金属材料的力学性能(冲击韧度、疲劳强度).doc

山东省轻工工程学校教案
11/12学年 第2学期 课程名称：金属工艺学 任课教师：郑晓庆 15
班级
12大专数控4

周次
周节次

日期

讲授章节
.1金属材料的力学性能（冲击韧度、疲劳强度）
教学目标
1. 了解冲击韧度实验
2. 掌握疲劳强度的概念和提高疲劳强度的途径
重点难点
冲击试验
教具
多媒体
课型类型
新 授
时
间
分
配
组织教学
2分
复习旧课
8分
讲授新课
45分
教学方法
讲授法
巩固新课
20分
布置作业
5分
复习
内容

教师授课内容与过程
学生活动内容
【组织教学】：检查班级出勤人数
【新授新课】： 疲劳概论
一、什么是疲劳
国际标准化组织（ISO）推荐的“金属疲劳试验总则”中对疲劳是这样描述的：由于反复施加的应力和应变，金属材料中可能产生的性质上的变化通常能引起断裂或破坏。这段话虽然是针对金属材料而言的，但它对非金属材料也是适用的。材料的疲劳破坏是指材料在低于其强度极限的交变应力（或应变）的反复作用下，发生裂纹萌生和扩展，最终导致突然断裂的一种失效形式。
疲劳破坏的事例
工程设备中，构件的疲劳破坏高达70%~90%,小到螺丝钉的断裂，大到桥梁倒塌、飞机折断、钻井平台倾覆，都有疲劳破坏的先例。
1954年英国彗星式喷气客机（最早的喷气客机）从高空坠毁，事故是由于飞机压力舱疲劳破坏所引起。
1967年美国西弗吉尼亚州的 Point Pleasant大桥在没有任何预兆的情况下突然断裂。
1980年北海“亚历山大”钻进平台倾覆。
1988年美国一架客机在航行中被掀去座舱的顶部。
2003年台湾华航波音747客机在南海坠毁。

二、 疲劳的特征
构件的疲劳破坏与静强度破坏相比有着质的区别，它有如下主要特征：
（1） 构件承受的必须是交变载荷，而且在交变载荷作用下，构件有可能在承受远小于其强度极限的应力条件下发生突然断裂。
（2） 无论是塑性材料还是脆性材料，材料的断裂在宏观上表现为脆性断裂。
（3） 疲劳破坏是由载荷的损伤引起的，这种损伤不是有一个载荷单独提供，而是由每一个交变载荷所造成的损伤累积起来的，这种损伤累积有时需要经历很长的时间。
（4） 疲劳破坏发生在局部的危险点上，这种危险点除可能由于应力特别大之外，还可能由于温度、截面形状变化非常大，或材料内部缺陷等原因产生。
（5） 疲劳破坏的断口在宏观上和微观上都不同于静强度破坏。
三、 疲劳断裂过程
疲劳断裂过程大致可以分为以下三个阶段，即裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和最终断裂阶段。
五、 疲劳的分类
i. 机械疲劳--- 构件在交变机械载荷作用下所引起的疲劳失效。
高周疲劳-----承受大于10的5次方次载荷。又称应力疲劳。
低周疲劳-----承受小于10的5次方次载荷。又称应变疲劳。
ii. 热疲劳----由于温度的循环变化引起构件内应力变化并产生疲劳破坏。
区分热疲劳与温度对疲劳影响的关系。
iii. 腐蚀疲劳
构件在腐蚀介质和循环载荷共同作用下而出现的脆性断裂。

六、 疲劳分析方法的应用

a) 用于工程设计
i. 无限寿命设计
ii. 安全寿命设计（有限寿命设计）-----保证构件在一定的使用时期内不出现任何疲劳缺陷，超出这个时期设备可能被更换或报废。
iii. 损伤-安全设计（失效安全设计）----在保证安全的前提下允许疲劳损伤出现，但在裂纹被检测或进行修理之前，出现的裂纹不会导致整个结构的破坏。
iv. 损伤-允许设计-----是上一种方法的改进，认为构件中的裂纹是存在的，用断裂力学和试验的方法鉴定这些裂纹是否在定期检查前扩展到造成破坏的程度。
b) 用于设备维修
c) 用于事故分析
材料的冲击实验
概述
衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度,不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段.这是因为它对材料的品质、宏观缺陷、显微组织十分敏感，而这点恰是静载实验所无法揭示的。
测定冲击韧度的试验方法有多种。国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。一般在室温下进行的实验采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“高温夏比冲击实验”。
由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。要想正确反映材料的冲击特性，必须使用冲击实验方法和设备标准化、规范化，为此我国制定了金属材料冲击实验的一系列国家标准（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）本次实验介绍“金属夏比冲击实验”（即GB/T229-1994）测定冲击韧度。
一﹑实验目的
1．观察分析低碳钢和铸铁两种材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌，并进行比较。
2．测定低碳钢和铸铁两种材料的冲击韧度αk。
3．了解冲击试验方法。
二﹑实验原理
冲击试验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤试验前后的势能差。试验时，把试样放在图1的B处，将摆锤举至高度为H的A处自由落下，冲断试样即可。
β
α

1-电机；2-皮带轮；3-摆臂；4-杆销；5-摆杆；
6-摆锤；7-试件；8-指示器；9-电源开关；10-指示灯
图1 冲击试验结构及原理图
摆锤在A处所具有的势能为：
E=GH=GL(1-COSα) (1)
冲断试样后，摆锤在C处所具有的势能为：
E1=Gh=GL(1-COSβ) (2)
势能之差E-E1,即为冲断试样所消耗的冲击功AK:
AK=E-E1=GL(cosβ-cosα)    (3) 
式中，G为摆锤重力（N）；L为摆长（摆轴到摆锤重心的距离）（mm）；α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。
三﹑实验设备及试样
1．JB-300/150手动冲击试验机，摆锤预扬角135°，冲击速度约5m/s。
2．游标卡尺 
3．实验试样：若冲击试样的类型和尺寸不同，则得出的实验结果不能直接比较和换算。因此，实验试样应严格控制其形状、尺寸精度及表面粗糙度。试样缺口底部应光滑、无与缺口轴线平行的明显划痕。
四﹑实验步骤
1．测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。
2．根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。
3．试验前必须检查试验机是否处于正常状态，各运转部件及其紧固件必须安全可靠。
4．如下图安装试样。使试样缺口背对刀刃，平放并挨紧在两个钳口支座上，用找正板找正，使试样缺口正好位于钳口跨距中间对正冲击刀刃。

5、 进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住。
6、记录表盘上所示的冲击功AKU值。取下试样，观察断口。试验完毕，将试验机复原。
7、冲击试验要特别注意人身的安全。
 五﹑实验结果处理
1.计算冲击韧性值αK.
αK =(J/cm2)       (4)
式中，AKU为U型缺口试样的冲击吸收功(J)；S0为试样缺口处断面面积(cm2)。
冲击韧性值αK是反映材料抵抗冲击载荷的综合性能指标，它随着试样的绝对尺寸，缺口形状，试验温度等的变化而不同。
2．比较分析两种材料的抵抗冲击时所吸收的功，以及破坏断口的形貌特征。
六、注意事项
1．安装试样前，严禁抬高摆锤。
2．摆锤抬起后，在摆锤摆动范围内，切忌站人、行走及放置任何障碍物。
3．摆锤下落尚未冲断试件前，切勿过早按制动电钮，以免提高冲击功的数值。
七﹑思考题
1．冲击韧性值αK为什么不能用于定量换算，只能用于相对比较？
2．冲击试样为什么要开缺口？

提问
导入

认真听、记笔记

小结

作业

课后记