单元1 材料的力学性能（课件）《机械基础》上好课（苏教版·凤凰职教）

《机械基础》（苏教版·凤凰职教） 上好课—中职专业课 模块七 金属材料及热处理 单元1 材料的力学性能 教学目标 知识目标 1. 掌握材料五大核心力学性能：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度的基本定义与核心内涵。 2. 熟练掌握低碳钢拉伸试验的四个阶段、特征现象及关键性能参数计算公式。 能力 目标 1. 能够根据拉伸试验数据，计算材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等核心参数。 2. 能够合理选择材料性能指标，初步完成简单零件的材料选型分析。 情感 目标 1. 培养严谨的工程思维和求真务实的科学态度，树立安全优先的工程职业理念。 2. 引导学生感知力学性能在机械生产中的应用价值，激发专业学习兴趣。 教学引入 为什么大桥的钢梁会突然断？ 1998 年，一台起重机在吊装钢水包时吊臂突然断裂，钢水倾泻而出。 事后分析：钢材在反复起吊—卸载的交变载荷下，看似远低于静载强度，却发生了疲劳断裂。 问题来了—— · 同一块钢，为什么静拉不断、反复拉却断？ · "强度高"是不是就等于"不会断"？ 图：齿轮疲劳断口，可见贝壳状疲劳弧线（示意） 知识讲授：力：物体间的相互机械作用 定义：力是物体对物体的相互机械作用。 两种效应： ① 改变物体的运动状态（外效应）； ② 使物体发生变形（内效应）。 力系：作用在物体上的一群力。 平面力系：各力作用线在同一平面内。 · 平面汇交力系——各力作用线汇交于一点； · 平面任意力系——各力作用线任意分布。 思考 用手推墙：手对墙施加了力，墙有没有对手施加力？这个力的"受力物体"和"施力物体"分别是谁？ 知识讲授：力的三要素 力是矢量。任何一个要素改变，力的作用效果就改变。工程上用带箭头的线段表示力： 作用点 方向 → 线段长度 = 大小 三要素速记 ①大小——单位 N、kN ②方向——指向 + 方位角 ③作用点——力在物体上的位置 三要素中任一个改变，力的作用效果都改变。 知识讲授：性质一：作用力与反作用力 两物体间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、沿同一直线，分别作用在两个不同物体上。 F（作用力） F'（反作用力） 易错提醒 作用力与反作用力作用在两个物体上，不能互相抵消。 它和"二力平衡"的区别——二力平衡是作用在同一个刚体上。 知识讲授：性质二：二力平衡与二力杆 作用于同一刚体上的两个力，使刚体平衡的充要条件是：两力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。 F F 二力构件（二力杆） 只受两个力作用而平衡的构件，叫二力构件；杆状的叫二力杆。 其受力必沿两作用点的连线方向。 在桁架结构分析中大量遇到。 知识讲授：性质三：力的平行四边形法则 作用于同一点的两个力，可以合成为一个合力；合力的大小和方向由这两个力为邻边构成的平行四边形的对角线确定。 F₁ F₂ F_R（合力） 要点 · 合力作用点仍在原汇交点； · 合力大小满足平行四边形法则； · 力的合成与分解都用这一法则。 知识讲授：性质四：力的可传性 作用在刚体上某点的力，可以沿其作用线移到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效果。 原作用点 A 移到点 B 边界条件 · 只适用于刚体； · 力只能沿作用线移动； · 对变形体（弹性体）不成立——推一根橡皮绳，作用点不同变形分布完全不同。 知识讲授：力矩 力使物体绕矩心转动的效应 矩心 O——转动中心；力臂 h——矩心到力作用线的垂直距离。 力矩记作 ，单位 N·m。 O F h（力臂） 符号规定 · 逆时针转动为正； · 顺时针转动为负； · 矩心不同，力矩一般不同； · 力通过矩心时力臂 h=0，力矩为零。 知识讲授：力偶 大小相等、方向相反、不共线的平行力 力偶记作 (F, F')。两力之间的垂直距离 d 叫力偶臂。 力偶矩 ，逆时针为正，单位 N·m。 F F' 力偶的性质 · 无合力，不能与一个力平衡； · 只能与另一个力偶平衡； · 对作用面内任意点的矩恒等于力偶矩，与矩心位置无关。 知识讲授：约束与约束力 约束类型 约束特点 约束力方向 柔性约束（绳索） 只受拉、不能受压 沿绳索、背离物体 光滑面约束 限法向、不限切向 沿公法线、指向物体 中间铰链 限径向移动、不限转动 过铰链中心，正交两分力 固定铰链支座 同中间铰链 同中间铰链 可动铰链支座 限支承面法向移动 过铰链中心、垂直支承面 固定端约束 不允许移动和转动 两正交分力 + 力矩 知识讲授：画受力图的三步法 1 明确研究对象，单独画出分离体——把它从周围物体中隔离出来。 2 画全部主动力——重力、载荷、已知外力，按实际方向画出。 3 画全部约束力——按约束类型，在解除约束处画出约束反力。 口诀：分离体 → 主动力 → 约束力。不漏力、不多力、不错方向。 知识讲授：内力、应力与基本变形 外力把构件拉长，构件内部在"抵抗"什么？ 上一章我们研究的是物体外部受到的力。但工程上更关心： · 外力作用下，构件内部产生多大的相互作用力？ · 这个内力如何分布、用什么单位衡量？ · 工程构件有哪几种基本变形形式？ 本部分关键词：内力 · 截面法 · 正应力 · 切应力 · 应变 · 胡克定律 · 拉压 / 剪切 / 扭转 / 弯曲 知识讲授：内力与截面法 杆件受外力变形时，内部各微粒间产生的、用来抵抗外力的相互作用力，称为内力。 内力随外力增大而增大，超过某一限度构件就破坏。 截面 m-m 截面法四步 ① 假想沿截面截开； ② 取任一部分为研究对象； ③ 画受力图（内力 N 代替弃去部分）； ④ 列平衡方程求 N。 知识讲授：应力：单位面积上的内力 同样大小的内力，截面越细越危险。所以工程上用单位面积上的内力——应力来衡量。 正应力 σ（垂直于横截面） 切应力 τ（平行于横截面） 要点 · σ 垂直截面，使构件拉断或压溃； · τ 平行截面，使构件错动； · 单位：1 MPa = 1 N/mm²； · N——内力，S——横截面积。 知识讲授：应变与胡克定律 变形分为长度变化和角度变化两类，用"应变"衡量变形程度。 线应变 ε（单位长度伸长量） 切应变 γ（直角的改变量） 直角改变量，单位 rad 胡克定律（应力不超过比例极限） E——弹性模量（拉压）；G——剪切弹性模量。 物理意义：应力与应变成正比，比例常数即材料刚度。 知识讲授：应力应变曲线 知识讲授：基本变形①：轴向拉伸与压缩 外力沿杆件轴线作用，杆件沿轴线伸长或缩短。 实例：三角托架中的斜杆、起重机的吊索、桥墩的立柱。 图：拉伸试验机夹头中的金属拉伸试样 受力特征 · 外力合力作用线与杆轴线重合； · 横截面上只产生轴力 N； · 横截面上正应力 σ = N/S 均匀分布。 知识讲授：基本变形②：剪切与挤压 一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的力，使构件沿截面发生相对错动——剪切。 接触面局部受压产生塑性变形——挤压。 图：高强螺栓沿剪切面剪断的实物 典型实例 · 铆钉连接、螺栓连接、销钉连接； · 焊接接头的焊缝； · 横截面上主要产生切应力 τ； · 计算：剪切面 τ = F/S，挤压面 σjy = F/Ajy。 知识讲授：基本变形③：扭转 杆件两端受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆轴线的力偶，各横截面绕轴线发生相对转动。 图：金属材料扭转试验机 典型实例 · 汽车传动轴、机床主轴、钻杆； · 横截面上产生扭矩 T 和切应力 τ； · 圆轴扭转时 τ 沿半径线性分布，圆心为零、边缘最大。 知识讲授：基本变形④：弯曲 外力垂直于杆轴线，或杆受到力偶作用，杆的轴线由直线弯成曲线。 实例：机车轴、楼板梁、桥式起重机主梁。 图：简支梁受弯的支承与受力简图 受力特征 · 横截面上一般同时存在弯矩 M 和剪力 Fs； · 弯矩使梁一侧受拉、一侧受压； · 中性层上正应力为零，上下边缘正应力最大。 知识讲授：材料的力学性能 低碳钢拉伸试验：怎么做 试样：标准圆形（或板状）拉伸试样，标距 L₀ = 10d₀（长试样）或 5d₀（短试样）。 设备：万能材料试验机。 过程：缓慢施加拉力 F，同时测量标距伸长量 ΔL，记录 F–ΔL 曲线。 图：双柱式万能材料试验机 为什么选低碳钢？ 它塑性好、现象典型，拉伸曲线四个阶段齐全，是认识金属力学性能的"样板材料"。 知识讲授：低碳钢拉伸曲线：四个阶段 F ΔL ① 弹性 oe ② 屈服 es ③ 强化 sb ④ 颈缩 bk 四阶段速记 ① 弹性：卸力变形消失； ② 屈服：力不增、变形继续； ③ 强化：抗力回升、继续拉； ④ 颈缩：局部变细直至断裂。 知识讲授：强度指标 屈服强度 ReL（下屈服） FL——首次下降前的最小载荷；S₀——原始截面积。无明显屈服时用规定残余伸长应力 Rr0.2。 抗拉强度 Rm（强度极限） Fm——试样拉断前所承受的最大载荷；即拉伸曲线 sb 段最高点。 工程意义： · ReL——塑性材料设计的主要依据； · Rm——材料断裂前能承受的最大应力； · 两值越高，材料越强。 知识讲授：屈服强度与抗拉强度 知识讲授：塑性指标 断后伸长率 A L₀ 原始标距；Lu拉断后标距。长试样 L₀=10d₀ 记 A11.3，短试样 L₀=5d₀ 记 A。 断面收缩率 Z S₀ 原始截面积；Su断后颈缩处最小截面积。 塑性越好，金属越容易冲压、轧制成型。 A、Z 越大，材料在断裂前能承受的塑性变形越大； 工程上 A≥5% 为塑性材料，A<5% 为脆性材料。 知识讲授：硬度①：布氏硬度 HBW 图：数显布洛维硬度计 标注示例 150 HBW 10/1000/30 表示：硬度值 150，球径 10 mm，试验力 1000 kgf（≈9.8 kN），保持时间 30 s。 原理：用一定直径的硬质合金球，以规定压力压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，测量压痕直径。 特点：压痕大、反映材料平均硬度；数据稳定。 适用：铸铁、有色金属、退火/正火钢；不适合太薄或太硬的试样。 知识讲授：硬度②：洛氏 HR 与维氏 HV 类型 压头与原理 特点与适用 示例 洛氏 HR 金刚石圆锥或钢球，按压痕深度计硬度 压痕小、操作快、可直接读数；分 HRA/HRB/HRC 三档，可测淬火件 50 HRC 维氏 HV 136° 金刚石正四棱锥压头 载荷小、压入浅；测薄材料、表面硬化层；软硬材料通用，操作较繁琐 640 HV30 对比 HR 看深度、HV 看对角线 HBW 适合毛坯；HR 适合成品；HV 适合薄层与显微组织 不可直接互算 知识讲授：冲击韧性：夏比摆锤冲击试验 图：摆锤式冲击试验机 判读 K 值越大，冲击韧性越好； 低温下 K 值显著下降——冷脆现象，是寒冷地区工程选材必须考虑的。 定义：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。 方法：GB/T 229 夏比摆锤冲击试验，用 U 型或 V 型缺口标准试样。 指标：冲击吸收能量 KU或 KV，单位 J——摆锤冲断试样所损失的势能。 知识讲授：疲劳强度 定义：金属在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。 工程规定：钢——10⁷ 次；有色金属——10⁸ 次。 对称循环下疲劳强度记作 R-1。 图：齿轮疲劳断口，可见贝壳状疲劳弧线 为什么危险？ 疲劳断裂是突发性的，断裂前无明显塑性变形； 轴、齿轮、弹簧等承受交变载荷的零件，必须考核疲劳强度。 传动部分 师生互动：力的性质辨析 讨论题 1：人站在地面上静止不动，人受到的重力与地面对人的支持力是作用力与反作用力吗？为什么？ 讨论题 2：用扳手拧螺母，手对扳手的力可以沿作用线移动吗？这是利用了力的哪条性质？ 参考答案（下节课公布前先思考）：题1不是——重力与支持力都作用在人身上，是二力平衡；作用力反作用力应分别在人和地球、人和地面上。题2可以——刚体上力可沿作用线移动。 传动部分 知识点背诵 一、力的基本概念 1. 力三要素：大小、方向、作用点。 2. 二力平衡：同一刚体、等大反向共线。 3. 作用力反作用力：异体、等大反向共线。 4. 力矩 MO(F)=±F·h，逆时针为正。 5. 力偶无合力，只能与力偶平衡，与矩心无关。 6. 固定端约束：两正交分力 + 力矩。 二、内力与变形 7. 截面法四步：截开、取部分、画内力、列平衡。 8. 正应力 σ=N/S；切应力 τ=Fτ/S。 9. 胡克定律：σ=Eε，τ=Gγ。 10. 四种基本变形：拉压、剪切、扭转、弯曲。 三、力学性能指标 11. 低碳钢拉伸四阶段：弹性 oe、屈服 es、强化 sb、颈缩 bk。 12. 屈服强度 ReL=FL/S₀；抗拉强度 Rm=Fm/S₀。 13. 无明显屈服时用 Rr0.2（残余伸长 0.2%）。 14. 断后伸长率 A=(Lu−L₀)/L₀×100%。 15. 断面收缩率 Z=(S₀−Su)/S₀×100%。 16. 硬度三种：HBW（布氏）、HR（洛氏 HRA/HRB/HRC）、HV（维氏）。 17. 冲击韧性用夏比摆锤试验，指标 KU/KV。 18. 疲劳强度：钢 10⁷ 次、有色金属 10⁸ 次不断裂的最大应力。 单项选择题 1.关于作用力与反作用力，下列说法正确的是 （　　） A. 它们大小相等、方向相反、作用在同一物体上 B. 它们大小相等、方向相反、作用在两个物体上 C. 它们可以互相平衡抵消 D. 它们不一定在同一直线上 正确答案：B 作用力反作用力作用在两个物体上，不能抵消；同体等大反向共线是二力平衡。 课后练习 正确答案：B 屈服阶段 es 的特征就是载荷不增、变形持续增长，对应屈服强度 ReL。 课后练习 单项选择题 2.低碳钢拉伸试验中，试样发生明显塑性变形但载荷基本不变的阶段是（　　） A. 弹性变形阶段 B. 屈服阶段 C. 强化阶段 D. 颈缩阶段 单项选择题 3.下列哪种硬度试验方法压痕最小、可直接读数、适合测量淬火工件？（　　） A. 布氏硬度 HBW B. 洛氏硬度 HR（HRC） C. 维氏硬度 HV D. 肖氏硬度 HS 正确答案：B HRC 用金刚石圆锥，压痕浅、可直接读数，是淬火件最常用的硬度标尺。 课后练习 题目：一根低碳钢拉伸试样，原始直径 d₀ = 10 mm，原始标距 L₀ = 50 mm。测得屈服载荷 FL= 20 kN，最大载荷 Fm= 35 kN；拉断后标距 Lu= 62.5 mm，断口最小直径 du= 7 mm。求 ReL、Rm、A、Z。 课后练习 解： 原始截面积 S₀ = πd₀²/4 = π×10²/4 ≈ 78.5 mm² 断口最小截面积 Su= πdu²/4 = π×7²/4 ≈ 38.5 mm² ReL= FL/S₀ = 20000 / 78.5 ≈255 MPa Rm= Fm/S₀ = 35000 / 78.5 ≈446 MPa A = (Lu−L₀)/L₀×100% = (62.5−50)/50×100% =25% Z = (S₀−Su)/S₀×100% = (78.5−38.5)/78.5×100% ≈51% 课堂小结 1. 基础巩固：整理本节课核心知识点，绘制五大力学性能对比思维导图，标注定义、指标、检测方法及适用场景。 2. 计算练习：已知低碳钢试样原始标距、截面积及拉伸试验数据，计算屈服强度、抗拉强度、断后伸长率三大参数。 3. 应用拓展：结合生活及工程案例，分析汽车传动轴、机床刀具、铸件机身分别需要具备哪些核心力学性能，并说明原因。 课后作业 感谢观看 Lavf62.3.100 Lavf62.3.100 $