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

2015至2016学年第一学期

机械基础课程

教

案

总学时／周学时：

72学时／4学时/

开课时间：

2016年3月1日第1周至第14周

授课专业、班级：

____2015电气自动化1+2班___

使用教材：

_________刘跃南_（高等教育出版社）__

*****___________**********____________

月日（星期）总第74课时

课题

§1-1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

§1-2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

§1-3常用金属材料

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉碳素钢分类的方法

2、掌握各种钢分类的依据和标准

能力目标

情感目标

教学重点

碳素钢的分类方法及依据

教学难点

碳素钢的分类方法及依据

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

碳素钢分类的方法很多，为了便于在以后的学习中对碳素钢进行很好的区分，因此在本节课中我们将共同来学习碳素钢的分类。

一、按钢的含碳量分类

1、低碳钢：

C≤0.25％

2、中碳钢：

0.25％＜C＜0.60％

3、高碳钢：

C≥0.25％

二、按钢的质量分类

根据钢中有害元素硫、磷含量的多少可分为：

1、普通钢：

S≤0.050％，P≤0.045％

2、优质钢：

S≤0.035％，P≤0.035％

3、高级优质钢：

S≤0.025％，P≤0.025％

三、按钢的用途分类

1、结构钢：

主要用于制造各种机械零件和工程构件

2、工具钢：

主要用于制造各种刀具、模具和量具等

四、按冶炼时脱氧程度的不同分类

1、沸腾钢：

脱氧程度不完全的钢

2、镇静钢：

脱氧程度完全的钢

3、半镇静钢：

脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

四、课堂总结

为了能够更好的将各种钢材进行区分，钢的牌号显的尤为重要，而对于钢的牌号无论是在国内还是在国际上都已经标准化，我国的钢材牌号用国际通用的化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法来表示。

我国的钢号组成：

化学元素符号、汉语拼音字母、阿拉伯数字相结合的方法。

一、碳素结构钢

特点：

杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜。

用途：

轧成钢板和各种型材，用于建筑和机械零件（受力不大的场合）

牌号：

屈服点字母“Q”+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法四个部分按顺序组成。

举例：

二、优质碳素结构钢

特点：

按化学成分和力学性能供应的，硫，

磷及非金属杂质较少

用途：

用来制造重要的机械零件，但使用

前需经过热处理来改善力学性能

牌号：

用两位数表示（这两位数表示该钢

的平均含碳量的万分数）

举例：

45（平均含碳量为0.45%的优质碳

素结构钢）

35Mn（平均含碳量为0.35%的优质

碳素结构钢,含锰量较高）

三、碳素工具钢

特点：

含碳量均在0.70%以上都是优质钢和高级优质钢

用途：

用于制造刀具，模具和量具

牌号：

碳的汉语拼音字母“T”+阿拉伯数字（阿拉伯数字表示钢中平均含碳量的千分数）

举例：

T8平均含碳量为0.80%的碳素工具钢

T12A平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢

四、铸造碳钢

特点：

含碳量一般在0.20%～0.60%之间，如果含碳量过高，则塑性变差，而且铸造时易产生裂纹。

用途：

一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件

牌号：

“铸造”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成，第一组代表屈服点，第二组表示抗拉强度值。

举例：

ZG270-500

表示屈服点不小于270MPa，抗拉强度不小于500MPa的铸造碳钢

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

二钢在加热时的转变

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉钢热处理一些概念以及钢在加热和冷却时的临界温度

2、了解钢在加热过程中的奥氏体化以及奥氏体晶粒的长大

能力目标

情感目标

教学重点

1、钢热处理的一些概念以及钢在加热和冷却时的临界温度

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

钢在加热过程中组织是如何发生变化的

教学用具

教学方法

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

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

图

而A1、A3、Acm是理论临界温度线，

实际上，碳钢不可能在理论平衡临界

点发生组织的转变，从而引出了实际

加热和冷却是的临界点（Ac1、Ac3、

Accm和Ar1、Ar3、Arcm），这些临

界点与理论平衡临界点的偏移量，将

随加热或冷却时的速度变化而变化。

三、钢的奥氏体化

1、概念

奥氏体化：

热处理时需加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体，这种通过加热获得奥氏体组织的过程称为钢的奥氏体化。

2、钢的奥氏体化过程也遵循结晶过程的基本规律

（1）奥氏体晶核的形成及长大（教师详解）

（2）残余渗碳体的溶解（教师详解）

（3）奥氏体的均匀化（教师详解）

3、保温在热处理过程中的目的

一是使工件热透；二是获得成分均匀的奥氏体；

四、奥氏体晶粒的长大

整个长大过程可参见教材图6-3和图6-4

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

通过本节内容的学习，同学们要熟悉钢热处理一些概念以及钢在加热和冷却时的临界温度；了解钢在加热过程中的奥氏体化以及奥氏体晶粒的长大。

练习册P16-P21相关内容

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

三钢在冷却时的转变

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉钢在冷却过程中的一些基本概念

2、了解过冷奥氏体等温转变过程中组织的变化过程

3、重点掌握过冷奥氏体等温转变图的应用

能力目标

情感目标

教学重点

1、基本概念及其过冷奥氏体等温转变过程中组织的变化过程

2、过冷奥氏体等温转变图的应用

教学难点

过冷奥氏体等温转变图的应用

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

钢经过加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下冷却，可使钢获得不同的力学性能。

同样的材料，加热条件相同，但由于冷却条件不同，它们在力学性能上会产生明显的差别。

为了弄清产生差别的原因，就要了解奥氏体在冷却过程中组织变化的规律。

一、基本概念（什么是等温转变？

）

等温转变就是将奥氏体化的钢迅速冷却到A1线以下某个温度，使奥氏体在此温度发生转变称为等温转变。

除此之外还有连续冷却方式。

二、过冷奥氏体的等温转变

1、基本概念

过冷奥氏体：

在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。

等温转变图：

表示过冷奥氏体的转变温度、转变始建于转变产物之间的关系曲线图称为等温转变图。

2、等温转变图的建立（C曲线的建立）

（教师作图并在图中表明五大区域，简要说明建图过程）图略

教学环节

教师活动

学生

活动

设计

意图

图中五大区域：

奥氏体区域、孕育区、过渡区、产物转变区、马氏体转变区域。

（其中强调“C”中“鼻尖”所对应的温度为550℃，孕育期最短，此时的奥氏体最不稳定，最容易分解。

）

3、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

（教师详解转变过程并绘制表格）

4、马氏体的转变

（1）什么是马氏体？

概念：

碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。

（2）马氏体转变的特点：

①马氏体转变是在一定温度范围（M-Mf），连续冷却过程中进行的，冷却过程停止，转变过程也随之停止；

②马氏体的转变速度极快；

③马氏体转变时体积发生膨胀，并且含碳量越高，膨胀越大，所产生的内应力也随之越大；

④马氏体转变不能进行到底，无论怎么冷却都有残余奥氏体；

（3）马氏体分为针状和板条状两种

针状马氏体：

硬度高且脆性大

板条状马氏体：

有良好的强度和较好的韧性

（4）马氏体的硬度主要取决于含碳量

三、过冷奥氏体等温转变图的应用

1、在等温转变图上估计连续冷却转变产物

在实际生产中，过冷奥氏体大多数是在连续冷却的过程中进行的。

（教师通过在黑板上作图举例分析连续冷却的产物）

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

2、确定马氏体临界冷却速度

临界冷却速度就是在“C”曲线中与“鼻尖”相切的冷却速度，要想在冷却过程中获得马氏体，其冷却速度必须要大于临界冷却速度。

通过本节内容的学习，同学们首先要熟悉钢在冷却过程中的一些基本概念；其次要了解过冷奥氏体等温转变过程中组织的变化过程及其特点；最后要掌握过冷奥氏体等温转变图的应用。

练习册P16—P21相关内容

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

四、钢的退火与正火

教

学

目

标

知识目标

1、熟悉退火与正火的有关概念

2、了解钢在退火与正火的过程中组织发生的变化

3、掌握退火与正火的目的

能力目标

情感目标

教学重点

1、退火与正火的有关概念及其目的

2、钢在退火与正火的过程中组织发生的变化

教学难点

退火与正火的目的

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

退火与正火在工业生产中经常用于预先热处理，他们的目的基本相同，所以通过本内容的学习同学们要能够将退火与正火进行比较，最后要能够总结出各自的优缺点，并通过比较之后能够正确的合理的去选择这两种热处理方法。

一、退火

1、退火的概念

将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷）至室温的热处理方法称为退火。

2、退火的目的

①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工。

②细化晶粒，均匀钢的组织及成份，改善钢的力学性能。

③为以后的热处理做好准备。

④消除内应力，防止工件变形和开裂。

3、常用退火的方法

①完全退火

概念：

将钢加热到完全奥氏体化（Ac3以上30-50℃），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法称为完全退火。

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

用途：

主要用于中碳钢极低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等，有时也用焊接件。

②球化退火

概念：

将钢加热到Ac1线以上20-30℃，保温一段时间，以不大于50℃/h的冷却速度随炉冷却到室温的工艺方法称为球化退火

用途：

主要用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。

③去应力退火

概念：

将钢加热到略低于A1线的温度（一般500-650℃），保温一定时间后缓慢冷却到室温的工艺方法称为去应力退火。

用途：

只是用来消除零件在锻造、铸造、焊接等时产生的内应力，以防止工件变形和开裂，加热过程中组织不发生变化。

二、正火