碳钢的力学性能

【课题】了解碳钢的力学性能（授课人：王竞男）

【授课类型】理论课

【教学目标】

【知识与技能目标】

1.了解碳钢常见的力学性能：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的含义及其衡量指标；

2.了解拉伸试验的原理、过程，常见的硬度测试方法及其指标；

3.进一步理解常见类型碳钢及其力学性能特点。

【过程与方法目标】

1. 通过学习碳钢常见的力学性能及其衡量指标，理解力学性能对碳钢应用的重要影响；

2. 通过学习拉伸试验的原理、观看拉伸试验过程的视频，了解碳钢强度、塑性衡量指标

的来源和含义；

3. 了解硬度测试方法和类型，能根据材料类型初步选择合适的硬度。

【情感态度与价值观目标】

1.通过对材料的拉伸试验、硬度测试方法的学习，形成科学严谨的学习态度；

2.通过对碳钢的力学性能与其衡量指标的学习，懂得方法的选择以合适、恰当为最好。

【教学重点】1. 碳钢常见的力学性能：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度的含义及其衡量指标；

2. 拉伸试验过程和硬度测试方法。

3. 常见类型碳钢及其力学性能特点。

【教学难点】常见类型碳钢及其力学性能特点。

【教学方法】

学情分析：学生已经对碳钢及其成分有了一定的认识，但对碳钢力学性能及其衡量指标缺乏系统的认知，且由于学生在力学相关的物理学科知识方面基础薄弱，所以在学习力学性能部分时，应联系生活、生产中生动形象的实际例子帮助学生理解。

教法：读书指导法、问题引导法、小组讨论法

学法：以自学法为主，配合讨论法

【教学用具】多媒体设备及多媒体课件

【教学时间】2课时（90分钟）

【教学过程】

一、新课导入（7分）

师：同学们，本节课我们将进一步深入学习和了解碳钢的力学性能。假如你已经步入工作岗位，现在需要为一批订单选购适于数控车削的原材料，那么你会从哪些方面来挑选请简要说明原因。下面给大家半分钟思考时间，然后分别请几位同学为大家举例。

生：材料的软硬程度，这将决定其是否适宜车削加工……

师：碳钢之所以获得广泛应用，是由于它具有良好的力学性能。碳钢的力学性能不但是设计零件、选用材料的重要依据，而且也是按验收标准来鉴定材料的依据以及对产品工艺进行质量控制的重要参数。

下面，就让我们进入到今天这节课的学习——碳钢的力学性能。

二、明确目标

结合PPT展示，明确本节课的学习目标和学习重、难点，让学生将任务了然于胸。

三、讲授新课

1.强度与拉伸试验

（1）强度的含义

师：哪位同学能从课本上找到强度的含义并为大家响亮地读出来

生：强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

师：下面让我们来一起学习和理解强度的含义，你们认为这则定义的关键词有哪些

生集体回答：静载荷、永久变形

师：何谓静载荷呢静载荷：构件所承受的不随时间而变化的外力。

师：什么又叫做永久变形永久变形：外力去除后不可恢复的变形，相对的叫做弹性变形。

师：谁能举些永久变形或断裂的的例子呢

生：折弯的钢管、断裂的路面、折断的粉笔……

（2）内力与应力

师：那么，我们如何来衡量一种材料的强度呢这就要用到内力与应力的知识。

①内力

当一个结构受到外力作用时，其内部各质点之间的相互作用会发生改变, 产生一种抵抗外力与变形的力，称为内力。

②应力

应力是构件的单位横截面上所产生的内力。

公式：σ= F/s 【F—内力，N;s—受力面积，m2；σ—应力，Pa】

师：那么应力对于材料的强度有何作用呢

当应力达到某一极限值（许用应力）时，材料就会遭到破坏。

③拉伸试验

师：根据外力作用性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。工程中常用的是屈服强度和抗拉强度。通过拉伸试验可以测定屈服强度和抗拉强度。

拉伸试验机在试验过程中可以绘制出施加的载荷与试件变形量的线图，称为拉伸曲线。

第Ⅰ阶段：弹性变形阶段（OE段）

试件受力后，长度增加，产生变形，这时如将外力卸

去，试件工作段的变形可以消失，恢复原状。此类变形称

为弹性变形，故称此阶段为弹性变形阶段。此阶段，曲线

呈直线状。

第Ⅱ阶段：屈服阶段（ES段）

弹性变形阶段后，试件的伸长显著增加，但外力却在

小范围内上下波动。外力不需增加，变形却继续增大，这

种现象称为屈服。屈服阶段中拉力波动的最低值称为屈服

载荷，用F s表示。所对应的应力称为屈服极限，用σs表

示。此阶段，曲线出现波动。

第Ⅲ阶段：强化阶段（SB段）

屈服阶段后，需加大外力，才能继续增加变形，试件对变形的抵抗能力又获得增强，力与变形是非线性的关系。此阶段称为强化阶段。

第Ⅳ阶段：颈缩阶段（BK段）

当拉力继续增大到某确定数值时，试件某处突然逐渐局部变细，形同细颈，称颈缩现象。颈缩出现前，试件所能承受的拉力最大值，称为最大载荷，用F b表示。所对应的应力称为强度极限，用σb表示。此阶段，曲线单调下降。

2.塑性

师：根据你们的自学，什么叫做塑性

生：塑性是指金属材料在给定载荷作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。

师：当某种材料制成的构件由于塑性较低产生永久变形后，其常见的变化都有哪些

生：金属材料在受到拉伸产生变形时，长度和横截面积都要发生变化。

师：有哪些衡量指标来衡量一种材料塑性的高低呢

生：金属材料的塑性可以用材料的断后伸长率δ和断面收缩率ψ两个指标来衡量。

师：那么下面让我们来学习一下什么叫做断面伸长率δ和断面收缩率ψ

断后伸长率δ：试件拉断后，工作段的残余伸长量Δl=l0-l1与标距长度l0的比值，代表试件拉断后塑性变形程度，称为材料的伸长率，用δ表示。

即

断面收缩率ψ：试件断口处横截面面积的相对变化

率称为断面收缩率，用ψ表示，即

师：根据对上面两个指标的学习，你觉得断面伸长率δ和断面收缩率ψ与材料的塑性高低有何关系

生：金属材料的断面伸长率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不被破坏。

师：工程上通常把常温、静载下伸长率大于5%的金属材料称为塑性材料，如低碳钢；而把伸长率小于5%的金属材料称为脆性材料，如灰口铸铁等。

3.硬度

师：根据你们的自学，什么叫做硬度

生：硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是衡量材料软硬程度的指标。

师：硬度是由硬度计测试出来的，你们知道常用的硬度标准有哪些吗

生：有布氏硬度和洛氏硬度。

师：常用的硬度标准有很多，最常用的三种除了布氏硬度和洛氏硬度还有维氏硬度，下面就让我们来学习这三种硬度标准的测试方法和应用范围。

①布氏硬度（HB）

测试方法：用一定大小的试验力P，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入

被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d，然