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:工程材料及热处理授课教师:课题：第一章钢铁材料生产简介教学方法：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，掌握炼钢、炼铁的常识性知识。教学重点：理解工程材料及其在机械工业中的作用，掌握炼钢、炼铁的常识性知识。教学难点：了解钢铁材料的生产过程及各种冶炼方法，熟悉各种钢材的加工方法。主要教学内容：首先介绍课程性质、内容及学习方法一、工程材料简介二、钢铁材料生产过程三、常用钢材加工方法四、钢铁材料应用课程回顾: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。教材与学时安排金属工艺过程介绍）材料生产2h金属学22h热处理10h机械材料10h毛坯制造4h其他：4h一、工程材料简介二、钢铁材料生产过程根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量去除到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围的过程。简单地说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅锰含量的过程。这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。化学反应主要是：2FeO+Si2Fe+SiO2FeO+MnFe+MnO备注教案用纸反应生成的一氧化碳很容易从铁水排至炉气中而被除掉。生成的二氧化硅、氧化锰、氧化亚铁互相作用成为炉渣浮在钢水面上。生铁中硫、磷这两种元素在一般情况下对钢是有害的，在炼钢过程中必须尽可能除去。在炼钢炉中加入石灰(CaO)，可以去除硫、磷：2P+5FeO+3CaO5Fe+Ca2(PO4)2(入渣)在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量的氧，是有害的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产生裂纹。故炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂(例如锰铁、硅铁和铝等)，以除去钢液中多余的氧：Mn＋FeOMnO＋FeSi＋2FeOSiO2＋2FeAl＋3FeOAl2O3＋3Fe同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢水铸成钢锭。三、常用钢材加工方法炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢(可搭用钢铁料的20～50％的废钢)，原料适应性强，但冶炼时间多。我国目前主要采用平炉炼钢。转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉(见图)，生产速度快(1座300吨的转炉吹炼时间不到20分钟，包括辅助时间不超过1小时，而300吨平炉炼1炉钢要7个小时)，品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。备注教案用纸可以炼制化学工业需要的不锈耐酸钢，电子工业需要的高牌号硅钢、纯铁，航空工业需要的滚珠钢、耐热钢，机械工业用轴承钢、高速切削工具钢，仪表工业需要的精密合金等。四、钢铁材料应用备注教案用纸第1周总第2次学时2教学班级:课程:工程材料及热处理授课教师:课题：第二章金属的力学性能教学方法：讲授教具:教学目标：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：第二章金属的力学性能一、力学性能的定义及范围二、强度三、塑性四、硬度五、韧性六、疲劳断裂课程回顾:教案用纸复习第二章金属的力学性能一、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。备注教案用纸洛氏硬度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h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计教案用纸第2周总第3次学时2教学班级:课程:工程材料及热处理授课教师:课题：第三章金属的晶体结构与结晶3.1纯金属的晶体结构3.2纯金属的结晶教学方法：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，明确金属缺陷类型。教学重点：掌握常见的晶格类型，明确金属缺陷类型。教学难点：晶格类型，明金属缺陷类型。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、纯金属的结晶1.冷却曲线与过冷现象2.纯金属的结晶过程3.晶粒细化方法4.金属同素异构转变课程回顾:教案用纸复习第三章金属的晶体结构与结晶一、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。备注教案用纸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、实际金属的体结构与晶体陷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。备注教案用纸*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•金属的强化固态的相变备注教案用纸第2周总第4次学时2教学班级:课程:工程材料及热处理授课教师:课题：第三章金属的晶体结构与结晶3.3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：第三章金属的晶体结构与结晶3.3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:教案用纸复习第三章金属的晶体结构与结晶3.3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=Cbccfccbcc铁素体的晶体结构备注教案用纸2.金属化合物溶剂A+溶质B=Cbccfcccph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。备注教案用纸备注教案用纸第3周总第5次学时2教学班级:课程:工程材料及热处理授课教师:课题：实验一、盐类结晶过程的观察教学方法：实验教具:教学目标：观察金属盐类的结晶过程和结晶方式，建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。教学重点：观察金属盐类的结晶过程和结晶方式，建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。教学难点：建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。主要教学内容：1观察金属盐类的结晶过程和结晶方式2建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。课程回顾:教案用纸实验一、盐类结晶过程的观察一、实验目的1观察金属盐类的结晶过程和结晶方式2建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。二、实验内容观察透明盐类NH4Cl或过程和晶体结构。三、实验仪器、材料1.仪器：生物显微镜2.材料：NH4Cl水溶液四、实验方法和步骤1.调整好生物显微镜，选择不大于100倍的放大倍数，装好物镜和目镜，根据光源，调整好反射平面镜和凹镜。2.将NH4Cl水溶液在酒精灯上加热，使其达到饱和状态。3.用吸管将一滴饱和的溶液滴在经过洗净并烘干的玻璃片上，迅速将玻璃片置于生物显微镜样品台上。4.转动生物显微镜粗调手轮，提高镜筒，粗略地调整显微镜焦点，再转动微调手轮，调整到视场清晰为止。5.集中精力观察溶液在蒸发过程中所产生的结晶现象。6.观察一滴溶液全部结晶过程后，重新取一滴继续观察，并用铅笔在准备好的纸上分阶段描绘结晶过程和结晶组织。备注教案用纸第3周总第6次学时2教学班级:课程:工程材料及热处理授课教师:课题：第三章金属的晶体结构与结晶3.4二元合金相图教学方法：讲授教具:教学目标：理解二元合金相图的建立，掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。教学重点：理解二元合金相图的建立，能掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。教学难点：能掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。主要教学内容：第三章金属的晶体结构与结晶3.4二元合金相图一、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