收缩率ψ，通过拉伸试验测定。工程意义：冲压件（如汽车车身覆盖件）的材料必须具有良好塑性才能拉深成型而不开裂；塑性差的脆性材料不能用于需要弯曲成型的场合。（3）硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。常用布氏硬度HB和洛氏硬度HRC，通过硬度计压入法测定。工程意义：齿轮齿面须具有足够硬度以抵抗磨损，硬度不足则齿面过早磨损丧失精度；硬度测量不破坏零件，可用于成品件的批量快速检验。（4）冲击韧性：材料在冲击载荷下抵抗破坏的能力。指标αk等于冲击吸收功除以缺口截面积（J/cm²），通过冲击试验测定。工程意义：锻锤锤头承受冲击载荷须有高冲击韧性；脆性材料（铸铁）冲击韧性极低，不能用于承受冲击的零件。 【解析】四大力学性能指标从不同角度描述材料对外力的响应：强度管「能承受多大载荷」、塑性管「变形多大不坏」、硬度管「表面能否抵抗压入」、韧性管「冲击下是否断裂」。全面了解材料要从这四方面综合评价，任何单一指标都不能完整描述材料的力学行为。 9．疲劳断裂是机械零件最主要的失效形式。请回答：（1）什么是疲劳断裂？疲劳断裂的断口有什么宏观特征？（2）什么是疲劳极限？为什么零件设计时需要考虑疲劳极限而不仅仅考虑屈服强度和抗拉强度？（3）列举三种提高零件疲劳强度的常用措施。 【答案】（1）疲劳断裂是材料在交变应力（循环应力）长期作用下发生的断裂，即使最大应力远低于屈服极限也会发生。疲劳断口的宏观特征：有明显的两个区域——光滑区和粗糙区（瞬时断裂区，呈脆性断裂特征）。疲劳断裂前无明显的塑性变形预兆，具有突发性，危害极大。（2）疲劳极限σ-1是材料在无限次交变应力作用下不发生疲劳破坏的最大应力值。材料在交变应力下的承载能力远低于静强度（疲劳极限通常仅为抗拉强度的30%至60%）。若仅按σb和σs设计而不校核疲劳强度，零件可能在远低于设计载荷的交变应力下发生疲劳断裂。传动轴、弹簧、齿轮等承受交变应力的零件必须进行疲劳强度校核。（3）提高疲劳强度的措施：减小应力集中（增大截面过渡圆角、避免尖角和刀痕）；提高表面质量；对表面进行强化处理（喷丸、滚压、渗碳淬火、表面淬火等使表面产生残余压应力）。 【解析】疲劳强度是交变载荷下特有的承载能力指标，其值远低于静强度。疲劳断裂的特殊性在于突发性和低应力破坏——一根轴可能在正常运转中突然断裂而无任何预兆。工程中绝大多数机械失效由疲劳引起，疲劳强度设计是机械设计的重要内容。 四、计算题 10．一直径d等于10mm的圆形截面标准拉伸试件，标距长度l0等于50mm。拉伸试验测得屈服载荷Fs等于18.84kN，最大载荷Fb等于28.26kN，断裂后标距长度lu等于62mm，断裂处最小直径du等于7mm。试求：（1）材料的屈服强度σs和抗拉强度σb；（2）材料的伸长率δ和断面收缩率ψ。（π取3.14） 【答案】（1）试件原始横截面积A0等于πd²除以4等于3.14×100除以4等于78.5mm²。屈服强度σs等于Fs除以A0等于18840除以78.5等于240MPa。抗拉强度σb等于Fb除以A0等于28260除以78.5等于360MPa。（2）伸长率δ等于（lu-l0）除以l0×100%等于（62-50）除以50×100%等于12除以50×100%等于24%。断裂处最小截面积Au等于π×7²除以4等于3.14×49除以4等于38.47mm²。断面收缩率ψ等于（A0-Au）除以A0×100%等于（78.5-38.47）除以78.5×100%等于40.03除以78.5×100%约等于51%。材料的强度指标σs等于240MPa、σb等于360MPa；塑性指标δ等于24%、ψ约等于51%。 【解析】拉伸试验是测定材料力学性能最基本的试验。σs由屈服载荷Fs除以原始面积A0计算，σb由最大载荷Fb除以A0计算。伸长率δ是塑性指标——以标距伸长量衡量；断面收缩率ψ是另一塑性指标——以截面缩小量衡量，ψ比δ更能反映材料的真实塑性。二者通常同时使用综合评价。 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 $