1、機械工程材料應用教案項目一 工程材料與機械制造過程課 題： 材料的發展過程 分類及發展趨勢（4課時）導入：教師以教材“問題”進行課程的始學教育，舉出身邊某制品或零件，說出是什么材料制造的，為何選用這種材料？教學目標：1.了解機械工程材料及其分類； 2. 了解機械工程材料的發展過程； 3. 了解機械制造過程； 4. 了解機械工程材料在機械制造過程中的地位和作用前測：什么是機械工程材料？ 你所知道的機械制造過程有哪些？教學過程：【板書】一.材料的簡要發展過程材料是人類文明和技術進步的重要標志。 石器時代青銅器時代鐵器時代鋼鐵時代新材料時代 1、司母戊大鼎發掘歷史； 2、新型材料（航空航天材料）。【

2、講解】在浩瀚的材料世界里，金屬材料是一個最大的王國。最早，我們人類使用的金屬材料主要是天然產品。（穿插講解材料史話）經歷了石器時代、青銅器時代和鐵器時代的漫長歷史過程后，在冶金技術的推動下，我們又從鋼鐵時代邁進了新材料時代。在人類文明歷程中，金屬材料對推動社會的發展，促進文明的進步，豐富文化的內容，改變人們的生活方式發揮了巨大作用。當今世界，金屬材料已成為工農業生產、人民生活、科學技術和國防發展的重要物質基礎。離開了金屬材料的“鋼筋鐵骨”，橋梁將斷，艦艇將毀，大廈將傾，工廠將停 二、了解機械工程材料的分類及發展過程1 、 定義 機械工程材料主要指用于機械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空

3、航天工程等領域的材料。2、 分類 （按化學成分分類） 金屬材料 (綜合性能好，用量最大、應用范圍最廣)【設問】同學們在平時的生活中看到過哪些金屬（純金屬）？【板書】1金屬：如鐵、銅、鋁、金、銀等，共有90種。常溫下為固體（除汞外）。【設問】金屬與非金屬比較有哪些特性？【板書】2金屬特性：具有金屬光澤；（鐵、鋁等大多數金屬為銀白色，銅為紫紅色，金為黃色）有良好的導電性和導熱性；（銅、鋁是優良的導電體）有一定的強度和塑性。【交流與討論】金屬是一類重要的材料，人類的生活和生產都離不開金屬。請說出下表日常生活中使用的金屬。 金 屬 不 同 的 用 途金屬名稱制易拉罐的金屬制作導線的紫紅色金屬燈泡中的燈

4、絲體溫計中填充的金屬家用熱水瓶內壁上的金屬【講解】在通常情況下，金屬單質往往無法滿足使用要求。如純銅、純鋁及純鐵質軟，強度、硬度很小，無法用來制造承受大載荷的機械零件和工具。如果我們將一種金屬跟其他金屬(或非金屬)熔合制成具有金屬特性的物質就得到合金。合金：一種金屬跟其他金屬(或非金屬)熔合制成具有金屬特性的物質。 教師指導閱讀表1-1日常生活中常見的合金和教材內容，并介紹記憶合金。【交流與討論】1組成合金的元素一定是金屬元素嗎？從概念上來理解合金至少有幾種元素組成？其中有一種肯定是什么元素？2合金的用途遠遠比純金屬廣泛得多，請問這是為什么？金屬材料：將純金屬和合金材料統稱為金屬材料。1黑色金

5、屬：以鐵或以它們為主形成的物質。如碳鋼、合金鋼和鑄鐵等。2有色金屬：除黑色金屬以外的金屬和合金。如銅及銅合金、鋁及鋁合金和軸承合金等。【講解】金屬材料在機械工業中應用最為廣泛，在各種機械設備所用的材料中，金屬材料占90%以上。這是由于金屬材料不僅冶煉資源豐富，而且還具有優良的物理、化學、力學和工藝性能。此外，金屬材料品種多，性能各異，可以通過不同的加工方法（例如熱處理），使金屬材料的某些性能獲得進一步的改善，從而擴大其使用范圍。 高分子材料 (質輕、 耐腐蝕，常用于化工、機械、航空航天等) 陶瓷材料 （高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于電器、化 工、航空航天等等） 復合材料 （輕、高的比強度、比剛度，

6、結合兩種材料的性能優點，用于航空航天等領域）三、機械制造過程與材料1、機械工程材料的常用性能 材料使用性能力學性能（強度、塑性、韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學性能（氧化、腐蝕等）材料工藝性能加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）2、機械工程材料的加工方法金屬材料的加工方法：鑄造、鍛造、焊接、沖壓、合金粉末：粉末冶金工程陶瓷材料：壓制、燒結工程塑料、橡膠：注塑、擠出、吹塑、模壓、壓鑄等復合材料：層壓、澆注、粘貼3、金屬材料的熱處理鋼的熱處理方法：普通熱處理：退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等五種。鋼的表面熱處理（1）感應淬火

7、感應淬火是指利用感應電流通過工件所產生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。（2）火焰淬火鋼的化學熱處理：目前常用的化學熱處理有：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。四課程學習指導 1機械制造和日常生活的基礎知識； 2學習其他后續工藝學的基礎。 3課程特點與學習要求【小結】：1機械工程材料及分類；金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬、 復合材料 2. 了解機械工程材料的發展過程；石器時代青銅器時代鐵器時代鋼鐵時代新材料時代 3. 了解機械制造過程； 4. 了解機械工程材料在機械制造過程中的地位和作用【作業】書面：習題【交流與討論】閱讀下面的一段故事，談談你的感想。形狀記憶合金的發現許多重大的

8、發現都源于偶然事件。20世紀60年代初，美國海軍研究所的的一個研究小組把一些亂如麻絲的鎳-鈦合金拉直，以便使用。他們無意中發現，當溫度升高到一定值時的時候，這些已被拉直的鎳-鈦合金突然“記憶”起自己的模樣，又恢復到彎彎曲曲的“本來面目”。經過材料專家的反復實驗，證實了鎳-鈦合金絲“變形恢復”的現象能重復進行。其實，類似的現象早在20世紀50年代初就不止一次被觀察到，只不過當時沒有引起人們的足夠重視。這一發現引起了科學家們的極大興趣，經研究發現，銅基合金，鐵基合金等都有這種奇妙的記憶本領。課 題：項目二 螺栓、螺母的選材碳素結構鋼的應用（4課時）【導入新課】螺栓、螺母使用什么材料做的？它為什么有

9、這樣的性能？材料內部結構？【學習目標】1.了解分析螺栓、螺母的工作條件2. 了解分析機械工程材料的力學性能3. 了解分析金屬材料內部的晶體結構特點4.了解碳素結構鋼的種類、牌號、性能與應用5了解分析螺栓、螺母的選材教學重點：碳素結構鋼的種類、牌號、性能與應用螺栓、螺母的選材教學難點：了解分析機械工程材料的力學性能了解分析金屬材料內部的晶體結構特點前測：低碳鋼的力學性能有哪些？如何測定的？金屬材料內部的晶體結構如何？螺栓、螺母的選材？教學過程：【板書】2.1螺紋聯接件的服役條件分析1、螺紋聯接件的主要功能：連接、傳遞載荷（載荷的分類：動載荷靜載荷）2、螺紋聯接件的受力情況分析：螺栓受拉力、螺母受

10、剪切力3、螺紋聯接件的失效分析：螺栓受拉力：塑性變形和斷裂螺母受剪切力：剪斷和壓潰2.2材料的力學性能力學性能：金屬材料在外力作用時表現來的性能。力學性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。【講解】在機械設備及工具的設計、制造中選用金屬材料時，大多以力學性能為主要依據，因此熟悉和掌握金屬材料的力學性能是非常重要的。力學性能不僅是本章學習的重點，同時也是整個教材的學習重點，希望同學們要努力學習掌握好這些內容。本節課學習準備知識。一、低碳鋼的拉伸試驗分析1、繪制拉伸試樣應力與應變曲線金屬材料的強度、剛度與塑性可通過靜拉伸試驗測定。圖1-1 力伸長曲線和拉伸式樣 1-2應力應變曲線力-伸長曲線（

11、也叫拉伸曲線）為了消除試樣尺寸影響，引入應力-應變曲線，如圖1-2所示。應力-應變曲線的形狀與力-伸長曲線相似，只是坐標和數值不同，從中，可以看出金屬材料的一些力學性能。【板書】拉伸試樣 圓形長試樣 L0=10×d0圓形短試樣工 L0= 5×d0【講解】d0為試樣的原始直徑（mm）， L0為試樣的原始長度（mm）【講解】拉伸曲線是指以載荷F為縱坐標，試樣伸長量L為橫坐標繪制的曲線，如下圖為低碳鋼的拉伸曲線。【板書】2、低碳鋼的拉伸曲線四個階段的分析：oe彈性形變形階段 試樣的伸長量L和載荷F成正比，試樣只發生彈性形變。es屈服階段 試樣發生屈服現象，開始產生明顯的塑性變形。

12、屈服現象：載荷保持不變或略有減小而試樣的變形繼續增加的現象。sb強化階段 試樣發生變形強化，產生大量的塑性變形。變形強化：隨著塑性變形的增加，金屬材料強度、硬度增大，塑性、韌性下降的現象。bZ縮頸階段 試樣出現縮頸，塑性變形所需的載荷逐漸減小。 3、附加的一些概念【板書】（一）、載荷（金屬材料在加工和使用過程中所受的外力） 靜載荷：指大小不變或變動很慢的載荷。 如地面所受講臺的壓力，千斤頂工作所受的載荷。 沖擊載荷：指突然增加的載荷。如鐵匠用鐵錘鍛打工件、高速行駛的汽車相撞的載荷。交變載荷：指周期性或非周期性的動載荷。如電扇主軸、彈簧工作時所受的載荷。【交流與討論】請根據下列的文字描述，判斷物

13、體所受的載荷類型。電視機放在桌面上，桌面所受的載荷是_。在金屬拉伸試驗中。金屬試樣所受的載荷是_。電動機工作時，電動機主軸所受的載荷是_。人坐在沙發上，沙發里彈簧所受的載荷是_。子彈擊中金屬防彈衣，防彈衣所受的載荷是_。【板書】（二）、變形（金屬材料受載荷作用發生幾何形狀和尺寸的變化。）【演示】教師用橡皮筋、彈簧演示彈性變形，用鍍鋅鋼絲、薄鋼板演示塑性變形。【板書】彈性變形：載荷去除后，可完全恢復的變形。塑性變形：載荷去除后，不可恢復的永久變形。【講解】金屬材料的彈性變形可用于控制機構運動、緩沖與吸振、儲存能量等。金屬材料塑性變形可用于成型產品的加工，70%的金屬材料是通過塑性變形加工成型的。

14、【交流與討論】 1、彈性變形與塑性變形的根本區別是什么？(有無永久變形。) 2、生活、生產哪些地方發生彈性變形或塑性變形？你知道哪些產品產通過塑性變形加工成形的？（沙發、席夢思中彈簧變形；汽車、拖拉機車廂下板彈簧的變形；鬧鐘發條的變形。課桌椅上鋼板折邊、鋼管彎折；自行車鈴、彈殼的沖壓加工；轎車車身沖壓加工。） 3、加工制造好的機械零件，在使用時一旦發生塑性變形有什么危害？（零件變形、失效，甚至發生斷裂。）【板書】（三）應力 1、內力 金屬受外力作用后，在材料內部作用著與外力相對抗的力稱為內力。 F內力= F外力【板書】 2、應力：單位面積上的內力。 =式中 F外力（N）；S橫截面積（mm2）；

15、 應力，常用單位為MPa（N/mm2），1MPa=106 Pa。【板書】結論：當橫截面積一定時，應力越大，表示材料承受載荷的能力越大。例 碳鋼 最大應力 235鋼（生活中最常用的鋼） 460 MPa45鋼 （制電機主軸的鋼） 600 MPa65Mn鋼（制沙發彈簧的鋼） 735 MPa4、強度、與塑性（1）強度 是指材料在載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。強度的大小通常用應力表示，符號為，單位為MPa（兆帕）。工程上常用的強度指標有：屈服點和抗拉強度等。 屈服點s（r0.2）由曲線1-2可知：e是試樣保持彈性變形的最大應力；當應力e時，產生塑性變形；當應力達s時，試樣變形出現屈服。此時的應力稱

16、為材料的屈服點（s）：（MPa）式中 Fs試樣屈服時所承受的載荷（N）S0試樣原始橫截面積（mm2）有些材料用規定殘余伸長應力r來表示它的屈服點，如圖1-3所示。表示此應力的符號，如：r0.2表示規定殘余伸長率為0.2%時的應力值（經常寫成0.2）：（MPa）圖1-3規定殘余伸長應力示意圖式中 Fr0.2殘余伸長率達0.2%時的載荷（N）；S0試樣原始橫截面積（mm2）。 抗拉強度b試樣拉斷前所能承受的最大應力稱為抗拉強度，用符號b表示： (MPa)式中 Fb試樣在拉伸過程中所承受的最大載荷（N）So試樣原始橫截面積（mm2）在實際生產中，s是工程中塑性材料零件設計及計算的重要依據，r0.2則

17、是不產生明顯屈服現象零件的設計計算依據。有時可直接采用抗拉強度b加安全系數。在工程上，把s/b稱為屈強比。屈強比一般取值在0.650.75。（2）剛度材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度，它表示材料產生彈性變形的難易程度。剛度的大小，通常用彈性模量E（單向拉伸或壓縮時）及G（剪切或扭轉時）來評價。（3）塑性塑性是指材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。常用的性能指標： 斷后伸長率斷后伸長率是指試樣拉斷后標距長度的伸長量與原標距長度的百分比。用符號表示：式中 L0試樣原標距長度（mm）L1試樣拉斷后對接的標距長度（mm）伸長率的數值和試樣標距長度有關。10表示長試樣的斷后伸長率（通常寫成），5表

18、示短試樣的斷后伸長率。同種材料的5>10，所以相同符號的伸長率才能進行比較。 斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號表示：式中 So試樣原始橫截面積（mm2）；S1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）。斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了材料的塑性。一般或值越大，材料塑性越好。1低碳鋼拉伸試驗時，發生屈服現象和加工硬化的載荷有什么不同？2低碳鋼制造的機械零件在實際使用中發生屈服現象有什么危害？【觀察與思考】【講解】金屬材料的屈服點和抗拉強度數值越大，材料的強度越大。機械零件工作時所受的應力當超過材料的屈服點時，零件則發生塑性

19、變形，導致零件精度下降；零件工作時當所受的應力超過材料的抗拉強度時，零件則產生過量的塑性變形而造成失效甚至斷裂。因此，金屬材料的屈服點和抗拉強度是機械設計和選材的主要依據，評定金屬材料優劣的重要指標。【講解】金屬材料的、值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬的實用意義：塑性好的金屬可以發生大量塑性變形而不破壞，便于通過塑性變形加工，制成形狀復雜的零件；塑性好的金屬在受力過大時，由于首先產生塑性變形而不致發生突然斷裂，使用比較安全。2.3材料的晶體結構一、材料的結合方式（一）、結合鍵1化學鍵    組成物質整體的質點(原子、分子或離子)間相互作用力叫化學

20、鍵。由于質點相互作用時，其吸引和排斥情況的不同，形成了不同類型的化學控，主要有共價健、離子鍵和金屬鏈。2共價鍵原子之間不產生電子的轉移，此時借共用電子對所產生的力結合，形成共價鍵。金剛石、單質硅、SiC等屬于共價鍵。共價鍵具有方向性，故共價鍵材料是脆性的。具有很好的絕緣性。3離子鍵大部分鹽類、堿類和金屬氧化物在固態下是不能導電的熔融時可以導電。這類化合物為離子化合物。當兩種電負性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時，其中電負性小的原子失去電子，成為正離子，電負性大的原子獲得電子成為負離子，兩種離子靠靜電引力結合在一起形成離子鍵。在Nacl晶體中，離子型晶體中，正、負離子間有很

21、強的電的吸引力，所以有較高熔點，故離子鎂材料是脆性的。故固態時導電性很差。4金屬鍵金屬原子的結構特點是外層電子少，容易失去。當金屬原子相互靠近時，其外層的價電子脫離原子成為自由電子為整個金屬所共有，它們在整個金屬內部運動，形成電子氣。這種由金屬正離子和自由電子之間互相作用而結合稱為金屬鍵。金屬鍵無方向性和飽和性，故金屬有良好的延展性，良好的導電性。因此金屬具有正的電阻溫度系數，更好的導熱性，金屬不透明，具有金屬光澤。5范德瓦爾鍵許多物質其分子具有永久極性 。分子的一部分往往帶正電荷，而另一部分往往帶負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結合在一起，稱為范

22、德瓦爾鍵也叫分子鍵。6工程材料的鍵性    金屬材料的結合主要是金屬鍵，陶瓷材料的結合鍵主要是離子鍵與共價鍵。高分子材料的鏈狀分子間的結合是范德瓦爾鍵，而鏈內是共價鍵。（二）、晶體與非晶體1晶體與非晶體原子排列可分為三個等級，即無序排列，短程有序和長程有序。物質的質點（分子、原子或離子）在三維空間作有規律的周期性重復排列所形成的物質叫晶體。金屬、陶瓷非晶體在整體上是無序的。玻璃、松香、瀝青、塑料晶體與非晶體中原子排列方式不同，導致性能上出現較大差異。晶體具有一定的熔點，非晶體則沒有。晶體的某些物理性能和力學性能在不同的方向上具有不同的數值成為各項異性。二

23、、金屬材料的晶體結構（一）晶體結構的基本概念晶體：指原子（離子或分子）在空間呈規則排列的物體。    晶體結構：指晶體中的原子（離子或分子）在空間的具體排列。    晶胞：是能夠反映晶格中原子重復排列規律的最基本單元。    金屬中常見的晶體結構有：體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構。（二）三種典型的金屬晶體結構1.面心立方原子位置 立方體的八個頂角和每個側面中心 2.體心立方原子位置 立方體的八個頂角和體心 2.體心立方3. 密堆六方原子位置 12個頂角、上下底心和體內3處 （三）實際金屬的晶體結

24、構按照晶體中原子排列不規則區域的尺寸大小，將晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。    點缺陷：指原子排列的不規則區域在空間三個方向上尺寸都是很小的一種缺陷，如空位、間隙原子和置換原子(見圖2-8)。    線缺陷：指原子排列的不規則區域在空間一個方向上尺寸很大，而在另外兩個方向尺寸是很小的一種缺陷，如刃型位錯(圖2-9)。    面缺陷：指原子排列的不規則區域在空間兩個方向上尺寸很大，而在另外一個方向尺寸是很小的一種缺陷，如晶界、亞晶界(圖2-11)。    在點缺陷、線缺

25、陷和面缺陷附近，原子都偏離了原來的平衡位置，使晶格發生畸變，對晶體的性能會產生明顯的影響。晶體缺陷越多，金屬強度越高。細晶強化是提高金屬材料強度的重要方法。（四）合金的晶體結構由于合金的性能取決于它的組織，而合金組織的性能又首先取決于合金中的相的性能。所以為了掌握合金的組織和性能，就必須了解合金的相結構及其性能。合金的“相結構”，是指合金中相的晶體結構，也就是說“相結構”是相中原子的具體排列規律。合金可以形成不同的相，其結構比純金屬復雜。不同的相原子排列方式（相結構）是不同的。根據合金中各組元間的相互作用，合金中相的結構主要有固溶體和金屬化合物兩大類。1固溶體 固溶體是指合金中兩組元在固態下相

26、互溶解而形成的均勻固相。溶劑是組成固溶體的兩個組元中，能夠保持其原有晶格類型的組元；溶質是失去原有晶格類型的組元。固溶體的晶格仍然保持溶劑的晶格類型。根據溶質原子在溶劑晶格中所占的位置不同，固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。（1）置換固溶體 是指溶質原子占據了部分溶劑晶格結點位置而形成的固溶體，如右圖（a）所示。按溶解度不同，置換固溶體可分為無限固溶體和有限固溶體兩種。無限固溶體：溶質原子與溶劑原子能以任何比例相互溶解所形成的固溶體。例如銅鎳合金，銅原子和鎳原子可按任意比例相互溶解。（a）置換固溶體 （ b）間隙固溶體格圖2-17 固溶體有限固溶體：溶質在溶劑中的溶解度是有限的固溶體。如銅鋅合

27、金當WZn40%時為有限固溶體（組織除了固溶體外，還有銅與鋅形成的金屬化合物）。溶解度的大小主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和溫度等。實驗證明，大多數合金都只能有限固溶，且溶解度隨溫度的降低而減少。形成無限固溶體的條件：只有各組元的晶格類型相同，原子半徑相差不大等。 （2） 間隙固溶體 間隙固溶體形成的條件：是溶質原子半徑與溶劑的原子半徑的比值r溶質/r溶劑0.59。因此，形成間隙固溶體的溶質元素通常是原子半徑小的非金屬元素，如碳、氮、氫、硼、氧等。（3） 固溶體的性能 形成固溶體時，雖然保持著溶劑的晶格類型，但由于溶質原子的溶入，將會使固溶體的晶格常數發生變化而形成晶格畸變，增加了變形抗

28、力，因而導致材料強度、硬度提高。這種通過溶入溶質元素，使固溶體強度和硬度提高的現象稱為固溶強化。對于鋼鐵材料來說，固溶強化是其強化途徑的一種；而對于非鐵金屬材料來說，固溶強化是重要的強化手段。2金屬化合物（中間相）當溶質含量超過固溶體的溶解度時，除了形成固溶體外，還將出現新相，若新相的晶體結構不同于任意組成元素，新相將是組元元素間相互作用而生成的一種新的物質，即為金屬化合物或中間相。根據形成條件和結構特點，常見的金屬化合物有正常價化合物、電子化合物、間隙化合物三種類型。彌散強化 金屬化合物的晶格類型和性能不同于組成它的任一組元，一般熔點高，硬而脆，生產中很少直接使用單相金屬化合物的合金。但當金

29、屬化合物呈細小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現象稱為彌散強化。2.4金屬材料的分類一、鋼的分類鋼是碳的質量分數不大于2.11%，并可能含有其它元素的鐵碳合金（在個別鋼中，如高鉻鋼，其WC可超過2.11%）。鋼的種類很多，常用分類方法如下：1傳統的分類方法：按化學成分分為：碳素鋼（簡稱碳鋼）、合金鋼；按品質分為：普通、優質、高級優質、特級優質鋼；按用途分為：結構、工具、特殊性能、專業用鋼；按冶煉方法分：可按爐類型進一步分為平爐、轉爐、電爐鋼；按脫氧程度和澆鑄制度進一步分為沸騰、鎮靜和半鎮靜鋼；按金相組織分類時，可按退火狀態的鋼、正火狀態的鋼、無相變或部分發生相變的鋼進一步分類。2新的分類方法1992年10月中國頒發了“鋼分類”國家標準（GB/T1330491）。按照此標準，鋼的分類分為兩部分：第一部分，按化學成分分類；第二部分，按主要質量等級、主要性能及使用特性分類。（1）按化學成分分為：非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。各種鋼的合金元素規定質量分數的界限值見附錄附表。（