机械工程材料及应用教案王纪安1-2

机械工程材料应用 教案 项目一项目一 工程材料与机械制造过程工程材料与机械制造过程 课课 题 题 材料的发展过程材料的发展过程 分类及发展趋势 分类及发展趋势 4 4 课时 课时 导入 导入 教师以教材 问题 进行课程的始学教育 举出身边某制品或零件 说出是什么材 料制造的 为何选用这种材料 教学目标 教学目标 1 了解机械工程材料及其分类 2 了解机械工程材料的发展过程 3 了解机械制造过程 4 了解机械工程材料在机械制造过程中的地位和作用 前测 前测 什么是机械工程材料 你所知道的机械制造过程有哪些 教学过程 教学过程 板书板书 一 材料的简要发展过程 材料是人类文明和技术进步的重要标志 石器时代 青铜器时代 铁器时代 钢铁时代 新材料时代 1 司母戊大鼎发掘历史 2 新型材料 航空航天材料 讲解讲解 在浩瀚的材料世界里 金属材料是一个最大的王国 最早 我们人类使用的金属 材料主要是天然产品 穿插讲解材料史话 经历了石器时代 青铜器时代和铁器时代的 漫长历史过程后 在冶金技术的推动下 我们又从钢铁时代迈进了新材料时代 在人类文 明历程中 金属材料对推动社会的发展 促进文明的进步 丰富文化的内容 改变人们的 生活方式发挥了巨大作用 当今世界 金属材料已成为工农业生产 人民生活 科学技术 和国防发展的重要物质基础 离开了金属材料的 钢筋铁骨 桥梁将断 舰艇将毁 大 厦将倾 工厂将停 二 了解机械工程材料的分类及发展过程 1 定义 机械工程材料主要指用于机械工程 电器工程 建筑工程 化工工程 航空 航天工程等领域的材料 2 分类 按化学成分分类 金属材料 综合性能好 用量最大 应用范围最广 设问 同学们在平时的生活中看到过哪些金属 纯金属 板书 1 金属 如铁 铜 铝 金 银等 共有 90 种 常温下为固体 除汞外 设问 金属与非金属比较有哪些特性 板书 2 金属特性 具有金属光泽 铁 铝等大多数金属为银白色 铜为紫红色 金为黄色 有良好的导电性和导热性 铜 铝是优良的导电体 有一定的强度和塑性 交流与讨论 金属是一类重要的材料 人类的生活和生产都离不开金属 请说出下表日 常生活中使用的金属 金 属 不 同 的 用 途金属名称 制易拉罐的金属 制作导线的紫红色金属 灯泡中的灯丝 体温计中填充的金属 家用热水瓶内壁上的金属 讲解 在通常情况下 金属单质往往无法满足使用要求 如纯铜 纯铝及纯铁质软 强 度 硬度很小 无法用来制造承受大载荷的机械零件和工具 如果我们将一种金属跟其他 金属 或非金属 熔合制成具有金属特性的物质就得到合金 合金 合金 一种金属跟其他金属 或非金属 熔合制成具有金属特性的物质 教师指导阅读表 1 1 日常生活中常见的合金和教材内容 并介绍记忆合金 交流与讨论 1 组成合金的元素一定是金属元素吗 从概念上来理解合金至少有几种元素组成 其中有一种肯定是什么元素 2 合金的用途远远比纯金属广泛得多 请问这是为什么 金属材料 金属材料 将纯金属和合金材料统称为金属材料 1 黑色金属 以铁或以它们为主形成的物质 如碳钢 合金钢和铸铁等 2 有色金属 除黑色金属以外的金属和合金 如铜及铜合金 铝及铝合金和轴承 合金等 讲解 金属材料在机械工业中应用最为广泛 在各种机械设备所用的材料中 金属材料 占 90 以上 这是由于金属材料不仅冶炼资源丰富 而且还具有优良的物理 化学 力学 和工艺性能 此外 金属材料品种多 性能各异 可以通过不同的加工方法 例如热处理 使金属材料的某些性能获得进一步的改善 从而扩大其使用范围 高分子材料 质轻 耐腐蚀 常用于化工 机械 航空航天等 陶瓷材料 高硬度 耐腐蚀 绝缘 用于电器 化 工 航空航天等等 复合材料 轻 高的比强度 比刚度 结合两种材料的性能优点 用于航空航天等领 域 三 机械制造过程与材料三 机械制造过程与材料 1 1 机械工程材料的常用性能 机械工程材料的常用性能 材料使用性能 力学性能 强度 塑性 韧性等 物理性能 光 热 电 磁等 化学性能 氧化 腐蚀等 材料工艺性能 加工性能 切削 锻造等 铸造性能 适合铸造与否 焊接性能 容易焊接与否 热处理性能 可热处理强化 2 2 机械工程材料的加工方法 机械工程材料的加工方法 金属材料的加工方法 铸造 锻造 焊接 冲压 合金粉末 粉末冶金 工程陶瓷材料 压制 烧结 工程塑料 橡胶 注塑 挤出 吹塑 模压 压铸等 复合材料 层压 浇注 粘贴 3 金属材料的热处理金属材料的热处理 钢的热处理方法 普通热处理 退火 正火 淬火 回火及表面热处理等 五种 钢的表面热处理 1 感应淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热量 使工件表层 局部或整体加热并快速冷却的淬火 2 火焰淬火 钢的化学热处理 目前常用的化学热处理有 渗碳 渗氮 碳氮共渗等 四 课程学习指导 1 机械制造和日常生活的基础知识 2 学习其他后续工艺学的基础 3 课程特点与学习要求 小结 1 机械工程材料及分类 金属材料 有机高分子材料 无机非金属 复合材料 2 了解机械工程材料的发展过程 石器时代 青铜器时代 铁器时代 钢铁时代 新材 料时代 3 了解机械制造过程 4 了解机械工程材料在机械制造过程中的地位和作用 作业 书面 习题 交流与讨论 阅读下面的一段故事 谈谈你的感想 形状记忆合金的发现形状记忆合金的发现 许多重大的发现都源于偶然事件 20 世纪 60 年代初 美国海军研究所的的一个研究 小组把一些乱如麻丝的镍 钛合金拉直 以便使用 他们无意中发现 当温度升高到一定值 时的时候 这些已被拉直的镍 钛合金突然 记忆 起自己的模样 又恢复到弯弯曲曲的 本来面目 经过材料专家的反复实验 证实了镍 钛合金丝 变形 恢复 的现象能 重复进行 其实 类似的现象早在 20 世纪 50 年代初就不止一次被观察到 只不过当时没 有引起人们的足够重视 这一发现引起了科学家们的极大兴趣 经研究发现 铜基合金 铁基合金等都有这种 奇妙的记忆本领 课课 题 项目二题 项目二 螺栓 螺母的选材螺栓 螺母的选材 碳素结构钢的应用 碳素结构钢的应用 4 4 课时 课时 导入新课导入新课 螺栓 螺母使用什么材料做的 它为什么有这样的性能 材料内部结构 学习目标学习目标 1 了解分析螺栓 螺母的工作条件 2 了解分析机械工程材料的力学性能 3 了解分析金属材料内部的晶体结构特点 4 了解碳素结构钢的种类 牌号 性能与应用 5 了解分析螺栓 螺母的选材 教学重点 教学重点 碳素结构钢的种类 牌号 性能与应用 螺栓 螺母的选材 教学难点 教学难点 了解分析机械工程材料的力学性能 了解分析金属材料内部的晶体结构特点 前测 前测 低碳钢的力学性能有哪些 如何测定的 金属材料内部的晶体结构如何 螺栓 螺母的选材 教学过程 教学过程 板书板书 2 1 螺纹联接件的服役条件分析 1 螺纹联接件的主要功能 连接 传递载荷 载荷的分类 动载荷静载荷 2 螺纹联接件的受力情况分析 螺栓受拉力 螺母受剪切力 3 螺纹联接件的失效分析 螺栓受拉力 塑性变形和断裂 螺母受剪切力 剪断和压溃 2 2 材料的力学性能 力学性能 金属材料在外力作用时表现来的性能 力学性能包括强度 塑性 硬度 韧性及疲劳强度等 讲解 在机械设备及工具的设计 制造中选用金属材料时 大多以力学性能为主要依据 因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的 力学性能不仅是本章学习的重点 同 时也是整个教材的学习重点 希望同学们要努力学习掌握好这些内容 本节课学习准备知 识 一 低碳钢的拉伸试验分析 1 绘制拉伸试样应力与应变曲线 金属材料的强度 刚度与塑性可通过静拉伸试验测定 图 1 1 力 伸长曲线和拉伸式样 1 2 应力 应变曲线 力 伸长曲线 也叫拉伸曲线 为了消除试样尺寸影响 引入应力 应变曲线 如图 1 2 所示 应力 应变曲线的形状与力 伸长曲线相似 只是坐标和数值不同 从中 可以看出金 属材料的一些力学性能 板书 拉伸试样 圆形长试样 L0 10 d0 圆形短试样工 L0 5 d0 讲解 d0为试样的原始直径 mm L0为试样的原始长度 mm 讲解 拉伸曲线是指以载荷 F 为纵坐标 试样伸长量 L 为横坐标绘制的曲线 如下图 为低碳钢的拉伸曲线 板书 2 低碳钢的拉伸曲线四个阶段的分析 oe 弹性形变形阶段弹性形变形阶段 试样的伸长量 L 和载荷 F 成正比 试样只发生弹性形变 eses 屈服阶段屈服阶段 试样发生屈服现象 开始产生明显的塑性变形 屈服现象 载荷保持不变或略有减小而试样的变形继续增加的现象 sb sb 强化阶段强化阶段 试样发生变形强化 产生大量的塑性变形 变形强化 随着塑性变形的增加 金属材料强度 硬度增大 塑性 韧性下降的现象 b bZ Z 缩颈阶段缩颈阶段 试样出现缩颈 塑性变形所需的载荷逐渐减小 3 附加的一些概念 板书 一 载荷 金属材料在加工和使用过程中所受的外力 静载荷 指大小不变或变动很慢的载荷 如地面所受讲台的压力 千斤顶工作所受的载荷 冲击载荷 指突然增加的载荷 如铁匠用铁锤锻打工件 高速行驶的汽车相撞的载荷 交变载荷 指周期性或非周期性的动载荷 如电扇主轴 弹簧工作时所受的载荷 交流与讨论 请根据下列的文字描述 判断物体所受的载荷类型 电视机放在桌面上 桌面所受的载荷是 在金属拉伸试验中 金属试样所受的载荷是 电动机工作时 电动机主轴所受的载荷是 人坐在沙发上 沙发里弹簧所受的载荷是 子弹击中金属防弹衣 防弹衣所受的载荷是 板书 二 变形 金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸的变化 演示 教师用橡皮筋 弹簧演示弹性变形 用镀锌钢丝 薄钢板演示塑性变形 板书 弹性变形 载荷去除后 可完全恢复的变形 塑性变形 载荷去除后 不可恢复的永久变形 讲解 金属材料的弹性变形可用于控制机构运动 缓冲与吸振 储存能量等 金属材料 塑性变形可用于成型产品的加工 70 的金属材料是通过塑性变形加工成型的 交流与讨论 1 弹性变形与塑性变形的根本区别是什么 有无永久变形 2 生活 生产哪些地方发生弹性变形或塑性变形 你知道哪些产品产通过塑性变形 加工成形的 沙发 席梦思中弹簧变形 汽车 拖拉机车厢下板弹簧的变形 闹钟发 条的变形 课桌椅上钢板折边 钢管弯折 自行车铃 弹壳的冲压加工 轿车车身冲压 加工 3 加工制造好的机械零件 在使用时一旦发生塑性变形有什么危害 零件变形 失效 甚至发生断裂 板书 三 应力 1 内力 金属受外力作用后 在材料内部作用着与外力相对抗的力称为内力 F内力 F外力 板书 2 应力 单位面积上的内力 F S 式中 F 外力 N S 横截面积 mm2 应力 常用单位为 MPa N mm2 1MPa 106 Pa 板书 结论 当横截面积一定时 应力越大 表示材料承受载荷的能力越大 例 碳钢 最大应力 235 钢 生活中最常用的钢 460 MPa 45 钢 制电机主轴的钢 600 MPa 65Mn 钢 制沙发弹簧的钢 735 MPa 4 强度 与塑性 1 强度 是指材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力 强度的大小通常 用应力表示 符号为 单位为 MPa 兆帕 工程上常用的强度指标有 屈服点和 抗拉强度等 屈服点 s r0 2 由曲线 1 2 可知 e是试样保持弹性变形的最大应力 当应力 e时 产生塑性变 形 当应力达 s时 试样变形出现屈服 此时的应力称为材料的屈服点 s MPa o s s S F 式中 Fs 试样屈服时所承受的载荷 N S0 试样原始横截面积 mm2 有些材料用规定残余伸长应力 r来表示它的屈服点 如图 1 3 所示 表示此应力的符号 如 r0 2表示规定残余伸长率为 0 2 时 的应力值 经常写成 0 2 MPa 0 20 20 S F r r 式中 Fr0 2 残余伸长率达 0 2 时的载荷 N S0 试样原始横截面积 mm2 抗拉强度 b 试样拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度 用符号 b表示 MPa o b b S F 式中 Fb 试样在拉伸过程中所承受的最大载荷 N So 试样原始横截面积 mm2 在实际生产中 s是工程中塑性材料零件设计及计算的重要依据 r0 2则是不产生 明显屈服现象零件的设计计算依据 有时可直接采用抗拉强度 b加安全系数 在工程上 把 s b称为屈强比 屈强比一般取值在 0 65 0 75 2 刚度 材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度 它表示材料产生弹性变形的难易程度 刚 度的大小 通常用弹性模量 E 单向拉伸或压缩时 及 G 剪切或扭转时 来评价 3 塑性 图 1 3 规定残余伸长应力示意图 塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 常用的性能指标 断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的百分比 用符号 表示 100 0 21 L LL 式中 L0 试样原标距长度 mm L1 试样拉断后对接的标距长度 mm 伸长率的数值和试样标距长度有关 10表示长试样的断后伸长率 通常写成 5表示短试样的断后伸长率 同种材料的 5 10 所以相同符号的伸长率才能进行比较 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 用符号 表示 100 0 10 S SS 式中 So 试样原始横截面积 mm2 S1 试样拉断后缩颈处最小横截面积 mm2 断面收缩率不受试样尺寸的影响 比较确切地反映了材料的塑性 一般 或 值越 大 材料塑性越好 观察与思考 讲解 金属材料的屈服点和抗拉强度数值越大 材料的强度越大 机械零件工作时所受 的应力当超过材料的屈服点时 零件则发生塑性变形 导致零件精度下降 零件工作时当 所受的应力超过材料的抗拉强度时 零件则产生过量的塑性变形而造成失效甚至断裂 因 此 金属材料的屈服点和抗拉强度是机械设计和选材的主要依据 评定金属材料优劣的重 要指标 讲解 金属材料的 值越大 表示材料的塑性越好 塑性好的金属的实用意义 塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏 便于通过塑 性变形加工 制成形状复杂的零件 塑性好的金属在受力过大时 由于首先产生塑性变形 而不致发生突然断裂 使用比较安全 2 3 材料的晶体结构 一 材料的结合方式 一 结合键 1 化学键 组成物质整体的质点 原子 分子或离子 间相互作用力叫化学键 由于质点相互作 用时 其吸引和排斥情况的不同 形成了不同类型的化学控 主要有共价健 离子键和金 属链 1 低碳钢拉伸试验时 发生屈服现象和加 工硬化的载荷有什么不同 2 低碳钢制造的机械零件在实际使用中发 生屈服现象有什么危害 2 共价键原子之间不产生电子的转移 此时借共用电子对所产生的力结合 形成共价 键 金刚石 单质硅 SiC 等属于共价键 共价键具有方向性 故共价键材料是脆性的 具有很好的绝缘性 3 离子键 大部分盐类 碱类和金属氧化物在固态下是不能导电的 熔融时可以导电 这类化合 物为离子化合物 当两种电负性相差大的原子 如碱金属元素与卤族元素的原子 相互靠近 时 其中电负性小的原子失去电子 成为正离子 电负性大的原子获得电子成为负离子 两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键 在 Nacl 晶体中 离子型晶体中 正 负离子间有很强的电的吸引力 所以有较高熔点 故离子镁材料是脆性的 故固态时导电性很差 4 金属键 金属原子的结构特点是外层电子少 容易失去 当金属原子相互靠近时 其外层的价 电子脱离原子成为自由电子 为整个金属所共有 它们在整个金属内部运动 形成电子气 这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键 金属键无方向性和饱和性 故金属有良好的延展性 良好的导电性 因此金属具有正 的电阻温度系数 更好的导热性 金属不透明 具有金属光泽 5 范德瓦尔键 许多物质其分子具有永久极性 分子的一部分往往带正电荷 而另一部分往往带负电 荷 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间 以微弱静电力相吸引 使之结合 在一起 称为范德瓦尔键也叫分子键 6 工程材料的键性 金属材料的结合主要是金属键 陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键 高分子材料 的链状分子间的结合是范德瓦尔键 而链内是共价键 二 晶体与非晶体 1 晶体与非晶体 原子排列可分为三个等级 即无序排列 短程有序和长程有序 物质的质点 分子 原子或离子 在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物 质叫晶体 金属 陶瓷 非晶体在整体上是无序的 玻璃 松香 沥青 塑料 晶体与非晶体中原子排列方式不同 导致性能上出现较大差异 晶体具有一定的熔点 非 晶体则没有 晶体的某些物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各项异 性 二 金属材料的晶体结构 一 晶体结构的基本概念 晶体 指原子 离子或分子 在空间呈规则排列的物体 晶体结构 指晶体中的原子 离子或分子 在空间的具体排列 晶胞 是能够反映晶格中原子重复排列规律的最基本单元 金属中常见的晶体结构有 体心立方结构 面心立方结构和密排六方结构 二 三种典型的金属晶体结构 1 面心立方 原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心 2 体心立方 原子位置 立方体的八个顶角和体心 2 体心立方 3 密堆六方 原子位置 12 个顶角 上下底心和体内 3 处 三 实际金属的晶体结构 按照晶体中原子排列不规则区域的尺寸大小 将晶体缺陷分为点缺陷 线缺陷和面缺 陷 点缺陷 指原子排列的不规则区域在空间三个方向上尺寸都是很小的一种缺陷 如 空位 间隙原子和置换原子 见图 2 8 线缺陷 指原子排列的不规则区域在空间一个方向上尺寸很大 而在另外两个方向 尺寸是很小的一种缺陷 如刃型位错 图 2 9 面缺陷 指原子排列的不规则区域在空间两个方向上尺寸很大 而在另外一个方向 尺寸是很小的一种缺陷 如晶界 亚晶界 图 2 11 在点缺陷 线缺陷和面缺陷附近 原子都偏离了原来的平衡位置 使晶格发生畸变 对晶体的性能会产生明显的影响 晶体缺陷越多 金属强度越高 细晶强化是提高金属材 料强度的重要方法 四 合金的晶体结构 由于合金的性能取决于它的组织 而合金组织的性能又首先取决于合金中的相的性能 所以为了掌握合金的组织和性能 就必须了解合金的相结构及其性能 合金的 相结构 是指合金中相的晶体结构 也就是说 相结构 是相中原子的具体 排列规律 合金可以形成不同的相 其结构比纯金属复杂 不同的相原子排列方式 相结 构 是不同的 根据合金中各组元间的相互作用 合金中相的结构主要有固溶体和金属化 合物两大类 1 固溶体 固溶体是指合金中两组元在固态下相互溶解而形成的均匀固相 溶剂是组成固溶体的两个组元中 能够保持其原有晶格类型的组元 溶质是失去原有晶格类型的组元 固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型 根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同 固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体 1 置换固溶体 是指溶质原子占据了部分溶 剂晶格结点位置而形成的固溶体 如右图 a 所 示 按溶解度不同 置换固溶体可分为无限固溶体 和有限固溶体两种 无限固溶体 溶质原子与溶剂原子能以任何比 例相互溶解所形成的固溶体 例如铜镍合金 铜原 子和镍原子可按任意比例相互溶解 有限固溶体 溶质在溶剂中的溶解度是有限的固 溶体 如铜锌合金当 WZn 40 时为有限固溶体 组 织除了 固溶体外 还有铜与锌形成的金属化合物 溶解度的大小主要取决于组元间的晶格类型 原子半径和温度等 实验证明 大多数 合金都只能有限固溶 且溶解度随温度的降低而减少 形成无限固溶体的条件 只有各组元的晶格类型相同 原子半径相差不大等 2 间隙固溶体 间隙固溶体形成的条件 是溶质原子半径与溶剂的原子半径的比 值 r溶质 r溶剂 0 59 因此 形成间隙固溶体的溶质元素通常是原子半径小的非金属元素 如碳 氮 氢 硼 氧等 3 固溶体的性能 形成固溶体时 虽然保持着溶剂的晶格类型 但由于溶质原子的 溶入 将会使固溶体的晶格常数发生变化而形成晶格畸变 增加了变形抗力 因而导致材 料强度 硬度提高 这种通过溶入溶质元素 使固溶体强度和硬度提高的现象称为固溶强 化 对于钢铁材料来说 固溶强化是其强化途径的一种 而对于非铁金属材料来说 固溶 强化是重要的强化手段 2 金属化合物 中间相 当溶质含量超过固溶体的溶解度时 除了形成固溶体外 还将出现新相 若新相的晶 体结构不同于任意组成元素 新相将是组元元素间相互作用而生成的一种新的物质 即为 金属化合物或中间相 根据形成条件和结构特点 常见的金属化合物有正常价化合物 电 子化合物 间隙化合物三种类型 弥散强化 金属化合物的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元 一般熔点高 硬 而脆 生产中很少直接使用单相金属化合物的合金 但当金属化合物呈细小颗粒状均匀分 布在固溶体基体上时 将使合金的强度 硬度和耐磨性明显提高 这一现象称为弥散强化 2 4 金属材料的分类 一 钢的分类钢是碳的质量分数不大于 2 11 并可能含有其它元素的铁碳合金 在 个别钢中 如高铬钢 其 WC 可超过 2 11 钢的种类很多 常用分类方法如下 a 置换固溶体 b 间隙固溶体格 图 2 17 固溶体 1 传统的分类方法 按化学成分分为 碳素钢 简称碳钢 合金钢 按品质分为 普通 优质 高级优质 特级优质钢 按用途分为 结构 工具 特殊性能 专业用钢 按冶炼方法分 可按炉类型进一步分为平炉 转炉 电炉钢 按脱氧程度和浇铸制度 进一步分为沸腾 镇静和半镇静钢 按金相组织分类时 可按退火状态的钢 正火状态的 钢 无相变或部分发生相变的钢进一步分类 2 新的分类方法 1992 年 10 月中国颁发了 钢分类 国家标准 GB T13304 91 按照此标准 钢的 分类分为两部分 第一部分 按化学成分分类 第二部分 按主要质量等级 主要性能及 使用特性分类 1 按化学成分分为 非合金钢 低合金钢和合金钢 各种钢的合金元素 规定质量分数的界限值见附录附表 2