航空工程材料（第4版） 教案 模块2 金属材料的基础知识

《航空工程材料》模块二教案课题：金属材料的基础知识

学时：5学时

一、教学目标1.知识与技能目标掌握晶体、非晶体、晶格、晶胞、晶格常数等基本概念。掌握金属的三种常见晶格类型：体心立方、面心立方、密排六方。理解单晶体与多晶体的区别，掌握晶界、晶粒的概念。掌握晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）的类型及其对性能的影响。理解纯金属的结晶过程、过冷现象、过冷度及其影响因素。掌握细化晶粒的三种主要方法。理解合金的基本概念，掌握固溶体与金属化合物的结构特点及强化机制。掌握匀晶相图与共晶相图的分析方法，能够分析典型合金的结晶过程。理解金属塑性变形的机理（滑移、孪生），掌握加工硬化、回复、再结晶的概念。区分金属的冷加工与热加工，理解其对组织和性能的影响。2.过程与方法目标通过相图分析训练，培养学生从图形中提取信息、分析结晶过程的能力。通过金相组织观察（图片或实验），增强对微观结构的感性认识。通过案例教学（如晶粒细化在航空材料中的应用），提升工程应用能力。3.情感态度与价值观目标引导学生理解“量变到质变”“辩证统一”等哲学思想在材料科学中的体现。培养学生严谨求实的科学态度和创新精神。结合材料发展史，增强学生的民族自豪感和科技报国意识。二、教学重点与难点教学重点三种常见晶格类型及其特征。晶体缺陷（位错）对金属性能的影响。过冷度与晶粒细化的关系及细化晶粒的方法。固溶强化、弥散强化的原理。匀晶相图与共晶相图的分析方法。滑移变形机理与加工硬化。回复、再结晶、晶粒长大的过程及影响因素。冷加工与热加工的区分及其对组织和性能的影响。教学难点晶面指数、晶向指数的理解（可根据学情适当简化或删减）。位错运动与滑移的关系。枝晶偏析的形成机制及均匀化退火的作用。共晶相图中亚共晶、共晶、过共晶合金的结晶过程分析。再结晶温度的影响因素及其与熔点的关系。三、教学方法与手段教学方法具体应用讲授法系统讲解晶体结构、结晶过程、相图、塑性变形等核心概念图示分析法晶格模型图、冷却曲线、相图、滑移示意图等案例教学法航空材料中的晶粒细化、固溶强化实例实验/视频演示金相组织观察、冷却曲线测定演示、再结晶过程模拟互动讨论法课堂提问、小组讨论（如“如何细化晶粒”）练习法相图分析练习、结晶过程描述练习教学手段：PPT课件（含晶格三维模型图、金相照片）板书（相图分析、公式推导）在线平台（预习任务、课后习题）四、学时分配（共225分钟）学时教学内容教学活动时间分配第1学时单元1金属的晶体结构（2.1.1~2.1.3）讲授+晶格模型展示+课堂提问45分钟第2学时单元1实际晶体结构（2.1.4）+单元2纯金属的结晶（2.2.1~2.2.2）讲授+冷却曲线分析+视频演示45分钟第3学时单元2晶粒大小与细化方法（2.2.3~2.2.4）+单元3合金相结构（2.3.1）讲授+案例分析+固溶强化讨论45分钟第4学时单元3二元合金相图（2.3.2）：匀晶相图+共晶相图讲授+相图分析练习+小组讨论45分钟第5学时单元4金属的冷/热加工及再结晶（2.4.1~2.4.3）+习题讲解讲授+视频演示+习题讲评45分钟五、教学过程（分学时详细设计）第1学时：金属的晶体结构（2.1.1~2.1.3）导入（5分钟）

提问：“为什么冰可以从固体直接变成液体，而塑料变成液体之前会变软？”引出晶体与非晶体的区别。新课讲授（35分钟）晶体与非晶体的定义及特点（熔点、各向异性）晶格、晶胞、晶格常数的概念三种常见晶格类型：体心立方（BCC）：Cr、W、α-Fe面心立方（FCC）：Al、Cu、Ni、γ-Fe密排六方（HCP）：Mg、Zn、α-Ti晶面与晶向指数简介（简要介绍，不做深究）课堂互动（5分钟）

展示不同金属图片，让学生判断其可能的晶格类型。第2学时：实际晶体结构+纯金属的结晶（2.1.4,2.2.1~2.2.2）导入（5分钟）

提问：“为什么实际金属的强度比理论值低很多？”引出晶体缺陷的概念。新课讲授（35分钟）单晶体与多晶体：各向异性vs各向同性晶体缺陷：点缺陷：空位、间隙原子线缺陷：刃型位错（符号“⊥”）、位错密度与强度的关系面缺陷：晶界、亚晶界纯金属的结晶过程：形核+长大过冷现象与过冷度

Δ冷却速度对过冷度的影响视频演示（5分钟）

播放纯金属结晶过程动画（枝晶生长）。第3学时：晶粒细化+合金的相结构（2.2.3~2.2.4,2.3.1）导入（5分钟）

展示细晶粒与粗晶粒钢材的性能对比数据，引出细化晶粒的重要性。新课讲授（35分钟）晶粒大小对力学性能的影响：细晶强化细化晶粒的方法：增加过冷度（快速冷却）变质处理（加入变质剂）附加振动（机械、超声、电磁）合金的基本概念：合金、组元、合金系、相、组织固溶体：置换固溶体、间隙固溶体、固溶强化金属化合物：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物（间隙相、复杂结构），弥散强化互动讨论（5分钟）

“为什么飞机蒙皮用的铝合金要加入少量铜或镁？”第4学时：二元合金相图（2.3.2）：匀晶相图+共晶相图导入（5分钟）

提问：“如何知道不同成分的合金在什么温度下熔化或凝固？”引出相图的作用。新课讲授（35分钟）相图的建立方法（热分析法）匀晶相图（以Cu-Ni为例）：液相线、固相线、两相区结晶过程分析（杠杆定律简介）枝晶偏析与均匀化退火共晶相图（以Pb-Sn为例）：共晶点、共晶线、共晶转变

L亚共晶、共晶、过共晶合金的结晶过程及室温组织组织组分与相组分的区别课堂练习（5分钟）

给出Pb-Sn相图，让学生判断某成分合金的室温组织。第5学时：金属的冷/热加工及再结晶（2.4.1~2.4.3）+习题讲解导入（5分钟）

展示冷拔钢丝与热轧钢板的生产图片，提问：“为什么有的金属要加热后再加工？”新课讲授（30分钟）单晶体塑性变形：滑移（位错运动）、孪生多晶体塑性变形：晶界阻碍、晶粒位向影响加工硬化（冷变形强化）及其利弊回复、再结晶、晶粒长大：再结晶温度

T影响再结晶后晶粒尺寸的因素（变形程度、加热温度）冷加工与热加工的区分（以再结晶温度为界）热加工对组织和性能的影响（流线、细化晶粒、焊合缺陷）习题讲评（10分钟）

讲解课后习题中的典型题目（如相图分析题、再结晶温度计算、加工硬化实例等）。六、教学资源与参考资料教学资源教材：《航空工程材料》（第4版）模块二PPT课件（含晶格三维模型、金相照片）实验设备（可选）：金相显微镜、硬度计、小型加热炉在线平台：发布预习任务、课后习题、拓展阅读参考资料崔忠圻.《金属学与热处理》.机械工业出版社GB/T228.1—2021《金属材料拉伸试验》航空材料相关案例集（如涡轮叶片合金、铝合金蒙皮材料）七、考核方式评价方式占比说明课堂参与20%提问、讨论、练习课后作业30%习题+相图分析题+案例分析阶段性测验50%选择题（20%）+简答题（20%）+相图分析题（10%）测验内容示例：画出体心立方晶胞，标出原子位置。什么是过冷度？如何影响晶粒大小？简述固溶强化与弥散强化的区别。给出共晶相图，分析某成分合金的结晶过程及室温组织。什么是加工硬化？如何消除？八、教学反思（课后填写）此部分由授课