第二章金属材料的性能
河北省技工学校 教师课时授课计划
表5—1
学校：唐山劳动技师学院 授课序号
● 课时安排： 2课时（90分钟） ● 教学方法： 讲授、举例、探究、提问 ● 相关知识复习：（5分钟）
1、常见金属举例？
2、常见金属的应用，为什么？
● 引入新课：（10分钟）
我们常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。例如拧断的钥匙、弯曲的自行车辐条、滑扣的螺栓等。损坏的主要原因是因为材料的实际使用性能达不到要求所致。 ● 新课内容：
第二章 金属材料的性能
是设计的主要依据，是选择加工方法、正确刃磨刀具，合理选择切削用量的重要保证。 物理性能 使用性能化学性能 性能力学性能 工艺性能
使用性能：金属材料使用条件下表现出来的性能。 工艺性能：金属材料在制造工艺过程中适应加工的性能。 变形 损坏形式断裂 磨损
§2-1金属材料的损坏与塑性变形
一、与变形相关的几个概念（20分钟）
1、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
以提问的形式考察同学们上次课的掌握。
通过案例，引出新课
讲授金属材料的性能，损坏形式
静载荷
载 荷冲击载荷 （作用性质）交变载荷
1）静载荷：大小不变或变化缓慢的载荷。 例：吊重物
2）冲击载荷：指短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 例：锻件所受外力
3）交变载荷：指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 例：齿轮受力
拉伸载荷
压缩载荷 载 荷弯曲载荷 剪切载荷 扭转载荷
2、内力：材料内部作用着与外力相对抗的力。 3、应力：单位面积上的内力。 R=F/S
R ：应力。单位：Pa 。 1 Pa=1N/㎡ 1MPa =106 Pa=1N/㎜2 F ：外力(N) S: 横截面积(㎡) 二、金属的变形
1）分类：弹性变形、塑性变形
弹性变形 ：随载荷的去除而消失的变形。 塑性变形：不能随载荷的去除而消失的变形。 注：金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。
举实例讲解各种载荷
利用板图讲解
举实例讲解，理解两种变形
塑性变形后金属的组织和性能发生变化。 2）影响塑性变形的因素： 1、晶粒位向的影响
多晶体中由于各个晶粒的位向不同，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形抗力。 2、晶界的作用
晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。 3、晶粒大小的影响
晶粒数目越多，晶界越多，晶粒越细，并且不同位向的晶粒越多，塑性变形抗力越大。
三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
金属材料发生外形变化同时，晶粒形状也发生变化，同时晶粒内部位错密度增加，晶格畸变加剧。
加工硬化：金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。
形变强化是一种重要的强化手段，对不能用热处理强化的金属尤为重要。
塑性变形除了影响力学性能外，还会使金属物理性能和化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、耐腐蚀性能降低等。 ● 课堂小结：（10分钟） 本次课主要讲述了：
1、金属材料的性能，损坏形式。 2、与变形相关的几个概念。 3、金属的变形。
4、金属材料的冷塑性变形与加工硬化
● 布置作业：（5分钟）
依托上次课内容，探究影响塑性变形的因素
举实例说明什么是加工硬化现象及形变强化在实际中的应用
概述本次课内容，加深理解
1、机械零件的损坏形式有哪些？
2、什么是载荷？根据性质不同可分为哪几种？ 习题册：
一、1-2，11-15 二、1，14-18
布置作业加深加深记忆
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表5—1
学校：唐山劳动技师学院 授课序号
● 课时安排： 2课时（90分钟） ● 教学方法： 讲授、举例、探究、提问 ● 旧课复习：（5分钟）
1、机械的损坏形式有哪几种？ 2、载荷的分类
● 引入新课：（10分钟）
机械零件或工具在使用过程中往往要受到各种形式外力的作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。
● 新课内容：
§2-2 金属的力学性能（1）
力学性能：是指金属在外力作用下所表现出来的性能。 包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等 一、强度
① 概念：金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力来表示。 ② 分类
抗拉强度 抗压强度
强 度 抗弯强度
抗扭强度
通常以抗拉强度代表材料的强度指标。 1、拉伸试样：
形状：矩形、圆形、六方等形状。一般有圆形和矩形。 Do ：直径 Lo ：标距长度 长试样：Lo=10do 短试样：Lo=5do
通过简单提问 检查上次课知识点的掌握情况
通过分析机械零件受力，引出力学性能
讲授什么是力学性能
举例说明什么是强度
画板图说明
2、力—伸长曲线
纵坐标表示力F ，单位N ；横坐标表示伸长量△L ，单位为mm 。
画图分析
低碳钢的力－伸长曲线
（1）oe ：弹性变形阶段：
试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe 为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。 （2）es ：屈服阶段：
不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs 称为屈服载荷 （3）sb ：强化阶段：
随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb ：试样拉伸的最大载荷。 （4）bz ：缩颈阶段（局部塑性变形阶段）
当载荷达到最大值Fb 后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。
工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如
铸铁等。 3、强度指标： （1）屈服点：
在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。
用符号σs 表示 ，计算公式：σs=Fs/So
对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：σ
0.2=F0.2/So
屈服点σs 和规定残余伸长应力σ0.2
都是衡量金属材料
塑性变形抗力的指标。
材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。 （2）抗拉强度
材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb 表示。计算公式为：σb=Fb/So
零件在工作中所承受的应力，不于允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。
● 课堂小结：（10分钟） 本次课主要讲述了：
1、强度的概念及衡量指标。 2、强度的符号及含义。
● 布置作业：（5分钟）
1、金属的力学性能？ 2、什么是强度？强度指标？ 习题册：
习题册P5 一、2-5四、1-2
通过板图讲解
小结课程内容
布置作业加深理解记忆
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学校：唐山劳动技师学院 授课序号
● 课时安排： 2课时（90分钟） ● 教学方法： 讲授、举例、探究、提问 ● 旧课复习：（5分钟）
1、强度的概念？ 2、强度指标？
● 引入新课：（10分钟）
金属材料在制作工件的过程中，都要发生一定量的塑性变形，金属材料发生塑性变形的衡量指标是本次课所讲的主要内容。
● 新课内容：
§2-2 金属的力学性能（2）
二、塑性(20分钟)
1、定义：断裂前金属材料产生永久变形的能力。 塑性由拉伸试验测得，常用伸长率和断面表示。 1）伸长率：
试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用A 表示：
A=（L u －L 0）／L 0×100%
L 0：原始标距长度；L u ：拉断后标距长度。 2）断面收缩率：符号Z
试样拉断后，缩颈处截面积的缩减量与原始截面积的百分比。 Z=（S 0－S u ）／S 0×100%
S 2
2
0：原始横截面积，mm ；S u ：缩颈处截面积，mm 。
金属材料的伸长率A （δ）和断面收缩率Z （ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。 2、塑性的意义：
（1）塑性好的金属可发生大量塑性变形而不破坏，易制成形状复杂零件。
通过简单提问 检查上次课知识点的掌握情况
通过分析机械零件受力，引出塑性
讲授塑性的概念 画图说明 画图说明 举实例
（2）塑性好的材料，受力过大时，首先产生塑性变形而不致突然断裂，因此会比较安全。 三、硬度：（40分钟）
硬度：材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。 1、布氏硬度：
（1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力， 用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。 符号：HBS （W ） HBS-----钢球 HBW-----硬质合金球 布氏硬度有单位，一般不不标出。 HBS （HBW ）=0.102
2F
πD -D -D 2
实际中，布氏硬度不计算，量出压痕直径查表。
（2）布氏硬度的表示方法：布氏硬度值、硬度符号、压头直径、试验力、保持的时间（10~15S不标注）。 例：170 HBW 10/1000/30
表示用直径10 mm的钢球，在1000Kgf （9807N ）的试验力作用下，保持30S 的时间测得的布氏硬度值为170。
（3）应用范围及优缺点：测定灰铸铁、有色金属各种软钢等硬度不是很高的材料。
优点：能准确反映出金属材料的平均性能。
缺点：操作时间长，压痕测量较费时。不适于高硬度材料，压痕大，不能对成品和薄壁件测试。 注：钢球--------材料硬度必须小于450 硬质合金球-------材料硬度必须小于650
举例引出硬度的概念
用挂图分析
举例说明
举实例
2、洛氏硬度： （1）测试原理：
采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后撤去主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。
表示符号：HR （2）标尺及其适用范围：
每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR 后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A 、B 、C 三种，其中C 标尺应用最为广泛。
不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。 表示方法：符号HR 前面的数字表示硬度值，HR 后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。 （3）优缺点：
优点：①操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；
②压痕小，可测成品及较薄工件；③测硬度范围大。
缺点：数值波动大，许多次测量取平均值 3、维氏硬度（HV ） （1）测试原理：
采用金刚石四棱锥压头，测量压痕对角线长度，查维氏硬度数值表得出硬度值。 （2）优缺点：
优点：测量范围宽，准确，压痕小。 缺点：压痕小，对试件表面质量要求高。 4、里氏硬度
是基于一种相当简单的物理动态硬度检测原理。通过
用挂图说明
举实例说明
弹簧力将带有硬金属压头的冲击体推向试样表面，当冲击体撞击检测表面时会使表面产生变形，这将导致动能的损耗。
举生产实例讲解 通过据表面某一准确距离处测得的冲击和回弹速度计算出能量损耗，冲击体内部的永久磁铁在冲击装置的单线圈中产生一个感应电压，信号的电压与冲击体的速度成比例，经过电子技术处理的信号提供硬度读数供显示和储存。 ● 课堂小结：（10分钟） 本次课主要讲述了：
1、塑性的概念，表示。
2、硬度的概念，布氏硬度，洛氏硬度。
● 布置作业：（5分钟）
3、什么是塑性？用什么表示？
4、硬度的概念？布氏硬度、洛氏硬度的测试原理？
总结本次课内容
布置作业加深记忆
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● 课时安排： 2课时（90分钟） ● 教学方法： 讲授、举例、探究、提问 ● 旧课复习：（5分钟）
1、塑性的概念？塑性的表示？
2、硬度的概念？布氏、洛氏硬度测量原理？
● 引入新课：（10分钟）
锻件在工作过程中经常承受冲击载荷的作用，这些工件的力学性能指标如何衡量？本次课主要解决的问题。 ● 新课内容：
§2-2 金属的力学性能（3）
四、冲击韧性（30分钟）
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。 常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。 1、冲击试样：
U 形试样：10mm*10mm*5mm V 形试样：１0mm*10mm*55mm 2、冲击试验的原理及方法：
原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。
冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。 3、小能量多次冲击试验
实践表明：一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反过来也一样。
例：大功率柴油机曲轴――――孕育铸铁αk =０
实践证明：金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。 五、疲劳强度：（30分钟）
通过简单提问 检查上次课知识点的掌握情况 举例说明 利用挂图 举例说明
举生产实例
交变应力：随时间作周期性变化的应力。 讲解
疲劳：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服
点。经长时间工作后产生裂纹或突然发生断裂的现象。
2. 疲劳破坏的特征
ａ：明显的宏观的塑性变形，断裂前没有预兆，突然破坏。
ｂ：裂的应力很低，常低于材料的屈服点。
总结本次课
ｃ：宏观端口由两部分组成，疲劳裂纹的策源地及扩展区和断内容
裂区。
3. 疲劳断裂产生的原因：
材料表面或内部有缺陷，局部应力大于屈服点。
应力循环次数增加，裂纹扩展。 布置作业加
深记忆
受载面积减小到一定程度而断裂。
● 课堂小结：（10分钟）
本次课主要讲述了：
1、冲击韧性的概念。
2、疲劳强度的概念
● 布置作业：（5分钟）
习题册P6 三、2 ，5五、5,6
1．疲劳概念：（机械零件80％的破坏属疲劳破坏。）
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1、冲击韧性的衡量指标？ 2、疲劳的概念？
● 引入新课：（10分钟）
金属材料要有良好的力学性能，还必须有良好的工艺性能，才能使生产工艺简单，制造成本低廉，最后生产出质量良好的工件。 ● 新课内容：
§2-3 金属的工艺性能
工艺性能：指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。
铸造性能
锻造性能
工艺性能焊接性能
切削加工性能 热处理性能
一、铸造性能（20分钟）
定义：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力。 衡量指标：流动性，收缩性和偏析倾向。 1、流动性：
熔融金属的流动能力。
影响因素:金属化学成分和浇注温度等。
流动性越好，铸造性越好。铸件外形完整，尺寸精确，轮廓清晰。 2、收缩性：
铸件在凝固和冷却过程中，其尺寸和体积减小的现象。
通过简单提问检查上次课知识点的掌握情况 举例说明
举实例说明
收缩影响尺寸精度，产生缩孔，疏松，内应力，变性和开裂等缺陷，收缩率越小越好。 3、偏析倾向：
金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象。 偏析严重时，铸件化学性能差异很大，降低铸件质量。 二、锻造性能（10分钟）
用锻压成形方法获得优良铸件的难易程度。 锻造性能的好坏主要同金属塑形及变形抗力有关。 塑性越好，变形抗力越小，金属锻造性能越好。
黄铜及铝合金室温下良好的锻造性能；碳钢加热状态下锻造性能良好；铸铁不能做锻件。 三、焊接性能：（10分钟）
指金属材料对焊接加工的适应性能。
低碳钢的焊接性好，高碳钢、铸铁焊接性能差。（碳的影响最大） 含C 量，合金元素↑焊接性↓ 四、切削加工性（15分钟） 切削加工金属材料的难易程度。
切削加工性能一般由切削速度，切削抗力，断屑能力，刀具寿命，表面粗糙度等衡量。
影响因素：工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性和变形强化等。170~230HBS适合切削 硬度↓塑性↑粘刀↑表面粗糙度↓刀具寿命↓ 硬度↑塑性↓消耗功率↑切削热↑刀具寿命↓ 铸铁优于钢材；碳钢优于高合金钢。
改善的重要途径：改变化学成分和适当热处理。 五、热处理性能（5分钟）
热处理能改善钢的切削加工性，改善材料的力学性能。
举例说明 举例说明
利用挂图多媒体讲解
淬透性 （获得淬硬层的深度 淬硬性 （硬化能力）
热处理过热敏感性 （奥氏体晶粒急剧长大的敏感性） 变形开裂倾向
回火脆性倾向 （回火后韧性下降的特性） 氧化脱碳倾向 含C ↑淬硬性↑变形开裂性↑ ● 课堂小结：（10分钟） 本次课主要讲述了：
1、金属材料工艺性能的概念。 2、工艺性能包括的内容。 1）铸造性能的概念 2）锻造性能的概念 3）焊接性能的概念 4）切削加工性能的概念 5）热处理性能的概念
● 布置作业：（5分钟）
1、什么是金属的工艺性能？ 2、它包括哪些内容？
举实例说明 利用挂图讲解
总结本次课内容
布置作业加深记忆