《金屬材料與熱加工基礎(chǔ)》課程教案系（部）教研室課程代碼學(xué)分課程性質(zhì)必修（）專業(yè)選修（）公共選修（）授課專業(yè)授課班級(jí)任課教師職稱考核方式

金屬材料與熱加工基礎(chǔ)教案（章節(jié)備課）章次第二章金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶分析課時(shí)安排總學(xué)時(shí)數(shù)：8～10理論教學(xué)時(shí)數(shù)：6～8實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)：2教學(xué)目的與要求本章主要通過金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶分析的學(xué)習(xí)，掌握金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶的基本知識(shí)，初步具有分析和應(yīng)用鐵碳合金相圖的能力。本章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖示純金屬晶體結(jié)構(gòu)純金屬晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、鋼的化學(xué)熱處理金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶分析金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶分析金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶合金的結(jié)晶金屬結(jié)晶分析金屬結(jié)晶分析鐵碳合金的基本相和基本組織鐵碳合金的基本相和基本組織碳含量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響鐵碳合金的基本相和基本組織鐵碳合金的基本相和基本組織碳含量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響鐵碳合金相圖的應(yīng)用鐵碳合金相圖分析章重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：1.鐵碳合金的基本相和基本組織2.鐵碳合金的基本相和基本組織難點(diǎn)：鐵碳合金的基本相和基本組織教學(xué)方法手段1.教法：（1）案例引導(dǎo)法（2）問題法（3）小組討論法（4）實(shí)驗(yàn)法2.學(xué)習(xí)法：（1）文獻(xiàn)查閱法（2）分組合作學(xué)習(xí)法（3）自主學(xué)習(xí)法3.教學(xué)手段：多媒體、教學(xué)視頻。主要參考資料金屬材料與熱加工基礎(chǔ)備注

金屬材料與熱加工基礎(chǔ)教案（課時(shí)備課）第1次課2學(xué)時(shí)第一節(jié)認(rèn)識(shí)金屬的晶體結(jié)構(gòu)本次重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：常見的金屬晶格類型,純金屬結(jié)晶過程，晶粒大小對(duì)材料性能的影響難點(diǎn)：金屬結(jié)晶過程教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)程安排案例導(dǎo)入“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”一、純金屬晶體結(jié)構(gòu)1.晶體結(jié)構(gòu)基本知識(shí)（1）晶格（2）晶胞（3）晶格常數(shù)2.金屬中常見的晶格類型（1）體心立方晶格晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的8個(gè)頂角和中心各有1個(gè)原子。（2）面心立方晶格晶胞也是一個(gè)立方體，在立方體的8個(gè)頂角和6個(gè)面的中心各有1個(gè)原子。（3）密排六方晶格晶胞是六方柱體，在六方柱體的12個(gè)頂角和上下底面中心各有1個(gè)原子，另外在上下面之間還有3個(gè)獨(dú)立排列的原子。提示：各類金屬因其晶體結(jié)構(gòu)不同，所以它們的性能也不一樣，即使同一晶格類型，但由于晶格常數(shù)不同，其性能也不相同。3.實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）點(diǎn)缺陷指長、寬、高尺寸都很小的缺陷，常見的點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子和置換原子。（2）線缺陷是指空間二維方向上尺寸較小，在另一維方面上尺寸較大的缺陷。在晶體內(nèi)部呈線狀分布，常見的是各種類型的位錯(cuò)。（3）面缺陷是指二維尺寸很大而第三維尺寸很小的缺陷，晶體中最常見的面缺陷主要有晶界和亞晶界。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)1.合金基本知識(shí)合金、組元、相、組織的基本概念2.合金的相結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的各組元之間的相互作用，合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物兩種類型。（1）固溶體的基本概念、分類和性能固溶體是指合金在液態(tài)下相互溶解，固態(tài)下也相互溶解，即一種組元的晶格溶解了另一組元的原子而形成的均勻相。固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同，它是一種單一均勻的物質(zhì)。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，可明顯提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體使合金一般具有較好的綜合力學(xué)性能。(2)金屬化合物的基本概念、分類和性能合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種新的具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)與性能和原組元都不同。例如：鐵碳合金中的滲碳體就是鐵和碳所組成的金屬化合物。其晶體結(jié)構(gòu)與性能和鐵、碳都不同。金屬化合物的熔點(diǎn)較高，性能硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。備注：第二節(jié)金屬結(jié)晶分析案例導(dǎo)入：在北方寒冷的冬天，我們常常會(huì)看到漂亮的雪花、冰窗花和霧松，它們堪稱大自然的杰作。你知道它們是怎樣形成的嗎？你知道金屬是怎樣結(jié)晶的嗎？一、純金屬的結(jié)晶1.純金屬結(jié)晶的基本規(guī)律（1）冷卻曲線（2）過冷現(xiàn)象實(shí)際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶的冷卻速度都很快。因此，金屬液的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn總是低于理論結(jié)晶溫度T0，如圖所示。金屬結(jié)晶時(shí)的這種現(xiàn)象稱為過冷，兩者溫度之差稱為過冷度ΔT=T0－Tn。金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度與其冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，過冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度就越低。2.在純金屬的結(jié)晶過程（1）晶核的形成自發(fā)晶核與非自發(fā)形核（2）晶核的長大3.晶粒大小及控制(1)晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒愈細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度愈高，塑性、韌性也愈好。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，總是希望獲得細(xì)小的晶粒。(2)細(xì)化晶粒常用的方法（1）增加過冷度（2）變質(zhì)處理此外，還可采用機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和超聲波振動(dòng)等措施，來使生長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目增多，從而細(xì)化晶粒。4.金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變小結(jié)及作業(yè)布置

金屬材料與熱加工基礎(chǔ)教案（課時(shí)備課）第2次課2學(xué)時(shí)第二節(jié)金屬結(jié)晶分析、第三節(jié)鐵碳合金相圖本次重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：合金的結(jié)晶，鐵碳相圖的基本相和基本組織難點(diǎn)：合金的結(jié)晶教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)程安排第二節(jié)金屬結(jié)晶分析合金的結(jié)晶二元合金相圖的建立提示：與純金屬不同的是，一般合金有兩個(gè)臨界點(diǎn)，說明合金的結(jié)晶過程是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。相圖上的每個(gè)點(diǎn)、線、區(qū)都具有一點(diǎn)的物理意義。2.二元合金的結(jié)晶過程（1）勻晶相圖是兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖。如Cu-Ni、Cu-Au、W-Mo、Fe-Ni等都屬于勻晶相圖。（2）二元共晶相圖二元共晶相圖是兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)，形成共晶組織的相圖。如：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等都屬于共晶相圖。第三節(jié)鐵碳合金相圖分析一、鐵碳合金的基本相及基本組織通常僅研究WC≤6.69%的鐵碳合金，又稱Fe-Fe3C合金。1.鐵素體定義：碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用F表示。力學(xué)性能：與純鐵接近，即強(qiáng)度、硬度較低，但塑性、韌性良好。顯微組織：與純鐵近似，呈明亮白色的等軸多邊形晶粒。2.奧氏體定義：碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用A表示。溶碳能力：1148℃時(shí)溶碳量為2.11%，在727℃時(shí)溶碳量為0.77%。性能：強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性好，易于壓力加工。顯微組織：明亮的多邊形晶粒。3.滲碳體定義：滲碳體為鐵和碳形成的金屬化合物，用其分子式Fe3C表示。含碳量：6.69%，熔點(diǎn)：1227℃，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。性能特點(diǎn)：硬而脆，是鐵碳合金的主要強(qiáng)化相。滲碳體在鐵碳合金中的形態(tài)可呈片狀、網(wǎng)狀、粒狀、板條狀。滲碳體越細(xì)小，在固溶體基體中分布越均勻，合金的力學(xué)性能越好；反之，越粗大或呈網(wǎng)狀分布則脆性越大。4.珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體相間排列而成的層片狀的機(jī)械混合物，用P表示。珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。5.萊氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的液態(tài)鐵碳合金，在1148℃時(shí)從液態(tài)中同時(shí)結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，用Ld表示。室溫下的萊氏體是由珠光體和滲碳體組成，這種混合物叫低溫萊氏體，用L/d表示。萊氏體以滲碳體為基體，性能有滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。二、小結(jié)及作業(yè)布置（5分鐘）備注：

金屬材料與熱加工基礎(chǔ)教案（課時(shí)備課）第3次課4學(xué)時(shí)第三節(jié)鐵碳合金相圖分析本次重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：鐵碳合金特征點(diǎn)和特征線、典型鐵碳合金的結(jié)晶難點(diǎn)：典型鐵碳合金的結(jié)晶過程和室溫組織教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)程安排二、鐵碳合金相圖的分析鐵碳合金相圖是表示在緩慢加熱（冷卻）條件下（即平衡狀態(tài)），鐵碳合金的成分、溫度和組織之間關(guān)系的圖形。它是研究鐵碳合金的重要工具。1.鐵碳合金相圖的主要特征點(diǎn)與特征線（1）鐵碳合金相圖的主要特征點(diǎn)特性點(diǎn)溫度/℃Wc（%）含義A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)。發(fā)生共晶反應(yīng)(LC?AE+Fe3C)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度，碳鋼與白口鑄鐵的分界點(diǎn)G9120純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（α-Fe?γ-Fe）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)。發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（AS?Fp+Fe3C）（2）鐵碳合金相圖的主要特征線特性線名稱含義ACD液相線此線以上合金全部為液相（L）。金屬液冷卻到AC線以下和CD線以下從液相中分別結(jié)晶出奧氏體和一次滲碳體Fe3CⅠAECF固相線金屬液冷卻到此線全部結(jié)晶為固態(tài)，此線以下為固態(tài)區(qū)。液相線與固相線之間為金屬液的結(jié)晶區(qū)。這個(gè)區(qū)域內(nèi)金屬液相與固相并存，AEC區(qū)域內(nèi)為金屬液相與奧氏體，CDF區(qū)域內(nèi)為金屬液相與滲碳體ECF共晶線Wc＞2.11%的鐵碳合金，緩冷卻到此線時(shí)（1148℃），液相將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而生成萊氏體（Ld）PSK共析線又稱A1線，Wc＞0.0218%的鐵碳合金，緩冷至此線（727℃），均將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即奧氏體將生成鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物珠光體（P）GSA3線也稱奧氏體和鐵素體相互轉(zhuǎn)變線。冷卻時(shí)從奧氏體中析出鐵素體的開始線；加熱時(shí)，鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的結(jié)束線ESAcm線碳在奧氏體中的溶解度曲線。碳在奧氏體中的最大溶解度是E點(diǎn)（Wc=2.11%）。隨著溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出滲碳體。為和直接從液相中結(jié)晶出來的滲碳體（Fe3CⅠ）相區(qū)別，將奧氏體中析出的滲碳體成為二次滲碳體（Fe3CⅡ）。2.鐵碳合金的分類3.典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程分析為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、理解鐵碳相圖，現(xiàn)以碳鋼和白口鑄鐵的幾種典型合金為例，分析其結(jié)晶過程及在室溫下的顯微組織。（1）共析鋼室溫組織是珠光體。共析鋼(珠光體)的顯微組織：白色基體為鐵素體，黑色層片為滲碳體。(2)亞共析鋼圖2-23中合金Ⅱ?yàn)閃c＝0.45%的亞共析鋼，其結(jié)晶過程如圖2-25所示。室溫組織都是鐵素體與珠光體。但隨含碳量增加，鐵素體量逐漸減少，珠光體量逐漸增多。(3)過共析鋼圖2-23中合金Ⅲ為Wc＝1.2%的過共析鋼，其結(jié)晶過程如圖2-27所示。室溫組織都是珠光體與網(wǎng)狀二次滲碳體。但隨含碳量的增加，珠光體量逐漸減少，二次滲碳體量逐漸增多。二次滲碳體以網(wǎng)狀分布在晶界上，將明顯降低鋼的強(qiáng)度和韌性。因此，過共析鋼在使用之前，應(yīng)采用熱處理等方法消除網(wǎng)狀二次滲碳體。(4)共晶白口鑄鐵圖2-23中合金Ⅳ為Wc＝4.3%的共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過程如圖2-29所示。室溫組織是珠光體和滲碳體（共晶滲碳體和二次滲碳體）組成的兩相組織，即低溫萊氏體L′d。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖2-30所示，圖中黑色部分為珠光體，白色基體為滲碳體（共晶滲碳體和二次滲碳體連在一起難以分辨）。(5)亞共晶白口鑄鐵圖2-22中合金Ⅴ為WC＝3.0%的亞共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過程：室溫組織是珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體L/d。圖中黑色枝狀或塊狀為珠光體，黑白相間的基體為低溫萊氏體，珠光體周圍白色網(wǎng)狀為二次滲碳體。(6)過共晶白口鑄鐵合金Ⅳ為WC＝5.0%的過共晶白口鑄鐵，其結(jié)晶過程如圖所示。室溫組織是低溫萊氏體L/d和Fe3CⅠ。圖中白色條狀為Fe3CⅠ，基體為低溫萊氏體。三、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1.含碳量對(duì)