工程材料教案.doc

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. 绪论材料科学的发展及研究内容工程材料的发展及分类工程材料的四种键合机制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）。（）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（）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s、条件屈服强度0.2、抗拉强度b 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：是指试样拉断处横截面积S k的收缩量与原始横截面积S0之比。伸长率(延伸率)：是指试样拉断后的标距伸长量L k与原始标距L 0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 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计维氏硬度 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a k 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 教案用纸第 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(crystal lattice): 用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。晶胞 ( unit cell ):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-center cubic lattice )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 ) ; -铁 ( -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 ) ; -铁 ( -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 ) ; 钛 ( 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( single crystal )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( crystal defect )a.点缺陷( point defect ) 空位( vacancy ) 间隙原子( gap atom ) 置换原子( substitutional atom )b. 线缺陷( line defect ) -位错( dislocation ) 螺旋型位错( screw dislocation ) 刃型位错( blade dislocation )c面缺陷( surface-defect ) 晶界( grain boundary ) : 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12)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 教案用纸课题：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 (solid solution )2.金属化合物 ( metallic compound )3.机械混合物 课程回顾: 教案用纸 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 0.6%备 注 教案用纸2按钢的质量分类:碳素钢: Wp = (0.035% 0.045%)；Ws = (0.035% 0.050%)优质碳素钢: Wp = 0.035% ；Ws = (0.030% 0.035%) 高级优质碳素钢: Wp 0.030% ；Ws = ( 0.020%0.025% ) 3按钢的用途分类:碳素结构钢：用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种工具。一般为高碳钢。2.2碳素钢的编号及用途2.优质碳素结构钢45 - Wc = 45%00较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn - Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%1.0%备 注 教案用纸合金钢的基础知识一、合金元素对钢的组织和性能的影响1. 合金元素与铁和碳的作用a溶于基体中形成合金F或合金Ab与碳作用形成合金碳化物 2. 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响a扩大奥氏体区的合金元素Mn 元素对奥氏体区的影响b缩小奥氏体区的合金元素Cr 元素对奥氏体区的影响c改变共晶点和共析点参数的元素 合金元素对 S 点成分的影响合金元素对A1线的影响3.合金元素对钢的热处理的影响a加热时对奥氏体形成的影响b对过冷奥氏体转变的影响c对回火转变的影响小结：本课程重点掌握铁碳合金的生产及分类和合金钢的基础知识。备 注教案用纸第 6 周 总第 12 次 学时 2教学班级: 课程:工程材料 授课教师: 课题：第五章 金属材料5.1 工业用钢 教学方法：讲授教具:教学目标：通过讲授使学生掌握合金化的基本原理及合金钢的分类,编号.教学重点：Me在钢中作用的基本规律及钢的分类与编号. 教学难点：Me在钢中作用的基本规律及钢的分类与编号. 主要教学内容： 一、合金结构钢1.普通低合金钢2.合金渗碳钢 3.合金调质钢4.弹簧钢5.滚动轴承钢6.易切削钢二、合金工具钢1.合金刃具钢 2.合金模具钢3.合金量具钢 课程回顾: 教案用纸 复习一、合金结构钢1.普通低合金钢化学成分: 碳素结构钢 + 合金元素主加合金元素: Mn 1.8 %以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。应用：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。2.合金渗碳钢对渗碳钢的性能要求:表硬里韧对渗碳钢的含碳量的要求:低碳渗碳钢的热处理特点: 渗碳 淬火 + 低温回火(180200)3.合金调质钢调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢.对调质钢零件的性能要求为具有良好的综合机械性能.备 注 教案用纸因此,调质钢的含碳量一般在0.25%-0.50%之间,属于中碳钢.碳量过低,同时为了提高钢的淬透性和保证强度,韧性.通常加入Cr,Ni,Si,Mn,B及少量的MO,V,Al等合金元素.调质钢的热处理通常为淬火后高温回火.常用钢种有40,40Cr,30CrMnSi,40CrNiMo等.4.弹簧钢弹簧钢是用来制造弹簧等弹性元件的钢.根据其使用条件,要求其具有较高的弹性极限和屈强比,较高的疲劳强度,一定的塑性韧性.因此,碳素弹簧钢的含碳量为0.60%-0.90%,合金弹簧钢的含碳量为0.40%-0.70%.合金弹簧钢的主加合金元素是Si(3%),Mn(1.3%),Cr(约1%).以保证力学性能和工艺性能.根据弹簧钢的加工成型状态不同,弹簧分为热成型弹簧与冷成型弹簧.热成型弹簧的具体制造过程是先将剪断的钢材加热至高温状态(约高出淬火温度50-80度),趁热来卷弹簧或折叠成所需形状,然后进行淬火与中温回火.冷成型弹簧钢通常都采用多次冷拉的方法制成弹簧钢丝,但是在冷拉前要对钢料先进行淬铅处理,随后再进行总变形量达到80%-90%的多次冷拉,直到成品弹簧所要求的尺寸.用这种钢丝卷成弹簧后,只需进行低温去应力退火.常用钢种有65,55Si2Mn,60Si2CrV.5.滚动轴承钢用于制作滚动轴承的内外套圈及滚动体的钢,称为滚动轴承钢,对滚动轴承钢的性能要求为,高的弹性极限和接触疲劳强度,高而均匀的硬度和耐磨性,足够的韧性和淬透性,同时具有一定的抗蚀能力;备 注 教案用纸此外,对钢的纯度(非金属夹杂物等),组织均匀化,碳化物分布状况以及脱碳程度等都有严格的要求.因此,滚动轴承钢的含碳量为0.95%-1.15%,钢的主要元素是Cr(1.65%),辅助元素有Si,Mn.滚动轴承钢的热处理工艺主要为球化退火,淬火和低温回火.常钢种有GCr15,GCr15SiMn。6.易切削钢再钢中附加一种或某几种元素,使它成为容易被切削加工的钢,这类钢称为易切钢.目前常用的附加元素有硫,铅,钙,磷等.备 注 教案用纸第 7 周 总第 13次 学时 2教学班级: 课程:工程材料 授课教师: 课题： 第五章 金属材料5.2 铸铁教学方法： 讲授教具:教学目标：通过讲授使学生掌握铸铁的分类，铸铁中的石墨形态及铸铁的石墨化过程教学重点：铸铁的石墨化过程教学难点：铸铁的石墨化过程主要教学内容： 一:铸铁的化学成分二:铸铁的石墨化:三：影响石墨化过程的因素四:铸铁的性能课程回顾: 教案用纸 复习一:铸铁的化学成分铸铁是含碳量大于.的铁碳合金, 与钢相比,不仅含C和Si较多,而且含杂质元素S,P也较多.二:铸铁的石墨化:1:碳在铸铁中的存在形式和铁碳合金的双重相图. 碳含量超过在-Fe,-Fe中的溶解度后,剩余的碳可以有两种存在方式:渗碳体和石墨.在通常情况下，铁碳合金是按铁-渗碳体系(即:Fe-Fe3C)进行转变,但是,渗碳体实际上是一个亚稳定相,在一定条件下可以分解为铁基固溶体和石墨,因此,铁-石墨系是更稳定的状态.所以反映铁碳合金结晶过程和组织转变规律的状态图便有两种: Fe-Fe3C (亦称亚稳定系)状态图和Fe-石墨(亦称稳定系)状态图.如图8-1所示.图中虚线均位于实线的上方或左上方,表明Fe-石墨系比Fe- Fe3C系稳定;而且在Fe-石墨系中,碳在液态,奥氏体和铁素体中的溶解度较在Fe-Fe3C 系中的溶解度较小;同时,奥氏体-石墨共晶温度比奥氏体-渗碳体共晶温度高,铁素体-石墨共析温度比铁素体-渗碳体共析温度高.2:铸铁的石墨化过程铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程.根据铁合金双重状态图,铸铁的石墨化过程可分为三个阶段.第一阶段,液相至共晶结晶阶段.即L(1154度)A+G.Fe3CA+G.第二阶段,共晶至共析转变之间阶段.即AG,Fe3CA+G.第三阶段,共析转变阶段.即AF+G,Fe3CF+G.三：影响石墨化过程的因素：铸铁的化学成分对石墨化的影响碳和硅:碳和硅都是强烈促进石墨化的元素.锰:锰是阻碍石墨化的元素.它能溶于铁素体和渗碳体中,其固碳的作用,从而阻碍石墨化.硫:硫是有害元素,阻碍石墨化并使铸铁变脆.磷:磷是一个促进石墨化不显著的元素.2:冷却速度对石墨化过程的影响 备 注 教案用纸一般来说,铸铁冷却速度越慢,越有利于按照Fe-石墨稳定系状态图进行结晶与转变,充分进行石墨化;反之,则有利于Fe-Fe3C亚稳定系状态图进行结晶与转变,最终获得白口铸铁.三:铸铁的分类1:根据铸铁在结晶过程中石墨化程度不同的分类.根据铸铁中的碳在结晶过程中析出形态以及凝固后其断口颜色的不同，铸铁可分为三大类：白口铸铁碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色，故称为白口铸铁麻口铸铁碳既以化合态的渗碳体析出，又以游离态的石墨析出，凝固后断口夹杂这白亮的渗碳体和暗灰的石墨，故称为麻口铸铁灰口铸铁碳大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁.2:根据铸铁中石墨结晶体状态的分类.按形态分：（） 普通灰铸铁石墨为片状；（） 孕育铸铁石墨为细小片状；（） 可锻铸铁石墨为团絮状；（） 球墨铸铁石墨为球状；（） 蠕墨铸铁石墨为蠕虫状四:铸铁的性能铸铁的抗拉强度，塑性和韧性要比碳钢低一般说来，始末数量愈少，形状愈接近球形，则铸铁的强度，塑性及韧性愈高.石墨的存在虽然降低了铸铁的力学性能,但却赋予铸铁为许多钢件所不及的性能:优良的铸造性能良好的切削加工性较好的耐磨性和减振性较低的缺口敏感性备 注 教案用纸第 7 周 总第 14 次 学时 2教学班级: 课程:工程材料 授课教师: 课题： 第五章 金属材料5.2 铸铁 5.3 非铁金属及其合金 教学方法： 讲授教具:教学目标：通过讲授使学生掌握常用铸铁的种类,石墨的形态,特点及应用.教学重点：常用铸铁的特点及应用教学难点：常用铸铁的特点及应用主要教学内容： 一:灰铸铁二:可锻铸铁三:球墨铸铁四:蠕墨铸铁五:耐热铸铁六:耐蚀铸铁课程回顾:教案用纸 复习1:灰铸铁的成分和组织灰铸铁是石墨呈片状分布的铸铁,是应用最为广泛的一类铸铁.灰铸铁的成分一般范围为:2.50%-4.00%C,1.00%-3.00%Si,0.40%-1.30%Mn,S0.12%,P0.4%. 灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体组成.金属基体依共析阶段石墨化进行的程度不同,可分为铁素体,铁素体+珠光体和珠光体三种.灰铸铁中石墨类型一般分为六种,即A,B,C,D,E,F六种类型,如图8-4所示.2:灰铸铁的牌号,性能和用途. 灰铸铁的牌号与机械性能指标.我国灰铸铁的牌号用灰铁二字的汉语拼音的第一个大写字母HT和一组数字表示,数字表示抗拉强度(单位为Mpa). 灰铸铁的组织对性能的影响.灰铸铁的组织由金属基体和片状石墨组成.其性能取决于金属基体和片状石墨的数量,大小和分布. 灰铸铁的铸造性能.灰铸铁具有熔点低(约为1200度),流动性好,铸造收缩率小(一般从铁水注入铸型到凝固冷却至室温其收缩率约为0.5%-1%),铸件内应力小,易于铸造成型.二:可锻铸铁 可锻铸铁是先将铁水浇注成白口铸铁,然后经过石墨化退火,使游离渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种高强度灰口铸铁.常用可锻铸铁的化学成分范围为:2.4%-2.7%C,1.4%-1.8%Si,0.5%-0.70%Mn,0.08%P,0.25%S,0.06&Cr,另外加少量的孕育剂铝和铋.1:石墨化可锻铸铁(又称黑心可锻铸铁). 石墨化可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而制得得,在退火过程中主要是发生石墨化.2:脱碳可锻铸铁(又称白心可锻铸铁). 脱碳可锻铸铁是白口铸铁在长时间退火过程中,由于只要是发生氧化脱碳过程,故经退火后其正常的组织应该是铁素体基体加极少量的团絮状石墨.备 注 教案用纸3:可锻铸铁的牌号,性能及用途. 可锻铸铁的机械性能除与石墨团的形状,大小,数量和分布有关外,还与金属基体的组织有很大关系.铁素体基体可锻铸铁具有一定的强度和较高的塑性与韧性,主要用作承受冲击和振动的铸件,珠光体基体可锻铸铁具有高的强度,硬度和耐磨性以及一定的塑性,韧性,主要用于要求高强度,硬度,耐磨的铸件.我国可锻铸铁的牌号用可铁两字汉语拼音的第一个大写字母KT表示,随后加两组数字分别表示最低抗拉强度(单位为Mpa)和最低延伸率(%).三:球墨铸铁 石墨呈球状分布在基体上的灰口铸铁称为球墨铸铁.1:球墨铸铁的组织特点: 球墨铸铁的组织是由球状石墨和金属基体所组成的.铸件经正火或退火后球墨铸铁的基体组织有珠光体,珠光体+铁素体和铁素体.2:球墨铸铁的组织成分特点:球墨铸铁的化学成分的特点是:碳,硅含量较高,锰,磷及硫含量低,并含有残留的球化剂镁和稀土