金属材料及热处理教案.docx

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金属材料及热处理教案

教案本

2011——2012学年度第一学期

系（部）名称：

机电工程学院

教研室：

机械教研室

专业名称：

年级班级：

任课教师：

第一讲：

绪论、材料的力学性能、强度、刚度、塑性指标

授课课程

绪论

任课教师

刘波

计划课时

2学时

序号

第  1 讲

章、节名称

绪论、第一章第1节

教学内容及进程

第一节材料的力学性能

定义：

材料在承受外力作用时所表现出来的性能称为材料的力学性能。

一、材料变形的过程

三个阶段：

弹性变形、弹塑性变形、断裂。

二、刚度

定义：

工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。

计算：

等于材料弹性模量E与零构件截面积A的乘积。

弹性模量E：

材料在弹性变形范围内，应力与应变成正比，其比值为弹性模量E=σ/ε（MPa）。

它表示的是材料抵抗弹性变形的能力，反映了材料发生弹性变形的难易程度。

三、强度——材料在静载荷下的性能指标

强度

定义：

在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。

物理意义：

材料在每个变形阶段的应力极限值。

（1）弹性极限σe

材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值为弹性极限σe，即A点对应的应力值，表征材料发生微量塑性变形的抗力。

（2）屈服强度σs

试样发生屈服现象时的应力值，屈服点S的应力值称为屈服强度σS，表征材料开始发生明显的塑性变形。

没有明显的屈服现象发生的材料，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服强度。

意义同σS。

（3）抗拉强度σb

材料在拉伸载荷作用下所能承受的最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限，表征材料的断裂抗力。

强度是零件设计和选材的主要依据。

刚度：

刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。

主要力学性能是材料的弹性模量。

如精密机床主轴等零构件。

弹性指标：

在设计弹性零件时，需考虑弹性极限和弹性模量是的性能指标。

如汽车板簧和各类弹簧等。

屈服强度和塑性：

一般零件的抗断裂设计。

硬度：

在耐磨零件中必须考虑的性能指标。

如滚动轴承等。

四、疲劳强度—交变载荷

交变载荷：

载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。

疲劳断裂：

零件在交变载荷下经过长时间工作而发生低应力断裂的现象成为疲劳断裂。

疲劳断裂过程：

裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。

疲劳抗力指标：

疲劳极限，又称疲劳强度，用σ－1表示。

材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力，即疲劳曲线上水平部分对应的应力值。

疲劳断裂的原因：

一般认为是，由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。

随应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以致于最后承受不起所加载荷而突然断裂。

提高材料疲劳抗力的措施：

通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度；对表面进行强化，喷丸处理等，可以提高材料的疲劳抗力。

基本概念

刚度、强度、塑性、硬度、材料在静载荷下的性能指标、冲击韧性、疲劳强度—交变载荷

教学难点

教学重点

材料的常用性能。

教学目的

教学要求

1.使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识

2.初步掌握零件设计时的合理选材、用材

3.具有正确运用热处理技术、妥善安排加工工艺路线及材料检测等方面的知识和能力

授课方式

1.课堂讲授（√），2.演示教学（√），3.实践教学（），4.参观教学（）

作业

提高材料疲劳抗力的措施有哪些？

本讲小结

课后分析

通过本节的讲解，让学生能正确认识金属材料在机械工程中的应用的重要性。

也能对金属材料的发展进行了解。

增强了学生学习本门课程的兴趣。

第二讲：

金属材料低碳钢强度及塑性检测（拉伸实验）

授课课程

金属材料与热处理

任课教师

刘波

计划课时

2学时

序号

第  2 讲

章、节名称

§1-1金属材料的塑性检测

教学内容及进程

塑性

定义：

材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。

指标：

工程上常用延伸率δ和断面收缩率ψ作为材料的塑性指标。

材料的δ和ψ值越大，塑性越好。

塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。

金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。

金属材料的延伸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破坏。

一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。

（1）强度极限：

材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力。

图中OE段。

（2）屈服强度极限：

金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试图1低碳钢力—拉伸曲线

样仍发生明显的塑性变形，这种现

象称为屈服。

图中ES段

（3）弹性极限：

材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。

金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以σe表示，单位为兆帕（MPa）：

σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力（或者说材料最大弹性变形时的载荷）。

图中SB段。

基本概念

塑性变形、弹性变形、拉伸实验

教学难点

教学重点

本节的重、难点是金属材料的：

强度极限、屈服强度极限、弹性极限。

教学目的

教学要求

通过对本章的学习，应着重掌握低碳钢的力—拉伸实验各个阶段的变化情况。

分析金属材料的性能指标

授课方式

1.课堂讲授（√），2.演示教学（√），3.实践教学（）

4.参观教学（）

作业

P293-2

本讲小结

金属材料的塑性在机械设计和制造中的影响。

要做到合理的选材就必须分析零件的受力情况。

提出满足零件工作条件性能的需求。

课后分析

学生初次接触这节的知识，学起来较为空洞，难明，结合视频教学，效果较好，印象较为深刻。

第三讲：

金属材料的韧性指标、硬度指标

授课课程

金属材料与热处理

任课教师

刘波

计划课时

2学时

序号

第  3 讲

章、节名称

§1-1金属材料的韧性指标、硬度指标

教学内容及进程

1、冲击韧性

定义：

指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，是材料强度和塑性的综合表现。

衡量指标：

冲击韧度ak（ak＝Ak/Fk）

aK值测定方法：

一次弯曲冲击实验法，

物理意义：

试样在冲断时单位横截面积上所消耗的冲击功AK，单位为J/cm2。

aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。

弹性模数：

这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：

E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。

弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

2．硬度

定义：

指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。

通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。

硬度指标：

与试验方法有关。

生产上，常用静载压入法，常用方法有：

布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

布氏硬度HBS：

淬火钢球压头，压痕大，不能测太硬度的材料，适用于测量退火和正火钢、铸铁、有色金属等材料的硬度。

洛氏硬度HRC：

锥角为120°的金刚石圆锥体压头，适用于调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。

洛氏硬度HRB：

Φ1.59mm淬火钢球压头，适用于测量有色金属、铸铁、退火态和正火态钢等。

氏硬度与布氏硬度相比压痕小，软硬材料都可以测量，但同样不同标尺之间不可相互比较硬度值的大小。

维氏硬度HV：

锥面角为136°的金刚石四棱锥体为压头，适于测定薄件和经表面处理零件的表面层的硬度，如渗碳层、表面淬硬层、电镀层等，以及微观组织的硬度。

维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压痕小，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，并统一比较。

基本概念

韧性指标、硬度指标、金属材料低碳钢硬度检测

教学难点

教学重点

本节的重、难点是金属材料的：

硬度的分类及表示方法

教学目的

教学要求

通过对本章的学习，应着重掌握金属材料的冲击韧性和硬度的评价。

授课方式

1.课堂讲授（√），2.演示教学（√），3.实践教学（）

4.参观教学（）

作业

本讲小结

金属材料的韧性和硬度在机械设计和制造中的影响非常重要。

要做到合理的选材就必须分析零件的受力情况。

提出满足零件工作条件性能的需求。

课后分析

通过举例说明一些例子，让学生掌握金属材料的硬度、韧性的概念和应用。

第四讲：

金属材料的物理和化学性能

授课课程

金属材料与热处理

任课教师

刘波

计划课时

2学时

序号

第  4 讲

章、节名称

§1-2金属材料的物理和化学性能

教学内容及进程

材料是机器的物质基础。

金属材料的性能是选择材料的主要依据。

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。

工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。

金属材料的使用性能决定了它的使用范围。

使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。

一、金属的物理性能

1.密度

金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为ｋｇ／ｍ3。

根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。

密度小于45　ｇ／ｃｍ3的金属叫做轻金属，如铝，钛等。

2.熔点

金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。

熔点一般

摄氏温度（℃）表示。

各种金属都有其固定熔点。

如铅的熔点为32

℃，钢的熔点为1538℃。

熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等

都很重要。

熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属，熔点在1000～2000℃的金属称为中熔点金属，熔点高于2000℃的金属称为高熔点金属。

3、导热性

金属材料传到热量的能力

4、热膨胀性

金属材料在受热时体积会增大

5、导电性

金属材料传导电流的特性

二、金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。

1、耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。

常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。

2、抗氧化性

金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。

3、化学稳定性

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。

金属

材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。

用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。

基本概念

金属材料的各种物理性能和各种化学性能

教学难点

教学重点

本节的重、难点是金属材料的各种物理性能和各种化学性能

教学目的

教学要求

通过对本章的学习，应着重掌握金属材料的各种物理性能和各种化学性能。

授课方式

1.课堂讲授（√），2.演示教学（√），3.实践教学（）

4.参观教学（）

作业

本讲小结

金属材料的韧性和硬度在机械设计和制造中的影响非常重要。

要做到合理的选材就必须分析零件的受力情况。

提出满足零件工作条件性能的需求。

课后分析

通过举例说明一些例子，让学生掌握金属材料的各种物理性能和各种化学性能。

第五讲：

常见金属的晶体结构、晶体的基本概念、类型、晶体缺陷

授课课程

金属的结构与结晶

任课教师

刘波

计划课时

2学时

序号

第  5 讲

章、节名称

§2-1金属的晶体结构

教学内容及进程

一、晶体与非晶体

1、晶体：

所谓晶体是