机械基础教案一.doc

机械基础教案工程力学、材料力学、金属材料与热处理开课单位： 衡水市职教中心教研室： 机电部授课对象： 机电专业主讲教师： 焦志猛 目录 机械基础教案力学部分教学分析1教学部分（一）静力学部分3第一章 静力学的基本概念和受力图3第二章 平面汇交力系4第三章 力矩平面力偶系4第四章 平面一般力系5第五章摩擦5第六章 空间力系重心6（二）材料力学部分7第一章 轴向拉伸和压缩7第二章 剪切8第三章 扭转8第四章弯曲内力9第五章 弯曲应力10第六章 弯曲变形11第七章 应力状态和强度理论11第九章 压杆的稳定12金属材料与热处理教材内容总览17金属热处理基本知识17钢的分类18金属材料的机械性能19退火-淬火-回火19常用炉型的选择20加热缺陷及控制20几种常见热处理概念21回火的种类及应用21气氛与金属的化学反应21钢的氮化（气体氮化）22铍青铜的热处理22热处理应力及其影响22金属材料与热处理教学内容24第一、二教案 绪论24第三、四教案 金属的性能 概论25第五、六教案 金属的力学性能 强度26第七、八教案 金属的力学性能 塑性27第九、十教案 金属的力学性能 硬度28第十一、十二教案 金属的力学性能 维氏硬度28第十三教案 金属的工艺性能 金属的工艺性能29第十四教案 金属的晶体结构 金属的晶体结构29第十五教案 纯金属的结晶 纯金属的结晶 金属的同素异构转变30第十六教案 铁碳合金 概述 合金的组织31第十七教案 铁碳合金 二元合金相图32第十八教案 铁碳合金 铅锑二元合金相图的分析32第十九教案 铁碳合金相图 铁碳合金的相及组织33第二十、二十一教案 铁碳合金相图 铁碳合金相图34第二十二教案 铁碳合金 典型铁碳合金的结晶过程34第二十三教案 复习35第二十四教案 金属材料与热处理练习题36第二十五教案 讲评期中试卷37第二十六、二十七教案 碳素钢 常存元素对钢的性能的影响38第二十八教案 碳素钢 碳素钢的牌号及用途39第二十九教案 钢的热处理 概论40第三十、三十一教案 钢在冷却时的转变 钢在冷却时的转变41第三十二教案 钢的退火与正火41第三十三教案 钢的淬火42第三十四教案 钢的回火43第三十五教案 钢的表面热处理44第三十六、三十七教案 合金钢44第三十八教案 合金钢45第三十九教案 合金钢46第四十、四十一、四十二、四十三教案 铸铁、有色金属及硬质合金47第四十四、四十五教案 金属材料与热处理期末复习题48第 2页工程力学材料力学教案开课单位： 衡水市职教中心教研室： 机电部授课对象： 机电专业主讲教师： 焦志猛机械基础第一、二、三章 力学部分教案教学分析一课程的教学目的和要求工程力学是一门理论性较强的技术基础课，是高等院校工科专业的必修课。1.1 目的通过本课程的学习，使学生掌握物体问题，初步学会分析、解决一些简单的工程实际问题培养学生解决工程计算中有关强度、刚度和稳定性问题的能力，以及计算能力和实验能力，为工程设计打下必要的基础。1.2 要求1.2.1理论知识方面（1）能正确地选取分离体并画出受力图，比较完整地理解力、力矩和力偶的基本概念和性质，能熟练计算力的投影和力矩；（2）掌握运用各类平面力系的平衡方程求解单个物体及简单物系的平衡问题的知识；（3）掌握分析杆件内力并做相应内力图的基本知识；（4）掌握分析杆件的应力、应变，进行强度和刚度计算的基本知识；（5）对应力状态和强度理论有一定认识，并能进行组合变形下杆件强度计算；（6）初步学会分析简单压杆的临界载荷，并进行压杆稳定性的校核；1.2.2能力、技能方面（1）具有从简单的实际问题中提出理论力学问题并进行分析的初步能力；（2）初步具备计算强度、刚度、稳定性的计算及构件设计的能力；（3）初步具备合理选材及对常用材料基本力学性能进行测试的能力。二教材李世维主编，机械基础，北京：高等教育出版社，2006。三习题习题是本课程的重要教学环节，通过习题巩固讲授过的基本理论知识，培养学生自学能力和分析问题解决问题的能力。本课程课后习题量较大，在讲授完每次内容后，均安排有一定数量的习题、思考题，作业每周收一次。四教学内容（一）静力学部分第一章静力学的基本概念受力图第二章平面汇交力系第三章力矩、平面力偶系第四章平面一般力系第五章摩擦第六章空间力系和重心（二）材料力学部分第一章轴向拉伸和压缩第二章剪切第三章扭转第四章弯曲内力第五章弯曲应力第六章弯曲变形第七章应力状态和强度理论第八章组合变形构件的强度第九章压杆的稳定性六教学方法：1、 课堂教学手段主要采用多媒体。2、 采用启发式教学，鼓励学生自学，以“少而精”为原则，精讲多练；3、 加强与学生的沟通，增加课堂讨论，调动学生的主观能动性。七学习方法提示：1、提前预习，以提高听课效率；2、认真做好课堂笔记；3、课后认真复习，以巩固所学知识；4、 独立按时地完成课后作业，以便掌握课程学习的实际情况。八成绩评定方法：1、平时（包括考勤、作业、课堂提问）成绩占 30%；如作业缺三次，平时成绩扣一半；如缺五次，没有平时成绩；2、期末考试成绩占 70%。九考核方式：闭卷。教学部分（一）静力学部分第一章 静力学的基本概念和受力图一、教学要求1、使学生了解本课程的研究对象、研究内容，明确学习本课程的目的；2、掌握力和刚体的概念及静力学公理；3、掌握约束及约束反力的基本知识；4、初步掌握物体及简单物系的受力分析，合理选择分离体并画出受力图。二、本章重点本章讲授的重点是“静力学公理”，“约束和约束反力”“物体的受力分析和受力图”。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA1-1】1、教学内容本讲介绍静力学的研究对象、研究内容及学习方法，重点介绍力与刚体的概念以及静力学公理。2、教学方法从本课程能解决的问题着手介绍本课程的研究对象、研究内容及如何学好本课程，然后介绍力和刚体的基本概念，重点介绍静力学公理。3、教学手段课堂教学。4、注意事项强调本课程的特点，着重强调学好本课程必须完成大量的课后作业，同时说明只要努力一定能学好本课程。【教案 JA1-2】1、教学内容本讲介绍常见的约束类型与约束反力特性，对物体和简单物系进行受力分析，画受力图。2、教学方法举例说明柔索、光滑面、铰链、固定铰支、活动铰支、固定端约束，并按照选定研究对象、画分离体、画受力图的过程依次介绍，这是整个工程力学的基础知识。需要讲解大量的例题。3、教学手段可以采用多媒体，介绍约束类型和受力图时结合常见的例子，可利用图片予以形象地说明。4、注意事项必须向学生强调画分离体和受力图是进行力学分析的起始和关键，非常重要。另外，需要强调二力杆的判断一定准确，物系内力在画整体受力图时不需要画。第二章 平面汇交力系一、教学要求1、 掌握平面汇交力系合成的几何方法和解析方法；2、 掌握平面汇交力系平衡方程求解及应用。二、本章重点本章重点介绍平面汇交力系合成的解析法以及平面汇交力系平衡方程的求解。三、学时和教案安排本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA2-1】1、教学内容本讲介绍工程中的平面汇交力系问题，包括其合成的几何法及几何条件，解析法及平衡方程的求解。2、教学方法从简单的工程实际中的平面汇交问题介绍平面汇交力系的概念，平面汇交力系的几何法及几何条件，重点介绍解析法。3、教学手段课堂教学，对比几何法和解析法。4、注意事项需要理解平面汇交力系平衡的几何条件和解析条件。第三章 力矩平面力偶系一、教学要求1、 理解力矩、力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理；2、 掌握平面力偶系的合成与平衡方程求解。二、本章重点本章重点介绍平面力偶系的合成与平衡方程求解。三、学时和教案安排本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA3-1】1、教学内容本讲介绍力矩、力偶的概念、力偶的三要素及力偶的等效定理，重点介绍平面力偶系的合成与平衡方程求解。2、教学方法从扳手转动螺母开始介绍力矩，从拧水龙头介绍力偶的概念及力偶的性质，然后根据力偶的性质说明平面力偶系如何合成，从而引入平面力偶系的平衡问题。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项力偶不能与一个力等效，也不能用一个力与之平衡。第四章 平面一般力系一、教学要求1、 理解力线的平移定理，掌握平面任意力系向其作用面内任一点的简化方法；2、 理解平面力系的主矢与主矩的概念；3、 了解平面任意力系的平衡条件及平衡方程的各种形式；4、 了解静定与静不定问题的概念；5、 初步掌握简单物系的平衡问题。二、本章重点本章重点介绍平面汇交力系合成的解析法以及平面汇交力系平衡方程的求解。三、学时和教案安排本章讲授 5 学时，安排 3 个教案。【教案 JA4-1】1、教学内容本讲介绍力线平移定理、平面一般力系向一点简化及简化结果分析、合力矩定理。2、教学方法先介绍工程实际中的平面一般力系问题，然后提出如何解决，引入力线平移定理进而介绍平面一般力系向一点简化的方法并就简化结果进行分析，同时介绍合力矩定理。3、教学手段课堂教学。4、注意事项力线平移定理是力系简化的理论基础，一定要把握，对力系的简化结果一定要清楚。【教案 JA4-2】1、教学内容本讲介绍平面一般力系的平衡条件与平衡方程及平面平行力系的平衡方程。2、教学方法从平面一般力系的平衡条件入手介绍其平衡方程的基本形式及二力矩式和三力矩式，然后介绍一种特例，平面平行力系。本讲是本章的重点内容。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项需要注意平面一般力系二力矩和三力矩方程的三个方程独立的条件。【教案 JA4-3】1、教学内容本讲介绍静定与静不定问题的概念及物体系统的平衡问题。2、教学方法从独立平衡方程的数目及待求解的未知数个数入手介绍静定问题及静不定问题的概念。然后介绍静定的物体系统及物体系统的平衡问题。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项要学会判断问题的性质，了解简单物系平衡问题的解法。第五章摩擦一、教学要求1、 初步掌握滑动摩擦的基本知识；2、 初步掌握考虑摩擦时的平衡问题求解；3、 理解摩擦角的概念及自锁现象。二、本章重点本章重点介绍考虑摩擦时的平衡问题求解及自锁现象。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA5-1】1、教学内容本讲介绍滑动摩擦的基本知识及考虑摩擦时的平衡问题求解。2、教学方法从工程实际中的摩擦问题入手介绍静滑动摩擦和动滑动摩擦的概念。然后介绍考虑摩擦时的平衡问题求解。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项在求解考虑摩擦的平衡问题时必须正确地判断摩擦的性质及摩擦力的方向。【教案 JA5-2】1、教学内容本讲介绍摩擦角的概念与自锁现象。2、教学方法首先引入摩擦角的概念，然后介绍一种自锁现象，分析自锁条件。并结合例题分析如何利用自锁和防止自锁的发生。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项对自锁发生的条件要有一定的认识，并在工程设计的过程中学会运用或避免。第六章 空间力系重心一、教学要求1、 初步掌握力在空间坐标轴上投影的基本知识；2、 理解力对轴之矩的概念；3、 了解空间力系平衡方程的求解；4、 了解重心的概念和重心的求法。二、本章重点本章重点介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴之矩的概念。三、学时和教案安排本章讲授 3 学时，安排 2 个教案。【教案 JA6-1】1、教学内容本讲介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴之矩的概念。2、教学方法从工程实际中的空间问题入手，介绍力在空间坐标轴上投影、合力投影定理、力对轴之矩的概念。3、教学手段课堂教学，举例说明。4、注意事项力在空间直角坐标轴上的投影选用一次投影法还是两次投影法需要根据已知条件来定。力与轴共面时力对轴之矩为零。【教案 JA6-2】1、教学内容本讲介绍空间力系的平衡问题及重心的概念。2、教学方法从力作用的外效应入手，介绍空间力系平衡的条件，引入平衡方程，然后举例说明求解过程。简单介绍重心的概念及求法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项重点是了解基本结论。在工程实际中，多采用将空间力系平衡问题转化为在三个坐标平面内的平面力系问题来求解。（二）材料力学部分第一章 轴向拉伸和压缩一、教学要求1、掌握轴向拉伸和压缩时内力的分析方法及横截面上应力分析方法；2、初步掌握杆件在拉压时变形的基本知识；3、了解常见材料在拉压时的力学性能；4、掌握杆件在轴向拉压时的强度计算。二、本章重点本章讲授的重点是杆件在轴向拉压时的内力及应力分析方法、变形及强度计算。三、学时和教案安排本章讲授 8 学时，安排 4 个教案。【教案 JA1-1】1、教学内容本讲介绍材料力学研究的基本内容、基本概念和理想模型，然后介绍杆件轴向拉压时的内力分析方法。2、教学方法比较静力学研究内容介绍材料力学的研究内容，然后介绍最简单的轴向拉压问题及其内力的分析方法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项材料力学中认为材料是可变形固体，内力是物体内部某一部分与另一部分间相互作用的力，而理论力学中认为材料是刚体，物系的内力是指物系中各构件之间的相互作用力。【教案 JA1-2】1、教学内容本讲介绍等直杆轴向拉压时横截面及斜截面上的应力，介绍低碳钢和铸铁在拉压时的力学性能，并介绍实验测定方法。2、教学方法利用纤维模型说明等直杆横截面上的应力分布规律，并进一步介绍斜截面上的应力分布规律，然后介绍材料在轴向拉压时的变形实验及基本概念。3、教学手段课堂教学，简单绘制低碳钢的抗拉曲线。4、注意事项为低碳钢、铸铁拉压实验做理论准备。【教案 JA1-3】1、教学内容低碳钢及铸铁拉伸和压缩实验。2、教学方法分组进行实验，完成实验报告。3、教学手段由实验指导教师负责完成。4、注意事项强调对数据和图形的分析。【教案 JA1-4】1、教学内容介绍轴向拉伸和压缩时的强度计算和应力集中的。2、教学方法回顾低碳钢和铸铁的拉压实验，引入许用应力和安全系数的概念，然后介绍安全系数的选取方法，进而介绍轴向拉压时的强度条件，并举例说明可解决的三类问题，即强度校核、选择截面、确定许用载荷。最后简单介绍应力集中的概念、危害及利用。3、教学手段课堂教学。4、注意事项强度计算的基本步骤：外力分析、内力分析、强度计算。第二章 剪切一、教学要求1、了解剪切和挤压的基本概念；2、初步掌握剪切和挤压强度计算的基本知识。二、本章重点本章讲授的重点是剪切和挤压强度计算。三、学时和教案安排本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA2-1】1、教学内容介绍剪切和挤压的基本概念和强度计算。2、教学方法从常见的剪切构件入手，介绍剪切的基本概念，然后介绍剪切强度和挤压强度的计算方法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项剪切和挤压强度计算必须清楚判断剪切面和挤压面。第三章 扭转一、教学要求1、了解功率、转速和外力偶矩之间的关系；2、初步掌握圆轴扭转时的内力分析方法，画扭矩图；3、了解薄壁圆筒扭转的特点，理解纯剪切、切应力互等定理、剪切虎克定律；4、了解圆轴扭转时的应力和变形，掌握圆轴扭转的强度和刚度计算二、本章重点本章讲授的重点是圆轴扭转的强度和刚度计算。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA3-1】1、教学内容介绍扭转的基本概念及扭转时的内力分析方法，需要对功率、转速和外力偶矩之间的关系予以说明，然后介绍薄壁圆筒的扭转（纯剪切）、切应力互等定理及剪切虎克定律。2、教学方法从常见的扭转构件入手，介绍扭转的受力特点和变形特点，然后介绍扭转时内力分析过程及如何画扭矩图，最后介绍薄壁圆筒的扭转，引入纯剪切的基本概念及切应力互等定理和剪切虎克定律。3、教学手段课堂教学。4、注意事项确定功率、转速和外力偶矩之间的关系时要注意各自量纲。【教案 JA3-2】1、教学内容介绍圆轴扭转时的应力和变形，然后介绍圆轴扭转的强度和刚度计算方法。2、教学方法从圆轴扭转的变形几何关系、应力应变关系及静力学关系推导应力应变公式，然后举例介绍圆轴扭转的强度和刚度计算方法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项本章的应力、应变公式及强度、刚度条件只适用于圆轴的扭转，对非圆轴的扭转不适用。第四章弯曲内力一、教学要求1、了解平面弯曲的基本概念，初步掌握如何将构件简化成计算简图；2、掌握剪力、弯矩的计算方法，学会正确判断剪力和弯矩的正负；3、掌握如何建立梁的剪力方程和弯矩方程，画剪力图和弯矩图。4、了解剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系。二、本章重点本章讲授的重点是梁弯曲时的内力分析，如何画剪力图和弯矩图。三、学时和教案安排本章讲授 6 学时，安排 3 个教案。【教案 JA4-1】1、教学内容介绍梁平面弯曲的基本概念及弯曲时的剪力和弯矩的计算方法。梁的弯曲分析首先需要进行三方面的简化，然后确定梁的内力。剪力与弯矩的正负判断是本讲的难点内容。2、教学方法首先介绍一些弯曲构件，然后分析弯曲的特点，引出梁弯曲的概念，进而分析如何将实际构件简化成一个计算简图，包括几何形状、载荷、支座的简化，并介绍梁的三种基本形式。最后重点讨论如何计算梁弯曲时的内力。对于剪力和弯矩正负可总结出口诀。3、教学手段课堂教学。4、注意事项剪力和弯矩的符号一定要正确地判断。【教案 JA4-2】1、教学内容介绍梁的剪力方程和弯矩方程，剪力图和弯矩图的画法。这是本章的重点，也是弯曲问题的基础内容，需要重点讲解。2、教学方法从梁的三种基本形式的简单受力状态开始分析，然后介绍复杂的载荷作用时剪力图和弯矩图的画法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项强调本讲内容的重要性。【教案 JA4-3】1、教学内容介绍刚架内力图的画法，然后介绍剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系，重点是应用结论，学会用这些结论判断剪力图和弯矩图是否正确，并在不用列简单梁的内力方程的情况下更加简捷地画出梁的内力图。2、教学方法介绍剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系需避免过多介绍理论证明，介绍一个典型的例题予以说明即可，重点是介绍结论的运用。3、教学手段课堂教学。4、注意事项强调了解剪力、弯矩和分布载荷集度之间的关系有助于快速地画弯曲内力图。第五章 弯曲应力一、教学要求1、初步掌握梁弯曲时正应力的计算方法；2、掌握简单梁弯曲时的强度计算，包括校核强度、设计许用载荷、设计截面尺寸三类问题；3、了解提高梁抗弯能力的措施；4、了解抗弯实验的基本过程。二、本章重点本章讲授的重点是梁弯曲时的正应力计算方法和强度计算问题。三、学时和教案安排本章讲授 6 学时，安排 3 个教案。【教案 JA5-1】1、教学内容介绍梁纯弯曲正应力的计算方法，然后介绍计算公式中惯性矩的计算方法。2、教学方法理论推导矩形截面梁纯弯曲时的正应力计算公式，引出惯性矩的概念，然后介绍惯性矩的计算方法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项纯弯曲时推导出来的正应力计算公式可推广至非纯弯曲状态，但是梁的跨高比必须大于 5，变截面梁也可近似应用。其它情况需具体分析。【教案 JA5-2】1、教学内容介绍梁弯曲时的强度计算的三类问题，并就分析如何提高梁的抗弯强度。2、教学方法对三类问题分别举例介绍，并就正应力计算公式说明如何提高梁的抗弯强度。3、教学手段课堂教学。4、注意事项对于拉压强度不等的材料构成的梁弯曲时一定要注意，典型的是铸铁。【教案 JA5-3】1、教学内容梁的弯曲实验2、教学方法实验环节3、教学手段由实验指导教师安排4、注意事项分组进行第六章 弯曲变形一、教学要求1、了解梁挠曲线近似微分方程；2、初步掌握用叠加法求梁的变形；3、掌握简单梁的刚度校核方法；二、本章重点本章讲授的重点是用叠加法求梁的变形及梁的刚度校核。三、学时和教案安排本章讲授 2 学时，安排 1 个教案。【教案 JA6-1】1、教学内容介绍梁挠曲线近似微分方程，用叠加法求梁的变形的过程及梁的刚度校核。2、教学方法重点讲解叠加法求梁的变形，举例介绍为主，然后介绍梁的刚度校核，也是举例介绍计算过程为主。3、教学手段课堂教学。4、注意事项积分法的优点是可以直接运用数学方法求得梁的转角方程和挠度方程，但过程烦琐。叠加法虽然只能求特定截面上的挠度和转角，但比较方便。第七章 应力状态和强度理论一、教学要求1、了解应力状态的概念，重点掌握平面应力状态的基本知识；2、初步了解材料破坏的基本形式；3、了解常用的强度理论内容及其适用范围。二、本章重点本章讲授的重点是应力状态和强度理论。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA7-1】1、教学内容介绍应力状态的概念，重点介绍平面应力状态的基本知识。2、教学方法先回顾拉压试件的破坏形式，然后介绍应力状态的概念、研究方法，然后介绍平面应力状态的基本知识。3、教学手段课堂教学。4、注意事项关于平面应力状态的基本结论要清楚。【教案 JA7-2】1、教学内容介绍材料破坏的基本形式。介绍强度理论的概念，常用的强度理论及如何选择和应用。2、教学方法从材料的破坏形式入手介绍针对塑性材料和脆性材料的强度理论及其选择和应用。3、教学手段课堂教学。4、注意事项重点需要清楚如何选择和应用强度理论。第八章 组合变形构件的强度一、教学要求1、了解弯曲与拉伸（压缩）的组合变形的强度计算方法；2、了解弯扭组合变形的强度计算方法；二、本章重点本章讲授的重点是应用叠加原理解决简单的组合变形构件的强度计算问题。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA8-1】1、教学内容介绍组合变形的基本概念，强度计算的基本过程，弯曲与拉伸（压缩）的组合变形的强度问题计算的基本知识。2、教学方法举例说明弯曲与拉伸（压缩）组合变形的特点，举例介绍具体的计算过程。3、教学手段课堂教学。4、注意事项要掌握横截面上正应力如何叠加，并正确判断危险点，尤其是在材料抗拉和抗压性能不同时，需要同时校核抗拉强度和抗压强度。【教案 JA8-2】1、教学内容介绍弯扭组合强度计算的基本知识，。2、教学方法举例说明弯曲与扭转组合变形的特点，举例介绍具体的计算过程。3、教学手段课堂教学。4、注意事项这是本章的难点，尤其需要注意弯矩的合成。第九章 压杆的稳定一、教学要求1、了解压杆稳定的基本概念；2、掌握细长压杆的临界力计算方法和应用欧拉公式计算临界应力；3、了解中小柔度杆临界应力的计算方法；4、掌握压杆稳定计算方法及提高压杆稳定性的措施二、本章重点本章讲授的重点是计算细长压杆的临界力和临界应力，压杆的稳定计算。三、学时和教案安排本章讲授 4 学时，安排 2 个教案。【教案 JA9-1】1、教学内容介绍压杆稳定的概念及细长压杆的临界力计算方法，介绍欧拉公式的适用范围及中小柔度杆的临界应力。2、教学方法从介绍失稳现象开始，介绍临界力的概念及细长压杆的临界力计算方法，然后介绍欧拉公式及其适用范围，然后介绍中小柔度杆的临界应力计算方法。3、教学手段课堂教学。4、注意事项理解失稳与压缩破坏的本质不同。注意确定适当的长度系数，注意判断失稳平面。【教案 JA9-2】1、教学内容介绍压杆稳定的计算方法及提高压杆稳定性的措施。2、教学方法先介绍压杆截面选择和压杆稳定性的校核，然后介绍如何提高压杆稳定性。3、教学手段课堂教学。4、注意事项先计算压杆的柔度 ，然后根据柔度 选择计算临界力的公式。科目：机械基础 教师：焦志猛 教研组：机电 第 13 页 共 58 页金属材料与热处理教案开课单位： 衡水市职教中心教研室： 机电部授课对象： 机电专业主讲教师： 焦志猛机械基础第一、二、三章 金属材料与热处理部分教案科目：机械基础 教师：焦志猛 教研组：机电 第 3 页 共 58 页机械基础第一、二、三章 力学部分教案教材内容总览金属热处理基本知识金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 18501880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。 二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。 金属热处理的工艺 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。 加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。 把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。 表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。 化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。 热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。 例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。 钢的分类 钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。钢是经济建设中极为重要的金属材料。 钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。 由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类： 一按用途分类 按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。 结构钢：1.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。 2用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。 工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。 特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。 二按化学成分分类 按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%含碳量0.6%）；高碳钢（含碳量0.6%）。 合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）；中合金钢（合金元素总含量=5%10%）；高合金钢（合金元素总含量10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。三按质量分类 按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量0.045%、含硫量0.055%；或磷、硫含量均0.050%）；优质钢（磷、硫含量均0.040%）；高级优质钢（含磷量0.035%、含硫量0.030%）。 此外，还有按冶炼炉的种类，将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。按冶炼时脱氧程度，将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。 钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。金属材料的机械性能 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。 在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 1强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。 2塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。3硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指针。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。 常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。 4疲劳 前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。 5冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 退火-淬火-回火 一退火的种类 1完全退火和等温退火 完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 2球化退火 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 3去应力退火 去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。 二淬火淬火时，最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。 三钢回火的目的 1降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 2获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 3稳定工件尺寸 4对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 常用炉型的选择 炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定 1对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、多用性的，可选用箱式炉。 2加热长轴类及长的丝杆，管子等工件时，可选用深井式电炉。 3小批量的渗碳零件，可选用井式气体渗碳炉。 4对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。 5对冲压件板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉，辊底炉。 6对成批的定型零件，生产上可选用推杆式或传送带式电阻炉（推杆炉或铸带炉） 7小型机械零件如：螺钉，螺母等可选用振底式炉或网带式炉。 8钢球及滚柱热处理可选用内螺旋的回转管炉。 9有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。 加热缺陷及控制 一、过热现象 我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。 1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。 2.断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高