1、1教案一【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】绪 论一、人类社会的发展历程人类使用材料的足迹经历了从低级到高级、从简单到复杂、从天然到合成的过程，目前人类已进入金属（如钛金属） 、高分子、陶瓷及复合材料共同发展的时代。二、节约金属材料一是向地壳的深部要金属；二是向海洋要金属；三是节约金属材料，寻找它的代用品。三、非金属材料的使用非金属材料的使用，不仅满足了机械工程中的特殊需求，而且还大大简化了机械制造的工艺过程，降低了机械制造成本，提高了机械产品的使用性能。其中比较突出的非金属材料就是：塑料、陶瓷与复合材料等。四、机械零件加工技术的发展例如，激光技术与
2、计算机技术在机械零件加工过程中的应用，使得机械零件加工设备不断创新，零件的加工质量和效率不断提高，如计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和生产管理信息系统（MIS）的综合应用，突破了传统的机械零件加工方法，产生了巨大的变革。五、我国在金属加工方面取得的成就 历史上我国是使用和加工金属材料最早的国家之一。2008 年我国钢铁产量突破 5 亿吨，成为国际钢铁市场上举足轻重的“第一力量” 。六、金属工艺学课程的性质金属工艺学教材内容广、实践性强，比较系统地介绍了金属材料与非金属材料的分类、性能、加工工艺
3、方法及其应用范围等知识。该课程是融汇多种专业基础知识为一体的专业技术基础课，是培养从事机械装备制造行业应用型、管理型、操作型及复合型人才的必修课程。2同学们在学习本课程时，一定要多联系自己在金属材料和非金属材料方面的感性知识和生活经验，要多讨论、多交流、多分析和多研究，特别是在实习中要多观察，勤于实践，做到理论联系实际，这样才能更好地学好教材中的基础知识，做到融会贯通，全面发展。第一章 金属材料基础知识第一节 金属材料分类金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料，并具有金属特性的工程材料。合金是指两种或两种以上的金属元素
4、或金属与非金属元素组成的金属材料。图1-1 金属材料分类以铁或以它为主而形成的金属材料，称为钢铁材料（或称黑色金属） ，如各种钢材和铸铁。除钢铁材料以外的其它金属材料，统称为非铁金属（或称有色金属） ，如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。第二节 钢铁材料生产过程概述钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数w（C）(含碳量)进行分类，可分为工业纯铁（w（C）2.11 %） 。一、炼铁生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸件生产的主要原材料。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石） 。高炉冶炼出的铁不是纯铁，其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素，这种铁称为生铁
5、。3生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要，生铁可分为两类：铸造生铁和炼钢生铁。二、炼钢钢材生产是以生铁为主要原料，首先将生铁装入高温的炼钢炉里，通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数，并使其到达需要的钢液，然后将钢液浇铸成钢锭或连续坯，再经过热轧或冷轧后，制成各种类型的型钢。用生铁炼钢，实质上是一个氧化过程。1炼钢方法 表1-1 氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法的比较炼钢方法 热 源 主要原料 主要特点 产 品氧气转炉 氧化反应的化学热 生铁、废钢冶炼速度快，生产率高，成本低。钢的品种较多，质量较好，适合于大量生产非合金钢和低合金钢电弧炉 电能 废钢炉料通用性大，炉内气氛可以控制，脱氧良
6、好，能冶炼难熔合金钢。钢的质量优良，品种多样合金钢2钢的脱氧按钢液脱氧程度的不同，钢可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)，半镇静钢(b)和沸腾钢(F)四种。3钢的浇注钢液经脱氧后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭或连铸坯。4炼钢的最终产品钢锭经过轧制最终形成板材、管材、型材、线材及其它类型的材料。第三节 机械制造过程概述机械产品的制造过程一般分为设计、制造与使用三个阶段，如图1-4所示。4图1-4 机械产品制造过程的三个阶段第四节 金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。金属材料
7、的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力，称为应力(N/mm 2)。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑
8、性、硬度、韧性和疲劳强度等。（一）强度与塑性金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。1拉伸试验拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。（1）拉伸试样。拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种。长试样L 0=10d0；短试样L 0=5d0。a）拉断前 b）拉断后图1-5 圆形拉伸试样（2）试验方法。2力伸长曲线在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服
9、阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。5图1-7 退火低碳钢力伸长曲线【教学重点与难点】1重点：金属材料分类和相关基本概念2难点：力学性能概念的理解、力伸 长曲线【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知 识与生活经验相联系，加深 对 所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要 时可相互交流与探 讨问题。6教案二【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】3强度指标金属材料的强度指标主要有:屈服点 s、规定残余伸长应力 0.2、抗拉强度 b等。（1）屈服点
10、和规定残余延伸应力。屈服点是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。屈服点用符号s表示。单位为N/mm 2或MPa。规定残余延伸应力是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距的百分比达到规定值时的应力，用应力符号并加角标“r和规定残余伸长率”表示，如 r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力定为没有明显产生屈服现象金属材料的屈服点。（2）抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力。用符号 b表示，单位为N/mm 2或MPa。4塑性指标（1）断后伸长率。试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号表示。使用长试样测定的断
11、后伸长率用符号 10表示，通常写成；使用短试样测定的断后伸长率用符号 5表示。（2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。（二）硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。1布氏硬度布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直
12、径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法。布氏硬度值是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的，用符号HBW表示，上限为7650HBW。图1-8 布氏硬度试验原理图布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符号“HBW”的前面。除了保持时间为1015s的试验条件外，在其他条件下测得的硬度值，均应在硬度符号“HBW”的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。例如，150HBW 10/1000/30。2洛氏硬度洛氏硬度试验原理是以锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（淬火钢球或硬质合金球） ，压入试样表面，试验时先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表
13、面之后，去除主试验力，在保留初试验力时，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。测定的硬度数值写在符号“HR”的前面，符号“HR”后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。3维氏硬度维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似，是以面夹角为136的正四棱锥体金刚石为压头，试验时，在规定的试验力F（49.03N980.7N）作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线d的平均长度，可计算出其硬度值。维氏硬度用符号“HV”表示。维氏硬度数值写在符号“HV”的前面，试验条件写在符号“HV”的后面。例如，640HV
14、30表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持1015s测定的维氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持20s测定的维氏硬度值是640。（三）韧性1一次冲击试验韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量。（1）夏比摆锤冲击试样。夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种，如图1-11所示。带V型缺口的试样，称为夏比V型缺口试样；带U型缺口的试样，称为夏比U型缺口试样。8a)夏比U型缺口试样 b)夏比V型缺口试样 图1-11 夏比摆锤冲击试样（2）夏比摆锤冲击试验方法。夏比摆锤冲击试
15、验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。计算公式是：V型缺口试样：KV 2或KV 8=AKV1-AKV2(J)U型缺口试样：KU 2或KU 8=AKU1-AKU2(J)KV2或KU 2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KV 8或KU 8表示用刀刃半径是8mm的摆锤测定的吸收能量。吸收能量大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。 图1-12 夏比冲击试验原理吸收能量K对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。（3）吸收能量与温度的关系。金属材料的吸收能量与温度之间的关系曲线一般包括高
16、吸收能量区、过渡区和低吸收能量区三部分。当温度降至某一数值时，吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。2多次冲击试验9金属材料在多次冲击下的破坏过程是由裂纹产生、裂纹扩张和瞬时断裂三个阶段组成。其破坏是每次冲击损伤积累发展的结果，不同于一次冲击的破坏过程。多次冲击弯曲试验在一定程度上可以模拟零件的实际服役过程，为零件设计和选材提供了理论依据，也为估计零件的使用寿
17、命提供了依据。在小能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗力大小，主要取决于金属材料强度的高低；在大能量多次冲击条件下，金属材料的多次冲击抗力大小，主要取决于金属材料塑性的高低。【教学重点与难点】1重点：金属材料的强度与塑性、硬度和韧性2难点：强度与塑性【教学方法与教学手段】1利用试样、挂图等教具。2利用多媒体资料进行短时演示。【小结与布置作业】1小结熟悉基本定义，注重将基本知 识与生活经验相联系，加深 对 所学知识的理解。2布置作业尽量独立完成相应章节中的习题，必要 时可相互交流与探 讨问题。10教案三【教学组织】1提问10分钟2讲解70分钟3小结5分钟4布置作业5分钟【教学内容】（四）疲劳
18、1疲劳现象循环应力和应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。零件工作时在承受低于制作金属材料的屈服点或规定残余伸长应力的循环应力作用下，经过一定时间的工作后会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。疲劳断裂首先是在零件的应力集中局部区域产生，先形成微小的裂纹核心，即微裂源。随后在循环应力作用下，微小裂纹继续扩展长大。由于微小裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则突然发生疲劳断裂，形成最后断裂区。金属疲劳断裂的断口由微裂源、扩展区和瞬断区组成。图1-16 疲劳断口示意图2疲劳强度金属在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度。即循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。对于钢铁材料其循环基数为10 7，对于非铁金属其循环基数为10 8。对于对称循环应力，其疲劳强度用符号 -1表示。金属材料在承受一定循环应力条件下，其断裂时相应的循环次数N可以用曲线来描述，这种曲线称为-N曲线。二、金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能1金属材料的物理性能
