《金属材料与热处理》教案

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课件六参考资料《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七教学方法讲授与课堂演示、举例相结合八课时安排学时九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】§1－1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。天然水晶和普通玻璃a）天然水晶b）普通玻璃基本概念：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。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。晶界——由晶粒间不规则排列的原子构成。晶体内部原子排列模型晶格和晶胞示意图a）晶格b）晶胞单晶体——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”。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。1.点缺陷——空位、间隙原子和置代原子无论是空位、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。在晶体中，位错的晶格畸变发生在沿半原子面端面的狭长区域，故称为线缺陷。单晶体示意图多晶体示意图刃型位错示意图a）立体图b）平面图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。在晶体中，晶界和亚晶界的晶格畸变均发生在一个曲面上，故称为面缺陷。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。教学后记晶界过渡结构示意图亚晶界结构示意图第一章金属的结构与结晶§1－2纯金属的结晶一教学内容纯金属的结晶过程、同素异构转变二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。三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。四教学难点纯金属的结晶过程和纯铁的冷却曲线五教具准备多媒体课件六参考资料《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七教学方法讲授与课堂演示、举例相结合八课时安排学时九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”。结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）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。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。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。液体钢锭浇铸示意图a）浇铸示意图b）钢锭1—盛钢桶2—滑动水口3—钢锭模4—钢液5—底盘液体晶体纯金属结晶时的冷却曲线a）理论结晶温度b）实际结晶温度纯金属的结晶条件：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二、晶粒大小对金属材料的影响晶粒愈细，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。形核率N、长大速度G与过冷度T的关系金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织细化晶粒的方法：（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。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的同素异构转变可以用下式表示：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19世纪末，著名物理家居里在实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点”。居里点也称居里温度或磁性转变点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§2－1金属材料的损坏与塑性变形一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二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。三教学重点本章的重点为力学性能的概念及衡量指标四教学难点对拉伸曲线各阶段的分析五教具准备多媒体课件六参考资料《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七教学方法讲授与课堂演示、举例相结合八课时安排学时九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主要原因：材料的实际使用性能达不到工作要求。变形断裂磨损性能一、与变形相关的几个概念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）使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具务的性能（力学、物理、化学性能等）。此性能决定了金属村料的应用范围、安全可靠性和使用寿命等。工艺性能：金属材料在被加工成机械零件或工具的过程中，对各种加工方法的适应能力。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和处理工艺性能等。变形概念塑性变形断裂磨损弹性变形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2．内力内力——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。应力——假设作用在零件横截面上的内力大小均匀分布，单位横截面积上的内力。单位：千帕（KPa）=1Χ103Pa1兆帕（MPa）=1Χ106PaSFRR：应力，Pa；F：外力，N；S：横截面面积，m2。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