专题二 硬度、韧性、疲劳强度与工艺性能（讲义） 四川省对口招生《金属加工基础》（机工版）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《金属加工基础》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 《金属加工基础》考纲讲练测 专题二 硬度、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 了解金属材料的强度、硬度、塑性、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 说出硬度、韧性、疲劳和疲劳强度的含义。 根据压头、压痕和读数方式区分布氏、洛氏、维氏硬度试验。 根据材料、零件状态和检测目的选择合适的硬度试验方法。 结合冲击试验和疲劳断口图分析零件失效特征。 区分使用性能与工艺性能，并判断常见加工方法对应的工艺性能。 三、考情提示 硬度常考定义、符号、压头、测量依据、优缺点和适用对象。 韧性常与冲击载荷、吸收能量、缺口方向及温度影响结合命题。 疲劳常考循环应力、低于屈服强度仍可能断裂、断口三区和指定循环基数。 工艺性能重在识别铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工适应能力。 读图题重点根据压痕形状、测量量、断口区域和曲线变化作出判断。 [环节2 思维导图] [环节3 知识梳理] 知识点1 硬度及常用试验方法 【知识再现】硬度是金属材料抵抗外物压入的能力，常用布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度表示。 【讲解】硬度反映材料软硬程度，并与耐磨性和切削加工性有关。常用符号为HBW、HRA/HRC等、HV。识图时按“压头形状—测量量—表示符号”判断：布氏用球压头、测压痕直径；洛氏按标尺用圆锥或球压头、测残余压痕深度增量；维氏用正四棱锥压头、测两条对角线的平均长度。 图2-1 球形压头与压痕直径测量 图2-2 加卸载过程中的压痕深度变化 图2-3 棱锥压头与压痕对角线测量 【易错提醒】硬度不是材料抵抗冲击破坏的能力；比较硬度值时还要注意试验方法和标尺。 1. 【单选题】图中压痕底面有两条对角线。试验后测量两条对角线的平均长度，该硬度方法是（ ）。 压头与压痕形状示意图 A. 布氏硬度 B. 洛氏硬度 C. 冲击试验 D. 维氏硬度 【答案】D 【解析】维氏硬度采用正四棱锥金刚石压头，测量压痕两条对角线的平均长度。 2. 【单选题】用于表示洛氏硬度C标尺的符号是（ ）。 A. HRC B. HBW C. KV D. HV 【答案】A 【解析】洛氏硬度用HR加标尺字母表示，C标尺写作HRC。 知识点2 布氏硬度 【知识再现】布氏硬度用一定直径的硬质合金球压入试样表面，卸载后测量压痕直径，用HBW表示。 【讲解】布氏硬度的压痕较大，测量值能反映较大区域的平均性能，准确性和重复性较好，适合非铁金属、铸铁以及退火、正火、调质后的钢材；但对表面损伤较大，不适合太小、太薄或成品表面。 【易错提醒】布氏测压痕直径，不能按深度直接读数；比较压痕大小时必须保持球径、试验力和保持时间相同。 3. 【单选题】观察图示，试验后需要测量压痕直径d，该方法是（ ）。 压头与压痕示意图 A. 布氏硬度试验 B. 洛氏硬度试验 C. 拉伸试验 D. 维氏硬度试验 【答案】A 【解析】布氏硬度试验使用硬质合金球压头，并测量圆形压痕直径。 4. 【单选题】下列试样最适合优先采用布氏硬度试验的是（ ）。 A. 退火后的钢坯 B. 表面不允许留下较大压痕的精密零件 C. 很薄的表面镀层 D. 已淬火的小齿轮成品 【答案】A 【解析】布氏硬度适合退火、正火、调质后的钢材，压痕较大，不宜用于薄件或成品表面。 知识点3 洛氏硬度与维氏硬度 【知识再现】洛氏硬度按残余压痕深度增量判定，维氏硬度按正四棱锥压痕单位表面积承受的平均压力表示。 【讲解】洛氏硬度的HRA、HRC标尺采用金刚石圆锥压头；球压头用于相应球压头标尺。它压痕小、可直接读数，适合尺寸和表面条件合适的成品、半成品及淬火零件。维氏用相对面夹角136°的正四棱锥金刚石压头，符号HV；适合表面层测量，但应选择合适试验力，对表面质量要求较高。 【易错提醒】不同洛氏标尺的数值不能不加条件直接换算；维氏硬度不是球形压头。 5. 【单选题】图示方法采用同一标尺测试两试样，残余压痕深度增量较小的试样（ ）。 加卸载压痕变化示意图 A. 塑性越低 B. 韧性越高 C. 硬度越高 D. 硬度越低 【答案】C 【解析】同一洛氏标尺、相同试验条件下，残余压痕深度增量越小，硬度值越高。 6. 【单选题】需测量薄表面层，表面已制备合格并能选择合适的小试验力，较适合采用（ ）。 A. 拉伸试验 B. 维氏硬度 C. 冲击试验 D. 布氏硬度 【答案】B 【解析】维氏硬度适用范围广，适合表面层硬度测量，结果精确可靠。 知识点4 韧性与冲击试验 【知识再现】韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力，常用冲击试样的吸收能量衡量。 【讲解】夏比试样置于两支座之间，缺口在支座中间且背向摆锤冲击方向。在忽略设备摩擦等损失的简化条件下，吸收能量为冲击前后势能差：，单位J。相同试样及温度等条件下，K越大，抗冲击能力越强。某些材料随温度降低，K会急剧下降，发生冷脆转变；不可用室温数据直接代表低温性能。 图2-4 摆锤冲断缺口试样的试验过程 图2-5 冲击吸收能量随试验温度的变化 【易错提醒】韧性不能只用强度或硬度代替；比较吸收能量时要注意试样类型和试验条件。 7. 【单选题】图示摆锤试验主要用于评价金属材料的（ ）。 摆锤与缺口试样示意图 A. 疲劳强度 B. 铸造性能 C. 硬度 D. 韧性 【答案】D 【解析】摆锤冲断缺口试样，以吸收能量反映抗冲击能力，即韧性。 8. 【填空题】图中纵轴为冲击吸收能量、横轴为温度。对存在该转变特征的材料，温度降低到陡变区以下，冲击吸收能量通常____。 吸收能量与温度关系图 【答案】降低 【解析】曲线低温侧位于较低水平，说明低温抗冲击能力下降。 知识点5 疲劳现象与疲劳断口 【知识再现】金属在循环应力作用下产生局部累积损伤，经一定循环次数形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。 【讲解】循环应力的大小或方向随时间周期性变化。对称循环中拉、压应力交替，最大与最小应力绝对值相等。疲劳可在应力低于屈服强度时发生，断裂前通常无明显塑性变形。裂纹从应力集中处的微裂源逐步扩展，有效承载截面减小，最后剩余截面快速断裂形成瞬断区。 图2-6 循环应力随时间的周期性变化 图2-7 疲劳裂纹形成扩展及最终断裂区域 【易错提醒】载荷低于屈服强度不等于零件不会失效；循环次数和应力集中都必须考虑。 9. 【单选题】观察疲劳断口示意图，裂纹通常首先形成于（ ）。 零件断口示意图 A. 微裂源 B. 瞬断区中心 C. 扩展区中部 D. 任意位置 【答案】A 【解析】疲劳裂纹先在应力集中局部形成微裂源，再逐步扩展。 10. 【判断题】图示应力随时间周期性变化，即使应力幅值低于屈服强度，零件长期工作也可能疲劳断裂。 应力随时间变化图 【答案】√ 【解析】循环应力可造成累积损伤，低于屈服强度不能排除疲劳失效。 知识点6 疲劳强度与S-N曲线 【知识再现】疲劳强度表示材料在规定循环条件下抵抗疲劳破坏的能力，必须与循环次数条件一起理解。 【讲解】曲线描述循环应力与循环次数之间的关系。循环应力降低时，材料通常能承受更多循环次数。工程中以指定循环基数对应的中值疲劳强度作为评价指标，因此不能脱离材料类别、应力循环特征和循环基数孤立比较。 图2-8 循环应力与循环次数关系曲线 【易错提醒】S-N曲线的横轴是循环次数，循环应力—时间图的横轴是时间；疲劳强度必须说明循环基数与试验条件。 11. 【单选题】观察曲线，当循环应力降低时，材料一般可承受的循环次数（ ）。 应力与循环次数关系图 A. 始终为零 B. 无法与应力建立关系 C. 增加 D. 减少 【答案】C 【解析】曲线表明循环应力越低，发生疲劳断裂前可承受的循环次数通常越多。 12. 【单选题】比较两种材料的疲劳强度时，必须明确的条件是（ ）。 A. 材料颜色 B. 循环基数和应力循环特征 C. 运输方式 D. 零件名称 【答案】B 【解析】疲劳强度对应特定循环次数和应力循环条件，不能脱离这些条件比较。 知识点7 金属材料的工艺性能 【知识再现】工艺性能是金属材料在预定热加工和冷加工条件下，对加工成形的适应能力。 【讲解】工艺性能着眼于制造过程：铸造性能对应充型并获得合格铸件；锻造性能对应锻造成形的适应能力；焊接性能对应形成满足要求的接头；热处理性能对应加热、保温和冷却后获得预期组织与性能；切削加工性能可从刀具磨损、切屑和加工表面质量判断。硬度、韧性、疲劳强度则属于力学性能。 【易错提醒】工艺性能不是某一种单独的力学性能；判断时要看材料处于制造过程还是使用过程。 13. 【单选题】材料在铸造成形过程中充满型腔并获得合格铸件的适应能力属于（ ）。 A. 铸造性能 B. 导热性 C. 韧性 D. 疲劳强度 【答案】A 【解析】铸造性能反映材料对铸造加工条件的适应能力。 14. 【单选题】车削某材料时刀具磨损快、表面质量难保证，主要反映该材料的（ ）。 A. 疲劳强度 B. 铸造性能 C. 冲击韧性 D. 切削加工性能 【答案】D 【解析】刀具磨损、切屑形成和加工表面质量都与切削加工性能有关。 [环节4 背诵环节] 背诵条目（先遮盖答案背诵，再逐条核对） 1. 什么是硬度？ 【答案】硬度是金属材料抵抗外物压入的能力。 【解析】硬度反映软硬程度，并与耐磨性和切削加工性有关。 2. 布氏硬度试验的压头和测量量分别是什么？ 【答案】压头是硬质合金球，测量量是卸载后的压痕直径。 【解析】布氏硬度用HBW表示。 3. 洛氏硬度试验根据什么衡量硬度？ 【答案】根据残余压痕深度的增量衡量硬度。 【解析】深度增量越小，材料硬度越高。 4. 维氏硬度试验采用什么压头？ 【答案】相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头。 【解析】试验后测量压痕两条对角线的平均长度。 5. 什么是韧性？ 【答案】韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 【解析】承受冲击载荷的零件应重点考虑韧性。 6. 冲击吸收能量与韧性有什么关系？ 【答案】在相同试验条件下，吸收能量越大，材料韧性越好。 【解析】比较时必须保证试样和试验条件一致。 7. 什么是循环应力？ 【答案】大小或方向随时间发生周期性变化的应力。 【解析】轴、齿轮、连杆和弹簧常承受循环应力。 8. 什么是疲劳？ 【答案】金属在循环应力作用下产生局部累积损伤，经一定循环次数形成裂纹或发生断裂的过程。 【解析】疲劳断裂前通常没有明显塑性变形。 9. 典型疲劳断口由哪三部分组成？ 【答案】微裂源、扩展区和瞬断区。 【解析】三部分反映裂纹形成、扩展和最终断裂过程。 10. 理解疲劳强度时为什么必须说明循环基数？ 【答案】疲劳强度对应指定循环次数，脱离循环基数无法准确比较。 【解析】不同材料和试验条件采用的循环基数可能不同。 11. 什么是工艺性能？ 【答案】金属材料在预定热加工和冷加工条件下，对加工成形的适应能力。 【解析】工艺性能描述制造过程中的表现。 12. 常见工艺性能包括哪些？ 【答案】铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能。 【解析】应按加工方法区分各项性能。 [环节5 常考题（中档题）] 1. 【单选题】图示试验在相同球径、试验力和保持时间下测试两试样，甲的压痕直径小于乙，可判断（ ）。 压头与压痕示意图 A. 两者韧性相等 B. 无法比较两者硬度 C. 甲的布氏硬度较高 D. 乙的布氏硬度较高 【答案】C 【解析】同条件下压痕直径较小，表示材料较难被压入，布氏硬度较高。 2. 【单选题】某淬火零件的厚度、测量面和表面质量满足相应标尺要求，需快速直接读出硬度值，宜采用（ ）。 加卸载压痕变化示意图 A. 洛氏硬度试验 B. 布氏硬度试验 C. 疲劳试验 D. 冲击试验 【答案】A 【解析】洛氏硬度可直接读数，适合条件合适的淬火零件。 3. 【多选题】图中纵轴为冲击吸收能量，横轴为试验温度。根据曲线及使用条件，正确的有（ ）。 吸收能量与温度关系图 A. 应关注实际最低工作温度 B. 曲线测量的是压痕深度 C. 室温数据能直接代替所有低温数据 D. 低温时抗冲击能力可能下降 【答案】AD 【解析】存在韧脆转变的材料在低温时吸收能量可能显著下降，选材应核对实际工作温度下的数据。 4. 【多选题】图示疲劳断口中，关于裂纹扩展过程，正确的有（ ）。 零件断口示意图 A. 扩展区反映裂纹逐步长大 B. 三个区域必定同时形成 C. 裂纹只能在瞬断后形成 D. 扩展时有效承载截面减小 【答案】AD 【解析】疲劳裂纹逐步扩展使有效承载截面减小，最后剩余截面迅速断裂。 5. 【判断题】材料能否焊成满足要求的接头，反映的是工艺性能。 【答案】√ 【解析】焊接性能表示材料对焊接加工的适应能力。 6. 【填空题】图示曲线中，在指定循环基数处读取的应力指标用于评价材料的____。 应力与循环次数关系图 【答案】疲劳强度 【解析】该指标将循环应力与指定循环次数相联系。 [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. 【单选题】图示球压头试验会形成较大压痕。对下列检测任务，较适合的是（ ）。 压头与压痕示意图 A. 冲击吸收能量检测 B. 尺寸充足的退火钢坯检测 C. 禁止表面压痕的成品检测 D. 极薄镀层检测 【答案】B 【解析】布氏压痕较大，适合有足够尺寸、允许压痕的退火钢坯，可反映较大区域的平均性能。 2. 【单选题】按图示方法测试，忽略设备能量损失，摆锤冲击前势能300J、冲断试样后势能220J，则试样吸收能量为（ ）。 摆锤与缺口试样示意图 A. 220J B. 520J C. 80J D. 300J 【答案】C 【解析】按势能差计算：。 3. 【多选题】图中某类材料的吸收能量在低温侧明显较低。寒冷环境中承受冲击的构件，正确的选材思路有（ ）。 吸收能量与温度关系图 A. 核对工作温度下的冲击数据 B. 仅比较室温硬度即可 C. 同时满足强度和韧性要求 D. 硬度越高必然越安全 【答案】AC 【解析】低温工作需关注实际温度下的冲击性能，硬度不能代替韧性。 4. 【多选题】某轴长期受循环载荷后出现图示断口，应力低于屈服强度。合理的判断有（ ）。 零件断口示意图 A. 应检查裂源处是否存在应力集中 B. 可能发生疲劳断裂 C. 低于屈服强度能排除疲劳 D. 一定发生过一次严重静载超载 【答案】AB 【解析】循环应力可使裂纹从应力集中处逐步扩展，最终突然断裂。 5. 【判断题】材料在锻造中容易成形、较少出现裂纹，主要体现的是铸造性能。 【答案】× 【解析】该情境属于锻造过程，应对应锻造性能。 6. 【填空题】车削某批材料时，在相同加工条件下刀具磨损明显加快、表面质量难保证，反映该材料的____性能较差。 【答案】切削加工 【解析】刀具磨损和加工表面质量是评价切削加工性能的重要表现。 [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. 【单选题】图中压头的几何形状为（ ）。 压头与压痕形状示意图 A. 圆锥体 B. 圆柱体 C. 球体 D. 正四棱锥 【答案】D 【解析】维氏压头是正四棱锥体，不能与洛氏圆锥压头混淆。 2. 【单选题】图示方法不宜测量尺寸不足的极薄试样，主要因为（ ）。 压头与压痕示意图 A. 只能测液体 B. 没有施加试验力 C. 测量量是吸收能量 D. 压痕较大 【答案】D 【解析】布氏压痕较大，薄试样可能受支承条件或背面变形影响。 3. 【多选题】使用图示摆锤试验比较两材料韧性，应控制一致的条件包括（ ）。 摆锤与缺口试样示意图 A. 试样尺寸 B. 试验温度 C. 缺口形式 D. 试样在仓库中的货位编号 【答案】ABC 【解析】冲击能量比较受试样尺寸、缺口形式、试验温度等影响。 4. 【判断题】图中瞬断区是在裂纹不断扩展后，剩余截面不足以承载而快速断裂形成的。 零件断口示意图 【答案】√ 【解析】其形成晚于裂源及疲劳裂纹扩展过程。 5. 【多选题】关于材料性能的归类，正确的有（ ）。 A. 韧性属于力学性能 B. 热处理性能属于工艺性能 C. 铸造性能属于力学性能 D. 硬度属于工艺性能 【答案】AB 【解析】热处理性能描述加工适应能力；韧性属于力学性能。 6. 【填空题】图中曲线的横坐标N表示____；图示水平段对应的应力可用于评价材料的____。 应力与循环次数关系图 【答案】循环次数；疲劳强度 【解析】应把疲劳强度与规定的循环条件和循环基数联系起来。 [环节8 课堂小结] 复习建议：硬度：抵抗外物压入；布氏测直径，洛氏测残余深度增量，维氏测对角线。 试验选择：布氏适合尺寸足够的退火钢等；洛氏适合条件合适的淬火件；维氏可用合适试验力测表面层。 韧性：相同条件下，冲击吸收能量越大抗冲击能力越强；低温使用须关注冷脆转变。 疲劳：循环应力导致累积损伤；裂源、扩展区、瞬断区反映不同阶段。 疲劳强度：结合应力循环特征和指定循环基数理解曲线。 工艺性能：从铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工条件判断材料的适应能力。 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 $