兰理工机械工程材料教案

《机械工程材料》教案PAGE1-授课题目绪论授课形式多媒体授课时间授课学时1学时教学要求与目的了解本课程的教学目的、与机械专业的关系及工程意义熟悉本课程的性质、主线与内容基本内容材料与人类、材料与现代工程课程性质、主线与内容机械专业学生与材料重点难点课程的性质、主线与内容主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展1）复合材料的研究，如玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料的研究和应用；2）特殊性能的功能材料，如光导纤维、激光晶体等；3）快速成形技术及计算机数值模拟技术的发展。主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）第1～4页课后体会与反思1.关于材料与现代工程，虽有足够的信息量，但对新技术、新材料的掌握程度不够。教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注1.材料与人类、材料与现代工程：材料对于人类历史发展的贡献：作为历史阶段的标志复习：人类历史阶段的划分方法人类文明的三大柱石：材料、能源、信息+（近年）生命科学（生物工程）材料又是能源、信息的物质基础。现代工程与材料：飞机、现代化列车、轮船、埃菲尔铁塔、运载火箭等2.课程性质、主线与内容课程性质：机类专业的主干技术基础课（学科基础课）。课程主线：（机械等领域）工程要求→力学及其他负荷特征→对应的材料性能→材料选择→材料成型加工特征、提高材料性能的热处理与表面处理→常见工程材料及其典型应用。课程内容：PartⅠ工程材料的基本特征与性能（第1∽2章）PartⅡ材料在加工处理中的行为与性能变化（第3∽4章）PartⅢ常用工程材料（第5∽6章）PartⅣ材料的选择与应用（第7∽14章）·关键：理解各大类材料的主要特征，掌握常用材料的性能、处理工艺特点，以及具体工况（应用）下正确、科学地合理地选材和确定加工路线与应用。3.机械专业学生与材料未来的工程技术人员、研发人员和管理人员。从事工作：机械设计、制造、维护等→（要进行选材、用材）→提出技术要求→材料选择→备料→热、冷加工→适当的热处理→精加工→成品→检验→使用。工程设计制造人员很需要材料知识方面的素养。4.示例例1：吊重物（25t），吊索的选材。例2（启发性思考题）：各种刀具、齿轮、机床主轴、该用什么材料为佳？又如何保证它们的性能，保证加工制作顺利进行以及保证产品的质量？15分钟多媒体图片多媒体图片15分钟10分钟5分钟授课题目机械工程对材料的要求授课形式多媒体授课时间授课学时3学时教学要求与目的1）掌握力学负荷的主要特征和热负荷对材料的影响；2）了解环境因素对材料产生的作用；3）掌握材料的主要力学性能指标的意义和了解物理、化学性能和工艺性能；4）掌握各类材料的主要特征，并对它们的分类有一定程度的了解。基本内容1）工程构件及机械零件所受的力学负荷、热负荷和环境介质及其作用；2）工程设计与加工工艺所需要的材料性能；3）工程材料类型及主要特征；重点难点1）学负荷的主要特征和热负荷对材料的影响2）各种性能指标的含义和作用；3）金属材料、高聚物、陶瓷材料和复合材料各自优缺点的把握。主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）第31～40页课后体会与反思1.多以实例讲解，效果更好。2.工艺性的概念比较抽象，让学生讨论金工实习中各加工方法的体会，教学效果较好。教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：各种机器在服役过程中要承受各种力的作用（力的作用不同，其效应会不同）、有一定的工作温度以及面临不同的环境。机器是由各种不同的部件及零件所构成，不同零件是由不同材料加工而成，在合理设计、制造的基础上，机器的性能主要由其零部件，尤其是其关键件的相关性能所决定。机械零件的性能由结构、加工和材料三大因素所控制，但主要由其材料因素（强度和其它力学性能）来决定。在设计机械产品时，要根据零件的失效方式正确选择材料的强度等力学性能判据来进行定量计算，以确定产品的结构和零件尺寸。不同的材料其性能各不相同具有各自的特征，使用范围也各不相同。主要内容：一、工程构件与机械零件所受各种负荷概述负荷→（作用于）材料→（可能）产生不同类型损伤→（严重时）失效或破坏。1.力学负荷作用（1）力学负荷性质：分静负荷和动负荷（2）加载形式复习：《材料力学》内容，拉压、剪切、扭转、弯曲载荷的特征拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲、组合加载2.热负荷作用温度因素影响：高温、低温；热冲击；热疲劳；蠕变等(1)高温：①T↑，σ3（σb）↓↓②T>0.3Tm，低应力下全发生缓慢变形(2)低温：许多材料低温下会变脆，如钢材，高聚物（塑料、橡胶等）(3)热冲击：急热急冷→零件各处温差大→热胀、冷缩不一致→产生热应力→变形；降低承载能力甚至碎裂，如玻璃杯的炸裂。3.环境介质的作用无处不在，时时起作用，仅程度不同。产生物理、化学作用；摩擦磨损老化作用等。（1）腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解作用（2）摩擦磨损：磨料磨损；粘着磨损；腐蚀磨损；麻点磨损(接触疲劳)。效应：产生摩擦阻力、降低机械效率；材料的逐渐失去（磨损）；摩擦热（使运动不灵活、润滑变差）；产生噪音等。（3）老化作用：以高分子材料为甚，如轮胎龟裂、发粘，塑料退色、变脆等。二、整机性能、零部件性能与材料性能例机床：由主轴组件（轴、轴承、键、联轴器等）、床身、导轨、传动装置（齿轮等）和动力装量（电机、皮带轮等）组成。其关键件：主轴（刚度、强度、韧性）、导轨（磨损）或者传动齿轮破损或失效会影响功率与扭矩的传递、传动精度下降，严重妨碍机床的正常切削加工。例柴油机：是由喷油系统（喷油泵）、连杆、曲轴、活塞和汽缸组成的往复式内燃机。其关键件：三副精密偶体（决定柴油雾化情况、燃烧质量和效率）、汽缸套（磨损情况，决定柴油机大修期）、连杆与曲轴（其力学性能，决定柴油机的安全可靠性）。讨论题：机器零件及零件材料的力学性能和整机性能之间是什么关系？三、工程材料的力学性能复习：《材料力学》低碳钢拉伸时的力学性能、拉压、剪切、扭转、弯曲载荷的特征拉伸试验和应力一应变（σ-ε）曲线力学行为：受外力作用—弹性变形—塑性变形—加工硬化—断裂应力σ=P/F0；应变=△l/l0。（2）弹性和刚性弹性阶段：σ∝ε，σ=E·ε，E=σ/ε；弹性模量E，称为材料的刚度不同材料E的比较：陶瓷>金属≥高分子材料工程应用：沙发垫子要求E低（弹性变形大），用海锦、泡沫塑料或弹簧；机床主轴、钻杆，要求E高（保持固有形状），用钢材等；比刚度E/ρ，航空航天结构件，要求大（轻且不易变形），用碳纤维复合材料（如B-2、F-115飞机）。E/ρ：CFRP>Ti合金>Al合金>>钢铁。（3）强度和塑性1)意义：强度是材料抵抗变形和断裂的能力；塑性是材料产生塑性变形的能力；2)主要指标强度指标：弹性极限：σe、屈服极限：σs（或σ0.2）、抗拉强度：σb、比强度：σs/ρ和σb/ρ塑性指标：延伸率：δ、断面收缩率：ψ（4）硬度材料软、硬的程度。用（硬质压头的）压痕深度或面积表示硬度。硬度测量有洛氏、布氏、维氏、肖氏及刻划等硬度试验，常用洛氏与布氏硬度。（5）冲击韧性：材料在一定温度下抵抗冲击载荷破坏的能力，常用缺口试样冲断所吸收的功能表示，J或J/㎝2。讨论题：Tatanic号为什么会在低温的海里断裂？（6）断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展（断裂）的能力。对大型结构件的防断设计具有重要意义，用预制裂纹的试样。（7）疲劳强度材料在周期变动应力下（交变应力）的强度。讨论题：在机械设计中，哪些力学性能指标可直接应用于设计计算，那些只能间接用来估计零件的性能？四、材料的理化性能五、材料的加工工艺性能材料加工成形、处理的难易程度，不同材料很不一样。复习：金工实习中的各种加工工艺过程金属：铸造工艺性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理工艺性塑料：多注射（塑）、压塑、挤塑等成形陶瓷：多由粉料（压制等后）烧结成形六、工程材料分类1.工程材料的分类（1）按使用功能分类：结构材料、功能材料（2）按化学组成分类：通常分为三大类型或四大类型（加复合材料）。2.各类材料的特征（1）金属材料（钢铁与有色金属）优点：兼有良好的力学性能、某些理化性能和较好工艺性能，价格便宜或适中。缺点：资源有限，；特高温以及特殊苛刻介质环境中不能胜任。（2）陶瓷材料优点：优良理、化性能和极好的耐高温性能，且原料来源广泛。缺点：性脆、难加工，可靠性差。（3）高分子材料（高聚物，塑料、橡胶和合成纤维等）优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性，质量轻，加工性能好，原料丰富，大量用于要求不高的场合和日用品等。缺点:力学性能尤其强度、刚度低下；不耐高温（≤300℃）；易燃易老化。（4）复合材料优点：可按需要的性能人为设计、制造；可具有单一材料所不具备的优异性能；是21世纪十分有前途且大力发展的材料。缺点：目前性能高的价贵；聚合物基复合材料的基体易蠕变，多数成型性能差。单元小结：1）工程构件或机器零件在工作条件下可能受到各种负荷的作用，有时单一有时组合；2）在合理设计、制造的基础上，机器的性能主要由其零部件，尤其是其关键件的相关性能所决定。3）几大类材料的特征各不相同、性能各异；各有其适用的场合；以及他们之间性能具有有互补性，在一定范围，一定程度上可相互替代（如用塑料替代钢铁和有色金属，实例：水表外壳，塑料手轮等。）课后习题：教材14页1.1、1.3、1.8、1.9课后预习内容：材料的结构和晶体材料的相图与相变教材15～29页每节课首先对前一节的重点内容进行复习，利用副板简要书写。教材1～3页15分钟课件图15分钟15分钟教材3～4页10分钟教材4～10页45分钟课件图课件图课后阅读课件图课后阅读教材12页10分钟教材13～14页20分钟课件图5分钟授课题目材料的组成和内部结构特征授课形式多媒体授课时间授课学时5学时教学要求与目的熟悉三种典型的金属晶体结构；了解实际金属晶体中的各种缺陷；熟悉合金中的基本相结构及组织；了解二元合金相图的建立及主要类型；了解Fe-Fe3C相图中某合金的结晶过程分析方法和意义。掌握铁碳合金的成分、结构、组织、性能之间的变化规律。了解材料的组织与性能的关系基本内容1.晶体与非晶体，金属的晶体结构2.二元相图的建立与主要类型3.铁碳合金相图与铁碳合金4.材料的组织与性能重点难点重点：金属典型的三种晶体结构铁碳合金相图难点：材料的内部缺陷、二元相图的建立、铁碳合金相图分析主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）11～29页、76～99页课后体会与反思1.晶体结构中的一些概念如配位数、位错等，由于时间少，讲解不够透彻。2.铁碳合金相图中名词多，不同成分合金的结晶过程复杂，学生难以理解，还没找到好的授课方式。教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：材料的性能决定于材料的化学成分和其内部组织结构，固态物质有晶体与非晶体之分，金属材料大多数是晶体。不同种类的金属具有不同的晶体结构，因而其性能有所不同。二元合金相图的建立为分析、研究不同成分合金的结晶过程提供了便利，由于不同类型的合金结晶过程中有不同类型的结晶反应，其相图类型有所不同。钢铁是工业中应用最为广泛的金属材料，Fe-Fe3C相图是研究钢铁材料的有力工具，是研究其成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，是材料选用和制定各种热加工工艺的依据。Fe-Fe3C相图在第四章钢的热处理原理中具有重要意义。主要内容：一、材料的结构1.大多数金属是晶体，金属晶体中的原子是金属键结合，使原子具有趋于紧密排列的倾向，常见的有三种晶体结构：体心立方、面心立方和密排六方。复习：材料的结合键，离子键、共价键、金属键、分子键2.材料的原子排列缺陷：实际晶体中存在许多缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。思考题：三种典型晶体结构晶胞中的原子个数、原子半径、致密度和配位数怎么计算？二、晶体材料的相图与相变1.概念：组元、相、相变、相图复习：《物理化学》二元相图内容2.合金中的相结构固溶体：间隙固溶体和置换固溶体金属化合物3.二元相图的主要类型二元合金相图的建立：最常用的是热分析法二元合金相图的类型：匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图不同类型相图中合金的结晶过程分析思考题：合金在结晶过程中固液相的成分如何变化（根据相图分析）？4.铁碳合金相图（1）铁碳合金中的组织：1）间隙固溶体：A和F纯铁的同素异构转变：从高温到低温依次有δ-Fe、γ-Fe、α-Fe三种相，形成三种不同的间隙固溶体。2）金属化合物：Fe3C，是铁碳合金的重要强化相3）机械混合物：P（共析产物）、Le（共晶产物）（2）铁碳合金相图分析1)基本相：五个，五个基本相形成了5个单相区、7个两相区和3个三相区2)基本线：固相线、液相线、包晶转变线、共晶转变线、共析转变线：三条重要的固态转变线：A3线、A1线和Acm线3)典型成分合金的结晶过程：7种不同成分范围合金的结晶过程讨论题：铁碳合金相图可分解为哪几种类型的二元相图？4）铁碳合金的分类①工业纯铁：wc≤＜0.0218％组织F+Fe3c②钢：亚共析钢：0.0218％＜wc＜0.77％共析钢：wc=0.77％过共析钢：0.77％＜wc＜2.11％③铁：亚共晶铸铁：2.11％＜wc＜4.3％共晶铸铁：wc=4.3％过共晶铸铁：4.3％＜wc＜6.69％三、材料的组织与性能概念：组织平衡组织与非平衡组织单相与多相组织金属材料的组织与性能讨论题：金属晶粒的大小对金属性能的影响单元小结：1）三种典型的金属晶体结构为：体心立方、面心立方和密排六方。2）合金中的固溶体和金属化合物为其基本相结构3）二元合金相图的基本类型有：匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图4）铁碳合金相图：基本组织、重要反应、结晶过程5）材料组织不同其性能也有所不同课后习题：教材36页2.4、2.7、2.9课后预习内容：工程材料成形过程中的行为与性能变化教材37～50页每节课首先对前一节的重点内容进行复习，利用副板简要书写。教材15～21页45分钟教材21～32页15分钟45分钟15分钟45分钟25分钟10分钟教材32～36页15分钟10分钟授课题目工程材料成形过程中的行为与性能变化授课形式多媒体授课时间授课学时5学时教学要求与目的熟悉金属的凝固过程，了解纯金属和合金结晶过程的不同熟悉铸锭的三个晶区及特性，熟悉焊接接头与热影响区的特征了解铸锭和焊缝中存在的各种缺陷了解冷、热塑性变形对材料性能的影响掌握回复与再结晶过程中材料组织与性能的变化基本内容纯金属与合金的结晶过程，细化晶粒的方法铸锭三晶区及其缺陷焊接凝固特点、热影响区特征及焊接应力与缺陷冷、热塑性变形过程中的组织及性能的变化冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化重点难点重点：金属铸造的宏观组织及形成；铸件缺陷。焊接及热影响区的组织特点；焊接的应力与裂纹。冷、热塑性变形材料组织性能的变化；冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化；难点：纯金属结晶的过程、焊接的应力与裂纹、冷塑性变形时金属组织结构的变化及变形后的性能变化主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展1.铸造、焊接、压力加工数值模拟新技术的应用；2.电磁焊接是一种类似于爆炸焊接的高能率焊接方法,但比爆炸焊接更加安全可靠。它是利用由线圈感应产生的脉冲电磁压力进行焊接的。这种方法适合于焊接直径较小的铝、铜和其它金属管。主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）第99～109页、67～75页课后体会与反思教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：大多数金属材料从冶炼到最终成为零件，一般都要经过铸造、焊接、压力加工（锻造、冲压、轧制等）和机械加工等多道工序。铸造，焊接过程：金属经历结晶的过程。组织性能在很大程度上取决于该过程。压力加工（塑性变形）：在改变金属外部形状，尺寸的同时，也使材料内部组织发生很大变化，从而使性能发生变化。因此，需要了解金属在成形过程中的行为和性能变化。主要内容：一、金属的凝固1.过冷现象和过冷度：过冷度是金属结晶时的必要条件。2.金属凝固的过程讨论题：冬天的窗花的形状，雪花的形状纯金属：形核和长大的过程形核方式：自发形核和非自发形核长大方式：多数金属以树枝状方式长大合金：基本过程与纯金属相同，形核和长大的过程结晶过程中存在成分和相的变化3.晶粒大小和控制1）晶粒度对金属性能的影响室温及不太高的温度下，细晶材料强韧性好(细晶强化)；晶粒度：晶粒的大小评定方法：对比法、测量法2）影响晶粒大小的因素形核率：单位体积中形核数目↑，晶粒越细；长大速度G：G越小，晶核长的过程中可能形核的数目↑，晶粒细。∴N/G比值越大，晶粒越细，。3.细化晶粒的方法1）增加过冷度△T2）加入形核剂3）机械方法：如搅拌，振动

提问：什么是细晶强化？二、铸造、焊接过程中材料组织及性能变化1.铸锭组织实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在：1）模壁的作用；2）方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织，（见课件图3-6）。由外→里分别为：表面细等轴晶区，柱状晶粒区和中心等轴晶粒区。△特殊情况：1）很薄铸件——只有细等轴晶区2）比较薄的铸件——（散热很好）穿晶组织（柱状晶）2.铸锭的缺陷（课件图3-7，3-8）缩孔与缩松、气孔、非金属夹杂物、成分偏析（宏观偏析、微观偏析）讨论题：柱状晶的形成及特点，哪些零件的组织需要柱状晶？3.焊接接头：焊缝、热影响区、熔合线1）焊缝金属的结晶特点：结晶特点：冷却速度大、熔池温度不均匀、过热度大、动态结晶焊缝组织：垂直于熔合线形成单一柱状晶焊缝缺陷：有较严重偏析;可能存在气泡，非金属夹杂等缺陷。2）热影响区的特征复习：铁碳合金相图，不同的温度范围对应不同的组织。特征：存在很大温度梯度

、不同的金属材料焊接后热影响区组织不一定相同；脆化：焊接接头塑性，韧性下降的现象。软化：出现强化效果损失的现象3）焊接应力及裂纹①产生原因：焊接过程中大的过冷度△T、加热及冷却及相变的非同时性→产生内应力→室温为残余应力→变形与开裂。②类型：热裂纹、冷裂纹③对性能影响：强度↓，冲击韧性↓。④消除方法：焊前预热、焊后退火三、冷塑性变形对金属组织与性能的影响

△冷塑性变形：金属在室温或较低温度下发生的永久变形。

举例：反复弯折一根铜丝，其性能的变化。

△目的：得到所需的形状或尺寸（如冷拉，冷轧等），提高强度和硬度（加工硬化）。

△晶体结构不同，塑变能力不同，面心立方＞体心立方＞密排六方1.冷塑性变形时组织：

1）形成纤维状组织（见课件图3-11）。

2）亚结构细化：晶粒碎化、内部亚结构细化

、晶体缺陷密度增加。（见课件图3-13）

3）择优取向：位向各不相同的晶粒会转到接近一致的位向。（课件图3-12）2.冷塑性变形后金属性能的变化

1）加工硬化：随变形程度增加，强度，硬度上升，塑性，韧性下降的现象。

产生原因：随变形量↑→位错密度↑→位错在运动中相遇、缠结→位错运动阻力↑→变形抗力↑→强度、硬度↑

作用：a.难以继续变形，需退火软化

b.强化手段之一。（如形变铝合金）

c.抵抗局部过载

d.许多冷成型加工的保证。（如冷拉、冷轧）思考题：实际生产中常采用何种加工方法来提高钢丝的强度？2）产生残余应产生原因：各部分及各晶粒之间变形不均匀和晶格畸变所产生的。

对性能的影响：

使工件在使用过程中发生变形或产生裂纹、降低承载能力、降低耐蚀性等

3）产生各相异性：由于出现择优取向，使金属在各方向上的性能不相同。

例1：力学性能：变形方向强度高，垂直于变形方向强度低。

例2：磁性材料：沿着磁化方向变形，可增加导磁率等。3.冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化冷塑性变形后金属处于上述组织结构的种种不稳定状态，加热或温度升高后会向稳定状态转变。一般经历三个阶段。（见课件图3-15）

1）回复：温度不高时,原子短程扩散回到平衡位置，晶体缺陷减小，晶格畸变基本消除，残余应力基本消除，理化性能恢复。

2.再结晶组织变化：破碎及纤维状晶粒变成无畸变等轴晶性能变化：加工硬化消除；组织与力学性能完全恢复。

3.晶粒长大

再结晶后继续升温，晶粒长大、粗化（粗等轴晶），性能变坏。4．影响再结晶后晶粒度的因素

（1）加热T↑→晶粒越粗大、保温时间↑→晶粒越粗大

（2）变形程度（见P47图3.7）思考题：能否用冷拔钢丝吊运温度为1100℃的破碎机额板？四、热塑性变形中材料的组织及性能变化1.金属的热加工及冷加工冷热加工以再结晶温度为界，例1：Fe的T再≈600℃，<600℃，冷加工；>600℃,热加工。

例2：W的T再≈1200℃，1000℃左右仍属冷加工。2.冷热加工的优缺点

冷加工：无氧化，可提高强硬度，但变形量较小；

热加工：易变形，可获得大变形量；（优点）3.适用范围冷加工：截面较小，尺寸及表面质量要求高的易变形材料或需加工硬化的零件；热加工：截面大、变形度大或难变形的毛坯加工；3.热变形对金属组织及性能的影响1）改善铸态组织及性能

a.使铸态晶粒细化；

b.焊合铸锭中的气孔、缩松、缩孔等孔洞，提高致密度；c.减弱或消除铸锭中的成分不均匀。2）形成热加工纤维组织（流线）（见课件图3-18）a.流线思考题：对于承受切应力或冲击力的零件，采用哪种加工方法加工？b.出现各向异性（见课件表3-1）3）形成带状组织a.带状组织是一种缺陷，如亚共析钢中，F和P呈带状分布，过共析钢中，K呈带状分布，使力学性能呈各向异性，横向塑韧性降低。b.消除方法：轻微的带状组织可用多次正火火高温扩散退火加以改善。单元小结：1）金属结晶过程中存在过冷现象，过冷度是金属结晶的必要条件2）铸锭中存在三个晶区，并存在各种缺陷3）由于焊接的特点，使焊接接头存在熔化区、溶合区和热影响区，并存在各种缺陷4）金属在冷塑性变形后组织和性能发生改变，在随后的加热中会经历回复、再结晶和晶粒长大三个阶段5）热塑性变形中材料的组织和性能发生改变课后习题：教材50页3.3、3.4、3.7、3.10课后预习内容：钢的热处理及表面改性教材51～78页每节课首先对前一节的重点内容进行复习，利用副板简要书写。教材37～40页30分钟见课件图15分钟见课件图教材41～45页35分钟25分钟20分钟教材45～47页30分钟30分钟30分钟10分钟授课题目改善材料性能的热处理、合金化及改性授课形式多媒体授课时间授课学时7学时教学要求与目的了解钢铁热处理的实质、分类和应用；了解淬火和回火，表面淬火和化学热处理的结构和组织变化规律，以及强化机理。熟悉钢在加热和冷却时的转变条件、规律和结果。熟悉淬火和回火的热处理工艺，组织转变规律、性能变化规律。掌握淬火、回火和表面热处理工艺方法、性能特征和应用。掌握转变产物名称、代号、结构、性能和应用。基本内容金属材料在加热冷却时的主要变化；金属材料的预先热处理与最终热处理；材料表面改性；钢的合金化。重点难点重点：常用金属材料的热处理工艺难点：金属材料在加热冷却时内部组织结构的变化。转变产物名称、代号、结构、性能和应用主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展1.真空加压气淬：真空加压气淬具有工件表面光洁、无需清洗、避免环境污染等很多优点，是近年来真空热处理重要和迅速发展领域。2.真空磁场热处理：磁场热处理可以提高磁性材料的电磁性能，也可以提高结构材料的力学性能。3.目前热处理发展的方向：少无污染、少无质量分散和畸变、少无浪费、少无氧化脱碳、少无废品、少无人工主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）第109～150课后体会与反思1.金属在加热、冷却过程中的组织变化，名词太多，虽然内容较熟，但教学效果并不好。2.对钢的连续转变曲线的意义把握不好。3.实践经验少，与工程实际联系不好。教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：金属材料在加热和冷却过程中内部组织结构将发生各种类型的改变，因而其性能也将发生大幅度变化。极大部分零件为了达到使用要求都必须经过热处理。钢材热处理工艺的制定要根据铁碳合金相图的相变临界点。一般零件的表面很容易受到各种类型的损伤，为提高零件的表面质量，须对表面进行特殊的强化或防护处理。对于一些重要场合或特殊环境对零件性能的要求较高，而碳素钢的综合性能不能满足要求，因此要对钢进行合金化，以提高其综合性能。主要内容：一、金属材料在加热及冷却过程中的主要变化复习：铁碳合金相图，不同成分钢的室温组织，共析反应，F与A含碳量的比较1.钢材在加热是奥氏体的形成A形成过程（以共析钢为例）：A晶核的形成、A晶核的长大、残留Fe3C的溶解、A成分的均匀化A化的临界点：超过平衡临界点2.A冷却时的内部组织变化（1）共析碳钢过冷A等温冷却转变曲线1）高温转变区（P区）：普通P、S、T讨论题：高温转变区的三种组织的相同点和不同点2）中温转变区（B区）：B上、B下3）低温转变区（M区）：板条状、针状马氏体强化又叫相变强化，实为固溶强化、细晶强化、位错强化的综合结果（2）C曲线的类型非共析钢：A的稳定性降低，多一条F或Fe3C先析出线加入合金元素：A的稳定性提高，改变C曲线的形状钢的联系冷却曲线：CCT曲线(3)钢硬化后的回火转变低温回火：回火马氏体中温回火：回火屈氏体高温回火：回火索氏体特别注意：添加合金元素后，各个回火阶段会移向更高的温度。(4)有色金属材料的固溶及时效处理有色金属通常用形变强化和合金化方法来强化。合金化后的有色金属可通过固溶处理与时效处理进一步提高强度。热处理的三个步骤：固溶处理、急冷、时效典型应用：飞机结构的铆接讨论题：时效硬化的金属能否在高温下使用？二、预先热处理1.预先热处理的目的与常用工艺（1）目的：主要是改善毛坯或半成品的加工性能，也可为最终热处理做组织准备。常用工艺：退火、正火、调质（2）退火根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。（3）正火：可作为预先热处理，也可作为最终热处理，改善切削加工性能（4）调质：淬火+高温回火，提高材料的强韧性2.预先热处理的作用改善或消除各种热加工的不良组织为最终热处理作良好的组织准备改善材料的冷塑性及切削加工性能消除材料的加工应力三、最终热处理1.钢的淬火（1）淬火原则：淬硬、淬透、保证质量的前提下尽量缓慢冷却。概念：淬硬性、淬透性（2）淬火工艺加热工艺：亚共析钢要加热到Ac3以上30～50℃完全奥氏体化，共析钢和过共析钢要加热到Ac1以上30～50℃部分奥氏体化；保温时间多数取0.5～1mim/mm.冷却工艺：碳钢多数用水冷，合金钢多数用油冷。冷却方式可采用单介质淬火、双介质淬火、分级淬火等。2.钢的回火回火是钢淬火后必不可少的后续工序思考题：为什么钢材淬火后必须回火？低温回火：150～250℃回火中温回火：350～500℃回火高温回火：500～650℃回火四、工程材料的表面改性1.表面淬火表面热处理的类型，处理工艺对组织和性能的影响。感应加热、火焰加热和激光加热淬火工艺，以及应用。2.化学表面热处理钢的渗碳，钢的渗氮工艺，性能特点，强化机理以及应用。3.表面形变强化4.表面涂覆层（1）金属沉积覆层法（2）非金属覆层法五、钢的合金化合金化也是改善和提高钢铁材料性能的主要途径之一。1.常用的合金元素及作用钢中常用的合金元素有锰、硅、铬、镍、钨、钼、钒、钛、硼等。（1）形成固溶体，产生固溶强化（2）形成碳化物，进一步提高弥散强化效果（第二相强化）（3）溶入奥氏体，提高钢的淬透性（4）提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性（5）细化晶粒，产生细晶强韧化2.钢中常存元素与杂质Si、Mn是钢中有益的常存元素硫、磷均为钢中的有害元素，应严格控制其含量。钢中的氮、氧、氢均对钢钢的性能产生不利影响，应严格控制其含量。思考题：硫、磷对钢有什么有害影响？单元小结：1）钢在加热过程中完成了A化2）钢在冷却过程中由于转变温度的不同，得到不同的组织，使其性能有所不同3）钢的普通热处理工艺分为退火、正火、淬火和回火4）表面改性主要有表面淬火热处理和化学表面热处理5）为使碳素钢提高综合力学性能，加入合金元素课后习题：教材78页4.3、4.5、4.7、4.8、4.9、1.14课后预习内容：常用金属材料及性能教材79～112页每节课首先对前一节的重点内容进行复习，利用副板简要书写。教材51～78页45分钟35分钟见课件图25分钟见课件图20分钟15分钟30分钟15分钟15分钟30分钟15分钟30分钟30分钟10分钟授课题目常用金属材料及性能授课形式多媒体授课时间授课学时6学时教学要求与目的了解钢的分类方法掌握常用钢材的牌号；熟悉常用结构钢的力学性能；了解其他常用金属材料的性能及用途。基本内容钢的分类及牌号结构钢的分类、牌号和应用滚动轴承钢、工具钢和特殊性能钢铸铁的分类、牌号和应用有色金属及其合金重点难点重点：钢的分类和牌号结构钢的种类和应用铸铁的种类、牌号和应用难点：金属材料的牌号主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展1.超级钢的研发，其晶粒直径仅有1微米，为一般钢铁的1／10～1／20，因此组织细密，强度高，韧性也大，而且即使不添加镍、铜等元素也能够保持很高的强度。2.抗严寒新型钢材，其组织为拉长超细晶粒结构的改良材料，与一种技术相结合后能防止断裂。研究人员报告称，随着气温下降，这种材料的强度和耐用性都会增强。主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）11～29页、76～99页课后体会与反思对于工业用钢，虽然掌握了各类钢的牌号编写方法及牌号中各字母、数字的意义，但不能自如的讲解，主要对各类钢的性能、用途等内容的熟悉程度不够。教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：金属材料种类繁多，尤其是钢铁材料，要有统一的编号方法有利于材料的选用。我国钢的编号积极推行国际标准并注重实用，采用元素符号、汉语拼音和阿拉伯数字相结合的表示方法，掌握了各类钢的编号就可了解钢的类型、化学成分、性能特点和主要用途，对设计、选材提供了极大的便利。主要内容：一、工业用钢分类与牌号1.钢的分类钢的种类繁多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。1）按化学成分分类。碳钢、合金钢两大类。碳钢：低碳钢（Wc＜0.25%）、中碳钢（Wc=0.25%～0.60%）和高碳钢（Wc>0.6%）合金钢：按钢中含合金元素总量（Me%）分为低合金钢（Me<5%）、中合金钢（Me=5～10%）和高合金钢（Me>10%）。2）按冶金质量分类。按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：普通钢：S%≤0.055%，P%≤0.045%优质钢：S%、P%≤0.040%高级优质钢：S%≤0.030%，P%≤0.035%此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。3）按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。4）按成形方法分类。锻钢、铸钢、热轧钢、冷轧钢等。5）按用途分类。按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。2.我国主要钢号表示方法说明教材第82页讨论题：结构钢和工具钢的编号有哪些不同和相同的地方？二、结构钢碳素结构钢低合金高强度钢优质碳素结构钢合金结构钢：合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢其他结构钢：易切削结构钢、铸钢、超高强度钢、非调质钢、冷冲压用钢、低温钢三、滚动轴承钢、工具钢和特殊性能钢1.滚动轴承钢主加元素为铬种类主要由高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢2.工具钢1）刃具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、2）模具钢：冷作模具钢、热作模具钢和成形模具钢等3）量具钢：多为高碳钢和高碳合金钢4）不锈钢和耐热钢不锈钢：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢耐热钢：多为中碳合金钢、低碳合金钢按使用特性分：抗氧化钢和热强钢按组织不同分为铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢四、铸铁1.铸铁的主要类型：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁讨论题：可锻铸铁能锻造吗？2.各类铸铁的特点及牌号3.铸铁的热处理特点五、有色金属及其合金1.铝及铝合金1）工业纯铝特点及牌号2）铝合金：变形铝合金：防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、铝锂合金铸造铝合金：铝硅系、铝镁系、铝锌系3）铝合金的热处理：退火、淬火（固溶）与时效2.铜及铜合金1）工业纯铜特点及牌号2）铜合金：黄铜：普通黄铜、特殊黄铜青铜：锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜等3）铝合金的热处理：退火、淬火（固溶）与时效3.其他有色金属材料1）钛及钛合金2）镁及镁合金3）锌及锌合金单元小结：1）钢最常用的分类方法很多，按使用性能分为结构钢、工具钢、特殊性能钢等2）各种钢的牌号、性能和应用3）铸铁的种类及牌号课后习题：教材112页5.1、5.2、5.5、课后预习内容：工程设计、制造与材料选择教材131～148页教材79～82页25分钟35分钟45分钟15分钟35分钟35分钟35分钟35分钟10分钟授课题目工程设计、制造与材料选择授课形式多媒体授课时间授课学时4学时教学要求与目的了解零件的失效形式与提高材料性能的途径熟悉零件设计中的材料选择；掌握零件选材的一般原则和方法。熟悉热处理方案的选择。熟悉零件的热处理结构工艺性基本内容零件的失效形式与提高材料性能的途径零件选材的一般原则和方法典型零件的选材及应用实例热处理方案的选择及热处理结构工艺性。重点难点重点：零件的失效形式与提高材料性能的途径零件选材的一般原则和方法难点：零件的失效形式与提高材料性能的途径主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）第八章304～326页课后体会与反思教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：一台机械设备总是由一些零（部）件所组成，每个机械零件都有它自己一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。任何零（部）件使用一段时间后都要损伤或损坏，当零件彻底破坏、使用不安全或使用时达不到预定的作用就认为零件已经失效，对机器零件或部件进行失效分析的目的就是要找出零件破坏的原因，并且提出相应的改进措施。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工及使用都具有很大的指导意义。主要内容：一、零件的失效与失效类型任何零件或部件使用一段时间后都要损伤或损坏，其损伤的程度有三种情况：①零件彻底破坏，不能再使用；如轴断裂。②严重损伤继续使用不安全；如有裂纹产生、表面磨损。③虽然还能安全工作，但已达不到预定的作用。1.机械零件失效的方式零件失效的形式多种多样，按零件的工作条件及失效的宏观表现与规律可分为：变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。二、机械零件失效的原因1.设计原因2.材料方面的原因3.加工方面原因4.安装使用与失效二、选材的一般原则1.材料的使用性能——选材的最主要依据指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。2.材料的工艺性能材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能3.材料的经济性能每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。思考题：在选材三原则中，应优先考虑什么原则？三、热处理在零件加工工艺路线中的位置及热处理方案的选择1.热处理在工艺路线中的位置最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。2.热处理在工艺路线中的位置教材第138页表7.23.钢铁普通热处理方案的选择教材第139页表7.33.钢铁表面热处理方案的选择教材第140页表7.44有色金属热处理方案的选择1）铝合金常用工艺：均匀化退火、再结晶退火或去应力退火、固溶、时效处理2）铜合金常用工艺：再结晶退火、去应力退火5.零件热处理技术要求的标注多以硬度（HRC、HBS）作为力学性能的技术要求。要给出合适的硬度要求范围：△HRC≈3～5个单位，△HBS≈30～50个单位。通常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型硬度要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致表面热处理的硬化层要求四、变形开裂与热处理结构工艺性1.减少零件热处理变形和防止开裂的方法选材、预留加工余量、按变形规律调整切削加工尺寸、合理安排工艺路线、降低零件表面粗糙度、合理的锻造和热处理、修改技术条件、采用先进设备2.热处理结构工艺性①避免尖角；避免厚薄悬殊②采用封闭和对称结构；采用组合结构。③合理布置孔洞位置；设置工艺孔。④采用局部淬火或整体淬火。思考题：单元小结：1）零件失效是机械零件丧失规定功能饿现象，失效的形式主要由过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效；2）零件设计不当、选材错误、加工中存在缺陷时会导致零件失效；3）零件选材须遵循使用性能、工艺性能和经济性能原则；4）为使零件的热处理工艺性良好，除材料保证外，还应考虑其结构性。课后习题：教材148页7.1、7.2、7.7、7.8课后预习内容：常用机器零件选材教材149～162页教材131～148页35分钟25分钟35分钟10分钟20分钟45分钟10分钟

授课题目常用机器零件选材授课形式多媒体授课时间授课学时4学时教学要求与目的掌握轴类零件的选材；掌握齿轮类零件的选材；熟悉弹簧及箱体类零件的选材基本内容轴类零件的选材；齿轮类零件的选材；弹簧及箱体类零件的选材重点难点重点：轴类零件的选材；齿轮类零件的选材主要教学媒体多媒体课件有关本内容的新进展1.齿轮加工新工艺:G-TRAC轨道式切齿机、双刀盘高效切齿法、圆柱齿轮外齿拉削法、多刀头插齿法热后硬齿面精加工等加工工艺主要参考资料或相关网站《工程材料》朱张校清华大学出版社（第三版）325～346页课后体会与反思教学过程如何与前面所学知识的衔接、讲解哪些内容、采用的方法、提出哪些启发性问题、板书的设计、教具的应用、归纳总结、课后作业（思考题）、各个教学步骤的时间安排等（可续页）时间分配和多媒体选择等备注本章背景：工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。在零件设计时，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定。正确选材是机械设计的一项重要任务，它必须使选用的材料保证零件在使用过