金属材料与热处理课标教案

《金属材料与热处理》课程标准【课程名称】金属材料与热处理【课程编码】【课程类别】专业必修课 【适用专业】机械类专业【授课单位】 【总学时】40【编写执笔人】 【编写日期】一、课程性质和课程设计 1.1课程性质与作用《金属材料与热处理》课程是机械类专业必修的技术基础课。该课程理论性较强，新概念较多，同时又与生产实际有着密切联系。该课程主要讲授金属材料典型组织、结构的基本概念，金属材料的成分、组织结构变化对性能的影响，热处理的基本类型及简单热处理工艺的制定，合金钢种类、牌号、热处理特点及应用，为学生从事机械设计、制造及相关的工作打下基础。本课程前导课程为《数学》《机械制图)》后续课程是《钳工工艺与技能训练》《车工工艺与技能训练》《铣工工艺与技能训练》《铣工工艺与技能训练》《塑料模具设计与制造》《冷冲模具设计与制造》等。1.2课程设计思路《金属材料与热处理》课程以“项目为主线，任务为主题”，采用“项目导向、任务驱动”相结合的教学模式，实现教、学、做、练一体化。为加强学生创造思维和工程技术素质的培养，根据学生个性特点与发展的需要，本门课程建议采用讲课、自学、习题课、辅导课、报告会等多种形式组织教学。本门课程可灵活采用全班学习、分组学习等学习形式，也可以组建课外兴趣小组进行知识拓展学习。教师要认真研究学生特点，针对学生实际情况，结合教学内容，多种教学方法手段综合运用。在教学方法上，将项目任务引入课程，将理论讲授包含在项目训练中，使学生在实践中掌握理论、学习知识，将生产中的新工艺、新方法、新技术引入课堂。采用项目式、启发式、互动式、案例式等教学方法，提高学生的学习兴趣。在教学手段上，充分利用现代多媒体电子教学，视频教学、实物教学、现场教学、网络教学等将现代科学技术充分应用于教学改革之中。二、课程目标2.1知识目标掌握金属材料的物理性能。掌握金属材料的化学性能。掌握金属材料的力学性能。了解金属材料的工艺性能。掌握金属的晶体结构及晶体缺陷。掌握金属的结晶过程及晶粒大小对金属力学性能的影响。掌握合金的晶体结构与结晶。掌握金属材料的塑性变形与再结晶。掌握铁碳合金的基本组织及性能。掌握铁碳合金相图及其在工业生产上的应用。掌握铁碳合金的结晶过程及组织。掌握热处理的实质及目的。掌握钢在加热和冷却时的组织转变。掌握钢的整体热处理工艺。掌握钢的表面热处理工艺。掌握钢的化学热处理工艺掌握钢的分类方法。了解杂质元素对钢性能的影响。了解合金元素在钢中的作用。掌握非合金钢的分类、牌号。掌握低合金钢的分类、牌号。掌握合金钢的分类。掌握合金结构钢的牌号及分类。掌握合金工具钢的牌号及分类。掌握特殊性能钢的牌号及分类掌握铸铁的分类及性能。掌握铸铁石墨化的过程及影响因素。掌握常用铸铁的牌号及性能。掌握铝及铝合金的分类和牌号。掌握铜及铜合金的分类和牌号。熟悉镁及镁合金的分类和牌号。熟悉钛及钛合金的分类和牌号。熟悉轴承合金的分类和牌号。熟悉硬质合金的分类和牌号。2.2技能目标能区分金属材料的物理性能和化学性能。能正确测定金属材料的力学性能。能利用金相显微镜观察晶体缺陷。能分析金属的结晶过程。能分析二元合金相图。能利用金属变形规律解决实际生产问题。能根据铁碳合金的成分分析典型合金的冷却过程。能将铁碳合金相图应用于工业生产中。能分析钢在加热和冷却时的组织转变过程。能分析钢热处理后的显微组织。能测定钢渗碳后的硬度。能通过火花鉴别区分常用钢。能区分不同低合金钢的牌号及性能。能区分不同合金钢的牌号及性能。能分析铸铁石墨化的形成过程及铸铁石墨化对材料性能的影响。能分析常用铸铁的石墨形态及显微组织特征。能根据牌号识别铸铁的种类。能正确选择和合理利用铸铁材料。能正确选用铝及铝合金。能正确选用铜及铜合金。2.3素质目标践行服务集体、服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。培养追求真理、实事求是、勇于探究、积极实践的科学精神。养成脚踏实地、认真负责、求真务实、开拓进取的工作作风。弘扬执着专注、科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神。三、课程内容与教学要求本课程分为七个项目，内容涵盖金属材料的基本性能、金属的晶体结构与结晶、铁碳合金相图、钢的热处理、钢、铸铁、非铁金属及其合金，其教学内容及课时分配如表1所示。表1《金属材料与热处理》教学内容及课时分配表序号课程名称教学内容教学要求课时分配1金属材料的基本性能（1）掌握金属材料的物理性能和化学性能（2）掌握金属材料的力学性能和工艺性能（1）掌握金属材料的物理性能。（2）掌握金属材料的化学性能。（3）掌握金属材料的力学性能。（4）了解金属材料的工艺性能。（5）能区分金属材料的物理性能和化学性能。（6）能正确测定金属材料的力学性能。（7）养成脚踏实地、认真负责、求真务实的工作作风。（8）弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。（9）践行服务集体、服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。42金属的晶体结构与结晶（1） 认识金属的晶体结构（2） 掌握纯金属的结晶（3） 掌握合金的晶体结构与结晶（4） 掌握金属的塑性变形与再结晶（1） 掌握金属的结晶过程及晶粒大小对金属力学性能的影响。（2） 掌握合金的晶体结构与结晶。（3） 掌握金属材料的塑性变形与再结晶。（4） 能利用金相显微镜观察晶体缺陷。（5） 能分析金属的结晶过程。（6） 能分析二元合金相图。（7） 能利用金属变形规律解决实际生产问题。（8） 养成脚踏实地、认真负责的工作作风。（9）践行服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。（10）培养追求真理、实事求是、勇于探究、积极实践的科学精神。83铁碳合金相图（1） 掌握铁碳合金相图 （2） 掌握铁碳合金的结晶过程及组织（1） 掌握铁碳合金的基本组织及性能。（2） 掌握铁碳合金相图及其在工业生产上的应用。（3） 掌握铁碳合金的结晶过程及组织。（4） 能根据铁碳合金的成分分析典型合金的冷却过程。（5） 能将铁碳合金相图应用于工业生产中。（6） 养成脚踏实地、认真负责、求真务实的工作作风。（7） 践行服务集体、团结协作、顾全大局的团队精神。（8） 培养追求真理、实事求是、勇于探究、积极实践的科学精神。44钢的热处理（1） 掌握钢在加热和冷却时的组织转变（2） 掌握钢的整体热处理（3） 掌握钢的表面热处理和化学热处理（1） 掌握热处理的实质及目的。（2） 掌握钢在加热和冷却时的组织转变。（3） 掌握钢的整体热处理工艺。（4） 掌握钢的表面热处理工艺。（5） 掌握钢的化学热处理工艺（6） 能分析钢在加热和冷却时的组织转变过程。（7） 能分析钢热处理后的显微组织。（8） 能测定钢渗碳后的硬度。（9） 培养追求真理、实事求是的科学精神。（10）弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。（11）养成脚踏实地、认真负责、求真务实、开拓进取的工作作风。85钢（1）认识非合金钢（2）认识低合金钢和合金钢（1） 掌握钢的分类方法。（2） 了解杂质元素对钢性能的影响。（3） 了解合金元素在钢中的作用。（4） 掌握非合金钢的分类、牌号。（5） 掌握低合金钢的分类、牌号。（6） 掌握合金钢的分类。（7） 掌握合金结构钢的牌号及分类。（8） 掌握合金工具钢的牌号及分类。（9） 掌握特殊性能钢的牌号及分类。（10） 能通过火花鉴别区分常用钢。（11）能区分不同低合金钢的牌号及性能。（12）能区分不同合金钢的牌号及性能。（13）养成脚踏实地、认真负责、开拓进取的工作作风。（14）弘扬执着专注、精益求精、追求卓越的工匠精神。（15）践行服务集体、服从纪律、团结协作的团队精神。46铸铁（1）掌握铸铁及其石墨化（2）认识常用铸铁（1） 掌握铸铁的分类及性能。（2） 掌握铸铁石墨化的过程及影响因素。（3） 掌握常用铸铁的牌号及性能。（4） 能分析铸铁石墨化的形成过程及铸铁石墨化对材料性能的影响。（5） 能分析常用铸铁的石墨形态及显微组织特征。（6） 能根据牌号识别铸铁的种类。（7） 能正确选择和合理利用铸铁材料。（8） 践行服务集体、团结协作的团队精神。（9） 养成脚踏实地、求真务实、开拓进取的工作作风。（10）弘扬执着专注、科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神。47非铁金属及其合金（1）认识铝及铝合金（2）认识铜及铜合金（3）了解其他非铁合金（1） 掌握铝及铝合金的分类和牌号。（2） 掌握铜及铜合金的分类和牌号。（3） 熟悉镁及镁合金的分类和牌号。（4） 熟悉钛及钛合金的分类和牌号。（5） 熟悉轴承合金的分类和牌号。（6） 熟悉硬质合金的分类和牌号。（7） 能正确选用铝及铝合金。（8） 能正确选用铜及铜合金。（9） 养成脚踏实地、认真负责、开拓进取的工作作风。（10） 弘扬执着专注、精益求精、追求卓越的工匠精神。（11） 践行团结协作、顾全大局的团队精神。8合计40四、课程实施4.1教学条件我校十分注重建设和完善专业教学设施，如多媒体教室、实操间、网络教学平台、网络数据库等。同时，我校有一支强大的师资队伍，可以为专业教学出谋划策。4.2教学方法建议本课程遵循“教师引导，学生为主”的原则，采用讲解、多媒体演示、场景模拟法、讨论、翻转课堂等多种方法，努力为学生创设更多知识应用的机会。讲解法：主要用于讲授现场急救基础知识、行业岗位知识等理论性较强的知识。多媒体演示法：在讲解过程中，借助音频、视频、图片等直观手段来呈现教学内容，在激发其学习兴趣和积极性的同时，不断提高其知识储备能力和综合文化素质。场景模拟法：针对所教内容布置任务，引导学生通过情景化的模拟训练来提升知识的实际应用能力和职业素养。讨论法：根据知识点，鼓励学生运用所学知识进行主题讨论，使其在讨论中逐步提升交际能力、思辨能力、解决实际问题的能力等。翻转课堂法：坚持学生的主体地位，鼓励学生在课上对自己学到的知识点进行分享和讲解，并对其讲解进行补充和评价，不断完善学生的知识结构，加深其对所学知识的理解。教师在教学过程中，可根据学生的实际情况灵活选用教学方法，因材施教，尽量照顾到每一个学生的学习需求。4.3教学评价与考核要求课程的教学评价由形成性测评（40%）和终结性测评（60%）组成，其考核要求如下：4.3.1形成性测评形成性测评考核学生在学习本课程过程中的学习情况和实际应用能力的发展情况，包括出勤考核（10%）、课堂参与程度考核（10%）、作业完成质量考核（20%）等。（1）出勤考核本项考核通过课前点名考核学生的课堂出勤率。迟到15分钟以内每次扣1分，迟到15分钟以上或无故缺勤一节课每次扣2分，该项考核累计最多扣10分。（2）课堂参与程度考核本项考核主要通过课堂提问和课堂积极发言来评判学生的学习态度、学习主动性、课堂参与程度，以及学生的思辨能力、问题解决能力及其对课堂教学知识的掌握情况等。只要学生能按时上课听讲，即可获得5分的基本分。学生上课发言一次，即可另外获得0.5分，课堂发言最多可得5分。学生的最后成绩为“5+课堂发言得分”。（3）作业完成质量考核本项考核主要通过学生作业来检测其对教学主体内容的掌握与理解程度、实际应用知识的能力、自主学习能力、信息收集与处理能力等。每次作业成绩按照相应标准而定，学生作业质量划分为优秀（10分）、良好（8分）、中等（7分）、及格（6分）和不及格（0分）五个档次。最后的作业成绩为学生作业完成质量成绩的平均数。4.3.2终结性测评终结性测评主要考核学生在学完本课程后所达到的水平，通过期末考试进行考核。期末考试由闭卷笔试（60%）组成，主要评估学生对本门课程基本知识的掌握情况与综合运用能力。五、课程资源开发与利用5.1推荐使用教材5.2网络资源《金属材料的基本性能》

教案课时分配表章序课程内容课时备注1金属材料的基本性能42金属的晶体结构与结晶83铁碳合金相图44钢的热处理85钢46铸铁47非铁金属及其合金8合计40

课题金属材料的基本性能课时4课时（180min）教学目标知识目标：（1）掌握金属材料的物理性能。（2）掌握金属材料的化学性能。（3）掌握金属材料的力学性能。（4）了解金属材料的工艺性能。技能目标：（1）能区分金属材料的物理性能和化学性能。（2）能正确测定金属材料的力学性能。素质目标：（1）养成脚踏实地、认真负责、求真务实的工作作风。（2）弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。（3）践行服务集体、服从纪律、团结协作、顾全大局的团队精神。教学重难点教学重点：金属材料的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能教学难点：能区分金属材料的物理性能和化学性能，能正确测定金属材料的力学性能教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测定铁磁性材料的居里点”和“任务工单——测定金属材料的硬度”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集资料，了解金属材料的基本性能【学生】下载任务工单，提前上网观看相关资料，熟悉教材考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到新课预热【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程定位、内容安排、考核要求等【学生】聆听、互动【教师】讲述一些实际案例，使学生了解金属材料与热处理的重要性【学生】聆听、思考、理解互动导入【教师】讲述“居里效应与居里点的利用”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解金属材料物理性能和化学性能的相关知识金属材料的物理性能是指材料在各种物理条件下表现出来的性能，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。一、金属材料的物理性能1．密度密度是材料质量与体积的比值，用符号ρ表示，即（1-1）式中：——物质的密度，单位为g/cm3；——物质的质量，单位为g；——物质的体积，单位为cm3。根据密度的不同，金属材料可分为轻金属和重金属两大类。其中，密度小于4.5g/cm3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金；密度大于4.5g/cm3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。密度最大的金属材料是锇，它的密度为22.59g/cm3；密度最小的金属材料是锂，它的密度为0.534g/cm3。材料的密度直接影响所制造设备的自重与效能。汽车制造业和航空制造业为了减轻汽车和飞行器的自重，大多采用密度较低的材料。飞机材料常选用钛及钛合金，以降低自重。【教师】提出问题：汽车行业实现节能减排的重要手段和方法是什么？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答节能减排已成为汽车行业的长远发展趋势，轻量化是汽车行业实现节能减排的重要手段和方法。在汽车行业中，由于铝合金的密度为钢的1/3，因此其是轻量化的首选材料，目前已有车企实现了汽车全铝车身的应用。2．熔点金属材料由固态变为液态时的温度称为熔点。工业上把熔点低于700℃的金属称为易熔金属，如锡、铅、锌等；把熔点高于700℃的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等。熔点低的金属常用来制造保险丝和防火安全阀等，熔点高的金属多用来制造耐高温零件，如火箭、喷气式飞机等的零件。3．导热性导热性是指金属材料传导热量的性能。导热性通常用导热系数（也称热导率）来表示，导热系数越大，导热性越好。在金属材料中，银的导热系数最好，但成本较高；纯铜次之，但极易氧化、质量大、不耐腐蚀。一般情况下，金属材料的纯度越高，导热性越好。纯金属的导热性比合金好，合金的导热性比非金属好。导热性好的金属，往往吸热快，散热也快。因此，在制订焊接、铸造、锻造、热处理等工艺时，应考虑材料的导热性，以防止材料在加热或冷却时因内外温差过大而变形或开裂。【教师】提出问题：铜的导热性比铝好，为什么很多电脑在制造时仍然选用铝制鳍片散热器呢？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答首先，铝的比热容较高，温度每上升或下降1℃，吸收或散发的热量比铜多，不会造成热量积累。其次，铜的密度比铝高，若用铜制作导热板，质量相对较大，对主板的压力也较大。最后，铜的价格至少是铝的3倍，但性能却相差不大。因此，目前市场上铝制鳍片散热器应用较多。4．导电性【教师】扫码播放“金属材料导电性的应用”视频（详见教材），帮助学生了解金属材料导电性的应用【学生】观看、思考、理解导电性是指金属材料传导电能的性能。导电性的好坏通常用电阻率来表示，电阻率越低，导电性越好。在金属材料中，银的导电性最好，铜、铝次之。金属材料的纯度越高，其导电性就越好。工业上，常选用导电性较好的纯铜、纯铝制作电线，常选用导电性较差的铜合金、铁铬合金等制作电阻丝或仪表零件。5．热膨胀性热膨胀性是指金属材料随着温度的变化而膨胀或收缩的性能。热膨胀性通常用热胀系数表示，热胀系数是指金属的温度每升高1℃，所增加的长度与原来长度的比值。热胀系数通常用线胀系数α1或体胀系数αv表示，体胀系数αv近似为线胀系数α1的三倍。在加工生产时要考虑金属材料的热膨胀性。例如，在铺设钢轨时，在钢轨衔接处要留有一定的间隙，防止钢轨因材料受热、膨胀过大而受到损坏；精密仪器和精密车床需要在规定的温度下进行测量和加工，以减小误差。6．磁性磁性是指金属材料在磁场中被磁化而呈现的磁学相关的性能。根据在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料容易被外磁场磁化，如铁、镍、钴等；顺磁性材料在外磁场中只能被微弱地磁化，如锰、铬、铝等；抗磁性材料不仅不会被外磁场磁化，还会削弱磁场的作用，如铜、锌、铅等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等；抗磁性材料可用于制造防磁结构件，如仪表外壳、航海罗盘等。常见金属的主要物理性能如表所示。【教师】利用多媒体展示“常见金属的主要物理性能”表格，并进行讲解常见金属的主要物理性能金属

名称元素

符号密度（20

℃）

/熔点/℃导热系数

/线胀系数

（0～100

℃）/电阻率（0

℃）/色泽银Ag10.49960.78418.6019.701.59白铜Cu8.961083393.50171.67（20

℃）玫瑰红铝Al2.70660.32221.9023.602.66银白镁Mg1.74650153.7024.304.47银白钨W19.303380166.204.60（20

℃）5.10银白镍Ni8.90145392.1013.406.84白铁Fe7.84153875.4011.769.78灰白锡Sn7.30231.9162.802.3011.50银白铬Cr7.191903676.2012.90银白钛Ti4.51167715.248.2042.10～47.80暗灰锰Mn7.4312444.98（192

℃）37185（20

℃）灰白二、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指材料因受到外界条件变化的影响或与某些侵蚀性介质接触而产生化学反应，导致结构和使用性能发生变化的性能，一般包括耐腐蚀性和抗氧化性。1．耐腐蚀性【教师】扫码播放“金属腐蚀的分类”视频（详见教材），帮助学生了解金属腐蚀的分类【学生】观看、思考、理解腐蚀不仅会使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件发生损坏，常见的钢铁生锈、铜生铜绿等就是腐蚀现象。耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。金属材料的耐腐蚀性与其组成成分有关，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛合金、铝合金、铜合金、不锈钢等的耐腐蚀性较好。为防止或降低腐蚀带来的危害，人们通过很多方法来提高金属材料的耐腐蚀性。例如，在金属材料表面覆盖保护层，主要采用喷涂油漆、镀层、化学钝化处理等方法，使金属材料表面与外界隔绝；改变金属内部结构，如将金属制成合金等。2．抗氧化性抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的氧化过程会随着温度的升高而加速。因此，在金属材料的铸造、焊接等热加工过程中，人们会采取一些措施来降低氧化作用对金属材料的影响。例如，焊接不锈钢时常采用氩气保护；热处理加工时采用真空炉进行加热。【教师】利用多媒体展示“自行车”图片，并提出问题：想一想，生活中常见的自行车运用了哪些抗氧化的措施呢？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂实践【教师】对学生进行分组，每4～6人一组，并选出一名组长，然后组织学生以小组为单位，进行“测定铁磁性材料的居里点”实验（1）准备交流毫伏表、JLD-Ⅱ型居里点测试仪、待测铁磁性材料。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的测定步骤进行测定实验，并填写任务工单。【学生】分组、准备实验物品、分工、进行测定实验、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现互动导入【教师】讲述“泰坦尼克号的钢材强度”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解金属材料力学性能和工艺性能的相关知识一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳等。1．强度金属材料抵抗外界变形或断裂的能力称为强度。根据载荷性质的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。机械制造中常用抗拉强度作为金属材料力学性能的主要指标，金属材料的抗拉强度可用静力拉伸试验测定。1）静力拉伸试验与拉伸曲线【教师】利用多媒体展示“圆形标准拉伸试样”图片，并进行讲解试验前，应将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样。如图所示为圆形标准拉伸试样。图中L0为原始标距，d0为圆形横截面试样平行长度的原始直径，S0为原始横截面积，Lu为断后标距，du为圆形横截面试样断裂后缩颈处的最小直径，Su为断裂后的最小横截面积。【教师】利用多媒体展示“低碳钢的拉伸曲线”图片，并进行讲解试验时，应将标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢进行拉伸。试样从开始加载到断裂前所受的力F和所对应的伸长量∆L构成的关系曲线，称为拉伸曲线。如图所示为低碳钢的拉伸曲线，整个拉伸过程大致可分为弹性变形、屈服、塑性变形、缩颈等阶段。（1）Oa段为弹性变形阶段。该阶段近似为一条倾斜的直线，即拉伸力与伸长量之间呈正比。当受力不超过Fe时，试样处于弹性变形阶段，拉力去除后，试样仍能恢复到原来的长度。（2）ab段为屈服阶段。该阶段既存在弹性变形，也存在塑性变形。当拉力超过Fe时，试样将会产生塑性变形。拉力去除后，试样只能部分恢复到原来的尺寸和形状。继续增加拉力到FeL，此时停止增加拉力，试样仍能继续伸长，拉伸曲线上出现水平或锯齿状线段。（3）bc段为塑性变形阶段。在该阶段，随着拉力的不断增加，试样被均匀拉长。在该过程中，材料的塑性变形不断增加，所需的拉力不断变大，强度逐渐增大。（4）cz段为缩颈阶段。当拉力增加到Fm时，试样的横截面发生局部收缩。此时即便施加的拉力减小，试样仍能继续变形，直至断裂（z点）。2）衡量强度的指标实际中，常用于衡量强度的指标有屈服强度、抗拉强度等。（1）屈服强度。屈服强度是指金属材料发生屈服现象时，抵抗塑性变形的最小应力值，分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，它们的计算公式分别为（1-2）（1-3）式中：FeH ——试样发生屈服现象时，上屈服点对应的载荷，N；FeL ——试样发生屈服现象时，下屈服点对应的载荷，N；S0 ——原始横截面积，mm2。工业生产中，大多数金属合金没有明显的屈服现象，很难测出屈服强度，此时可用规定塑性延伸强度Rp来表示。一般将规定塑性延伸率为

0.2%时所对应的应力作为材料的屈服强度，记为Rp0.2。【教师】组织学生阅读“我国舰船和海工钢铁材料体系的突破”（详见教材），并提出问题：我国舰船和海工钢铁材料体系取得了哪些重大突破？【学生】阅读、思考、举手回答【教师】总结学生的回答宝钢集团浦钢公司采用正火工艺开发了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平台钢板；采用调质工艺研发了屈服强度为690MPa的高强度海洋平台齿条钢。河北钢铁集团舞阳钢铁公司生产的D36-Z35海工钢，被用于我国第一个世界级的深水项目——位于南海东部1500m深海区域的“荔湾3-1”气田中；该公司生产的A514GrQ齿条钢最大厚度为215mm，超出了国外齿条钢的最大厚度，成功实现自升式平台升降机构齿条钢、半圆板的国产化。（2）抗拉强度。抗拉强度是指材料在断裂前受到的最大拉应力，用Rm表示，其计算公式为（1-4）式中：Fm——试样断裂前承受的最大拉力，N。零件在工作时所承受的拉应力不允许超过Rm，否则就会断裂。通常铸铁、高碳淬火钢等低塑性材料在拉伸过程中不发生缩颈，抗拉强度即材料的断裂强度。抗拉强度是零件的重要指标之一，也是评定金属材料强度的重要指标之一。工程上，常把屈服强度和抗拉强度的比值称为屈强比，其范围在0～1之间。屈强比是衡量材料脆性的指标之一，屈强比越大，表明材料越不易发生塑性变形，材料的脆性就越好，材料就越容易发生断裂。【教师】提出问题：起重机的钢丝绳一般选用什么材料制造？为什么？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答2．塑性塑性是指金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。金属材料的塑性指标包括断后伸长率和断面收缩率。1）断后伸长率断后伸长率是指试样被拉断后标距长度的伸长量（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率，用A表示，其计算公式为（1-5）式中：Lu——试样被拉断后的标距，mm；Lo——试样的原始标距，mm。金属材料的断后伸长率与原始标距有关，同一类型的金属材料，短试样比长试样的断后伸长率大。2）断面收缩率断面收缩率是指断裂后试样横截面积的最大缩减量（Su-So）与原始横截面积（So）之比的百分率，用Z表示，其计算公式为（1-6）式中：Su——试样被拉断后的最小横截面积，mm2；So——试样的原始横截面积，mm2。显然，A和Z的数值越大，金属材料的塑性越好。塑性好的材料可通过各种压力加工方法制成零件。当偶然超出规定载荷时，塑性好的材料可发生塑性变形，从而避免突然断裂，保证了零件在使用过程中的安全性。3．硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属材料抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。金属材料的硬度能反映出内部组织结构和热处理状态的差异。目前工业生产中常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。1）布氏硬度【教师】利用多媒体展示“布氏硬度的测定原理”图片，并进行讲解布氏硬度的测定原理如图所示。将直径为D的碳化钨合金球作为压头压入被测金属表面，并施加一定大小的载荷，保持一定的时间t后不再施加试验力。用读数显微镜测量压痕直径d，并计算出布氏硬度的值。布氏硬度的值是试验力与压痕表面积的比值，用HBW表示，即（1-7）式中：F——试验力，N；D——球体直径，mm；d——压痕平均直径，mm。可以看出，当F和D一定时，HBW仅与d有关。d越小，HBW就越大，材料的硬度也就越高；反之，材料的硬度就越低。实际测量时不需要计算硬度值，用读数放大镜测量直径d后，即可根据d查表得出布氏硬度的值。在表示布氏硬度时，通常不写单位，只写数值。硬度符号前为硬度值的大小，硬度符号后依次用数字注明球体直径（mm）、试验力（kgf）和试验力保持时间（s），其中试验力保持时间在10～15s时不标注。例如，“200HBW5/600/15”表示用直径为5mm的硬质合金球在600kgf试验力下保持15s测定布氏硬度的值为200；“300HBW5/700”表示用直径为5mm的硬质合金球在700kgf试验力下保持10～15s测定布氏硬度的值为300。布氏硬度测定的压痕面积比较大，测量结果较准确。布氏硬度常用于测定灰铸铁、非铁金属等的硬度；但操作过程较复杂，压痕面积较大，不适合测定成品及薄件的硬度。2）洛氏硬度【教师】利用多媒体展示“洛氏硬度的测定原理”图片，并进行讲解洛氏硬度的测定原理如图所示，将顶角为120°的金刚石圆锥（钢球或硬质合金球）作为压头压入被测金属表面，先施加一定大小的初始试验力F1，再施加一定大小的主试验力F2。在图中，0—0面为圆锥压头未与试样接触的位置；1—1面为施加初试验力时，圆锥压头在试样内的位置；2—2面为施加总试验力（初试验力和主试验力之和）并保持一定的时间后，压头所在的位置；3—3面为卸除主试验力后，压头所在的位置。此时，试样实际产生塑性变形的深度为h，该深度称为残余压痕深度。测量时应根据h判断材料的硬度，h越大，硬度值越小；反之，硬度值越大。实际测定硬度时，可从硬度计上的表盘读出硬度值的大小。洛氏硬度用符号HR表示，并将每0.002mm的压痕深度作为一个硬度单位，其计算公式为（1-8）式中：N——常数，用金刚石作为压头时，N为100；用碳化钨合金球作为压头时，N为130。目前，常用的洛氏硬度计有洛氏硬度针、电动洛氏硬度计、数显表面洛氏硬度计等。为了能够使用同一洛氏硬度计测定不同软硬或薄厚的试样，可采用由不同压头和载荷组合形成的洛氏硬度标尺。常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，对应的硬度符号分别为HRA、HRBW、HRC，其中HRC在生产中使用最多。洛氏硬度无单位，常用的表示方法是在硬度符号前标出硬度值，如30HRC、70HRA等。三种常用的洛氏硬度测试条件和应用举例如表所示。【教师】利用多媒体展示“三种常用的洛氏硬度测试条件和应用举例”表格，并进行讲解三种常用的洛氏硬度测试条件和应用举例标尺硬度

符号压头类型初试验力

/N主试验力

/N总试验力

F/N适用范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.3588.420～95HRA硬质合金、表面淬火层、渗碳层等BHRBWf1.5875mm碳化钨合金球98.07882.6980.710～100HRBW有色金属，退火钢、正火钢等CHRC金刚石圆锥98.071373147120～70HRC淬火钢、调质钢等洛氏硬度测定的硬度范围较大，操作简单，压痕较小，而且几乎不损伤工件表面，可测定成品及薄件的硬度；但由于压痕小，结果不准确，因此需要测定工件的不同位置，然后取平均值。3）维氏硬度【教师】利用多媒体展示“维氏硬度的测定原理”图片，并进行讲解维氏硬度的测定原理与布氏硬度相似，如图所示。将相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头，在规定的试验力下压入被测金属表面，保持一定时间后，卸除试验力，利用压痕对角线长度来计算硬度。实际测定时，维氏硬度的值不需要计算，可根据压痕对角线长度查表得出。维氏硬度用符号HV表示，测量范围为5～3000HV，常用的表示方法是硬度符号前标出硬度值，硬度符号后依次用数字注明试验力（kgf）和试验力保持时间（s）。例如，“200HV100/15”表示在100kgf试验力下保持15s测定维氏硬度的值为200。维氏硬度测定的硬度范围较大，压痕较小，精度准确，能测定金属镀层及薄件的硬度。但维氏硬度的操作较洛氏硬度复杂，效率较低。4．韧性金属材料在断裂前吸收塑性变形能量的能力称为韧性，常用冲击韧度评定其好坏。【教师】利用多媒体展示“夏比摆锤冲击试验的原理”图片，并进行讲解金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗变形、破坏的能力称为冲击韧度，常采用夏比摆锤冲击试验测定。夏比摆锤冲击试验的原理如图所示。摆锤一次冲断试样消耗的能量称为吸收能量，用K表示，可从试验机的刻度盘直接读出。试样缺口处单位横截面积吸收的冲击能量为冲击韧度，用αK表示，即（1-9）对于一般的钢材，测得的吸收能量K越大，材料的韧性就越好。但吸收能量K与试样的形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织、缺陷及环境温度有关，由K计算出的冲击韧度不能真正反映材料的韧性。因此，K一般只用于选材参考，并不直接用于冲击韧度的计算。实际中，通常将吸收能量值高的材料称为韧性材料，将吸收能量值低的材料称为脆性材料。韧性材料在断裂前会产生塑性变形，断裂处呈纤维状，无光泽；脆性材料在断裂前不会产生明显的塑性变形，断裂处呈晶状或瓷状，有金属光泽。【教师】利用多媒体展示“吸收能量K与温度T的关系曲线”图片，并进行讲解通过测定金属材料在不同温度下的吸收能量值，可绘制出该材料的吸收能量K与温度T的关系曲线，如图所示。吸收能量随温度的降低而减小，当吸收能量在某个温度区间内急剧下降时，材料由韧性材料转变为脆性材料，这种现象称为低温脆性或冷脆，该温度区间称为韧脆转变温度范围。在这个温度范围内，可确定某一温度为材料的韧脆转变温度，用Tt表示。韧脆转变温度越低，金属材料的抗低温脆性越好。在寒冷地区架设的桥梁和公路等结构材料必须有较低的韧脆转变温度，否则可能发生低温脆性破坏。但并不是所有的金属材料都有低温脆性。例如，铝和铝合金就没有低温脆性。5．疲劳【教师】扫码播放“金属疲劳”视频（详见教材），帮助学生了解金属疲劳【学生】观看、思考、理解许多零件（如轴、齿轮、连杆及弹簧）都是在交变应力（循环应力）作用下工作的。在交变应力作用下，虽然零件所承受的最大应力通常都低于材料的屈服强度，但工作一定时间后，零件会产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂前，零件无明显的塑性变形。因此，疲劳断裂是一种突然发生的脆性断裂，是反复应力作用下的脆性破坏。【教师】利用多媒体展示“疲劳曲线”图片，并进行讲解金属材料在循环应力作用下经受无数次循环而不发生断裂的最大应力值称为金属材料的疲劳极限，用σD表示。由疲劳曲线可知，应力值σ-1越小，金属材料断裂前的循环次数就越多。实际上，金属材料不可能进行无数次交变载荷试验。因此，在规定的循环次数下，金属材料不发生疲劳断裂的最大循环应力值称为疲劳强度，对应循环应力的疲劳强度用σ-1表示。通常规定，钢铁材料的循环次数N取107，有色金属的循环次数N取108，不锈钢及腐蚀介质作用下的循环次数N取106。为了延长零件的使用寿命，可采用以下措施：①选择疲劳强度高的材料；②合理设计零件的形状和尺寸，避免尖角、缺口和截面突变；③降低零件表面粗糙度，提高零件表面加工质量；④采用渗碳、渗氮、表面淬火等热处理方式，提高疲劳强度。【教师】提出问题：金属的疲劳有哪些危险性？会造成哪些严重事故？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答据统计，大部分机械零件的损坏都是由疲劳引起的。例如，车轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓等零件有50%～90%的破坏为疲劳破坏。另有报道，疲劳破坏占飞机喷气发动机全部构件破坏的49%。除此之外，压力容器、海洋石油平台、多种焊接结构（如桥梁、塔架），以及家庭用具（如自行车、衣柜的合页和厨房里水龙头把手）等都会发生疲劳破坏。二、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指材料在机械制造过程中适应各种冷加工和热加工的性能，包含铸造性能、焊接性能、切削加工性能等。1．铸造性能金属材料的铸造性能是指金属材料能铸造成形，被制成优质铸件的能力，主要包括流动性、收缩性和偏析。1）流动性液态金属材料的流动能力称为流动性。流动性好的金属材料，铸造性能较高。在常用的金属材料中，灰铸铁和硅黄铜的流动性较好，铸钢的流动性较差。金属材料的流动性可用螺旋线长度来测定，将金属液体浇注到螺旋形铸型中，在相同的铸造条件下，获得的螺旋线越长，表明金属材料的流动性越好。2）收缩性金属铸件在凝固和冷却过程中，体积和外形尺寸减小的性能称为收缩性。在收缩过程中，金属会发生缩孔、缩松或变形，甚至产生热裂和冷裂。收缩性的高低主要取决于金属材料的成分、浇注温度及铸件结构等。3）偏析偏析是指金属材料在凝固后各部分的化学成分不均匀的现象。偏析导致金属材料各部分的物理性能和力学性能不一致，使铸件的工作效果和使用寿命也受到影响。在铸造生产中，铸件有时会存在硬度不同、光泽感不同或晶粒差别很大的情况，这与金属的偏析有关。常见的偏析包括晶内偏析、区域偏析和比重偏析。2．焊接性能金属材料的焊接性能是指金属材料在一定的焊接工艺（包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等）下，被制成优良焊接接头的能力。钢材中对焊接性能影响最大的是碳，含碳量越大，其焊接性能越差。含碳量小于0.25%的低碳钢和低合金钢，焊接性能较好；高碳钢容易产生高碳马氏体，在焊接过程中容易产生裂纹，焊接性能较差。3．切削加工性能切削加工是用刀具从工件上切除多余的材料，从而获得外部形状、尺寸精度及表面粗糙程度等符合要求的零件的加工方法。金属材料的切削加工性能是指金属材料的切削难易程度。它一般与材料的物理性能、化学成分、金相组织及切削加工条件有关。影响金属材料切削加工性能的因素有很多，如强度、塑性、韧性、热处理方式等。在工业生产中，可通过改变钢的化学成分（如加入少量铅、磷等元素）和进行适当的热处理（如对低碳钢进行正火、对高碳钢进行球化退火等）来提高钢的切削加工性能。【教师】组织学生阅读“高镇同：永不疲倦的结构疲劳专家”的内容（详见教材），然后提出问题：从高镇同院士的事迹中你学到了什么？【学生】阅读、思考、举手回答【教师】总结学生的回答【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂实践【教师】组织学生以小组为单位，进行“测量金属硬度”实验（1）准备HB-3000型布氏硬度计和JC-10型读数显微镜、钢试样、铸铁试样。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的测量步骤进行测量实验，并填写任务工单。【学生】分组、准备实验物品、分工、进行测量实验、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现课堂小结【教师】简要总结本节课的要点金属材料的物理性能金属材料的化学性能金属材料的力学性能金属材料的工艺性能【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1．完成项目一“学习成果检验”中的习题。2．根据所学知识在平时多加练习，提高对重点知识的理解。【学生】完成课后任务教学反思

课题金属的晶体结构与结晶课时8课时（360min）教学目标知识目标：（1）掌握金属的晶体结构及晶体缺陷。（2）掌握金属的结晶过程及晶粒大小对金属力学性能的影响。（3）掌握合金的晶体结构与结晶。（4）掌握金属材料的塑性变形与再结晶。技能目标：（1）能利用金相显微镜观察晶体缺陷。（2）能分析金属的结晶过程。（3）能分析二元合金相图。（4）能利用金属变形规律解决实际生产问题。素质目标：（1）养成脚踏实地、认真负责、求真务实的工作作风。（2）培养追求真理、实事求是、勇于探究、积极实践的科学精神。（3）弘扬执着专注、科学严谨、追求卓越的工匠精神。教学重难点教学重点：晶体结构与晶体缺陷，金属的冷却曲线，金属的结晶过程，晶粒大小及其控制，合金的基本概念，合金的晶体结构与结晶，晶体的塑性变形，金属塑性变形的加工方法，塑性变形对金属组织和性能的影响，塑性变形金属在加热时的变化教学难点：能利用金相显微镜观察晶体缺陷，分析金属的结晶过程和二元合金相图，并利用金属变形规律解决实际生产问题教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——用金相显微镜观察晶体缺陷”、“任务工单——观察NH4Cl水溶液的结晶过程”、“任务工单——绘制Sn-Bi二元合金相图”和“任务工单——认识塑性变形对金属组织和性能的影响”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集资料，了解金属的晶体结构与结晶【学生】下载任务工单，提前上网观看相关资料，熟悉教材考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到互动导入【教师】讲述“影响半导体材料性能的因素和晶体缺陷”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解晶体与非晶体，金属的晶体结构及类型，实际晶体结构与晶体缺陷的相关知识一、晶体与非晶体物质由液态变为固态的过程称为结晶。根据内部原子排列特征的不同，固态物质一般可分为晶体和非晶体两种。【教师】扫码播放“为什么晶体与非晶体的性质不同”视频（详见教材），帮助学生了解晶体与非晶体的区别【学生】观看、思考、理解【教师】利用多媒体展示“常见晶体和非晶体”图片，并进行讲解1．晶体晶体是指内部组成（原子、离子或分子）在三维空间中呈规则排列的物质。晶体有规则的几何形状和固定的熔点。由于晶体在不同方向上具有不同的性能，因此表现出各向异性。石墨是一种常见的晶体。此外，常见的晶体还有金刚石、固态金属等。2．非晶体非晶体是指内部组成（原子、离子或分子）在三维空间中呈无规则排列的物质。非晶体没有规则的几何形状和固定的熔点。由于非晶体原子的聚集密度大致相同，因此表现出各向同性。松香是一种常见的非晶体。此外，常见的非晶体还有普通玻璃、沥青等。【教师】组织学生阅读“丹尼尔•谢德曼获得2011年度诺贝尔化学奖”（详见教材），并提出问题：这种准晶体有什么性质？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答丹尼尔•谢德曼凭借其“在准晶体领域内的发现”而获得了2011年度诺贝尔化学奖。其实，在最初阶段，谢德曼自己也觉得难以置信，而且该发现在当时是极具争议性的。但他用锲而不舍的努力让科学家们开始重新考虑他们对于物质本质的认识。最终，谢德曼验证了自然界中是有准晶体存在的猜想，并因此获得了该项殊荣。这种特殊的物质既不是晶体又不是非晶体，因此称为准晶体。准晶体的结构与晶体的结构相似，呈规则排列，但没有周期性，没有晶格结构。准晶体的发现颠覆了人类200多年来对物质状态的认识。二、金属的晶体结构及类型【教师】利用多媒体展示“简单立方晶格及其晶胞示意图”图片，并进行讲解晶体内部组成（原子、离子或分子）在不断运动着，为便于理论研究，通常把它们看成是固定在某个位置的刚性小球。因此，可用不同刚性小球紧密堆积的模型来表示晶体结构。在实际研究中，为了更好地描述晶体内部原子排列的几何形状和规律，需要引入晶格和晶胞的概念。1．晶格将晶体内部的每个原子假想为一个质点，用直线将每个质点连接起来，形成一个空间几何框架。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何框架称为晶格。2．晶胞由于晶体中的原子具有周期性和规则性，因此可在晶格中选择一个能完全反映晶体结构的、最小的几何单元进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ称为晶格参数，它们反映了晶胞的形状和大小。3．常见的金属晶体结构在金属材料中，常见的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排立方晶格三种。1）体心立方晶格【教师】利用多媒体展示“体心立方晶格”图片，并进行讲解体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有1个原子。顶角的原子为相邻8个晶胞共有，中心的原子为该晶胞独有，因此体心立方晶格的原子个数为2个（）。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）、铌（Nb）等，这种金属通常具有较高的强度和韧性。2）面心立方晶格【教师】利用多媒体展示“面心立方晶格”图片，并进行讲解面心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和6个面的中心各有1个原子。顶角的原子为相邻8个晶胞共有，面中心的原子为相邻2个晶胞共有，因此面心立方晶格的原子个数为4个（）。具有面心立方晶格的金属有γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）等，这种金属通常具有较高的塑性。3）密排立方晶格【教师】利用多媒体展示“密排立方晶格”图片，并进行讲解密排六方晶格的晶胞是正六棱柱，正六棱柱的12个顶角，上、下底面的中心，以及正六棱柱的中心各有1个原子。顶角的原子为相邻6个晶胞共有，上、下底面中心的原子为相邻2个晶胞共有，中心的3个原子为该晶胞独有，因此密排立方晶格的原子个数为6个（）。具有密排六方晶格的金属有α-Ti、镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等，这种金属通常脆性较大、塑性较差。【教师】提出问题：晶胞中原子排列的紧密程度用什么表示？有什么性质？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答，并对案例进行评析晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度表示，它是晶胞中原子所占体积与该晶胞总体积之比。例如，体心立方晶格的致密度为0.68，表示体心立方晶格总体积的68%被原子占据，32%为剩余体积；面心立方晶格的致密度为0.74，密排立方晶格的致密度为0.74。致密度越大，原子排列的紧密程度越大。三、实际晶体结构与晶体缺陷1、实际晶体结构【教师】利用多媒体展示“单晶体与多晶体”图片，并进行讲解1）单晶体原子排列规律相同、晶格位向一致的晶体称为单晶体。实际上，天然形成的单晶体很少，自然界中天然形成的单晶体有金刚石和水晶。2）多晶体由排列方式相同但位向不同的多个小晶体组成的晶体称为多晶体。实际中，大部分金属属于多晶体，如碳钢、黄铜、铸铁等。多晶体中外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒，相邻晶粒的界面称为晶界。2、晶体缺陷由于结晶或其他加工条件的影响，金属内部原子的排列特征会受到干扰，这种现象称为晶体缺陷。根据几何特征的不同，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。1）点缺陷【教师】利用多媒体展示“点缺陷”图片，并进行讲解点缺陷是指在三维空间中尺寸很小（不超过几个原子直径）的晶体缺陷。常见的点缺陷有间隙原子、晶格空位和置换原子。间隙原子是指个别能量较高的原子摆脱晶体的控制，排列在晶格的间隙位置；晶格空位是指晶体中本该由原子占据的位置没有被占据；置换原子是指晶体中的某些原子被替换成其他原子。在点缺陷附近，由于原子的排列特征发生变化，致使周围原子发生靠拢或撑开的现象称为晶格畸变。晶格畸变会使材料的组织结构和性能发生改变，如强度升高、电阻增大、体积变化等。2）线缺陷线缺陷是指在三维空间中呈线状分布的一种晶体缺陷，主要表现为各种类型的位错。位错是指晶体中的原子平面发生了规则的错动，主要有刃型位错和螺型位错两种形式。【教师】利用多媒体展示“刃型位错”图片，并进行讲解刃型位错是最基本的一种位错，它是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。冷塑性变形就是通过增大晶体中的刃型位错，来提高金属强度的。【教师】利用多媒体展示“螺型位错”图片，并进行讲解螺型位错是指晶体的某一部分相对于其余部分发生滑动，原子平面沿轴线盘旋上升的现象。3）面缺陷【教师】利用多媒体展示“晶界结构与亚晶界结构”图片，并进行讲解面缺陷是指在二维空间中呈面状分布的一种晶体缺陷，主要表现为晶界结构和亚晶界结构。多晶体内部存在很多尺寸较小的晶块，这些小晶块称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂实践【教师】组织学生以小组为单位，进行“用金相显微镜观察晶体缺陷”实验（1）准备金相显微镜（配有电子目镜）、硅晶体、镊子、盖玻片、烧杯、计算机。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的步骤进行实验，并填写任务工单。【学生】准备实验物品、分工、进行实验、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现互动导入【教师】讲述“生活中的结晶现象无处不在”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解金属的冷却曲线，金属的结晶过程，晶粒大小及其控制的相关知识一、金属的冷却曲线【教师】利用多媒体展示“金属结晶时的冷却曲线”图片，并进行讲解二、金属的结晶过程实验表明，金属的结晶过程是晶体在液体中从无到有（晶核的形成）、从小变大（晶核的长大）的过程。1．晶核的形成【教师】利用多媒体展示“金属的结晶过程”图片，并进行讲解当液态金属的温度降到理论结晶温度以下时，晶体内部的某些原子会规则地排列在一起，形成原子集团，这些结构稳定的原子集团称为晶核。晶核吸收液态金属中的原子不断长大，液态金属内部也会不断产生新的晶核并长大，直至液态金属全部凝固。在金属结晶的过程中，晶核的数量越多，晶粒越小；反之，晶粒越大。根据金属结晶条件的不同，晶核的形成方式可分为自发形核和非自发形核两种。（1）自发形核。将纯净的液态金属快速冷却，在足够大的过冷度下，液态金属内部的原子自发长出晶核的过程称为自发形核。（2）非自发形核。实际液态金属中存在一些杂质，原子依附于液态金属中的各种固态杂质微粒形成晶核的过程称为非自发形核。一般情况下，自发形核和非自发形核是同时存在的。在金属材料中，非自发形核处于主导地位。2．晶核的长大【教师】利用多媒体展示“树枝状生长方式”图片，并进行讲解晶核形成以后会不断吸收液态金属中的原子而长大，晶核长大的方式主要是树枝状生长方式。当过冷度较大且液态金属中存在未溶化的微粒时，金属晶核会以树枝状生长方式长大。在晶核生长的初期，晶粒始终保持晶体规则的几何外形。但在其继续生长的过程中，由于晶核的尖角处散热条件优于其他部位，生长速度较快，会形成晶体的主干，称为一次晶轴。在晶轴不断长大的过程中，一次晶轴的棱边又会产生二次晶轴、三次晶轴、四次晶轴……如此不断生长和发展下去，最终形成了树枝状晶体，简称枝晶。三、晶粒大小及其控制1．晶粒大小对力学性能的影响【教师】扫码播放“影响晶粒大小的主要因素”视频（详见教材），帮助学生了解影响晶粒大小的主要因素【学生】观看、思考、理解金属结晶后会形成由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒大小不同，对金属力学性能的影响也不同。晶粒越小，金属的强度和硬度越高，塑性和韧性越好，不会由于应力集中而断裂。因此，在生产实践中，可通过细化晶粒，达到提高金属力学性能的目的。2．晶粒大小的控制金属结晶后的晶粒数目取决于形核率N和长大率G。其中，形核率N是指单位时间内单位体积液体金属的晶核数；长大率G是指单位时间内晶核生长的线速度。金属在结晶时，形核率越大，长大率越小，结晶后的晶粒数目就越多。因此，若要细化晶粒，则必须控制形核率和长大率。生产中为控制晶粒大小，获得细小的晶粒组织，常采用增大过冷度、变质处理、附加振动等方法。1）增大过冷度【教师】利用多媒体展示“形核率N和长大率G与过冷度ΔT关系”图片，并进行讲解金属在结晶时，形核率N和长大率G会随着过冷度ΔT的增大而增大。在一定范围内，形核率N增大的速度比长大率G快，结晶时增大过冷度ΔT会使金属结晶后的晶粒变细。工业生产中常通过降低铸型的温度、降低涂料层的厚度、采用散热较快的金属或水冷铸型等方法增大过冷度。由于过冷度较大会使铸件产生裂纹，因此这些方法仅适用于小件或薄件的铸型。2）变质处理变质处理是指在液态金属中加入某些变质剂，从而增加非自发晶核的数量或抑制晶核长大的速度，以达到细化晶粒的目的。例如，工业生产时会在铸铁溶液中加入硅铁和硅钙合金，在钢中加入Al、Ti、V等元素，都可细化晶粒。3）附加振动在液态金属结晶的时候，采用机械振动、超声波振动或电磁振动等措施，可使枝晶破碎细化。破碎的枝晶可起到新晶核的作用，从而增加了晶核数量，达到细化晶粒的目的。【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂实践【教师】组织学生以小组为单位，进行“观察NH4Cl水溶液的结晶过程”实验（1）准备显微镜、玻璃片、吸管、饱和的NH4Cl水溶液、电吹风机、具有枝晶组织的金属铸件。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的步骤进行实验，并填写任务工单。【学生】准备实验物品、分工、进行实验、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现互动导入【教师】讲述“生活中会用到很多由合金加工而成的物品”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解合金的基本概念，合金的晶体结构与结晶，二元合金相图，二元匀晶相图和二元共晶相图的相关知识【教师】提出问题：水和冰的化学成分相同，物理性质却不同，这是为什么呢？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答【教师】利用多媒体展示“固溶体”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“固溶体晶格畸变”图片，并进行讲解【教师】提出问题：港珠澳大桥的海底沉管隧道应用了哪些新材料技术？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥，拥有世界上最长的海底沉管隧道。这些世界之最，离不开“中国智造”，离不开新材料的应用。港珠澳大桥中使用了耐候钢，该材料当时是首次在国内跨海大桥工程中使用。耐候钢是在普碳钢中加入了铜、镍等耐腐蚀元素而得到的，其原理即为固溶强化。【教师】利用多媒体展示“Cu-Ni合金的冷却曲线及二元合金相图”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“Cu-Ni二元合金相图及结晶过程”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织”图片，并进行讲解【教师】组织学生阅读“蒙乃尔合金的发明依据就是Cu-Ni二元合金相图”（详见教材），并提出问题：蒙乃尔合金特性的有哪些？【学生】阅读、思考、举手回答【教师】总结学生的回答蒙乃尔合金是应用最早、最广泛、综合性极佳的Cu-Ni合金，约含66%的Ni、28%的Cu，以及少量的Fe、Mn、C、Si。它的发明依据就是Cu-Ni二元合金相图。蒙乃尔合金为单相α固溶体组织，具有良好的强度和硬度，耐腐蚀性和切削加工性能也较好。蒙乃尔合金广泛用于制造动力工厂的无缝输水管、蒸汽管、海水交换器和蒸发器，还可用于制造盐酸生产设备中的泵和阀等。【教师】利用多媒体展示“Pb-Sn二元合金相图”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“非共晶合金I的冷却曲线及结晶过程“和”非共晶合金I的显微组织”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“共晶合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程“和”共晶合金Ⅱ的显微组织”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“亚共晶合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程“和”亚共晶合金Ⅲ的显微组织”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“过共晶合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程“和”过共晶合金Ⅳ的显微组织”图片，并进行讲解α、β、、【教师】利用多媒体展示“按组织组分填写的Pb-Sn合金相图”图片，并进行讲解【教师】利用多媒体展示“合金的力学性能与相图的关系”图片，并进行讲解【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂实践【教师】组织学生以小组为单位，绘制Sn-Bi二元合金相图（1）准备立式加热炉、冷却保温炉、镍铬-镍硅热电偶、样品坩埚、数字控温仪、玻璃套管、玻璃棒、0.1g精度电子天平。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的测量步骤进行测量实验，并填写任务工单。【学生】准备实验物品、分工、测定Sn-Bi二元合金相图、绘制冷却曲线图和Sn-Bi二元合金相图、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现互动导入【教师】讲述“高锰钢的耐磨性能”的内容（详见教材），并提出问题：【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解晶体的塑性变形，金属塑性变形的加工方法，塑性变形对金属组织和性能的影响，塑性变形金属在加热时的变化的相关知识【教师】利用多媒体展示“金属的压力加工”图片，并进行讲解塑性是金属的重要特性。由于塑性的存在，金属在热态和冷态下均可进行轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等压力加工，最终获得具有一定形状、尺寸和力学性能的各种制品。金属在压力加工时，会产生一定的塑性变形，不仅尺寸大小会发生变化，而且内部组织结构和性能也会发生变化。因此，研究金属的塑性变形方式及变形后的结构性能，对改进加工工艺、提高产品质量具有重要意义。一、晶体的塑性变形在学习金属塑性变形之前，应先从晶体层面了解金属塑性变形的实质。1．单晶体的塑性变形在室温下，单晶体的塑性变形主要包含滑移和孪生两种方式。1）滑移【教师】利用多媒体展示“滑移”图片，并进行讲解滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生的滑动。发生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。晶体通过位错发生滑移时，并不是整个滑移面的全部原子同时移动，而是位错附近少数原子移动小于一个原子间距的距离，这时所需要的应力比晶体进行整体刚性滑移时小。（1）滑移带和滑移线。【教师】利用多媒体展示“滑移线和滑移带”图片，并进行讲解晶体在滑移时，其相对位移量是原子间距的整数倍，故滑移后的原子结构也处于平衡位置。晶体在滑移的过程中形成很多小台阶，这些小台阶在显微镜下呈现为一些线纹，称为滑移线；滑移线常成组出现，形成滑移带。（2）滑移系。晶体在滑移时，一个滑移面和其对应的滑移方向构成一个滑移系。晶体中的滑移系越多，滑移的可能性就越大，塑性也就越好。如表所示为金属中三种常见晶格的滑移系。【教师】利用多媒体展示“金属中三种常见晶格的滑移系”表格，并进行讲解金属中三种常见晶格的滑移系晶格示意图滑移面每个滑移面上的滑移方向滑移系体心立方晶格6212面心立方晶格4312密排六方晶格133【教师】提出问题：为什么面心立方晶格比塑性比体心立方晶格的好？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答面心立方晶格和体心立方晶格同样都有12个滑移系，但面心立方晶格每个滑移面上的滑移方向有3个，原子排列密切，滑移面之间的距离较大，因此塑性比体心立方晶格的好。例如，Au、Ag、Al等塑性较好的金属都属于面心立方晶格。2）孪生【教师】利用多媒体展示“孪生”图片，并进行讲解孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分产生的剪切变形。产生变形的晶面和晶向分别称为孪晶面和孪晶向。孪生所需要的切应力比滑移的切应力大。2．多晶体的塑性变形大多数金属属于多晶体，它的塑性变形方式与单晶体相同。但多晶体中各个晶粒的形状、大小和位向各不相同，因此塑性变形过程较复杂。多晶体发生塑性变形时，相邻晶粒位向不同，首先是处于有利位向的小部分晶粒产生滑移现象，然后是处于不利位向的大多数晶粒进行塑性变形。多晶体的原子排列不规则，阻碍了位错运动，必须增加外力才能使塑性变形继续进行。金属的晶粒越细，晶界越多，变形抗力就越大，金属的强度也越大。因此，在工业生产中，常通过细化晶粒的办法，使材料获得较高的综合力学性能。二、金属塑性变形的加工方法金属塑性变形的加工方法有热变形加工和冷变形加工两种。在金属学中，热变形加工和冷变形加工不是依据塑性变形时是否加热划分的，而是根据金属的再结晶温度划分的。加热温度低于再结晶温度时的变形加工称为冷变形加工；加热温度高于再结晶温度时的变形加工称为热变形加工。例如，锡的再结晶温度为-7℃，因此在室温下的变形加工称为热变形加工；铜的再结晶温度为433℃，因此在433℃以下的变形加工称为冷变形加工。冷变形加工时金属的组织和性能变化是单向的，会产生冷变形纤维组织和加工硬化。冷变形加工后的金属存在残余应力，塑性较差，通常需要再结晶退火才能继续变形。冷变形加工适用于截面尺寸较小、加工精度和表面粗糙度要求较高的金属制品。热变形加工时金属的组织和性能变化是双向的，因回复和再结晶，塑性变形产生的加工硬化会消除，但金属在变形过程中会产生表面氧化现象。热变形加工一般用于截面尺寸大、在室温下加工困难的金属制品。【教师】提出问题：热变形加工对金属组织和性能的影响有哪些？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答（1）铸态金属经热变形加工后，原子的活动性提高，微裂纹等缺陷会被压实，金属的致密度提高，使金属的力学性能得到提高。（2）热变形加工会使铸态金属中形成热变形纤维组织。热变形纤维组织可使金属材料的性能具有明显的各向异性，在生产实践中充分利用这一特性，可提高金属的强度。三、塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形从外观上改变金属外形的同时，也使金属内部的组织结构和性能发生变化。塑性变形可分为冷塑性变形和热塑性变形。其中，因冷变形加工而产生的变形称为冷塑性变形；因热变形加工而产生的变形称为热塑性变形。在此主要介绍冷塑性变形，以下提及的塑性变形均指冷塑性变形。1．塑性变形对金属组织的影响【教师】利用多媒体展示“纯铁在不同变形程度下的显微组织”图片，并进行讲解金属经塑性变形后，内部晶粒的形状会发生变化。一般情况下，晶粒沿着变形方向被拉伸。当变形量增大到一定程度时，晶粒变成细条纤维状。纯铁在不同变形程度下的显微组织不同。2．塑性变形对金属性能的影响金属经塑性变形后，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度提高而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。加工硬化在工程技术中有具有重要的意义。（1）加工硬化可提高金属的强度和硬度，如在生产中常采用冷挤压的方法提高铬镍不锈钢和高锰钢的强度。（2）加工硬化有利于金属变形趋向均匀，因为金属变形部分得到强化后，继续变形主要集中在剩余未变形部分。（3）加工硬化可提高金属在使用过程中的安全性。加工硬化也会对工业生产带来不利影响。例如，金属经加工硬化后，塑性降低，若继续变形则会产生断裂。因此，常采用退火再结晶的方法消除加工硬化。【教师】提出问题：当没有钳子时，我们想弄断一根细铁丝，该怎么做？如果铁丝较粗，又该怎么做？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答，并对案例进行评析3．塑性变形使金属产生残余应力残余应力是指外力去除后，仍残留在金属内部的应力，它是一种弹性应力。产生残余应力的主要原因是金属内部变形不均匀。根据作用范围的不同，残余应力分为宏观残余应力（第一类内应力）、微观残余应力（第二类内应力）、晶格畸变应力（第三类内应力）。残余应力会对金属性能产生一定的影响，如降低材料的拉伸屈服极限、降低疲劳强度、加速脆性破坏等。生产中通常采用应力退火的方法去除金属加工后的残余应力。四、塑性变形金属在加热时的变化【教师】利用多媒体展示“回复、再结晶和晶粒长大”图片，并进行讲解金属经塑性变形后，内部组织处于不稳定状态，具备自发恢复到变形前组织结构的能力。常温下，金属原子扩散能力较弱，速度较慢，自我恢复过程很难发生。此时，若对变形后的金属进行加热，随着温度的不断升高，原子的动能不断增大，扩散能力不断增强，金属的结构和功能也随之发生变化，一般会经过回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。1．回复当塑性变形后的金属在较低温度加热时，原子的动能较小，扩散能力较弱，内部显微组织无明显变化。但材料的硬度、强度和残余应力降低，塑性增大，该过程称为回复。在实际生产中，常利用回复过程对塑性变形金属进行去应力退火，以降低金属内部残余应力，防止金属制件发生变形、开裂。例如，冷拉钢丝卷制弹簧通过

200～300

℃的低温处理，可消除冷卷时产生的内应力。2．再结晶当塑性变形后的金属被加热到一定温度时，原子的动能增大，被拉长、压扁、破碎的晶格会重新生核，变成新的细小均匀的等轴晶粒，该过程称为再结晶。再结晶最先在晶粒破碎最严重的地方发生，产生晶核，新晶核会慢慢吞并旧晶核，直至完全吞并。再结晶后，晶格类型没有发生变化，所以再结晶不是相变过程。再结晶也不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度，而是随着温度的升高，在某一温度重新生核。开始产生再结晶时的最低温度称为再结晶温度。实验结果表明，金属的再结晶温度与金属熔点的关系为（2-2）式中，温度的单位为K。塑性变形后的金属经过再结晶后，硬度和强度显著降低，塑性与韧性显著增大，残余应力完全消除，物理性能和力学性能也恢复到塑性变形前的状态。金属经塑性变形后，又加热到再结晶温度以上，使变形晶粒再结晶的过程称为再结晶退火。在实际生产中，常采用再结晶退火的方法消除塑性产品的加工硬化，提高塑性和韧性。例如，在生产铁铬铝电阻丝时，材料在冷拔到一定的变形程度后，要进行氢气保护的再结晶退火，以便继续冷拔获得更细的材料。结合影响再结晶的诸多因素，同时为了缩短生产周期，通常再结晶退火的温度比再结晶的温度高100～200℃。3．晶粒长大【教师】利用多媒体展示“金属再结晶后的晶粒长大”图片，并进行讲解金属再结晶后的晶粒是均匀细小的，若继续升高温度或延长加热时间，则晶粒会显著长大。晶粒长大的实质是大晶粒逐渐向小晶粒移动，使小晶粒中晶格的位向变成和大晶粒的位向一致，最终将小晶粒吞并。温度越高，加热时间越长，晶粒越大。晶粒长大会使金属的强度、硬度、塑性、韧性等性能降低。【教师】组织学生阅读“梁敬魁：‘晶体人’的一生”（详见教材），并提出问题：梁敬魁在多晶X射线衍射结构分析和相图测定方面取得了哪些创新性成果？【学生】阅读、思考、举手回答【教师】总结学生的回答课堂实践【教师】组织学生以小组为单位，进行“认识塑性变形对金属组织和性能的影响”实验（1）准备金相显微镜、小型铝片拉伸机、HV-120维氏硬度计、热处理炉、划针、游标卡尺、纯铝试样、浸蚀剂溶液。（2）组内分工，结合资料和本项目所学知识，参照任务工单的步骤进行实验，并填写任务工单。【学生】准备实验物品、分工、进行实验、填写任务工单【教师】巡堂指导，评价各组的表现课堂小结【教师】简要总结本节课的要点晶体与非晶体金属的晶体结构及类型实际晶体结构与晶体缺陷金属的冷却曲线金属的结晶过程晶粒大小及其控制合金的基本概念合金的晶体结构与结晶二元合金相图二元匀晶相图和二元共晶相图晶体的塑性变形金属塑性变形的加工方塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形