工程材料教案.docx
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工程材料教案
教案用纸
第1周总第1次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
课程介绍与绪论
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
了解课程内容学习方法和教学目的,理解课程的研究对象及其在机械工业中的作用、发展简史。
教学重点:
理解工程材料在机械工业中的作用及掌握常识性知识。
教学难点:
了解工程材料的发展及分类
主要教学内容:
1.课程介绍:
课程性质、内容、主要章节、重点
对学生的要求
2.绪论
①材料科学的发展及研究内容
②工程材料的发展及分类
③工程材料的四种键合机制
④材料加工方法的分类
课程回顾:
教案用纸
首先介绍课程性质、内容及学习方法
课程性质:
工程材料是机制专业学生必修的一门职业技能课。
本课程的内容和学习任务是:
1.工程材料的性能与其组织结构之间的联系;
2.说明如何通过工艺手段改变材料的组织结构,以达到提高材料性能的
目的;
3.介绍常用工程材料及其应用等基本知识;
4.为工程结构和机械零件制造提供合理选用材料的方法。
教材与学时安排
教材选用-《工程材料》刘新佳主编
理论教学:
30学时
实验:
2学时
一、材料科学的发展及研究内容
二、工程材料的发展及分类
是人类生产、生活的物质基础,人类社会文明程度的重要标志之一当代社会经济的先导,是科技进步的关键。
材料的发展历经:
石器时代→陶器→青铜器→铁器→钢铁(资本主义大工业时期)→合成材料(20世纪)→复合材料(20世纪40年代)。
(І)材料按化学组成(基本组成)分类:
1.金属材料
2.无机非金属材料(广义陶瓷)
3.高分子材料(聚合物)
4.复合材料
(Π)根据材料使用性能分类:
1.结构材料
2.功能材料
备注
教案用纸
备注
三、工程材料的四种键合机制
1.化学键
(1)离子键
(2)共价键
(3)金属键
2.物理键
(1)范德华键(范德瓦尔斯键)
(2)氢键
3.工程材料的键性
实际上使用的工程材料,有的是单纯的一种键,更多
的是几种键的结合。
如果以四种键为顶点作一个四面体,
就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上,
具体材料的键特性见图。
四、材料加工方法的分类
备注
教案用纸
第1周总第2次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第一章材料的性能
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
主要了解金属材料在外力作用下表现的力学性能,掌握力学性能指标、实际意义及测试方法。
教学重点:
理解并掌握力学性能指标、实际意义及测试方法。
教学难点:
理解并掌握力学性能指标、实际意义及常用测试方法。
主要教学内容:
第一章材料的性能
一、力学性能的定义及范围
二、强度
三、塑性
四、硬度
五、韧性
六、疲劳强度
课程回顾:
教案用纸
复习
第一章材料的性能
一、力学性能的定义及范围
1.定义:
力学性能是指材料在外加载荷作用下抵抗变形和开裂的性能。
2.指标:
强度、弹性、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
二、强度
强度:
材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
种类:
抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。
拉伸试验
备注
教案用纸
屈服强度σs、条件屈服强度σ0.2、抗拉强度σb
三、塑性
塑性:
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
断面收缩率:
ψ
是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。
伸长率(延伸率):
δ
是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。
四、硬度
硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。
常用测量硬度的方法:
布氏硬度HB:
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
如:
120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
备注
洛氏硬度HR
维氏硬度HV
五、韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。
六、疲劳断裂
表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
备注
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第2周总第3次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第二章材料的结构
2.1纯金属的晶体结构2.2合金的晶体结构
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
使学生了解晶体与非晶体的概念,掌握常见的晶格类型,明确金属晶体缺陷类型。
教学重点:
掌握常见的晶格类型,明确金属晶体缺陷类型。
教学难点:
晶格类型,明确金属晶体缺陷类型。
主要教学内容:
一、纯金属的晶体结构
1.晶体与非晶体
2.晶格与晶胞
3.常见晶格类型
4.晶体缺陷
二、合金的晶体结构
课程回顾:
教案用纸
复习
第二章材料的结构
一、晶体结构的基础知识
1.晶体与非晶体的基本概念
晶体(crystal):
物体内部的原子(或分子)在三维空间中,按一定规律作周期性排列的固体。
晶体物质所具有的性质:
固定的熔点;各向异性等。
例如,所有的金属、食盐等。
非晶体(non-crystal)的基本概念:
物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。
例如,普通玻璃、松香等。
2..晶体学(crystallography)的基本知识
晶格(crystallattice):
用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。
晶胞(unitcell):
能完全反映晶格特征的最小几何单元。
3.常见的三种晶体结构
a.体心立方晶格(body-centercubiclattice)
属于体心立方晶格的金属有:
钠(Na);钾(K);铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒(V);钽(Ta);铌(Nb);α-铁(α-Fe)等。
备注
b.面心立方晶格
属于面心立方晶格的金属有:
金(Au);银(Ag);铜(Cu);铝(Al);镍(Ni);铂(Pt);铅(Pb);γ-铁(γ-Fe)等
c.密排六方晶格(c/a=1.633)
属于密排六方晶格的金属有:
镁(Mg);锌(Zn);镉(Cd);α–钛(α–Ti);铍(Be)等。
4.纯金属的晶体结构与特性
a.金属键---金属原子间的结合键。
b.金属键的基本特点是电子公有化。
c.电子气---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子气。
d.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子气的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。
二、实际金属的晶体结构与晶体缺陷
1.单晶体与多晶体的基本概念
单晶体(singlecrystal)的特征:
晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。
晶体具有各向异性(aeolotropy)。
例如:
单晶硅、单晶锗等。
多晶体(polycrystal)的特征
晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。
备注
*晶体具有各向同性(isotropy)。
例如:
常用的金属等。
2.晶体缺陷(crystaldefect)
a.点缺陷(pointdefect)
•空位(vacancy)
•间隙原子(gapatom)
•置换原子(substitutionalatom)
b.线缺陷(linedefect)----位错(dislocation)
•螺旋型位错(screwdislocation)
•刃型位错(bladedislocation)
c面缺陷(surface-defect)
•晶界(grainboundary):
晶粒与晶粒之间的界面。
•亚晶界(sub-boundary):
相邻晶粒位向很小(一般1~2°)的小角度晶界。
3.晶体缺陷对金属性能的影响
•原子的扩散
•金属的强化
●固态相变
备注
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课题:
第二章材料的结构
2.2合金的晶体结构
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
掌握固溶体、金属化合物、机械混合物的结构特点与性能特点。
教学重点:
能理解并掌握固溶体、金属化合物、机械混合物的结构特点与性能特点。
教学难点:
固溶体的理解、分类。
主要教学内容:
第二章材料的结构
2.2合金的晶体结构
一、基本概念
1.合金
2.组元
3.相
二、合金在固态下的相结构及性能
1.固溶体(solidsolution)
2.金属化合物(metalliccompound)
3.机械混合物
课程回顾:
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复习
第二章材料的结构
2.2合金的晶体结构
一、基本概念
1.合金
2.组元
3.相
二、合金在固态下的相结构及性能
1.固溶体:
固溶体的主要类型及形成条件
a.置换固溶体
*形成特征:
R溶剂≈R溶质
b.间隙固溶体例如:
Fe-C
*形成的特征:
R溶质/R溶剂<0.59
溶剂A+溶质B=C
bccfccbcc
铁素体的晶体结构
备注
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2.金属化合物
溶剂A+溶质B=C
bccfcccph
例如:
3Fe+C=Fe3C
体心六方复杂结构
金属化合物的主要类型
1.正常价化合物
(normalcompounds)
2.电子价化合物
(electroncompounds)
3.间隙化合物
(interstitialcompounds)
金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质,
具有较高的熔点,硬度较高,脆性高。
3.机械混合物:
机械混合物的性能特点
取决于组元的相对数量。
取决于组成相的大小和形状。
具体数值介于组元性能之间。
备注
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第2周总第4次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第三章材料相变基础知识
3.1纯金属的结晶3.2二元合金相图
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
了解纯金属的结晶过程,理解二元合金相图的建立,掌握杠杆定律、以及典型二元合金相图的分析。
教学重点:
理解二元合金相图的建立,能掌握杠杆定律、以及典型二元合金相图的分析。
教学难点:
能掌握杠杆定律、以及典型二元合金相图的分析。
主要教学内容:
第三章材料相变基础知识
3.1纯金属的结晶
一、纯金属结晶的条件
二、纯金属的结晶过程
三、晶粒大小的控制
四、同素异构转变
第三章材料相变基础知识
3.2二元合金相图
一、二元合金相图的建立
1.建立方法
2.建立步骤
二、匀晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
3.杠杆定理
课程回顾:
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第三章材料相变基础知识
3.1纯金属的结晶
一、纯金属结晶的条件
液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称为过冷。
理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差称为过冷度:
ΔT=T0-T1
纯金属结晶的热力学条件为:
ΔG<0,此时ΔT>0.
二、纯金属的结晶过程
1.晶核的形成(两种方式)-均匀形核;非均匀形核
2.晶核的长大-通常按树枝状方式长大
三、晶粒大小的控制
生产上总是希望得到细小的晶粒,细晶组织使得材料性能良好,既有高强度、硬度,同时也具有高的塑性和韧性,一般控制晶粒大小的方法有三种:
1.控制过冷度
2.变质处理
3.振动处理
四、同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称为同素异构转变。
如铁在固态冷却时有两次晶体结构变化为;
δ-Fe
γ-Fe
α-Fe
备注
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复习
第三章材料相变基础知识
3.2二元合金相图的建立与结晶过程分析
一、二元合金相图的建立
1.建立方法
名称
A金属
B金属
晶格类型
bcc
bcc
熔点
高
低
合金1
100%
0%
合金2
90%
10%
合金3
80%
20%
……..
……..
…….
合金9
20%
80%
合金10
10%
90%
合金11
0%
100%
2.建立步骤
备注
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二、匀晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
备注
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3.杠杆定理
作业:
分析匀晶相图,会用杠杆定律。
备注
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第3周总第5次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第三章材料相变基础知识
3.2二元合金相图
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
能对共晶相图、共析相图分析。
教学重点:
理解相图中的成分、组织、性能之间的关系,能对共晶相图、共析相图分析。
教学难点:
能对共晶相图、共析相图分析。
主要教学内容:
第三章材料相变基础知识
3.2二元合金相图
一、共晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
二、共析相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
课程回顾:
教案用纸
复习
第三章材料相变基础知识
3.2二元合金相图
一、共晶相图
1.相图分析
备注
教案用纸
2.合金结晶过程分析
二、共析相图
1.相图分析
备注
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2.合金结晶过程分析
作业:
能分析共晶、共析相图。
备注
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第3周总第6次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
熟悉铁碳合金中的基本组织及性能。
掌握铁碳合金相图的构成。
教学重点:
能认识并掌握铁碳合金的基本组织及性能,掌握铁碳合金相图简图的构成。
教学难点:
铁碳合金相图简图的构成的掌握
主要教学内容:
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
一、铁碳合金的相图的基础知识
1.铁与碳形成一系列的化合物。
2.铁碳合金相图组元
3.基本组织的结构与性能。
二、相图的建立与分析。
课程回顾:
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复习
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
一、铁碳合金的相图的基础知识
1.铁与碳形成一系列的化合物。
2.铁碳合金相图组元
铁,渗碳体
3.基本组织的结构与性能。
铁素体:
碳溶于α–Fe中形成的间隙固溶体。
性能:
与纯铁相近,强度、硬度较低,塑性韧性较好。
奥氏体:
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。
性能:
硬度较低、塑性较好,易于锻压成型。
渗碳体:
铁与碳形成的金属化合物。
性能:
硬度很高、塑性、韧性几乎为零。
备注
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珠光体:
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
性能:
有较高的强度和韧度,也有一定的塑性和韧性。
莱氏体:
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
性能:
硬度很高,塑性、韧性机差。
二、相图的建立与分析。
备注
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作业:
会分析铁碳合金相图。
备注
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第4周总第7次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织,熟悉成分的变化规律。
教学重点:
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织。
教学难点:
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织,掌握相图在生产上的应用。
主要教学内容:
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
二、Fe-Fe3C相图的应用。
三、铁碳合金的生产及分类。
课程回顾:
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复习
第三章材料相变基础知识
3.3铁碳合金相图
一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
五个重要的成份点:
P、S、E、C、K。
四条重要的线:
EF、ES、GS、FK。
三个重要转变:
包晶转变反应式共晶转变反应式、共析转变反应式。
二个重要温度:
1148℃、727℃。
备注
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二、Fe-Fe3C相图的应用。
1.选择材料方面的应用
分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。
根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。
2.制定热加工工艺方面的应用
备注
教案用纸
三、铁碳合金的生产及分类。
钢铁的冶炼。
钢锭的组织、质量及缺陷。
碳素钢的分类、编号及用途。
作业:
能分析共晶、共析相图。
备注
教案用纸
第4周总第8次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第四章材料的改性-钢的热处理
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
了解热处理基本原理,熟知热处理基本过程。
教学重点:
掌握热处理的基本方法,熟悉钢在加热和冷却时的组织转变过程。
教学难点:
理解并熟悉钢在加热和冷却时的组织转变过程。
主要教学内容:
一、热处理基础知识
二、钢在加热时的组织转变
1.转变温度
2.奥氏体的形成
3.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
三、钢在冷却时的组织转变
1.钢在热处理时的冷却方式
2.过冷奥氏体的等温冷却转变
3.过冷奥氏体的连续冷却转变
课程回顾:
教案用纸
复习
铁碳合金相图的组成及意义
第六章钢的热处理
一、热处理基础知识
二、钢在加热时的组织转变
1.转变温度
2.奥氏体的形成
备注
教案用纸
3.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响
3.1奥氏体晶粒度:
1)起始晶粒度:
珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。
2)实际晶粒度:
热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。
3)本质晶粒度:
度量钢本身晶粒在930℃以下,随温度升高,晶粒长大的程度。
钢的本质晶粒度示意图
3.2奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响
1)奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。
2)粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。
三、钢在冷却时的组织转变
1.钢在热处理时的冷却方式
2.过冷奥氏体的等温冷却转变
建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线----TTT曲线(C曲线)
T---time
T---temperature
T---transformation
备注
教案用纸
珠光体型(P)转变(A1~550℃)
贝氏体型(B)转变(550~230℃)
马氏体型(M)转变(230~-50℃)
3.过冷奥氏体的连续冷却转变
备注
教案用纸
第5周总第9次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第四章材料的改性-钢的热处理
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
熟练应用C曲线分析钢在不同温度区间内等温转变产物的组织与性能。
教学重点:
掌握等温转变曲线在连续冷却转变中的应用。
教学难点:
掌握各种热处理工艺特点,各种热处理方法在实际生产中的应用。
主要教学内容:
钢的普通热处理工艺
(一)钢的退火
1.定义;2.目的;3.工艺参数;4.应用范围
(二)钢的正火
1.定义;2.目的
3.工艺参数
4.应用范围
(三)钢的淬火
1.定义;2.目的;3.工艺参数
4.应用范围
课程回顾:
教案用纸
复习
钢的普通热处理工艺
一般零件生产的工艺路线:
(一)钢的退火
1.定义:
把零件加温到临界温度以上30~50℃,保温一段时间,然后
随炉冷却。
2.目的:
消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理
作好组织准备。
备注
教案用纸
热处理后的组织:
原始组织
(二)钢的正火
1.定义:
把零件加温到临界温度以上30~50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。
2.目的:
消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。
3.工艺参数:
热处理后的组织:
S(Wc=0.6~1.4%);S+F(Wc<0.6%)
4.应用范围:
a预备热处理:
调整低、中碳钢的硬度;
消除过共析钢中的Fe3CⅡ。
b最终热处理:
用于力学性能要求不高的普通零件。
(三)钢的淬火
1.定义:
把零件加温到临界温度以上30~50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。
备注
教案用纸
2.目的:
为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。
3.工艺参数:
4.应用
钢的淬硬性
定义:
是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。
影响钢的淬硬性的因素:
主要取决于马氏体的含碳量。
总结:
本节课熟练应用C曲线分析钢在不同温度区间内等温转变产物的组织与性能。
备注
教案用纸
第5周总第10次学时2
教学班级:
课程:
工程材料授课教师:
课题:
第四章材料的改性-钢的热处理
教学方法:
讲授
教具:
教学目标:
熟练应用C曲线分析钢在不同温度区间内等温转变产物的组织与性能。
教学重点:
掌握等温转变曲线在连续冷却转变中的应用。
教学难点:
掌握各种热处理工艺特点,各种热处理方法在实际生产中的应用。
主要教学内容:
钢的普通热处理工艺
(四)钢的回火
1.定义
2.目的
3.工艺参数
4.应用范围
钢的表面热处理工艺
一、表面淬火
二、化学热处理
课程回顾:
教案用纸
复习上节内容。
钢的普通热处理工艺
(四)钢的回火
1.定义:
把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。
2.目的:
消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。
3.工艺参数:
淬火+高温回火=调质处理
备注
教案用纸
钢的表面热处理工艺
工艺的核心:
使零件具有“表硬里韧”的力学性能。
一.表面淬火
1.定义:
是一种不改变
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- 工程 材料 教案