工程材料及其应用设计(教案)

教学方案：工程材料及其应用设计总实践任务：是从机械工程的应用角度出发，阐明机械工程构件的材料及其性能，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系；使学生通过学习，具备根据机械零件使用条件和可能的失效进行分析，提出性能要求并进行合理的材料的选择。能力任务：要求学生必须具备通过失效分析的方式进行选材的能力。问题知识点教与学的方式一、导论：讨论本课程与机械产品分析与实践及工程力学的关系，人类社会与材料研究的关系。（目的：引导兴趣，激活思想，激发想象力）问题1、概述性问题学习目的、内容、方法(1)WHY?为什么要研究材料的力学性能？为什么要不断研发新材料？(2)WHAT?要学什么？(3)HOW？如何了解材料的力学性能？(1)WHY?满足人类社会发展的需要：日常生活及安全保障。(2)WHAT?内容材料的各种力学性能及获得所需性能的方法。按照工程实际的需要选材。(3)HOW？掌握各种力学性能的测定及计算方法及无损检测技术。教师：（时间：45分钟）(1)案例式：企业设计制造过程案例，实际零件；(2)任务、问题驱动式：布置研究问题并撰写论文任务。学生：（时间：45）1、参观材料创造性成列柜，并谈体会。1、合作学习：小组研讨：从材料的物理、化学及力学性能等多方面探讨为何飞机的蒙皮用铝合金而远洋货轮用合金钢？能否互换？2、自主学习：独立撰写研究论文（课外）3、竞争学习:小组间比赛。（评选最佳论文）（课外）课外拓展问题：从材料研发的动力探讨材料的发展史并举例说明新材料的出现与机械设计的关系。碳钢的热处理实验：给定45钢的退火、正火、淬火的热处理实验，实验前后分别测定试样的硬度。测定20、T10钢的硬度。分析：1、为何不同材料的硬度不同？2、为何经过不同的热处理后同一材料的硬度变了？二、金属材料问题2.1、材料结构-组织-性能的关系(1)纯金属的晶体结构、晶体缺陷。(2)合金的结构。(3)金属材料的性能（合作学习）教师：（时间：90分钟）启发式：1、讨论钢的热处理实验2、引导学生讨论水晶与玻璃的成分、结构和性能的差别。玻璃与玻璃纤维的性能差别。结论：成分、结构决定性能。学生：（时间：45分钟）合作学习：金属材料的性能。工艺性能和使用性能的差别。课外拓展问题：1：水晶和玻璃有何差别？玻璃和玻璃纤维为何性能不同？2：石墨、金刚石和碳纤维的区别和联系？3：纯金属和合金你认为哪个好？为什么？问题2.2、铁碳相图和金属的塑性加工(1)铁碳相图简介(2)金属的塑性变形(3)塑性变形对组织和性能的影响（重点）(4)回复和再结晶简介(5)冷加工和热加工教师：（时间：45+80×2分钟）首先组织学生讨论上节课的三个课外拓展问题(45分钟)启发式：铁碳相图的应用；举例说明塑性变形和回复、再结晶在产品加工中的作用；冷热加工概念的区别。学生：（时间：10×2分钟）（1）小组讨论金属的塑性变形，举三个例子说明它的实际应用（2）各举两个例子说明回复和再结晶在生产和生活的使用。（3）加工硬化是好还是不好，为什么？（4）设计一个加工硬化的实验（要说明其机理）问题2.3、热处理(1)钢在加热时的转变(2)钢在冷却时的转变(3)钢的普通热处理(4)钢的表面热处理(5)钢的热处理新技术(6)表面技术教师：（时间：60分钟）(1)研讨式：回顾钢的热处理实验，简介钢材的普通热处理的概念，重点介绍各种表面技术研发的动力和实际应用。(2)任务驱动式：布置课外实践任务（准备实验：热处理及硬度测试。）学生：（时间：30分钟）合作学习：小组研讨：钢的热处理新技术；表面技术课外拓展问题：例举一种热处理新工艺研发的原因以及后来如何转入民用生活品的热处理上。问题2.4、工程材料及其选材与设计(1)金属材料的分类、编号、性能和应用(2)典型零件加工的工艺路线教师：（时间：90×2分钟）首先组织学生讨论上节课的课外拓展问题(45分钟)引导式：以小轿车为例，引出工程材料的分类、编号及典型零件加工的工艺路线。任务驱动式：布置课外实践任务（准备实验：材料成分测定及性能测定）学生：（时间：90分钟）（下个星期上）实训式：根据教师的引导分析数控机床上使用的各种材料；讨论如果将床身和主轴的材料对换，会出现什么样的后果？(3)金属材料的分类、编号、性能和应用(4)典型零件加工的工艺路线(5)塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的性能特点及应用。教师：（时间：90×2分钟）(6)引导式：以小轿车为例，引出工程材料的分类、编号及典型零件加工的工艺路线。学生：（时间：90分钟）实训式：根据教师的引导分析数控机床上使用的各种材料；讨论如果将床身和主轴的材料对换，会出现什么样的后果？小测验课外拓展问题：收集你所认识的高分子材料，它们有何优点特点？有什么缺点你认为需要改进的？三、其他工程材料问题3.1、高分子材料（1）高分子材料的结构与性能（2）工程塑料3）合成纤维（4）合成橡胶（5）胶粘剂教师：（时间：30分钟）引导式：用10分钟讨论上次的课外拓展问题，由此引入高分子材料的结构与性能的学习。任务驱动式：布置课外实践任务。学生：（时间：15分钟）合作学习：小组研讨（2）-（5）课外拓展问题：收集你所认识的陶瓷材料，它们有何优点特点？有什么缺点你认为需要改进的？问题3.2、陶瓷材料（1）陶瓷材料的结构与性能（2）普通陶瓷（3）特种陶瓷教师：（时间：30分钟）引导式：用10分钟讨论上次的课外拓展问题，由此引入陶瓷材料的结构与性能的学习。任务驱动式：布置课外实践任务。学生：（时间：15分钟）合作学习：小组研讨（2）-（3）课外拓展问题：你对复合材料有何看法，实际生活中用到过吗？它好吗？问题3.3、复合材料（1）复合材料的复合原则（2）复合材料的性能特点教师：（时间：30分钟）引导式：用10分钟讨论上次的课外拓展问题，由此引入复合材料的复合原则与性能的学习。任务驱动式：布置课外实践任务。（3）非金属基复合材料（4）金属基复合材料学生：（时间：15分钟）合作学习：小组研讨（3）-（4）课外拓展问题：有预言复合材料是本世纪的钢铁材料，掌握复合材料生产工艺的人将成为本世纪的首富，你对此有何看法？问题3.4、功能材料（1）电功能材料（2）磁功能材料（3）热功能材料（4）光功能材料（5）其他功能材料教师：（时间：25分钟）引导式：用10分钟讨论上次的课外拓展问题，；简介功能材料的定义及目前研究的热点、今后发展的方向。学生：（时间：20分钟）合作学习：小组研讨（3）-（4）小测验四、失效分析问题4.1、弹性与塑性(1)弹性(2)线性粘弹性（3）塑性教师：（时间：90分钟）启发式：先讲解这三个基本概念，然后由小组讨论的方式由学生举例分析，尽量利用学生的案例来研究弹性与塑性理论。学生：（时间：课外）课外实践任务：课外作业问题4.2、极限分析(1)静力和机动条件(2)采用的几点假设(3)塑性极限分析的基本原理和方法（4）极限荷载的上下限定理教师：（时间：90分钟）启发式：由经验的靠安全系数的设计计算转入到更接近实际承载能力的极限分析计算，可满足在安全的前提下，减排、节能，满足绿色设计的要求。学生：（时间：课外）课外实践任务：课外作业问题4.3、蠕变(1)简介(2)蠕变变形机理(3)变形机制图谱(4)蠕变断裂(5)抗蠕变材料设计教师：（时间：90分钟）启发式：由夏天塑料、橡胶的制品变软联想更高温度下金属材料表现出同样性能，来了解蠕变，以及在设计中如何选材和设计方面避免构件的蠕变断裂学生：（时间：课外）(1)合作学习：小组研讨：例举生产或生活中遇到的有蠕变可能的零部件，并给出设计方案。问题4.4、疲劳及其设计(1)个案研究:波音747的疲劳开裂(2)疲劳：应力-寿命和应变寿命对比(3)疲劳裂纹生长；疲劳裂纹教师：（时间：90+45分钟）启发式：由弹簧沙发坐垫的变形导入疲劳破坏概念，由学生的例子及案例的分析引入疲劳设计的重要性和疲劳设计的方法。学生：（时间：45分钟）合作学习：小组研讨：查找一个疲劳破坏的个案，对此进行分析研究，并指出你认为在以后的设计中如何改进。课外实践任务：课外作业/[/font][color=Pink][size=5][/size][/color]font][color=Pink][size=5][/size][/colo问题4.5、断裂及断裂力学(1)Griffith断裂理论；能量释放率；断裂模式；教师：（时间：90+45分钟）启发式：从零件带裂纹工作的概念而导入应力场强度学时实验内容4热处理及硬度测试-1按要求自己编制热处理工艺，以组为单位讨论提出最佳方案并对钢材进行热处理，并测量处理前后的硬度值。书写实验报告2老师组织热处理及硬度测试的专题讨论，完善并提交报告。6材料成分测定及性能测定-2对给定材料进行成分测定，进行弯曲、冲击、扭转和冲击实验。要求：首先通过看设备使用说明书了解试验机的使用方法，设计试样，分析实验结果，提交实验报告2老师组织材料成分测定及性能测定的专题讨论，完善并提交报告。注：实验-2的具体内容要等试验机到位后确定。(2)线弹性断裂力学：平板开裂问题(3)裂纹尖端塑性；平面应力和平面应变(4)个案研究：矿山机械粉碎机用大轧辊的使用寿命计算。因子；从塑性材料的突然脆性断裂而导入临界应力场强度因子的研究。学生：（时间：45分钟）(2)合作学习：小组研讨：课外实践任务：课外作业课外拓展问题：（1）论述断裂力学发展史、现状及其在工程实际中的应用。（2）摩擦和磨损可以完全避免吗？摩擦一定有害吗？举例说明。问题4.6、摩擦磨损和润滑（1）摩擦、磨损的机理（2）磨损失效（3）润滑油的选择教师：（时间：90分钟）引导式：用45分钟讨论上次的课外拓展问题；由问题2的讨论引出本课程的内容。4.6、失效分析(1)断口形貌观察(2)恒力力破坏(3)非破坏性检测(4)破坏成分分析(5)失效分析程序教师：（时间：90分钟）启发式：主要介绍失效零件断口形貌分析对产品质量改进及新产品开发的重要意义及非破坏性检测在安全生产中作用教师：（时间：90×6分钟）研讨式：围绕着任务完成情况组织讨论、比赛，并总结。任务驱动式：布置一定量的课内练习题及课外实践任务。课外拓展问题：论述失效分析在产品设计开发及质量跟踪中的作用。专题讨论：（时间：180分钟）1、失效分析在产品设计中时如何发挥作用的；2、如何对失效产品进行失效分析；3、失效分析在产品质量跟踪中作用。小测验工程项目：零件材料选择分析与设计（1周）1、小轿车变速箱齿轮的选材和设计计算（将轮齿转化为简支梁，设计时要考虑表硬、心韧的要求，要满足耐磨性、韧性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度的要求及温度对精度的影响）。2、矿山机械破碎机用大轧辊的选材和设计计算。3、车床主轴的选材和设计计算。