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教学文本

第一章 金属的结构与结晶教案

时间:2019-04-15 18:50:55   作者:第一文本库   来源:第一文本库   阅读:833   评论:0
内容摘要:第一章 金属的结构与结晶 §1-1 金属的晶体结构一教学内容金属的晶体结构、常见的晶格类型、晶体缺陷二教学要求熟悉金属的晶体结构,了解晶体的结构缺陷三教学重点 熟悉金属的晶体结构,了解晶体的结构缺陷是学习和掌握金属力学性能特点及变化的前提。四教学难点晶体缺陷的理解五教具准备多媒体......

 

 

第一章    金属的结构与结晶

§11  金属的晶体结构

教学内容

金属的晶体结构、 常见的晶格类型、晶体缺陷

教学要求

熟悉金属的晶体结构,了解晶体的结构缺陷

教学重点

熟悉金属的晶体结构,了解晶体的结构缺陷是学习和掌握金属力学性能特点及变化的前提。

教学难点

晶体缺陷的理解

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

§11  金属的晶体结构

表面上看来,天然水晶与普通玻璃均晶莹剔透,外观十分相似。但事实上两者却是截然不同的物质。水晶与玻璃的本质区别是两者的内部结构不同。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

天然水晶和普通玻璃

a) 天然水晶 b) 普通玻璃

 

第一章____金属的结构与结晶教案

 

 

基本概念:

一、晶体与非晶体

晶体:表示的是原子呈有序和有规则排列的物质。(各向异性)

非晶体:表示是原子呈无序的杂乱无章的排列形式的物质。(各向同性)

晶体和非晶体的对比

项目

晶体

非晶体

定义

原子呈有序、有规则排列的物质

原子呈无序、无规则堆积的物质

性能特点

具有规则的几何形状

有一定的熔点,性能呈各向异性

没有规则的几何形状

有固定的熔点,性能呈各向同性

典型物质

石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精

玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶

二、晶体的结构的概念基本概念:

1、晶格:表示原子在晶体中排列的有规律的空间格架。

2、晶胞:能够完整地反映晶格特征的最小几何单元。

3、晶面:金属晶体中通过原子中心的平面。

4、晶向:通过原子中心的直线,可代表晶格空间的一定方向。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、金属晶格的类型

1、体心立方晶格(9个原子)

2、面心立方晶格(14个原子)

3、密排六方晶格(17个原子)

四、单晶体与多晶体

晶粒——组成金属的小晶体。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

单晶体——晶体内部原子的排列位向是完全一致的晶体。

多晶体——由许多晶粒组成的晶体。

单晶体表现出各向异性,多晶体显示出各向同性,也称“伪无向性”。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

五、金属的晶体结构的缺陷

晶体缺陷——由于各种原因,实际晶体中原子的规律排列受到干扰和破坏,使晶体中的某些原子偏离正常位置,造成原子排列的不完全性。

第一章____金属的结构与结晶教案   无论是空位、间隙原子还是置代原子,在其周围都会使晶格产生变形,这种现象

称为晶格畸变。

   上述三种晶体缺陷造成的晶格畸变区仅限于缺陷原子周围的较小区域,故统称

为点缺陷。

 

 

2.线缺陷——位错

位错的特点之一是很容易在晶体中移动,金属材料的塑性变形就是通过位错的运动来实现的。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.面缺陷——晶界和亚晶界

晶界——晶粒与晶粒之间的分界面。亚晶界——每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。

第一章____金属的结构与结晶教案 

第一章____金属的结构与结晶教案

 

 分钟

课后小结

基本概念:

一、晶体与非晶体

二、晶体的结构的概念

三、金属晶格的类型

四、金属的晶体结构的缺陷

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

第一章    金属的结构与结晶

§1-2  纯金属的结晶

教学内容

纯金属的结晶过程、同素异构转变

教学要求

了解纯金属的结晶过程;掌握晶粒大小对金属材料性能的影响;掌握纯金属同素异构转变的概念。

教学重点

掌握纯金属的结晶过程可为铁碳合金相图的理解打好基础,铁的同素异构转变特性是钢能够通过热处理改变组织和性能的根本原因。

教学难点

纯金属的结晶过程和纯铁的冷却曲线

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

§1-2  纯金属的结晶

从市场上买到的金属材料一般都是固体状态的。但在冶炼的过程中,却存在一个由液态向固态转变的过程,即金属的结晶过程。了解纯金属的结晶过程,有助于了解铁碳合金的结晶过程,它们都有一定的变化规律,这些规律与金属材料的性能有着密切的关系。

结晶——金属从高温液体状态冷却凝固为原子有序排列的固体状态的过程。

结晶潜热——结晶的过程中放出的热量。 

生铁的生产是以铁矿石为原料,首先利用炼铁设备冶炼成液体状态的生铁,然后再将其转变成固体状态;而钢的生产是以生铁为原料,在炼钢炉内继续冶炼,首先得到液体状态的钢,然后再将其浇铸成固体状态的钢锭或钢坯。

   金属由液体转变成固体的过程,实际上是一个金属晶体形成的过程,称之为“结晶”。

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

结晶液体 --> 晶体

凝固: 液体 --> 固体(晶体 或 非晶体)

第一章____金属的结构与结晶教案通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。

一、纯金属的结晶过程

1、过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度(T1)之间存在的温度差(△T= T0- T1)。金属结晶时,冷却越快,其实际结晶的温度就越低,过冷度△T也就越大。

第一章____金属的结构与结晶教案冷却曲线:冷却时,液体温度随时间延长而降低反映时间与温度关系的图形。

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

纯金属的结晶条件:纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案冷却速度越大,则过冷度越大。

2. 纯金属的结晶过程

金属结晶的微观过程--结晶过程是形核和长大的过程

第一章____金属的结构与结晶教案晶粒愈细,强度、硬度愈高,塑性、韧性也愈好。

    形核率——单位时间、单位体积所形成的晶核数,用字母N表示。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

形核率N 、长大速度G  过冷度DT 的关系

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

细化晶粒的方法:

(1)增加过冷度 

(2)变质处理 

在液体金属中加入变质剂(孕育剂),以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

变质剂的作用:作为非自发形核的核心,或阻碍晶粒长大。

(3)振动处理 

——机械振动、超声振动,或电磁搅拌等。

振动的作用:使树枝晶破碎,晶核数增加,晶粒细化。

三、同素异构转变

金属的同素异构转变——在固态下,金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 由此产生的不同晶格的晶体称为同素异构晶体。

大多数金属在结晶终了之后及继续冷却的过程中,其晶体结构不再发生变化,但也有一些金属(如铁、钴、钛等)在结晶之后继续冷却时,还会出现晶体结构变化,从一种晶格转变为另一种晶格。

同素异构转变——金属在固态下随温度的改变由一种转变为另一种晶格的现象。

以不同晶格形式存在的同一种金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

特点

1、金属的同素异构转变是一个重结晶过程,有恒定的转变温度;转变时需要一定的过冷度;释放结晶潜热;转变过程(晶核的形成和长大过程)

2、转变时,晶核优先在原晶粒晶界中产生,大小会影响新晶粒大小,原晶粒越细,转变后可得到更细小的晶粒

 

 

 

 

 

3、比液体的结晶具有更大过冷度。因为在固态下原子的扩散比在液态下困难,转变容易滞后。

4、易发生较大内应力。由于在转变时晶格的体积会发生变化的缘故。如γ一Fe转变为а一Fe时,体积膨胀约1%。

 

 分钟

课后小结

一、纯金属的结晶过程

二、晶粒大小对金属材料性能的影响

三、同素异构转变

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章    金属材料的性能

§21  金属材料的损坏与塑性变形

教学内容

与变形相关的概念、金属的变形、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

教学要求

了解机械零件失效的形式,了解金属塑性变形的基本原理及冷塑性变形对金属性能的影响。

教学重点

本章的重点为力学性能的概念及衡量指标

教学难点

对拉伸曲线各阶段的分析

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

§2-1  金属材料的损坏与塑性变形

学习引导:

      生活中许多物品根据用途的不同,采用不同的材料制成。有些是用金属材料制成,有些则是由非金属材料制成。你知道这些物品是用什么材料制成的吗?

如:炒锅、水杯、钥匙、椅子、水龙头、工艺品

生产生活中常见到一些机械零件因受力过大被破坏,而失去工作能力。如:拧断的钥匙、弯曲的自行车辐条、  扣的螺栓等。总结机械零件常见损坏形式

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

主要原因:材料的实际使用性能达不到工作要求。

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

性能

 

 

 

 

 

 

 

 

一、与变形相关的几个概念

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

塑性变形也有有益的一面,可以作为零件成形和强化的重要手段。工业上使用的许多金属产品一般都是先浇注成铸锭后,再经过压力加工制成的。压力加工的目的不仅使产品成形,更重要的是改善其组织和性能。

1.载荷

载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的外力。

根据载荷作用性质的不同分:

(1)静载荷———大小不变或变化过程缓慢的载荷。

    (2)冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

    (3)交变载荷——大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。

力——物体之间的相互作用,是使物体发生加速度和发生形变的外因。物体受力后→变形(材料学是从微观角度来研究物体受外力后发生变形甚至破坏的规律)

 

 

 

 

工程技术中将外力称为载荷。

根据载荷的作用形式不同,又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。

工件在不同载荷形式下产生的变形

第一章____金属的结构与结晶教案内力——工件或材料在受到外部载荷作用时,为保持其不变形,在材料内部产生的一种与外力相对抗的力。

任何一种材料,在未受到外力作用时,内部原子之间都有平衡的相互作用的原子力,以保持其固定的形状。当受到外力作用时,原来的平衡被破坏,其中任何一个小单元都和邻近的各小单元之间产生了新的力(内力)

强调:内力是在外力作用下,材料内部产生的那部分相互作用力。

内力的特点:

1、外力增加时,内力也增加,数值大小与外力相 等,当内力达到极限值时,外力再增加,材料将被破坏。

2、内力的作用形式随外力作用方式而变化。 如材料在某一方向受外力为拉力时,则材料内部每一层间也互相产生拉力;若外力为压力内力也为压力。

3.应力

同样材料、不同直径的螺栓在相同拉力作用下,细的可能拉断,粗的则可能没有拉断。因此,金属材料的力学性能只凭外力的大小是无法判定的。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

单位:千帕(KPa)=1Χ103Pa

      1兆帕(MPa)=1Χ106Pa

第一章____金属的结构与结晶教案

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

注:应力可表示不同材料的承载能力,也可以表示在现有外力作用下材料内部单位面积的受力。

二、金属的变形

第一章____金属的结构与结晶教案               

例:铁丝弯曲试验

    随着力的增加,材料受力后发生变形到破坏的顺序:

    弹性变形(可逆的、变形量小)→弹塑性变形(变形量较大,多数变形是不可逆的,是压力加工的基础 )→断裂(材料最严重的失效形式)

 

金属塑性变形的影响因素:

1、晶粒位向的影响

多晶体与单晶体比较,无本质区别,即每个晶粒的塑性变形仍以滑移为主,

但又受到晶界、晶粒位向、晶粒大小的影响。

多晶体中各个晶粒位向不同,在外力的作用下,当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时,必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束,使滑移的阻力增加,从而提高了塑性变形的抗力。同时,多晶体各晶粒在塑变时受到周围位向不同的晶粒与晶界的影响,使多晶体的塑变呈逐步扩展和不均匀的形式,产生内应力。

2.晶界的作用

 晶界处原子排列比较紊乱,阻碍位错的移动,因而阻碍了滑移。晶界越多,则晶体的塑变抗力越大。

3.晶粒大小的影响

在一定体积的晶体内,晶粒数目越多,晶界就越多,晶粒就越细,且不同位向的晶粒也越多,因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高,且塑性和韧性也较好,故生产中总是尽可能细化晶粒。

三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

形变强化(加工硬化)——冷塑性变形除了使晶粒的外形发生变化外,还会使晶粒内部的位错密度增加,晶格畸变加剧,从而使金属随着变形量的增加,使其强度、硬度提高,而塑性、韧性下降。

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高,而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。  

 

  

 

第一章____金属的结构与结晶教案

冷塑性变形与热塑性变形后的金属如何区别: 

冷塑形变化后晶粒沿变形方向拉长,性能趋于各向异性;晶粒破碎位错密度增加产生加工硬化 ,产生残余内应力。 

热塑形如果加工的温度过高,晶粒粗大;若温度过低,引起加工硬化、残余内应力等;形成带状组织使性能变坏。 

金属的塑性变形,在外形变化的同时,晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形方向压扁或拉长。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

形变强化应用中的优缺点:

优点

1、是一种重要的金属强化手段,对那些不能用热处理强化的金属尤为重要。

2、可使金属具有偶然抗超载的能力。塑性较好的金属材料在发生变形后,由于形变强化的作用,必须承受更大的外部载荷才会发生破坏,这在这一定程度上提高了金属构件在使用中的安全性。

缺点:也会给金属的切削加工或进一步的变形加工带来困难。为了改善发生加工硬化金属的加工条件,生产中必须进行中间热处理,以消除加工硬化带来的不利影响。

 

 分钟

课后小结

一、与变形相关的几个概念

二、金属的变形

三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

第二章    金属材料的性能

§2-2  金属的力学性能

教学内容

各项力学性能指标,拉伸试验方法

教学要求

掌握金属的力学性能,包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等的概念及各项力学性能的衡量指标;熟悉布氏硬度、维氏硬度的测量方法。

教学重点

本章的重点为力学性能的概念及衡量指标

教学难点

对拉伸曲线各阶段的分析

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

§2-2  金属的力学性能

任何机械零件或工具,在使用过程中,往往要受到各种形式外力的作用,这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力,这种能力就是材料的力学性能。

学习引导:

古代弓箭都以富有弹性的木材或竹子制作弓体,当拉弦力量太大时,弓会折断,为什么?

    如采用金属制作,是不是任何金属都可以呢?

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境(温度、介质)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征。 主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

 

 

材料的其他性能

物理性能:密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等;

化学性能:耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等;

工艺性能:铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。  

一、强度

1、强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。其大小用应力表示。 根据载荷的作用方式不同,可分为

抗拉强度——拉伸实验测定、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度、抗弯强度 

2、强度指标

     常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度。都是通过拉伸试验测定的。利用拉伸试验机产生的静拉力,对标准试样进行轴向拉伸,同时连续测量变化的载荷及对应的试样伸长量,直至断裂,并根据测得的数据计算出有关的力学性能指标。

注:不同的材料,其抵抗能力不同,强度越高,抵抗能力

        就越强,越不容易被破坏,即承载能力越好。

3、强度的测定

为了使试验结果具有公认性,做拉伸试验时必须采用标准的拉伸试样。

强度应用:是机械零件(或工程构件)在设计、加工、使用过程中的主要性能指标,特别是选材和设计的主要依据。

(1)拉伸试样 

第一章____金属的结构与结晶教案 

d——试样直径

Lo——标距长度

 

 

试样的标距

拉伸试验过中以测量试样伸长的两标记之间的长度,称为标距。

试样的分类

长试样(L0 =10d0) ,100mm和200mm用

短试样(L0 =5d0) ,50mm和80mm

(2) 力-伸长曲线 

依据拉伸试验中拉力F与伸长量ΔL之间的关系,在直角坐标系中绘出的曲线称为力——伸长曲线。拉伸过程分为

弹性变形阶段、 屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段

弹性变形阶段(Oe段)卸除载荷,立即恢复原状。

屈服阶段(es-ss′段)卸除载荷,部分变形恢复,还有一部分不能恢复。

强化阶段(sb段)随着塑性变形的增大,材料的变形抗力增加.

缩颈阶段(bk段)载荷最大时,发生局部收缩。

 

 

 

 

 

 

(3).强度指标 

1)屈服强度——当金属材料出现屈服现象时,在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外,大多数金属材料(如高碳钢、铜合金、铝合金等),没有明显的屈服现象。因此,这些材料规定用产生0.2%残余伸长时的应力作用屈服强度,可以替代ReL。

规定产生0.2%残余伸长时的应力为条件屈服强度Rp0.2,替代ReL,称为条件(名义)屈服强度。 

塑性材料:在外力作用下,虽然产生较显著变形而不被破坏的材料

脆性材料:在外力作用下,发生微小变形即被破坏的材料,屈服强度表示材料将发生破坏。  

屈服强度  是塑性材料选材和评定的依据。

2).抗拉强度Rm 

抗拉强度——材料在断裂前所能承受的最大的应力。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。

物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力

抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。

屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比。

屈强比小,工程构件的可靠性高,说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形,也不至于立即断裂。但若屈强比过小,则材料强度的有效利用率太低。

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

二、塑性

塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。在外力作用下的金属材料在断裂前产生不可逆的永久变形的能力

材料的塑性指标通常用断后伸长率和断面收缩率来表征。

1.断后伸长率A 

试样拉断后,标距的伸长量与原始标距之比的百分率。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

2.断面收缩率Z 

试样拉断后,缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率。 

 

【例】有一直径 d =10mm,Lo=100mm 的低碳钢试样,拉身实验时测得FeL=21kN,Fm=29kN,du=5.65mm,Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。 

 

三、硬度

    硬度——材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。 

第一章____金属的结构与结晶教案1.布氏硬度 

布氏硬度原理

布氏硬度值——用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示,单位为MPa,但一般均不标出,用符号HBW表示:

第一章____金属的结构与结晶教案 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

表示方法:

布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10~15s时可不标。 

例:

170HBW10/1000/30:

        直径10mm的压头,在9807N(1000kg)的试验力作用下,保持30 s时测得的布氏硬度值为170。

600HBW1/30/20:

        直径为1mm压头,在294.2N(30kg)的实验力作用下,保持20 s时测得的布氏硬度值为600。 

应用范围:

主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。 

 

2.洛氏硬度 

洛氏硬度原理:

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

表示方法: 

符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。

例:45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

四、冲击韧性

第一章____金属的结构与结晶教案用试样所吸收的能量K的大小来作为衡量材料韧性好坏的指标,称为冲击吸收能量。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示

 

 

*五、疲劳强度

由于所承受的载荷为交变载荷,零件承受的应力虽低于材料的屈服强度,但经过长时间的工作后,仍会产生裂纹或突然发生断裂。金属这样的断裂现象称为疲劳断裂。金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度。疲劳极限用符号R1表示。 

 

 

 分钟

课后小结

 

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章    金属材料的性能

§2-3  金属的工艺性能

教学内容

金属材料的一般加工过程,各项工艺性能指标

教学要求

掌握金属的工艺性能,包括铸造、锻压、焊接、切削加工和热处理等的概念;了解金属材料的一般加工过程。

教学重点

本章的重点为工艺性能的概念

教学难点

理解金属材料的一般加工过程

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§2-3  金属的工艺性能

 

金属材料的一般加工过程 

 

第一章____金属的结构与结晶教案金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。它包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能和焊接性能、热处理性能等。 

 

一、铸造性能

铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力,主要取决于金属的流动性、收缩性偏析倾向等。 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.流动性——熔融金属的流动能力。

2.收缩性——铸造合金由液态凝固和冷却至室温的过程中,体积和尺寸减小的现象。

3.偏析倾向——金属凝固后,内部化学成分和组织不均匀现象。

 

二、锻压性能

用锻压成形方法得优良锻件的难易程度。常用塑性变形抗力两个指标来综合衡量。 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

三、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性,也就是在一定焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。

对碳钢和低合金钢而言,焊接性能主要与其化学成分有关(其中碳的影响最大)。 

 

四、切削加工性能

切削加工性能——切削金属材料的难易程度。一般用工件切削时的切削速度、切削抗力的大小、断屑能力、刀具的耐用度以及加工后的表面粗糙度来衡量。 

表面加工硬化——切削塑性金属材料时,工件在加工表面层的硬度明显提高而塑性下降的现象。 

 

五、热处理性能 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 

 分钟

作业布置

章节练习:

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章    铁碳合金

§3-1  合金及其组织

教学内容

合金的基本概念,合金的组织

教学要求

掌握合金的基本概念,能够掌握合金各组织的区别

教学重点

本章的重点为合金的基本概念

教学难点

合金组织的区别

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

黑色金属——以铁及以铁碳为主的合金(钢铁)。

有色金属——其他金属及其合金。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§3-1  合金及其组织

一、合金的基本概念

合金——以一种金属为基础,加入其他金属或非金属,经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。

组元——组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元物质,简称元。 

相——合金中成分、结构及性能相同的组成部分。 

组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。换言之,数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的组织。  

 

二、合金的组织

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

1.固溶体

一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。 

间隙固溶体——溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体。

置换固溶体——溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.金属化合物

在合金中,当溶质含量超过固溶体的溶解度时,除可形成固溶体外,还将出现新的相,其晶体结构不同于任一组元,而是组元之间相互作用形成一种具有金属特性的物质。 

 

3.混合物

两种或两种以上的相按一定的质量百分数组成的物质。 

 

固溶强化——无论是间隙固溶体还是置换固溶体,在其形成过程中,都会使溶剂晶格发生畸变,从而使合金对变形的抗力增加。也即通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 

 分钟

作业布置

章节练习:

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章    铁碳合金

§3-2  铁碳合金的基本组织和性能

教学内容

铁碳合金的基本组织定义、符号和性能等

教学要求

掌握铁碳合金基本组织的定义,符号,晶体结构,能够结合晶体结构分析其性能特点。

教学重点

本章的重点为铁碳合金基本组织的定义

教学难点

铁碳合金基本组织的性能

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§3-2  铁碳合金的基本组织和性能

 

一、铁素体(F)

碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体,用符号 F 表示。 

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

二、奥氏体(A)

碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体,用符号A表示。 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

三、渗碳体(Fe3CCm

渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物,其化学式为Fe3C。 

四、珠光体(P)

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,用符号P表示。 

五、莱氏体(Ld

莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物,用符号Ld表示。 

低温莱氏体——室温下的莱氏体,由珠光体和渗碳体组成,用符号Ld表示。 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 

 分钟

作业布置

章节练习:

小结时提出若干个问题

 分钟

作业布置

章节练习:

强调按时交作业并严格记录。

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章    铁碳合金

§3-3  铁碳合金相图

教学内容

铁碳合金相图的组成,特性点、线的含义,铁碳合金相图的应用

教学要求

掌握铁碳合金相图的组成,明确特性点、线的含义,能说出相图的应用,掌握铁碳合金的分类。

教学重点

本章的重点为铁碳合金相图的组成,铁碳合金的分类

教学难点

铁碳合金相图的应用

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§3-3  铁碳合金相图

 

一、铁碳合金相图的组成

铁碳合金相图——表示在缓慢冷却(或缓慢加热)的条件下,不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。 

在铁碳合金中,铁和碳可以形成一系列的化合物,如Fe3C 、Fe2C 、FeC 等。

第一章____金属的结构与结晶教案 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织

 

 

三、铁碳合金的分类

纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合金。

钢——含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。

铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。 

 

四、典型铁碳合金结晶过程分析

1.共析钢

共析钢在室温时的组织是珠光体,合金的组织按下列顺序变化:

 

 

2.亚共析钢

亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成合金的组织按下列顺序变化: 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案室温下为珠光体和网状二次渗碳体组织。钢中含碳量越多,二次渗碳体也越多。 

4.白口铸铁

五、铁碳合金的成份、组织与性能的关系

含碳量越高,钢的强度、硬度越高,而塑性、韧性越低,这在钢经过热处理后表现尤为明显。 

六、Fe-Fe3C相图的应用

1.作为选材的依据 

2.在铸造生产中的应用

3.在锻造工艺上的应用

4.在热处理工艺上的应用

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 分钟

作业布置

 

 分钟

作业布置

 

教  学  后  记

 

 

 

 

第三章    铁碳合金

§3-4  碳素钢

教学内容

钢中常存元素及其对性能的影响,碳素钢分类,碳素钢牌号及用途

教学要求

掌握钢中常存元素的种类,及分别对钢性能有哪些影响,碳素钢主要有哪些分类方法,碳素钢牌号的意义和用途。

教学重点

本章的重点为碳素钢的分类

教学难点

碳素钢牌号及用途

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§3-4  碳素钢

碳素钢——简称碳钢,是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素,且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。 

一、钢中常存元素及其对性能的影响

锰——有益元素,有很好的脱氧能力,还可与硫形成MnS,从而消除了硫的有害作用。

硅——有益元素,脱氧能力比锰强,还能提高钢的强度及质量,硅作为杂质一般应不超过0.4%。

硫——有害元素,常以FeS形式存在,易使钢材变脆(热脆性)。

磷——有害元素,它使钢在低温时变脆(冷脆性)。

氢——有害元素,能造成氢脆、白点等缺陷。

二、碳素钢的分类

1.按钢的含碳量分

        低碳钢:C≤0.25%

        中碳钢: 0.25%<C <0.60%

        高碳钢:C ≥0.60%

2.按钢的质量分

        普通钢:S ≤0.050%,P≤ 0.045%

        优质钢:S ≤0.035%,P≤ 0.035%

        高级优质钢:S≤ 0.025%,P≤ 0.025%

3.按钢的用途分

  结构钢:含碳量一般均小于0.70%

  工具钢:含碳量一般均大于0.70%

4.按冶炼时脱氧程度的不同分

        沸腾钢:脱氧程度不完全的钢 

        镇静钢:脱氧程度完全的钢

        特殊镇静钢:比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢 

三、碳素钢牌号及用途

化学元素符号+汉语拼音字母+阿拉伯数字

1.(普通)碳素结构钢

1)前缀符号:Q(钢屈服强度“屈”,汉语拼音字首)+屈服强度值(单位MPa)。

2)质量等级符号:A、B、C、D级,从A到D依次提高。

3)(必要时)脱氧方法符号:F-沸腾钢、Z-镇静钢、TZ-特殊镇静钢,Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。

4)(必要时)在牌号尾加产品用途、特性和工艺方法表示符号。如压力容器用钢—R、锅炉用钢—G、桥梁用钢——Q 等。

2.优质碳素结构钢

牌号用两位数字表示,这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。

若为高级优质钢、特级优质钢时,分别在牌号尾加A、E表示。

3.碳素工具钢

牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”及后面的阿拉伯数字表示,其数字表示钢中平均含碳量的千分数。

4.铸造碳钢

牌号由“铸钢”两汉字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成:第一组数字代表屈服强度,第二组数字代表抗拉强度值。

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 分钟

作业布置

 

 分钟

作业布置

 

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

第四章    钢的热处理

§4-1  热处理的原理及分类

§42  钢在加热及冷却时的组织转变

教学内容

热处理的原理、分类,钢在加热及冷却时的组织转变

教学要求

掌握热处理的原理、分类,了解钢在温度变化时的组织转变

教学重点

本章的重点热处理的原理、分类

教学难点

钢在加热和冷却时的组织转变

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§4-1  热处理的原理及分类

第一章____金属的结构与结晶教案实验说明:虽然钢的成分相同,加热的温度也相同,但采用不同的冷却方法,却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下,钢的内部组织发生了不同的变化。 

热处理的分类: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案一、钢在加热时的组织转变

1.钢在加热和冷却时的相变温度 

在加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点;在冷却时要低于平衡状态下的临界点。

    加热时的各临界点:Ac1、Ac3和Accm

    冷却时的各临界点:Ar1、Ar3和Arcm

2.奥氏体的形成 

钢在加热时的组织转变,主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。 

3.奥氏体晶粒的长大 

晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行。

二、钢在冷却时的组织转变 

两种冷却方式:    等温处理、连续冷却

1.奥氏体的等温转变 

2.奥氏体的连续冷却转变

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 分钟

作业布置

 

 分钟

作业布置

 

教  学  后  记

 

 

 

 

第四章    钢的热处理

§4-3  热处理的基本方法

教学内容

热处理的基本方法,退火、正火、淬火和回火的原理和作用

教学要求

掌握热处理基本方法的原理和作用,相互之间的区别与联系

教学重点

本章的重点热处理的基本方法

教学难点

热处理基本方法之间的区别与联系

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§4-3  热处理的基本方法

机械零件一般的加工工艺顺序: 

第一章____金属的结构与结晶教案一、退火与正火

1.退火 

退火——将钢加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺。

退火目的:

  降低硬度,提高塑性,以利于切削加工和冷变形加工

  细化晶粒,均匀组织,为后续热处理作好组织上的准备

  消除残余内应力,防止工件的变形与开裂 

常用退火方法:完全退火、球化退火、去应力退火 

2.正火 

正火——将钢加热到c3或ccm以上30~50℃,保温适当的时间后,在空气中冷却的工艺方法。 

亚共析钢:正火目的是细化晶粒,均匀组织,提高机械性能。

力学性能要求不高的普通结构零件:正火可作为最终热处理。

低、中碳结构钢:调整硬度,改善切削加工性能。

高碳过共析钢:正火的目的是消除网状渗碳体,有利于球化退火,为淬火做好组织准备。 

二、淬火与回火 

1.钢的淬火

淬火——将钢件加热到Ac3或Ac1 以上的适当温度,经保温后快速冷却(冷却速度大于v临),以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。

目的:获得马氏体组织,提高钢的强度、硬度和耐磨性。 

(1)淬火加热温度的选择 

    亚共析钢:Ac3以上30~50℃

  (过)共析钢 :Ac1以上30~50℃   

(2)淬火冷却介质的选择 

淬火的冷却速度必须大于该钢种的临界冷却速度。

冷却中要避免引起钢件的变形和开裂。

冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢―快―慢” 。

(3)常用的淬火方法 

  单液淬火法

  双介质淬火

  马氏体分级淬火

  贝氏体等温淬火 

(4)钢的淬透性与淬硬性 

淬透性——规定条件下,钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。 

取决于钢的临界冷却速度,临界冷却速度越低,则钢的淬透性越好。钢的临界冷却速度又主要取决于其化学成份。 

淬硬性——钢在理想的淬火条件下,获得马氏体后所能达到的最高硬度。 

取决于含碳量的高低。低碳钢淬火的最高硬度低,淬硬性差;高碳钢淬火的最高硬度高,则淬硬性好。 

(5)钢的淬火缺陷 

氧化与脱碳、过热和过烧、变形与开裂、硬度不足、软点 

2.钢的回火 

回火——将淬火后的钢重新加热到Ac1点以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。 

目的:

降低淬火钢的脆性和内应力,防止变形或开裂。 

调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 

获得不同需要的机械性能。 

(1)回火时的组织转变 

第一章____金属的结构与结晶教案回火钢的性能只与加热温度有关,而与冷却速度无关。

  

(2)回火的分类及应用

  低温回火

  中温回火

  高温回火 

调质——生产中淬火及高温回火相结合的热处理工艺。 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 分钟

作业布置

 

 分钟

作业布置

 

教  学  后  记

 

 

 

 

第四章    钢的热处理

§4-4  钢的表面热处理

教学内容

钢的表面热处理,包括表面淬火和化学热处理

教学要求

掌握钢的表面热处理的常见分类,掌握表面淬火的原理、分类和目的,掌握化学热处理的原理、分类和目的。

教学重点

本章的重点表面淬火的原理和目的

教学难点

化学热处理的原理和目的

教具准备

多媒体课件

参考资料

《金属材料与热处理》第六版,全国中等职业技术学校机械类通用教材

教学方法

讲授与课堂演示、举例相结合

课时安排

学时

授课思路

 

时 间分 配

教  学  过  程

辅助手段及说明

 

一、组织教学:考勤、学习准备等。

二、引入课题:举例引入新的课程。

新课内容

 

§4-4  钢的表面热处理

一、表面淬火

表面淬火——仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。

原理:通过快速加热,使钢的表层奥氏体化,在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。

适用:中碳钢、中碳合金钢。  

方法:火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。 

 

1.火焰加热表面淬火 

应用氧-乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺。 

特点:加热温度及淬硬层深度不易控制,易产生过热和加热不均匀,淬火质量不稳定。不需要特殊设备,适用于单件或小批量生产。 

 

2.感应加热表面淬火 

利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面受到局部加热,并进行快速冷却的淬火工艺。 

特点:  (1)加热速度快。 

        (2)淬火质量好。 

        (3)淬硬层深度易于控制,易实现机械化和自动化,适用于大批量生产。 

 

二、化学热处理 

化学热处理——将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 

不仅改变了钢的组织,而且表面层的化学成分也发生了变化,因而能更有效地改变零件表层的性能。 

根据渗入元素分:渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。

 

1.化学热处理的过程

分解→吸收→扩散

 

2.钢的渗碳 

钢的渗碳——将钢件置于渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

目的:提高钢件表层的含碳量。

渗碳后处理:淬火及低温回火。

工艺路线:锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火

分类:固体渗碳、盐浴渗碳、气体渗碳 

气体渗碳——将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。 

 

3.钢的渗氮 

渗氮——在一定温度下,使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。

目的:

提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。 

 

(1)渗氮与渗碳相比具有以下特点: 

 渗氮层具有很高的硬度和耐磨性

 渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性

 渗氮比渗碳温度低,工件变形小 

渗氮工件的工艺路线: 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案 

(2)渗氮方法 

  气体渗氮 

工件在气体介质中进行渗氮。它将工件放入密闭的炉内,加热到500~600℃,通入氨气(NH3),氨气分解出活性氮原子。 

  离子渗氮 

在低于一个大气压的渗氮气氛中,利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺。 

4.碳氮共渗 

碳氮共渗——在一定温度下,将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章____金属的结构与结晶教案

课后小结

 

 分钟

作业布置

 

 分钟

作业布置

 

教  学  后  记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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