机械基础《金属材料的性能》教案

课 题 教 学 目 标 教学重点 教学难点 教学用具 知识目标 能力目标 情感目标 金属材料的性能1（2课时） 1、了解金属力学性能各指标概念 2、掌握低碳钢拉伸曲线的绘制及各段曲线的含义 应使学生能对常用力学指标进行查表和计算 对常用力学性能指标在工业中的应用予以充分重视 1、强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度的概念 2、低碳钢拉伸曲线的绘制及曲线中各要点的含义 掌握低碳钢拉伸曲线的绘制及曲线中各要点的含义 多媒体、PPT、图片、视频 教学方法 阅读教学法、归纳法、举例分析法 教学过程设计 教学环节 一、组织教学 教师活动 学生活动 设计意图 举例：让学生头脑中形成概念 二、导入新课 在机械设备及工具的设计、制造中选 用金属材料时，大多数是以其力学性能为 主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的力 学性能是非常重要的。 三、新课教学 （一）、基本概念 1、力学性能：即指金属在外力的作用下所表现出来的性能。它包括强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度等。 2、载荷：金属材料在加工和使用过程中所受的外力称为载荷。 根据载荷作用性质的不同分为： （1）静载荷：指大小不变或变化过程极其缓慢的载荷 （2）冲击载荷：指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷 （3）交变载荷：指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷 根据载荷作用形式的不同分为： 拉、压、弯曲、剪切以及扭转等 3、变形：指金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 通过举例，使学生对强度的概念有一个明确的认识 （1）弹性变形：指随载荷的去除而消失 的变形 （2）塑性变形：不能随载荷去除而消失的变形。也称为永久变形或残余变形 （二）强度 1、强度的概念 金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力，称为强度。 （金属材料强度越高，则强度越大，越不容易被破坏，承载能也就越大。） 根据载荷作用方式的不同，强度可分为：抗 拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度以 及抗扭强度等五种。 2、强度的测定（以抗拉强度为例进行分析，其他不作介绍） （1）拉伸试样的选用 为了使测试结果具有可比性，拉伸试验时必须采用国家表准规定的拉伸试样，具体拉伸试样可参照（GB/T 397-1986），在该标准中对试样的形状尺寸以及加工要求均有明确的规定。 （2）低碳钢拉伸曲线 oe——比例阶段（弹性变形阶段） 在这个阶段试样变形完全是弹性的，若撤去载荷，试样能立刻恢复原状。 图中Fe为试样弹性恢复最大载荷。 es——屈服阶段（塑性变形阶段） 在这个阶段试样发生明显的塑性变形，试样表面出现45º滑移线，若此 时撤去载荷，试样不能恢复原状。图中Ｆs为屈服载荷。 sb——强化阶段 在这个阶段随着外载荷的不断增加试样继续伸长，变形均匀发生，出现 了加工硬化现象，抗拉强度明显提高。图中Ｆb为试样最大载荷。 bz——颈缩阶段（局部塑性变形阶段） 在这个阶段试样局部直径出现了明显的收缩，试样所需载荷急剧下降，伸长主要集中在颈缩部位 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 直至最后断裂，断口呈45º刀口状。 （注：工程上使用的材料多数是没有明显的屈服现象的，有些脆性材料不 仅没有屈服现象，而且也不产生“颈缩”，例如铸铁等。） 3、强度的衡量指标 常用的衡量指标有屈服点和抗拉强度两种。 屈服点：在拉伸试验过程中，载荷在不增加（保持恒定）的情况下，试样 仍能继续增加伸长时的应力即为屈服点。用符号σs表示。 抗拉强度：材料在断裂前所能承受的最大载荷即位抗拉强度。常用符号σb 表示。 (注：σb为零件在工作中所承受的最大应力也是零件设计和选材的重要依据) （三）塑性 １、塑性的概念 塑性是指金属材料在断裂前产生变形的能力。常用伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ）来表示。 ２、塑性的衡量指标 （１）伸长率（δ） 试样拉断后，试样的伸长量与拉断前试样的长度的百分比称为伸长率 （２）断面收缩率（Ψ） 试样拉断后，颈缩处横截面积的缩减量与拉伸前原试样横截面积的百分比 （注：塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致突然断裂，因此比较安全） （四）硬度 １、硬度的概念 金属材料抵抗局部变形特别是塑性变形、表面压痕或表面划痕的能力称为硬度。它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。 ２、常用硬度测试方法 （１）布氏硬度（ＨＢ） 测试方法：压入法 ＨＢＳ（普通淬火钢球压头） ＨＢＷ（硬质合金钢球压头） 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 表示方法：符号HBS或HBW之前的数字为硬 度值，符号后面依次为钢球直径、试验力、试验力保持的时间（10~15s不标记）。 应用范围及有缺点：实验压力大，压痕大，能较准确的反映金属材料的平均性能，故适用于测定会铸铁、有色金属及各种软钢等硬度不高的材料。但不宜测量成品及薄件。 （2）洛氏硬度（HR） 测试方法：压入法 120º金刚石圆锥体压头 Φ1.588mm淬火钢球 表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。 优缺点：操作简单，能直接从刻度盘上读出读数，压痕小，可以测定成品以及薄件。 （3）维氏硬度（HV） 测试方法：压入法 相对面夹角为136º的正四棱锥体金刚石压头 表示方法：符号HV前面的数字表示硬度值，后面的为试验力保持的时间（10~15s不标记）。 优缺点：试验力较小，压入深度不大，故可测量薄件或表面渗碳、渗氮层的硬度，且硬度值有连续性，故可测量很软到很硬的各种金属材料，且准确性很高。 （五）冲击韧性 1、冲击韧性的概念 金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力称为冲击韧性。通常用ak表示冲击韧性。 （注：使用不同类型的试样（V型缺口或U型缺口）进行试验时，冲击韧度分别标记为akv或aku） 2、小能量多次冲击 实践表明：承受冲击载荷的机械零件，大多数情况下是因小能量多次冲击而遭到破坏的，所以对材料进行小能量多次冲击试验是很重要的。一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反之也一样。金属材料受大能量冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度ak的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。

教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 （六）疲劳强度 1、疲劳强度的概念 疲劳强度是指金属材料在无数次的交变载荷的作用下而不断裂的最大应力称为疲劳强度。用σ-1表示。 2、疲劳破坏的特征 （1）疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前无预兆，而是突然的。 （2）引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点。 （3）疲劳破坏的宏观断口由裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）两部分组成。 3、影响疲劳强度的因素及提高疲劳极限的措施 因素：如工作条件、零件表面状态、材料成分、组织及残余应力等。 措施：改善零件的结构形式、降低零件表面粗糙度、采用各种表面强化的方法（例如表面渗碳、表面渗氮等）。 通过本节内容的学习，同学们要了解有关四、课堂总结 强度、塑性、硬度、冲击韧性以及疲劳强度的 概念及其衡量指标，重点掌握对拉伸曲线各阶 段的分析及其各阶段的特征。除此之外还要对 疲劳破坏的特点加以认识。 五、布置作业 1、课后练习 2、低碳钢拉伸曲线的绘制及各阶段的分析。 3、疲劳破坏有哪些特点？ 教学反思 由于是第一节课，大多数学生的学习积极性较高，能够很好的理解金属材料的机械（力学）性能和工艺性能的区别。

课 题 教 学 目 标 教学重点 教学难点 教学用具 知识目标 能力目标 情感目标 金属材料的性能2（2课时） 1、了解金属工艺性能的有关基本概念 2、熟悉和掌握金属材料各工艺性能的衡量指标 应使学生能利用工艺性能指标判别简单工件加工过程 对工艺性能在加工中的重要性予以充分认识 1、金属工艺性能的有关基本概念 2、金属材料各工艺性能的衡量指标 金属材料各工艺性能的衡量指标 多媒体、PPT、图片、视频 教学方法 阅读教学法、归纳法、举例分析法 教学过程设计 教学环节 一、组织教学 金属材料仅有良好的力学性能是不够的，除二、导入新课 此之外还必须有良好的工艺性能，只有这样， 才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉 的工件。我们可通过举一些例子来说明这个问 题。例如：有色金属（如青铜）铸造性很好， 常用来铸造精美的工艺品；再如铸铁的铸造性 能要比钢好，因此常用铸造的方法生产零件； 但是钢的锻造性能很好，可以用锻造的工艺方 法生产出力学性能较高的机械零件，而铸铁则 不能锻造。 教师活动 学生活动 设计意图 举例：让学生头脑中形成概念 工艺性能：指金属材料对不同加工工艺方 法的适应能力，主要包括铸造性能、锻造性能、三、新课教学 焊接性能、切削加工性能以及热处理性能等。 工艺性能直接影响到零件制造工艺和质量，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的因素之一。 （一）铸造性能 1、铸造性能的概念 金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。 2、铸造性能衡量指标 （1）流动性 流动性好的金属容易充满铸型，从而可以获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件

教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 （2）收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。 （3）偏析倾向 金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，从而降低了铸件的质量，尤其对大型铸件危害更大。 （二）锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形扛力越小，金属的锻造性能越好。 （三）焊接性能 焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，也就是说在一定焊接工艺下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性的好坏主要取决于钢中的含碳量，含碳量越低，焊接性越好；反之含量越高，焊接性越差。 （四）切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能的好坏主要取决于钢的化学成分以及组织状态等因素。一般认为材料具有适当硬度（170-230HBS）和足够的脆性时较易切削。例如铸铁比钢的切削加工性能要好，一般碳钢要比高合金钢切削加工性能好。 通过本节内容的学习，我们知道金属材料四、课堂总结 仅有良好的力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，只有这样，才能得到生产工艺 简单、质量良好、成本低廉的工件。 五、置作业 练习册P1—P3 金属的工艺性能包括那些？影响其好坏的因素有哪些？ 教学反思 通过本节内容的学习，我们知道金属材料仅有良好的力学性能是不够的，还必须具有良好的工艺性能，只有这样，才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件。