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碳钢的性能和选用知识点 任务二 碳钢的性能和选用【知识要点】一、碳钢性能内涵物理性能强度拉伸试验测量（也可测量弹性和刚度）使用性能 化学性能 塑性 碳钢力学性能 硬度：压入试验法测量 的性铸造性 韧性：一次冲击试验法测量 能锻压性 疲劳强度：交变载荷试验法测量 工艺性能焊接性切削加工性 二、碳钢的力学性能1．碳钢的力学性能不仅是设计零件、选用材料时的重要依据，而且也是按验收标准来鉴定材料的依据以及对产品的工艺进行质量控制的重要参数。
2．拉伸试验是在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。
利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的伸长率、弹性模量、比例极限、断面收缩率、拉伸强度和其他拉伸性能指标。
拉伸试验所使用的是静载荷，拉伸曲线分为四阶段，具体见下。
3. 强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。
开始永久变形和断裂的点的位置在：σs σb强度的两个指标：屈服点σs ，抗拉强度σb 。
4．塑性是金属材料在（静）载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
拉伸曲线中K 点越右，塑性越好。
塑性指标：断后伸长率 、断面收缩率ψ5.硬度是金属材料在静载荷下抵抗其他更硬物质压入起表面的能力。
6.冲击韧度是金属材料在一次冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
用aK 表示，aK 值低的材料为脆性材料，aK 高的材料为韧性材料。
7.疲劳强度是金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。
三、碳钢的切削加工性1.切削加工金属材料的难易程度称切削加工性能。
2.通常是用硬度和韧性作为碳钢切削加工性能好坏的大致判断。
一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽然不高，但韧性大，切削也困难。
3．低碳钢的强度和硬度较低，塑性和韧性较好。
切削加工性不佳，正火处理可以改善其切削加工性。
4．中碳钢的强度、硬度比低碳钢高，切削性能良好。
5.高碳钢的强度、硬度高，而塑性、韧性差，切削加工性差，通过退火处理改善其切削加工性。
6．易切削钢是在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素的钢。
一般工程用铸造碳钢的牌号和化学成分牌 号元素最高含量(质量分数)(％)C ①SiMn ①SP残余元素⑦ Ni Cr Cu Mo V ZG200-400 O.20 0.50 O.80 0.04O.300.350.300.20O.05ZG230-450 O.30 0.500.90 O.04 O.30 O.35 0.30 0.20 O.05ZG270-500 O.40 ZG310-570 O.50 0.60ZC340-640 0.60①对上限每减少wc0.01％的允许增加WMn0.04％，对ZG200-400Mn 最高WMnl.00％， 其余四个牌号WMn 最高至1.20％。
②残余元素总量不超过1.00％，如需方无要求，残余元素可不进行分析。
(2)力学性能见表。
一般工程用铸造碳钢的力学性能牌 号屈服点ós或屈服强度óO.2／MPa抗拉强度 ób ／MPa伸长率δ (％)按合同规定断面收缩率 Ψ (％) 冲击吸收功 AK ／J冲击韧度 aK ／(J ／cm2)≥ZG200-400 200 400 25 40 30 60 ZG230-450 230 450 22 32 25 45 ZG270-500 270 500 18 25 22 35 ZG310-570 310 570 15 21 15 30 ZG340-640 3406401018lO20一般工程用铸造碳钢的特性和应用牌号主要特性应用举例ZG200_400 低碳铸钢，韧性及塑性均好，但强度和硬度较低，低温冲击韧度大，脆性转变温度低，导磁、导电性能良好，焊接性好，但铸造性差机座、电气吸盘、变速箱体等受力不大，但要求韧性的零件ZG230-450用于负荷不大、韧性较好的零件，如轴承盖、底板、阀体、机座、侧架、轧钢机架、箱体、犁柱、砧座等ZG270-500中碳铸钢，有一定的韧性及塑性，强度和硬度较高，切削性良好，焊接性尚可，铸造性能比低碳钢好应用广泛，用于制作飞轮、车辆车钩、水压机工作缸、机架、蒸气锤气缸、轴承座、连杆、箱体、曲拐ZG310-570 用于重负荷零件、如联轴器、大齿轮、缸体、气缸、机架、制动轮、轴及辊子ZG340-640 高碳铸钢，具有高强度、高硬度及高耐磨性，塑性韧性低，铸造、焊接性均差，裂纹敏感性较大起重运输机齿轮、联轴器、齿轮、车轮、阀轮、叉头。
钢材—含碳量对碳钢的组织和力学性能的影响含碳量少，一般组织由铁素体和珠光体组成，淬火后多为板条马氏体；低碳钢韧性大，硬度低，耐磨性差含碳量高，组织一般由渗碳体跟珠光体组成，淬火后多为片状马氏体；高碳钢脆性大，硬度高，耐磨性好一般碳的含量越高硬度越大，韧性降低！以下是各种钢的特点的一些简介：1碳钢碳钢也叫碳素钢，是含碳量wc小于2％的铁碳合金。
碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。
按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。
碳素结构钢又可分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种。
按含碳量可以把碳钢分为低碳钢(wc≤0.25％)，中碳钢(wc 0.25％一0.6％)和高碳钢(wc >O．6％)按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢(含磷、硫较高)、优质碳素钢(含磷、硫较低)和高级优质钢(含磷、硫更低) 。
一般碳钢中含碳量越高则硬度越高，强度也越高，但塑性降低。
2碳素结构钢这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275MPa。
若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含s、P的量依次降低，钢材质量依次提高。
若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F，’或“b”者为镇静钢。
例如Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-c表示屈服点为235MPa的c级镇静钢。
碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。
通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。
Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。
【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。
材料的常用力学性能有哪些材料的常用力学性能指标有哪些材料在一定温度条件和外力作用下,抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能.锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括:强度、硬度、塑性和韧性等.(1)强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力.强度指标是设计中决定许用应力的重要依据,常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb,高温下工作时,还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD.(2)塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力.塑性指标包括:伸长率δ,即试样拉断后的相对伸长量;断面收缩率ψ,即试样拉断后,拉断处横截面积的相对缩小量;冷弯(角)α,即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度.(3)韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力.韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值αk表示.Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外,还对材料的一些缺陷很敏感,能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化.而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感,低温冲击试验能检验钢的冷脆性.表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ,它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力.(4)硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标.硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完全一样.最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV),其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力.而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代表金属弹性变形功的大小.因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标.力学性能主要包括哪些指标材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征.性能指标包括:弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度.钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.金属材料的力学性能指标有哪些一:弹性指标1.正弹性模量2.切变弹性模量3.比例极限4.弹性极限二:强度性能指标1.强度极限2.抗拉强度3.抗弯强度4.抗压强度5.抗剪强度6.抗扭强度7.屈服极限(或者称屈服点)8.屈服强度9.持久强度10.蠕变强度三:硬度性能指标1.洛氏硬度2.维氏硬度3.肖氏硬度四:塑性指标1:伸长率(延伸率)2:断面收缩率五:韧性指标1.冲击韧性2.冲击吸收功3.小能量多次冲击力六:疲劳性能指标1.疲劳极限(或者称疲劳强度) 七:断裂韧度性能指标1.平面应变断裂韧度2.条件断裂韧度衡量钢材力学性能的常用指标有哪钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.1. 屈服强度钢材单向拉伸应力—应变曲线中屈服平台对应的强度称为屈服强度,也称屈服点,是建筑钢材的一个重要力学特征.屈服点是弹性变形的终点,而且在较大变形范围内应力不会增加,形成理想的弹塑性模型.低碳钢和低合金钢都具有明显的屈服平台,而热处理钢材和高碳钢则没有.2. 抗拉强度单向拉伸应力—应变曲线中最高点所对应的强度,称为抗拉强度,它是钢材所能承受的最大应力值.由于钢材屈服后具有较大的残余变形,已超出结构正常使用范畴,因此抗拉强度只能作为结构的安全储备.3. 伸长率伸长率是试件断裂时的永久变形与原标定长度的百分比.伸长率代表钢材断裂前具有的塑性变形能力,这种能力使得结构制造时,钢材即使经受剪切、冲压、弯曲及捶击作用产生局部屈服而无明显破坏.伸长率越大,钢材的塑性和延性越好.屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材的三个重要力学性能指标.钢结构中所有钢材都应满足规范对这三个指标的规定.4. 冷弯性能根据试样厚度,在常温条件下按照规定的弯心直径将试样弯曲180°,其表面无裂纹和分层即为冷弯合格.冷弯性能是一项综合指标,冷弯合格一方面表示钢材的塑性变形能力符合要求,另一方面也表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂等)符合要求.重要结构中需要钢材有良好的冷、热加工工艺性能时,应有冷弯试验合格保证.5. 冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用钢材断裂时所吸收的总能量来衡量.单向拉伸试验所表现的钢材性能都是静力性能,韧性则是动力性能.韧性是钢材强度、塑性的综合指标,韧性越低则发生脆性破坏的可能性越大.韧性值受温度影响很大,当温度低于某一值时将急剧下降,因此应根据相应温度提出要求.力学性能指标符号是什么?任何机械零件或工具,在使用过程中,往往要受到各种形式外力的作用.如起重机上的钢索,受到悬吊物拉力的作用;柴油机上的连杆,在传递动力时,不仅受到拉力的作用,而且还受到冲击力的作用;轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等.这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力.这种能力就是材料的力学性能.金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标.1.1.1 强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力.强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示,符号为σ,单位为MPa.工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度.屈服强度是指金属材料在外力作用下,产生屈服现象时的应力,或开始出现塑性变形时的最低应力值,用σs表示.抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下,被拉断前所能承受的最大应力值,用σb表示.对于大多数机械零件,工作时不允许产生塑性变形,所以屈服强度是零件强度设计的依据;对于因断裂而失效的零件,而用抗拉强度作为其强度设计的依据.1.1.2 塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力.工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率.伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率,用符号δ表示.断面收缩率指试样拉断后,断面缩小的面积与原来截面积之比,用y表示.伸长率和断面收缩率越大,其塑性越好;反之,塑性越差.良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件,也是保证机械零件工作安全,不发生突然脆断的必要条件.1.1.3 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力.硬度的测试方法很多,生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种.(一)布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头,在载荷P的作用下压入被测试金属表面,保持一定时间后卸载,测量金属表面形成的压痕直径d,以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值.布氏硬度指标有HBS和HBW,前者所用压头为淬火钢球,适用于布氏硬度值低于450的金属材料,如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等;后者压头为硬质合金,适用于布氏硬度值为450~650的金属材料,如淬火钢等.布氏硬度测试法,因压痕较大,故不宜测试成品件或薄片金属的硬度.(二)洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为f1.558mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头,以一不定的载荷压入被测试金属材料表面,根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值.常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压为600N时,用HRA表示.其测量范围为60~85,适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件.采用f1.588mm淬火钢球为压头,施加压力为1000N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为25~100,适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压力为1500N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为20~67,适于测量淬火钢、调质钢等.洛氏硬度测试,操作迅速、简便,且压痕小不损伤工件表面,故适于成品检验.硬度是材料的重要力学性能指标.一般材料的硬度越高,其耐磨性越好.材料的强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高.1.1.4 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性,用ak表示,单位为J/cm2.冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定,即把被测材料做成标准冲击试样,用摆锤一次冲断,测出冲断试样所消耗的冲击AK,然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性.ak值越大,则材料的韧性就越好.ak值低的材料叫做脆性材料,ak值高的材料叫韧性材料.很多零件,如齿轮、连杆等,工作时受到很大的冲击载荷,因此要用ak值高的材料制造.铸铁的ak值很低,灰口铸铁ak值近于零,不能用来制造承受冲击载荷的零件.低碳钢的力学性能指标低碳钢由于含碳量低,它的延展性、韧性和可塑性都是高于铸铁的,拉伸开始时,低碳钢试棒受力大,先发生变形,随着变形的增大,受力逐渐减小,当试棒断开的瞬间,受力为“0”,其受力曲线是呈正弦波>0的形状.铸铁由于轫性差,拉伸开始时,受力是逐步加大的,当达到并超过它的拉伸极限时,试棒断开,受力瞬间为“0”,其受力曲线是随受力时间延长,一条直线向斜上方发展,试棒断开,直线垂直向下归“0”.同样的道理:低碳钢抗压缩的能力比铸铁要低,当对低碳钢试块进行压缩实验时,受力逐渐加大,试块随外力变形,当试块变形达到极限时,其受力也达到最大值,其受力曲线是一条向斜上方的直线.铸铁则不然,开始时与低碳钢受力情况基本相同,只是当铸铁试块受力达到本身的破坏极限时,受力逐渐减小,直到试块在外力下被破坏(裂开),受力为“0”其受力曲线与低碳钢拉伸时的受力曲线相同.以上就是低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时力学性质的异同点.简述常用力学性能指标在选材中的意义?钢材常见的力学性能通俗解释归为四项,即:强度、硬度、塑性、韧性.简单的可这样解释:强度,是指材料抵抗变形或断裂的能力.有二种:屈服强度σb、抗拉强度σs.强度指标是衡量结构钢的重要指标,强度越高说明钢材承受的力(也叫载荷)越大;硬度,是指材料表面抵抗硬物压人的能力.常见有三种:布氏硬度HBS、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV.硬度是衡量钢材表面变形能力的指标,硬度越高,说明钢的耐磨性越好;即不容易磨损;塑性,是指材料产生变形而不断裂的能力.有两种表示方法:伸长率δ、断面收缩率ψ.塑性是衡量钢材成型能力的指标,塑性越高,说明钢材的延展性越好,即容易拉丝或轧板;韧性也叫冲击韧性,是指材料抵抗冲击变形的能力,表示方法为冲击值αk.冲击韧性是衡量钢材抗冲击能力的指标,数值越高,说明钢材抵抗运动载荷的能力越强.一般情况下,强度低的钢材,硬度也低,塑性和韧性就高,例如钢板、型材,就是由强度较低的钢材生产的;而强度较高的钢材,硬度也高,但塑性和韧性就差,例如生产机械零件的中碳钢、高碳钢,就很少看到轧成板或拉成丝.＂钢材的主要力学性能指标有哪些(1)拉伸性能反映建筑钢材拉伸性能的指标,包括屈服强度、抗拉强度和伸长率.屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据.抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)是评价钢材使用可靠性的一个参数.强屈比愈大,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,安全性越高;但强屈比太大,钢材强度利用率偏低,浪费材料.钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能,称为塑性.在工程应用中,钢材的塑性指标通常用伸长率表示.伸长率是钢材发生断裂时所能承受永久变形的能力.伸长率越大,说明钢材的塑性越大.试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分比即为断后伸长率.对常用的热轧钢筋而言,还有一个最大力总伸长率的指标要求.预应力混凝土用高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点,抗拉强度高,无明显的屈服阶段,伸长率小.由于屈服现象不明显,不能测定屈服点,故常以发生残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度,称条件屈服强度,用σ0.2表示.(2)冲击性能冲击性能是指钢材抵抗冲击荷载的能力.钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击性能有明显的影响.除此以外,钢的冲击性能受温度的影响较大,冲击性能随温度的下降而减小;当降到一定温度范围时,冲击值急剧下降,从而可使钢材出现脆性断裂,这种性质称为钢的冷脆性,这时的温度称为脆性临界温度.脆性临界温度的数值愈低,钢材的低温冲击性能愈好.所以,在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材.(3)疲劳性能受交变荷载反复作用时,钢材在应力远低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏.疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的,所以危害极大,往往造成灾难性的事故.钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关,一般抗拉强度高,其疲劳极限也较高.硬度硬度，物理学专业术语，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
12第二章 材 料一、教学目标及基本要求熟悉各种钢材的力学性能，并能根据金属结构设计对材料的要求做出正确的选择。
二、教学内容的重点及难点重点：了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及影响因素，材料的类别和特征以及相关国家和行业标准。
理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合，环境温度、工作级别对材料的影响度，设计组合截面时配置材料的原则。
难点：掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准表示方法及考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法三、教学方式与手段课堂讲授，启发式教学。
四、教学内容的深化与拓宽推荐与相关现代结构设计方法相关的参考书。
第一节 钢材的力学特性及影响因素一、钢材的力学性能1． 静强度特性（1）比例极限p σ（2）屈服点s σ（3）抗拉强度b σ 疲劳强度特性疲劳破坏——钢材在连续变化载荷作用下，开始是其组织发生晶粒间的滑移使材料强度降低而丧失继续抵抗外载荷的能力，继而转变为个别晶粒的撕裂而出现裂纹，在连续变化载荷继续作用下，钢材的裂纹扩展加速直至断裂。
疲劳强度——钢材疲劳破坏之前所能承受的最大应力，即在钢材的标准试件上施加一定循环特性的等幅（交变r = -1或脉动r = 0）应力，由实验得到经过N 次循环后不发生疲劳破坏的最大应力。
σ -N 曲线——根据一定循环特性实验得到的不同疲劳强度σ与相应循环次数N 而绘制的相关曲线，称为材料的疲劳特性σ -N 曲线（图2-2）。
当循环次数N ≤103时，相应于σ -N 曲线的AB段，极限应力s σ基本不变，因此可按静强度计算。
当循环次数N=103∼104时，相应于σ -N 曲线的BC段，由于材料试件破坏时已伴随着塑性变形，此阶段的疲劳现象称为应变疲劳。
因该阶段循环次数较少又称为低周疲劳。
当循环次数N ≥104时，相应于σ -N 曲线的CD 段图2-1碳素结构钢材受拉的σ-ε曲线图2-2 钢材的疲劳特性σ -N 曲线13和D 点以下的曲线所代表的疲劳，统称为高周疲劳，并分为无有限寿命区和限寿命区。
【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，试件的伸长显着增加，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，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从布氏硬度表中查出HB值。
缺点：被测材料太硬，会使钢球明显变形，故只能在硬度值小于HB450的材料上得到清晰压痕。
且试样须经表面准备、打磨，较费时。
应用范围：布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理后钢材的硬度，如半成品和原材料。
不宜测定太硬、太小、太薄的工件。
②洛氏硬度（HR）试验方法：用一个顶角为120度的金刚石圆锥体在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。
优点：洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小。
缺点：对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。
应用范围：测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，改用洛氏硬度计量。
③维氏硬度（HV）试验方法：以~的负荷,将相对面夹角为138°的方锥形金刚石压入材料表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。
维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。
优点：维氏硬度试验力小（常用），压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（～），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接比较。
缺点：试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。
适用范围：维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度。
4.韧性师：什么叫做韧性生：韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
师：韧性能表示一种材料的什么性能呢生：可用来衡量金属料抵抗冲击载荷的能力。
韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。
师：衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度a k来表示。
冲击韧度是通过冲击试验来测定的。
a k值低的材料称为脆性材料， ak值高的材料称为韧性材料。
5.疲劳强度①许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。
如：轴、齿轮、弹簧等。
承受交变载荷的构件将产生循环应力。
循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。
②师：人长时间工作后会觉得疲劳，金属材料也是如此，那么什么叫做金属材料的疲劳呢生：在交变载荷作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力循环作用后，也会产生裂纹或突然发生脆性断裂，这种现象叫做疲劳。
师：大家觉得在工程结构中，疲劳可能带来什么后果呢生：由于疲劳不易发现，机械零件发生疲劳破坏前往往没有预兆，因此疲劳破坏常常会造成重大事故。
③师：疲劳性能可通过疲劳试验测出，主要设备为疲劳试验机，经过试验可以将试验数据整理成线图，即为疲劳曲线。
试验证明，当应力低于某一数值时，材料可经过无数次循环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳强度。
在工程上，疲劳强度指材料在交变载荷作用下经受无限多次循环而不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
④师：那么有什么措施可以提高工件的疲劳强度呢合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等，可以提高工件的疲劳强度。
四、教学小结1.碳钢常见力学性能的含义及其衡量指标；2.拉伸试验的原理、过程，常见的硬度测试方法及其指标；3.常见类型碳钢及其力学性能特点。
五、课堂练习练习册P4 第一题、基础知识；第二题、能力拓展1（必做）能力拓展2、3（选做）六、板书设计碳钢的力学性能：1.强度与拉伸试验2.塑性3.硬度4.韧性5.疲劳强度七、教学反思本节课的教学内容中，碳钢常见力学性能的含义及其衡量指标部分在学生自学的基础上，以学生总结和分析为主，教师再结合各指标相应试验分析，最后进行概括总结，基本达到教学目标。
拉伸试验的原理、过程，常见的硬度测试方法及其指标部分，则以教师讲解和多媒体展示图片、动画为主，再通过学生的练习、展示，发现问题，进而有针对性的解决、击破。
整节课教学目标基本达成。
