专题三 韧性、疲劳强度与工艺性能（讲义） 四川省对口招生《金属加工与实训》（高教版）考纲讲练测

编写说明：本套资料严格依据四川省（对口招生）智能制造类专业考试标准及《金属加工与实训》编写，围绕考点解读、思维导图、知识梳理、背诵、常考题、高考模拟、课堂练习和课堂小结组织内容。题目范围不超出考纲，讲解突出中职学生的识记、辨析、计算和综合应用能力。 四川省智能制造类 《金属加工与实训》考纲讲练测 专题三 韧性、疲劳强度与工艺性能 讲义 [环节1 考点解读] 一、考纲再现 了解金属材料的韧性、疲劳强度等力学性能，理解金属材料工艺性能的概念。 二、微目标拆解 能说出工艺性能的含义，列举铸造性能、锻压性能、焊接性、热处理性能和切削加工性能。 能解释韧性与冲击吸收能量的关系，辨析U形缺口试样与V形缺口试样。 能说明夏比摆锤冲击试验的基本原理，判断缺口方向和能量变化。 能解释温度对冲击吸收能量的影响，并根据韧脆转变温度比较低温抗冲击性。 能说明疲劳现象、疲劳断裂过程和疲劳强度的含义，并列举提高疲劳强度的常用措施。 三、考情提示 概念辨析：工艺性能反映材料适应冷、热加工的难易程度，不等同于零件使用时的力学性能。 试验识图：缺口试样、摆锤冲击方向及试验前后势能变化是韧性考查的重点。 条件比较：不同缺口类型测得的冲击吸收能量不能直接比较；温度降低时冲击吸收能量通常下降。 过程判断：疲劳裂纹通常由应力集中处萌生，依次形成裂纹扩展区和瞬断区。 应用选择：循环载荷零件应重视疲劳强度，可从结构、表面质量和表面强化等方面减缓疲劳失效。 [环节2 思维导图] [环节3 知识梳理] 知识点1 工艺性能的概念与类型 【知识再现】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，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。 【讲解】工艺性能主要包括铸造性能、锻压性能、焊接性、热处理性能和切削加工性能等。选择材料时既要考虑零件工作中需要的使用性能，也要考虑材料能否经济、稳定地完成预定加工。铸造成形关注金属液充型与获得合格铸件的难易，锻压成形关注材料塑性变形的适应性，焊接性关注获得合格接头的难易，切削加工性能关注材料被切削加工的难易。 图3-1 金属材料的锻造成形 图3-2 金属材料的切削加工 【易错提醒】工艺性能描述的是材料对加工方法的适应性，不能把铸造、锻压、焊接或切削加工方法本身误当成材料的力学性能。 1. 表示金属材料适应各种冷、热加工难易程度的性能称为（ ）。 A. 工艺性能 B. 物理性能 C. 化学性能 D. 疲劳强度 【答案】A 【解析】工艺性能反映材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。 2. 金属材料工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性、热处理性能和____性能。 【答案】切削加工 【解析】切削加工性能是教材列出的主要工艺性能之一。 知识点2 韧性与冲击试样 【知识再现】韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，通常用冲击吸收能量K来衡量，单位为J。 【讲解】承受冲击载荷的零件除需具备足够的强度、塑性和硬度外，还应具有足够的韧性。夏比摆锤冲击试样有U形缺口试样、V形缺口试样和无缺口试样三种。在试样上开缺口可在缺口附近造成应力集中，使断裂发生在规定位置。同种材料的缺口越深、越尖锐，测得的冲击吸收能量通常越小，表现出的脆性越显著。 图3-3 U形与V形缺口冲击试样 【易错提醒】不同缺口类型、尺寸或试验条件下测得的冲击吸收能量不能直接比较；不能只看材料名称而忽略试样条件。 3. 衡量金属材料韧性的常用量是（ ）。 A. 冲击吸收能量 B. 断后伸长率 C. 布氏硬度 D. 抗拉强度 【答案】A 【解析】教材用冲击吸收能量K衡量材料韧性。 4. 同种材料的V形缺口试样与U形缺口试样测得的冲击吸收能量可以不加条件直接比较。 【答案】× 【解析】缺口类型不同会改变应力集中程度，测得结果不能直接比较。 知识点3 夏比摆锤冲击试验与温度影响 【知识再现】夏比摆锤冲击试验用摆锤一次冲断规定试样，摆锤冲断试样所损失的势能等于试样的冲击吸收能量。 【讲解】试验时，试样放在两支座之间，缺口位于支座中间并背向摆锤冲击方向。摆锤由规定高度落下，冲断试样后继续上升；试验前势能与冲断后剩余势能之差即为冲击吸收能量。冲击吸收能量对温度敏感，温度降低时通常随之降低。当能量急剧下降、断裂由韧性断裂转为脆性断裂时，出现冷脆转变。韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性通常越好。 图3-4 夏比摆锤冲击试验装置与原理 【易错提醒】缺口应背向摆锤冲击方向；比较低温性能时，韧脆转变温度越低通常越有利，不能把大小关系判断反。 5. 夏比摆锤冲击试验中，试样缺口应（ ）。 A. 朝向摆锤冲击方向 B. 背向摆锤冲击方向 C. 朝上且可任意偏移 D. 放在支座之外 【答案】B 【解析】缺口位于两支座中间，并背向摆锤冲击方向。 6. 其他条件相近时，韧脆转变温度越____，材料低温抗冲击性通常越好。 【答案】低 【解析】较低温度才发生韧脆转变，说明材料能在更低温度下保持韧性。 知识点4 疲劳现象与疲劳断裂过程 【知识再现】零件在循环应力或循环应变作用下，经过一定工作时间后发生突然断裂的现象称为金属材料的疲劳。 【讲解】轴、齿轮、弹簧等零件常承受循环载荷。疲劳可能在低于材料屈服强度或规定塑性延伸强度的循环应力下发生，而且通常没有明显塑性变形，具有突然性和危险性。疲劳裂纹一般先在应力集中区域形成微裂源，随后裂纹反复扩展，零件有效承载面积逐渐减小，最后剩余截面突然断裂，形成瞬断区。 图3-5 疲劳断口的微裂源、扩展区与瞬断区 【易错提醒】载荷低于屈服强度并不代表长期循环使用一定安全；疲劳破坏取决于应力水平、循环次数和局部应力集中等因素。 7. 疲劳裂纹通常首先产生于零件的（ ）。 A. 应力集中区域 B. 任意无应力区域 C. 全部表面同时 D. 材料中心且与结构无关 【答案】A 【解析】缺口、尖角等应力集中处容易形成疲劳微裂源。 8. 疲劳断裂通常会在断裂前产生十分明显的整体塑性变形。 【答案】× 【解析】疲劳断裂常无明显塑性变形并突然发生。 知识点5 疲劳强度与提高措施 【知识再现】疲劳强度反映金属材料在循环应力作用下抵抗疲劳断裂的能力。工程上常用规定循环基数对应的疲劳极限评价材料。 【讲解】循环应力R与断裂时循环次数N之间的关系可用R-N曲线表示。教材指出，钢铁材料常用循环基数为，非铁金属常用循环基数为；这些数值必须结合材料类别和规定条件使用。提高零件疲劳强度可从避免结构突变和应力集中、改善表面粗糙度、减小缺口效应、采用高频淬火、喷丸、滚压以及适当化学热处理等方面入手。 【易错提醒】疲劳强度必须联系循环应力条件和循环次数理解；不能把一次静载下的抗拉强度直接当成疲劳强度。 9. 描述循环应力R与断裂循环次数N关系的曲线称为（ ）。 A. R-N曲线 B. 冷却曲线 C. 硬度压痕曲线 D. 拉伸力—伸长曲线 【答案】A 【解析】R-N曲线反映应力水平与疲劳寿命的关系。 10. 减少零件截面突变和尖角，有助于降低____集中并提高抗疲劳能力。 【答案】应力 【解析】减小应力集中可以降低疲劳裂纹萌生风险。 [环节4 背诵环节] 背诵条目（先遮盖答案背诵，再逐条核对） 1. 什么是金属材料的工艺性能？ 【答案】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，即采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。 2. 金属材料常见的工艺性能有哪些？ 【答案】铸造性能、锻压性能、焊接性、热处理性能和切削加工性能等。 3. 什么是金属材料的韧性？ 【答案】金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 4. 衡量韧性的冲击吸收能量用什么符号和单位表示？ 【答案】通常用K表示，单位为J。 5. 夏比摆锤冲击试样主要有哪些类型？ 【答案】U形缺口试样、V形缺口试样和无缺口试样。 6. 冲击试样开缺口的主要目的是什么？ 【答案】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断裂。 7. 什么是冷脆转变？ 【答案】温度降低到一定范围时，冲击吸收能量急剧下降，材料由韧性断裂转为脆性断裂的现象。 8. 韧脆转变温度高低说明什么？ 【答案】韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性通常越好。 9. 什么是金属材料的疲劳？ 【答案】金属材料在循环应力或循环应变作用下，经过一定工作时间后发生突然断裂的现象。 10. 疲劳断裂通常经历哪三个区域或阶段？ 【答案】微裂源、裂纹扩展区和瞬断区。 11. R-N曲线表示什么关系？ 【答案】循环应力R与断裂时循环次数N之间的关系。 12. 提高零件疲劳强度可采取哪些常见措施？ 【答案】避免应力集中，改善表面粗糙度和残余应力状态，减小缺口效应，并采用喷丸、滚压、高频淬火或适当化学热处理等表面强化措施。 [环节5 常考题（中档题）] 1. 金属材料在断裂前吸收变形能量的能力称为（ ）。 A. 韧性 B. 硬度 C. 铸造性能 D. 导电性 【答案】A 【解析】这是韧性的定义。 2. 观察缺口试样，缺口越尖锐时应力集中通常越____。 U形与V形缺口试样 【答案】显著 【解析】缺口越尖锐，应力集中越明显，试样越容易被冲断。 3. 温度降低时，金属材料的冲击吸收能量通常增大。 【答案】× 【解析】教材给出的总趋势是温度降低时冲击吸收能量降低。 4. 疲劳断裂的典型特征有（ ）。 A. 与循环载荷有关 B. 通常突然发生 C. 常无明显塑性变形 D. 只能在应力高于抗拉强度时发生 【答案】ABC 【解析】疲劳可在低于屈服强度的循环应力下发生。 5. 疲劳裂纹产生后首先形成并逐步扩展的区域是（ ）。 疲劳断口区域 A. 微裂源与裂纹扩展区 B. 均匀塑性区 C. 熔化区 D. 硬度压痕区 【答案】A 【解析】疲劳断口由微裂源、裂纹扩展区和最终瞬断区组成。 6. 表示材料适应切削加工难易程度的是____性能。 【答案】切削加工 【解析】切削加工性能属于工艺性能。 [环节6 高考模拟题] 以下题目按四川省职教高考常见命题方式编制，用于训练“关键词定位—概念对应—情境应用”。 1. 两批同种材料分别用U形和V形缺口试样测得冲击吸收能量，能否仅按数值大小直接判定哪批材料韧性更好？ 【答案】不能 【解析】试样缺口类型不同，试验条件不一致，结果不能直接比较。 2. 夏比摆锤冲断试样后上升高度低于释放前高度，试样吸收的能量来自（ ）。 夏比摆锤冲击试验 A. 摆锤损失的势能 B. 试样自身重力势能全部增加 C. 硬度计压头 D. 静拉伸载荷 【答案】A 【解析】冲断前后摆锤势能之差就是试样的冲击吸收能量。 3. 甲材料韧脆转变温度为-40℃，乙材料为-10℃。在其他条件相近时，低温抗冲击性通常较好的是（ ）。 A. 甲材料 B. 乙材料 C. 两者必然相同 D. 无法由温度高低作任何判断 【答案】A 【解析】韧脆转变温度越低，材料通常能在更低温度下保持韧性。 4. 轴肩处反复承受弯曲载荷后突然断裂，断裂前无明显变形，这最可能属于____破坏。 【答案】疲劳 【解析】循环载荷、应力集中和突然断裂是疲劳破坏的典型特征。 5. 为提高零件疲劳强度，可采用（ ）。 A. 避免尖角和截面突变 B. 改善表面粗糙度 C. 喷丸或滚压 D. 人为增加深尖缺口 【答案】ABC 【解析】前三项可减小裂纹萌生风险或改善表面残余应力，深尖缺口会加剧应力集中。 6. 某材料一次静载试验未屈服，因此它在任意循环次数下都不会发生疲劳断裂。 【答案】× 【解析】疲劳可在低于屈服强度的循环应力下经多次循环后发生。 [环节7 课堂练习] 课堂练习建议用时15—25分钟。先独立作答，再核对答案与解析。 1. 铸造性能、锻压性能和焊接性都属于金属材料的（ ）。 A. 工艺性能 B. 化学成分 C. 尺寸精度 D. 疲劳断口 【答案】A 【解析】这些性能反映材料对相应加工方法的适应性。 2. 冲击吸收能量的单位是____。 【答案】J 【解析】冲击吸收能量属于能量，单位为焦耳J。 3. 同种材料的缺口越深、越尖锐，测得的冲击吸收能量通常越大。 【答案】× 【解析】缺口越尖锐，应力集中越强，吸收能量通常越小。 4. 疲劳断裂过程的正确顺序是（ ）。 疲劳断口区域 A. 微裂源—裂纹扩展—瞬断 B. 瞬断—微裂源—裂纹扩展 C. 裂纹扩展—瞬断—微裂源 D. 均匀屈服—缩颈—回弹 【答案】A 【解析】裂纹从微裂源萌生并扩展，剩余截面最后发生瞬断。 5. R-N曲线中的N表示____。 【答案】循环次数 【解析】N表示发生疲劳断裂时经历的循环次数。 6. 下列有利于提高疲劳强度的措施有（ ）。 A. 减小应力集中 B. 改善表面粗糙度 C. 表面形变强化 D. 增加尖锐缺口 【答案】ABC 【解析】增加尖锐缺口会增强应力集中，不利于疲劳寿命。 [环节8 课堂小结] 复习建议：工艺性能反映金属材料适应冷、热加工的难易程度，主要包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能。 韧性是材料断裂前吸收变形能量的能力，常用冲击吸收能量K评价，单位为J。 比较冲击吸收能量必须保证试样和试验条件一致；温度降低时冲击吸收能量通常下降。 疲劳是在循环应力或循环应变作用下经一定时间发生的突然断裂，通常经历微裂源、裂纹扩展区和瞬断区。 复习建议：先辨载荷类型，再判断对应性能；冲击问题抓缺口与温度，循环载荷问题抓应力集中、循环次数和表面状态。 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 $