金属工艺学(2012-2013前两周教案).doc

金属工艺学 金属工艺教案专业科：机电科学科：金属材料工艺任课老师：刘涛授课班级：11.23、11.24、学年：2012-2013年第二学期每周课时：两堂课（4节）课题一金属工艺学简介教学目标1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。 2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。 3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。教学重点金属材料的物理、化学性能及应用。教学难点金属材料的物理、化学性能及应用。学情分析本次课介绍金属工艺的基本知识，金属材料的相关性能，讲解时结合视频让同学们了解我国古代工艺和现代工艺，认识金属材料性能。教学方法讨论、讲授、视频演示课时4课时教具多媒体课型新授 教 学 步 骤参考教法引入1教师讲解，播放视频展示中国古代金属文明。 2结合国情引导学生认识我国现代先进金属工艺。新授：金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术科学。我国在商代就大量使用青铜器，当时青铜冶炼和铸造技术已经相当精湛。在春秋末期我国就出现了铁器，也比欧洲早一千八百多年左右。以1965年湖北省江陵县出土的春秋越王勾践的宝剑为首，说明当时已掌握了锻造和热处理技术。1980年12月从秦始皇陵陪葬坑出土的大型彩绘铜车马，综合了铸造、焊接、凿削、研磨、抛光及各种联接工艺。解放后，我国在金属材料、非金属材料及其加工技术方面有了突飞猛进的发展，推动了我国机械制造工业的发展1、金属材料的性能 1）使用性能 包括：力学性能、物理性能、化学性能。 2）工艺性能 包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。 2、载荷的概念 1）静载荷：大小不变或变动很慢的载荷。 2）冲击载荷：突然增加或消失的载荷。 3）疲劳载荷：周期性的动载荷。 3、金属材料的力学性能各项指标的概念 符号及表示方法 应用条件和范围 1）强度 概念：金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。 符号表示：屈服强度s材料产生屈服时的最小应力。单位为Mpa。 抗拉强度b材料拉断前所承受的最大应力。单位为Mpa。 应用条件和范围：设计机械零件和选材的主要依据。 2）塑性 概念：金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。 符号表示：断后伸长率 试样拉断后，标距长度的相对伸长率。 断面收缩率试样拉断后，试样截面积的相对收缩率。 应用条件和范围：材料进行压力加工时选材的主要依据。 3）硬度 概念：材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。 符号表示：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 应用条件和范围：布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质的钢材等材料。HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。 4）冲击韧度 概念：金属材料抵抗冲击载荷载荷作用而不破坏的能力。 符号表示：冲击吸收功Ak。 冲击韧度ak。 应用条件和范围：冲击韧度值一般只作为选材时的参考，不能作为计算依据。材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量地时，主要取决于强度。 5）疲劳强度 概念：金属材料在多次重复交变载荷作用下而不发生断裂的最大应力。 符号表示：疲劳强度-1 应用条件和范围：黑色金属循环周次10的7次方，有色金属和某些高强钢循环周次10的8次方。 四、本课程的目标1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。 2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。 3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。五、本课程的学习方法注意观察仔细听课积极思维重视复习勤于实践练习：讨论不同材料所采用的硬度试验方法和硬度值符号。 课堂小结： 本节课了解了金属工艺相关知识，对本门课有了大致了解，希望同学们在今后的专业知识学习过程中多思考多观察。 作业： 课后复习思考题1、8.教学反思：要想提升学生的学习积极性，必须和生活实际多联系起来，让学生容易想象，把抽象化的知识形象化；让学生产生一种感觉：用所学知识可以解决生活中的问题。（观察视频，1、请同学们回答相关问题；2、请同学们说明自己知道的或者见过的金属工艺过程。）（板书）（学生举例说明生活中金属材料相关的性能。）（观看视频，通过教师讲解让同学们了解我国金属工艺的历史，建立自豪感，培养对本学科的学习兴趣。）（板书）课题二金属与合金的晶体结构与结晶教学目标1、了解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。 2、掌握金属晶体的三种常见晶格类型：面心立方、体心立方和密排六方晶格。3、掌握实际金属点、线、面缺陷与金属力学性能的关系。 4、掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。 5、掌握合金的基本概念，了解固溶体和金属间化合物的概念。 6、了解二元合金相图的建立，了解合金结晶的过程。 教学重点纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。教学难点纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。学情分析 金属的晶体结构与结晶过程，较复杂抽象，需要配合实验观察来加深记忆，学生对显微视角比较好奇，可以通过实验来提高学生的学习积极性，加深对金属结构的认识。教学方法讨论、讲授、实验课时7课时教具显微镜、多媒体课型新授 教 学 步 骤参考教法引入：金属材料与非金属材料相比，不仅具有良好的力学性能和某些物理、化学性能，而且工艺性能在多方面也较优良。即使都是金属材料，不同成分和不同状态下性能也会有很大差异，举例说明。造成上述性能差异的主要原因，主要是材料内部结构不同，因此掌握金属和合金的内部结构和结晶规律，对于合理选材具有重要意义。新授：1、金属的晶体结构的基本知识 1）晶格、晶胞的概念： 晶格一：用来描述原子在晶体中排列形式的假想的空间格架。 晶胞：晶格中能代表晶体结构特征的最小组成几何单元。 2）金属晶体结构常见的三种晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。 3）金属的实际晶体结构：实际金属的晶体结构是多晶体结构；实际金属的晶体结构内部存在晶体缺陷。晶体缺陷包括：点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷即空位、间隙原子和置换原子；线缺陷即位错；面缺陷即晶界和亚晶界。晶体缺陷会使金属内部晶格发生晶格畸变，产生内应力；金属的性能发生变化，强度、硬度增加。晶体缺陷是强化金属的手段之一 2、金属的结晶： 1）纯金属的结晶过程。 结晶的概念：凝固时原子在物质内部做有规则排列。 过冷度：金属实际结晶温度低于理论结晶温度的差值。 结晶过程：液态金属结晶是不断生成晶核和晶核不断长大，直至完全结晶成固态的过程。 2）金属结晶后的晶粒大小。 晶粒大小对金属力学性能的影响：细晶粒金属具有较高的强度和韧性。 细化晶粒的措施：增大形核率，抑制长大速率。常用方法有：增加过冷度；变质处理；振动等。 3、合金的晶体结构 1）合金的基本概念： 合金：一种金属元素与其它金属元素和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。 组元：组成合金的最基本的独立物质。可以是金属、非金属元素或稳定化合物。 相：合金中具有同一聚集状态，同一种结构和性质的均匀组成部分。 组织：用肉眼或借助显微镜观察到材料晶粒内部组成相的数量、形态、大小和分布状态。 2）合金的组织： 固溶体：合金由液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相。占主要地位的元素叫溶剂，被溶解的元素叫溶质。固溶体的晶格类型保持溶剂的晶格类型。由于溶质原子的融入，容剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加，导致金属的强度、硬度提高，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。 金属间化合物：合金组员间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相，它的晶格类型和性能不同于任一组元。金属间化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧性有所降低。 机械混合物：两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质。通过调整固溶体中容质含量和金属间化合物数量、大小、形态和分布状况，可以改变合金的力学性能。 3）合金的结晶： 二元合金相图的建立：相图是表示在极其缓慢冷却条件下合金系中各种合金状态与温度、成分之间的关系的简明图解。它是通过实验方法建立。 二元合金相图的分析：相图横坐标表示二元合金成分分数，纵坐标表示温度；特性点：纯金属熔点；特性线：液相线、固相线。二元合金结晶过程：液相线以上温度，合金为液相到达液相线，合金开始结晶液相线、固相线之间，合金液相、固相共存到达固相线及一下，合金为固相。 三、本章重点 1、金属的晶体结构。2、金属的结晶过程。 3、合金的晶体结构。 练习：有形状、尺寸相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含质量分数为90%Ni，另一个含质量分数为50%Ni，铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重。课堂小结： 本节课学习了金属与晶体的结构和结晶，了解金属晶体的基本构造，熟悉了金属结晶的过程，并介绍了金属结晶过程的几个相关概念。 作业：P20 2-1、3教学反思： 在教学过程中注意学生逻辑思维能力的培养，即学会分析问题的思路，如何条理清楚地解决问题。（请同学们列举金属、非金属不同成分和状态下性能差异。）（板书）（金属晶体结构的基本概念，常见的三种晶格类型:体心、面心、密排）（金属的结晶过程主要受过冷度影响，两个因素：晶核的生成和长大。抑制晶核长大的常用方法。）（板书）（合金的三种常用组织，固溶体、金属间化合物、机械混合物。）（板书）（板书）课题三铁碳合金教学目标1、熟悉铁碳合金的基本组织的特点。 2、熟悉铁碳相图中的相、特性点和特性线。 3、熟悉典型铁碳合金结晶过程和组织转变。 4、掌握含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。 教学重点铁碳合金结晶过程、铁碳合金相图教学难点铁碳合金相图学情分析学生对材料的组织结构很陌生，识图能力较差，需要认真耐心辅导。教学方法讨论、讲授课时4课时教具圆钢、多媒体课型新授 教 学 步 骤参考教法1、铁碳合金基本组织 1）纯铁的同素异构转变： -Fe：1394o以上固态铁，体心立方晶格。 -Fe：1394o912o固态铁，面心立方晶格，。 -Fe：912 o以下固态铁，体心立方晶格。 2）铁碳合金基本组织： 铁素体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度低。 奥氏体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。力学性能：有良好塑性，强度、硬度较低。 渗碳体：是铁和碳组成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用符号Fe3C表示。力学性能：塑性、韧性几乎为零，硬度很高。 珠光体：是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。力学性能：介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。 莱氏体：1148o727o时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；727 o及以下时为珠光体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示。力学性能：与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。 2、铁碳合金相图 T A L D A E LA C LC F G AC AC LdAC Ld LdC727F P S K 600QPF P PC PC LdPC Ld LdC0 0.77 2.11 4.30 6.69 1）相图分析： 铁碳合金相图中的相：液相、铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体。 铁碳合金相图中的特性点：C、E、P、S。 铁碳合金相图中的特性线：ECF线、ES线、PSK线、GS线。 2）典型铁碳合金结晶过程和组织转变： 工业纯铁：含碳量0.0218%，室温平衡组织F。 亚共析钢：含碳量0.0218%0.77%2.11%，室温平衡组织F+Fe3C。 亚共晶白口铸铁：含碳量2.11%4.3%，室温平衡组织P+ Fe3C+ Ld。 共晶白口铸铁：含碳量4.3%，室温平衡组织Ld。 过共晶白口铸铁：含碳量4.3%6.69%，室温平衡组织Fe3C+ Ld。 3）含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响： 对平衡组织的影响：随着含碳量的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加，渗碳体的形态和分布有所变化。 对钢力学性能的影响：随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，但当含碳量超过0.9%时，强度明显下降。 三、本章重点 含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。 课题四钢的热处理教学目标1、了解钢在加热和冷却时的组织转变； 2、掌握钢的退火、正火、淬火、回火的工艺特点、主要目的和用途； 3、了解钢的表面热处理。教学重点钢在加热和冷却时的组织转变，退火、正火、淬火、回火的工艺特点、主要目的和用途。教学难点退火、正火、淬火、回火的工艺特点、主要目的和用途。学情分析结合前面所学的知识，热处理的温度范围比较好掌握，学生比较容易上手。教学方法讨论、讲授课时4课时教具多媒体课型新授 教 学 步 骤教法1、钢在加热和冷却时的组织转变 1）钢在加热时的组织转变： 钢的奥氏体化：把钢加热到临界温度以上，由室温下组织转变为奥氏体。其过程是：奥氏体晶核生成、晶核长大、残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化。 奥氏体晶粒的长大及其控制：加热温度愈高和保温度时间愈长，奥氏体晶粒长的愈粗大，冷却后钢的性能愈差，所以要控制奥氏体晶粒的大小。在加热温度相同时，加热速度愈快，保温时间愈短，奥氏体晶粒愈小。 2）钢在冷却时的组织转变： 等温冷却转变：将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的给定温度等温保持，使过冷奥氏体发生组织转变，待转变完成后再冷却到室温。 共析钢的等温冷却转变产物：在A1550o之间温度等温冷却，转变产物为珠光体组织，内部铁素体和渗碳体呈片状，间距愈小，性能愈好；在550oMs之间温度等温冷却，转变产物为贝氏体组织，下贝氏体组织具有较高的强度和硬度、塑性和韧性；在Ms以下温度等温冷却，转变产物为马氏体组织，低碳板条状马氏体具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性，高碳针片状马氏体具有很高的硬度、但塑性和韧性很差，脆性大。 连续冷却转变：将奥氏体化的钢在温度连续下降过程中使过冷奥氏体发生组织转变，冷却速度不同，转变产物也不同。 2、钢的退火和正火: 1）钢的退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却获得接近平衡组状态组织。 退火目的：消除偏析、细化组织、降低硬度、提高塑性、消除残余应力。 应用：完全退火用于铸、锻、焊、轧件及中碳钢和中碳合金钢；球化退火用于高碳钢锻轧件；去应力退火用于铸、锻、焊、轧件。 2）钢的正火：将钢加热到Ac3或Acm以上3050o温度，保温一定时间，随后在静止的空气中冷却的热处理工艺。 正火目的：消除网状渗碳体、细化组织、改善切削加工性能、降低应力。 应用：用于中、低碳钢提高硬度，改善切削加工性能；用于高碳钢消除网状渗碳体、为球化退火做准备。 3、钢的淬火和回火 1）钢的淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上3050o温度，保温一定时间，随后以大于临界冷却速度进