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

200至200学年第学期

_____________________课程

教

案

课程编码：

______________________________________

总学时／周学时：

/

开课时间：

年月日第周至第周

授课年级、专业、班级：

___________________________

使用教材：

_______________________________________

授课教师：

_______________________________________

月日（星期）总第课时

课题

绪论

教

学

目

标

知识目标

1、明确学习本课程的目的

2、了解本课程的基本内容

能力目标

理论联系实际,培养学生分析问题和解决问题的能力

情感目标

培养学生的爱国主义精神，激发学生的学习热情

教学重点

金属材料热处理的目的和内容

教学难点

如何明确学习这门课的目的和内容

教学用具

利用教室中的各种金属物体

教学方法

阅读教学法、归纳法、举例分析法

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、组织教学

二、导入新课

三、新课教学

绪论是本课程的第一节课，也是学好本课程的动员课。

因此，讲好本节课对学生以后的学习好本课程具有非常重要的意义。

让学生明确学习本课程的目的，了解本课程的性质、任务及内容范围，并了解我国在金属材料及热处理方面的发展概况及所取的成就，以提高学生的学习兴趣。

1、学习本课程的目的

问题：

为什么不同的材料会有不同的性能？

为什么相同的材料经过不同的加热、保温和冷却之后能够获得不同的性能？

等等

通过这些问题的分析来激发学生的学习兴趣，同时说明这些问题正是我们要学习这门课的内容，同时也突出这门功课的重要性，从而使学生明白学习这门课的目的。

2、本课程的基本内容

通过对学习目的的学习同学们基本上已经明白了学习本课程的基本内容了，即：

金属的性能、金属学的基本知识、钢的热处理及常用的金属材料。

让学生例举生活中有关金属的东西

增加互动

活跃课堂气氛

通过举例分析引发学生学习的兴趣

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

从基本内容的分析上来看这门课是与实际生产是有着重要联系的，因此要求学生在学习本课程的时要注重理论联系实际，同时还要注意培养学生分析问题和解决问题的能力。

3、金属材料与热处理的发展史

这部分内容的目的是为了提高学生的民族自信心，培养学生的爱国主义精神，从而激发学生的学习热情。

举例1：

例如根据大量的出土文物考证，我国在公元前16世纪就开始使用金属材料了；又如殷商时代，在生产工具、武器、生活用具等方面已大量使用青铜材料；再如我国还是生产铸铁最早的国家，早在公元前5世纪至公元前4世纪的春秋时期已出现了铸铁的铸造。

特别在战国后期，铸铁件的生产得到了迅速的发展。

举例2：

在热处理方面，远在西汉时期就“水与火合为淬”之说，东汉时期则有“清水淬其锋”等有关热处理技术的记载。

出土的文物如西汉时期的钢剑、书刀等，经金相检验，发现其内部组织接近于淬火马氏体和渗碳体组织。

4、金属材料在工农业生产中的应用

这部分材料的目的是为了说明金属材料与热处理在现代工业、农业和国防建设中的应用及重要的地位。

可通过举例的方法来说明金属材料与热处理技术在科学技术现代化中的地位，从而激发学生的学习兴趣。

举例：

具统计目前机械工业部门中所用的材料有90%以上是金属材料。

今年来，我国在材料工业领域取得了巨大成就：

我国的钢铁产量已跃居世界前列；在金属材料生产方面已建立了符合我国特点的合金钢系列，且应用范围正在扩大；广泛采用稀土元素材料，并研制出了具有世界先进水平的稀土镁球墨铸铁；许多热处理新工艺、新技术得到了广泛的应用和推广等等。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂小结

五、布置作业

通过本节课内容的学习学生明确学习本课程的目的，了解本课程的性质、任务及内容范围，并了解我国在金属材料及热处理方面的发展概况及所取的成，随着科学技术的不断发展，新产品、新工艺、新材料会不断的出现，但与发达国家相比我国在材料开发方面仍有一段距离。

因此，同学们要刻苦学习，不断探索，努力赶超世界先进水平，为我国材料工业的腾飞贡献自己的一份力量。

课后自主复习本课的主要内容

要求：

弄清学习本课程的目的；本课程学习的基本内容是哪些金属材料在工农业生产中有何重要的地位。

教学反思

1.教学的成败得失

2.学生的信息反馈

3.今后的教学建议

月日（星期）总第课时

课题

§1-1金属的力学性能

教

学

目

标

知识目标

1、了解金属力学性能各指标概念

2、掌握低碳钢拉伸曲线的绘制及各段曲线的含义

能力目标

应使学生能对常用力学指标进行查表和计算

情感目标

对常用力学性能指标在工业中的应用予以充分重视

教学重点

1、强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度的概念

2、低碳钢拉伸曲线的绘制及曲线中各要点的含义

教学难点

掌握低碳钢拉伸曲线的绘制及曲线中各要点的含义

教学用具

教学方法

阅读教学法、归纳法、举例分析法

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、组织教学

二、导入新课

三、新课教学

在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多数是以其力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。

（一）、基本概念

1、力学性能：

即指金属在外力的作用下所表现出来的性能。

它包括强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度等。

2、载荷：

金属材料在加工和使用过程中所受的外力称为载荷。

根据载荷作用性质的不同分为：

（1）静载荷：

指大小不变或变化过程极其缓慢的载荷

（2）冲击载荷：

指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷

（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

根据载荷作用形式的不同分为：

拉、压、弯曲、剪切以及扭转等

3、变形：

指金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化

举例：

让学生头脑中形成概念

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

（1）弹性变形：

指随载荷的去除而消失的变形

（2）塑性变形：

不能随载荷去除而消失的变形。

也称为永久变形或残余变形

（二）强度

1、强度的概念

金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力，称为强度。

（金属材料强度越高，则强度越大，越不容易被破坏，承载能也就越大。

）

根据载荷作用方式的不同，强度可分为：

抗

拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度以

及抗扭强度等五种。

2、强度的测定（以抗拉强度为例进行分析，其他不作介绍）

（1）拉伸试样的选用

为了使测试结果具有可比性，拉伸试验时必须采用国家表准规定的拉伸试样，具体拉伸试样可参照（GB/T397-1986），在该标准中对试样的形状尺寸以及加工要求均有明确的规定。

（2）低碳钢拉伸曲线

oe——比例阶段（弹性变形阶段）

在这个阶段试样变形完全是弹性的，若撤去载荷，试样能立刻恢复原状。

图中Fe为试样弹性恢复最大载荷。

es——屈服阶段（塑性变形阶段）

在这个阶段试样发生明显的塑性变形，试样表面出现45º滑移线，若此

时撤去载荷，试样不能恢复原状。

图中Ｆs为屈服载荷。

sb——强化阶段

在这个阶段随着外载荷的不断增加试样继续伸长，变形均匀发生，出现

了加工硬化现象，抗拉强度明显提高。

图中Ｆb为试样最大载荷。

bz——颈缩阶段（局部塑性变形阶段）

在这个阶段试样局部直径出现了明显的收缩，试样所需载荷急剧下降，伸长主要集中在颈缩部位

通过举例，使学生对强度的概念有一个明确的认识

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

直至最后断裂，断口呈45º刀口状。

（注：

工程上使用的材料多数是没有明显的屈服现象的，有些脆性材料不

仅没有屈服现象，而且也不产生“颈缩”，例如铸铁等。

）

3、强度的衡量指标

常用的衡量指标有屈服点和抗拉强度两种。

屈服点：

在拉伸试验过程中，载荷在不增加（保持恒定）的情况下，试样

仍能继续增加伸长时的应力即为屈服点。

用符号σs表示。

抗拉强度：

材料在断裂前所能承受的最大载荷即位抗拉强度。

常用符号σb

表示。

（注：

σb为零件在工作中所承受的最大应力也是零件设计和选材的重要依据）

（三）塑性

１、塑性的概念

塑性是指金属材料在断裂前产生变形的能力。

常用伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ）来表示。

２、塑性的衡量指标

（１）伸长率（δ）

试样拉断后，试样的伸长量与拉断前试样的长度的百分比称为伸长率

（２）断面收缩率（Ψ）

试样拉断后，颈缩处横截面积的缩减量与拉伸前原试样横截面积的百分比

（注：

塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致突然断裂，因此比较安全）

（四）硬度

１、硬度的概念

金属材料抵抗局部变形特别是塑性变形、表面压痕或表面划痕的能力称为硬度。

它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。

２、常用硬度测试方法

（１）布氏硬度（ＨＢ）

测试方法：

压入法

ＨＢＳ（普通淬火钢球压头）

ＨＢＷ（硬质合金钢球压头）

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

表示方法：

符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面依次为钢球直径、试验力、试验力保持的时间（10~15s不标记）。

应用范围及有缺点：

实验压力大，压痕大，能较准确的反映金属材料的平均性能，故适用于测定会铸铁、有色金属及各种软钢等硬度不高的材料。

但不宜测量成品及薄件。

（2）洛氏硬度（HR）

测试方法：

压入法

120º金刚石圆锥体压头

Φ1.588mm淬火钢球

表示方法：

符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。

优缺点：

操作简单，能直接从刻度盘上读出读数，压痕小，可以测定成品以及薄件。

（3）维氏硬度（HV）

测试方法：

压入法

相对面夹角为136º的正四棱锥体金刚石压头

表示方法：

符号HV前面的数字表示硬度值，后面的为试验力保持的时间（10~15s不标记）。

优缺点：

试验力较小，压入深度不大，故可测量薄件或表面渗碳、渗氮层的硬度，且硬度值有连续性，故可测量很软到很硬的各种金属材料，且准确性很高。

（五）冲击韧性

1、冲击韧性的概念

金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

通常用ak表示冲击韧性。

（注：

使用不同类型的试样（V型缺口或U型缺口）进行试验时，冲击韧度分别标记为akv或aku）

2、小能量多次冲击

实践表明：

承受冲击载荷的机械零件，大多数情况下是因小能量多次冲击而遭到破坏的，所以对材料进行小能量多次冲击试验是很重要的。

一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反之也一样。

金属材料受大能量冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度ak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。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂总结

五、布置作业

（六）疲劳强度

1、疲劳强度的概念

疲劳强度是指金属材料在无数次的交变载荷的作用下而不断裂的最大应力称为疲劳强度。

用σ-1表示。

2、疲劳破坏的特征

（1）疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前无预兆，而是突然的。

（2）引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点。

（3）疲劳破坏的宏观断口由裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）两部分组成。

3、影响疲劳强度的因素及提高疲劳极限的措施

因素：

如工作条件、零件表面状态、材料成分、组织及残余应力等。

措施：

改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度、采用各种表面强化的方法（例如表面渗碳、表面渗氮等）。

通过本节内容的学习，同学们要了解有关强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度的概念及其衡量指标，重点掌握对拉伸曲线各阶段的分析及其各阶段的特征。

除此之外还要对疲劳破坏的特点加以认识。

1、习题册P1-P3

2、低碳钢拉伸曲线的绘制及各阶段的分析。

3、疲劳破坏有哪些特点？

教学反思

1教学的成败得失

2学生的信息反馈

3今后的教学建议

月日（星期）总第课时

课题

§1-2金属的工艺性能

教

学

目

标

知识目标

1、了解金属工艺性能的有关基本概念

2、熟悉和掌握金属材料各工艺性能的衡量指标

能力目标

应使学生能利用工艺性能指标判别简单工件加工过程

情感目标

对工艺性能在加工中的重要性予以充分认识

教学重点

1、金属工艺性能的有关基本概念

2、金属材料各工艺性能的衡量指标

教学难点

金属材料各工艺性能的衡量指标

教学用具

教学方法

阅读教学法、归纳法举例分析法

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、组织教学

二、导入新课

三、新课教学

金属材料仅有良好的力学性能是不够的，除此之外还必须有良好的工艺性能，只有这样，才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件。

我们可通过举一些例子来说明这个问题。

例如：

有色金属（如青铜）铸造性很好，常用来铸造精美的工艺品；再如铸铁的铸造性能要比钢好，因此常用铸造的方法生产零件；但是钢的锻造性能很好，可以用锻造的工艺方法生产出力学性能较高的机械零件，而铸铁则不能锻造。

工艺性能：

指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能以及热处理性能等。

工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。

（一）铸造性能

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂总结

1、铸造性能的概念

金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。

2、铸造性能衡量指标

（1）流动性

流动性好的金属容易充满铸型，从而可以获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件

（2）收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。

铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。

（3）偏析倾向

金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象称为偏析。

偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，从而降低了铸件的质量，尤其对大型铸件危害更大。

（二）锻造性能

用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。

锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。

塑性越好，变形扛力越小，金属的锻造性能越好。

（三）焊接性能

焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是说在一定焊接工艺下，获得优质焊接接头的难易程度。

焊接性的好坏主要取决于钢中的含碳量，含碳量越低，焊接性越好；反之含量越高，焊接性越差。

（四）切削加工性能

切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。

切削加工性能的好坏主要取决于钢的化学成分以及组织状态等因素。

一般认为材料具有适当硬度（170-230HBS）和足够的脆性时较易切削。

例如铸铁比钢的切削加工性能要好，一般碳钢要比高合金钢切削加工性能好。

通过本节内容的学习，我们知道金属材料仅有良好的力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，只有这样，才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

五、布置作业

练习册P1—P3

金属的工艺性能包括那些？

影响其好坏的因素有哪些？

教学反思

1．教学的成败得失

2．学生的信息反馈

3．今后的教学建议

月日（星期）总第课时

课题

§2-1金属的晶体结构

教

学

目

标

知识目标

1、了解晶体与非晶体的概念以及两者之间的异同

2、了解晶体结构的有关基本知识

3、掌握金属中几种常见的晶格类型，并能举例说明

能力目标

情感目标

教学重点

1、晶体结构的有关基本知识

2、金属中几种常见的晶格类型

教学难点

金属中几种常见的晶格类型

教学用具

多媒体

教学方法

多媒体教学、举例分析、阅读归纳

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、教学回顾

二、新课导入

三、新课教学

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同的条件下其性能也是不同的。

金属性能的这些差异，从本质来说，是由其内部结构所决定的。

因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料，具有非常重要的意义。

一、晶体与非晶体

通过教学应使学生了解晶体与非晶体的本质区别，消除过去把天然的、外形规则的物体认为是晶体的模糊概念。

两者的主要区别应该在于其内部原子的排列是否有规则。

1、晶体：

在物质内部，凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。

（例如：

金属在固态下一般均属于晶体、天然金刚石、水晶等）

2、非晶体：

在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的物体称为晶体。

（金属在固态下一般均属于晶体例如：

玻璃、松香、树脂等）

3、两者异同：

晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定的熔点，其性能呈各向同性。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂总结

五、布置作业

二、晶体结构的概念

晶体结构是指物体内部原子排列的状态。

为了对晶体结构右充分的认识，必须要使学生们了解与晶体有关的基本知识，如晶格、晶胞、晶面以及晶向等。

1、晶格和晶胞

晶格：

表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格

晶胞：

能够完整的反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞

2、晶面和晶向

晶面：

在晶体中由一系列的原子组成的平面称为晶面

晶向：

通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，成为晶向。

三、金属晶格的类型

金属晶格类型很多，但绝大多数（占85％）金属为以下三种晶格类型

1、体心立方晶格

属于这类晶格类型的金属有：

铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、

钼（Mo）以及α-铁（α-Fe）等。

2、面心立方晶格

属于这类晶格类型的金属有：

铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、

镍（Ni）以及γ-铁（γ-Fe）等。

3、密排六方晶格

属于这类晶格类型的金属有：

镁（Mg）铍（Be）镉（Cd）锌（Zn）等

通过本节内容的学习，同学们要对晶体与非晶体的概念以及两者之间的异同有所了解；此外还要了解晶体结构的有关基本知识；最后我们要掌握金属中几种常见的晶格类型，并能简单的举例说明。

练习册P4—P6

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

教学反思

1.教学的成败得失

2.学生的信息反馈

3.今后的教学建议

月日（星期）总第课时

课题

§2-2纯金属的结晶

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉纯金属的冷却曲线以及过冷度的概念

2、了解纯金属的结晶过程

3、掌握晶粒大小对力学性能的影响

能力目标

情感目标

教学重点

1、基本概念

2、晶粒大小对力学性能的影响

教学难点

细化晶粒的方法

教学用具

教学方法

阅读教学法、归纳法、举例分析法

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、教学组织

二、导入新课

三、新课教学

金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。

金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。

了解金属结晶的过程及规律，，对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。

一、纯金属的冷却曲线及过冷度

金属由液态转变为固态的结晶过程是在冷却的情况下产生的。

冷却时，反应时间与温度之间关系的图形就是冷却曲线，它是通过过热分析的方法来测定的。

实验表明，纯金属的结晶过程是在一个恒定的温度下进行的，即纯金属都有一个固定的熔点，也就是冷却曲线上水平线段所对应的温度。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂总结

如图所示：

（a）图为理论结晶曲线（b）图为实际结晶曲线

则过冷度：

△T=T0—T1

结论：

金属结晶时过冷度的大小与冷却的速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

二、纯金属的结晶过程

液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下进行的，整个结晶过程实际上是一格晶核的形成与长大的过程。

纯金属结晶过程可参照书上图2-11

晶粒：

外形不规则但内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。

晶界：

晶粒与晶粒之间的分解面称为晶界。

晶粒与晶界可参照书上图2-12和2-13

但晶体：

结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体。

特点：

单晶体呈现各向异性。

多晶体：

结晶后晶体是由许多位向不同的晶粒组成的。

特点：

多晶体呈现各向同性，也叫作“伪各向同性”。

三、晶粒的大小对金属力学性能的影响

一般来说，在常温下，晶粒越细，则具有的强度和韧性越高。

为了提高力学性能，所以必须严格控制晶粒的大小。

根据结晶过程的分析可知，金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率和晶核长大的速度，从这个因素来看，细化晶粒的根本途径有：

1、增加过冷度

2、变质处理

3、机械振动处理

通过本节内容的学习，同学们首先要熟悉纯金属的冷却曲线以及过冷度的概念，其次要了解纯金属的结晶过程，最后重要的是掌握晶粒大小对力学性能的影响以及细化晶粒的根本途径有哪些。

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

五、布置作业

练习册P4—P6

教学反思

1.教学的成败得失

2.学生的信息反馈

3.今后的教学建议

月日（星期）总第课时

课题

§2-3金属的同素异构转变

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉金属同素异构转变的概念

2、掌握纯铁的同素异构转变

3、掌握金属的同素异构转变与液体结晶的比较

能力目标

情感目标

教学重点

1、金属同素异构转变的概念，纯铁的同素异构转变

2、金属的同素异构转变与液体的结晶比较

教学难点

金属的同素异构转变与液体的结晶相比较

教学用具

教学方法

阅读教学法、归纳法、举例分析法

教学过程设计

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

一、组织教学

二、导入新课

三、新课教学

纯铁的同素异构转变是钢铁材料热处理的理论基础，在生产中有很重要的使用价值。

因此，在本节内容中我们将一起来共同探讨有关金属同素异构转变的概念以及纯铁的同素异构转变。

一、金属的同素异构转变

这种金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

一种金属经同素异构转变之后所得到的为该金属的同素异晶体。

为了区别它们具有不同的晶格类型，一般在元素符号前根据温度的高低由低温到高温依次加希腊字母α、β、γ、δ等表示。

二、纯铁的同素异构转变

由纯铁的冷却曲线可知，纯铁冷却到1538℃时结晶，形成具有体心立方晶格的δ-Fe（也称为高温α-Fe）。

冷却到1394℃时发生同素异构转变，由δ-Fe转变为具有面心立方晶格的γ-Fe。

随着温度继续降至912℃时，又由γ-Fe又转变为