中等職業(yè)教育改革與創(chuàng)新規(guī)劃教材

《金屬材料及熱處理》（第2版）

電子教案

主編王英杰

機械工業(yè)出版社

金屬材料及熱處理（第2版）電子教案

內(nèi)容簡介

一、教案編寫說明

本教案是根據(jù)機械工業(yè)出版社已經(jīng)出版發(fā)行的由王英杰主編的教材《金屬材料及熱處理》（第2

版）編寫的。

本教案涉及內(nèi)容是：金屬材料與機械產(chǎn)品制造過程簡介、金屬材料的性能、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

與結(jié)晶、鐵碳合金相圖、非合金鋼、鋼材熱處理、低合金鋼與合金鋼、鑄鐵、非鐵金屬及其合金、金

屬材料的選擇與分析等。

本教材建議總課時48學(xué)時，具體學(xué)時分配如下表:

章建議課時章建議課時章建議課時

緒論、第一章4第五章2第九章4

A-A-、-

弟一早4第八早8第十章2

第三章6第七章6綜合實訓(xùn)6

第四章4第八章2

小計181812

總計48

如果用書學(xué)校給定的課程教學(xué)課時與本教案編排的48課時有出入，任課教師可根據(jù)本教案進(jìn)行靈

活調(diào)整，編排出適合于本校教學(xué)要求的教案。

二、教案使用說明

1.教案編號

本教案是按章節(jié)順序編寫的，并以2學(xué)時為一個單元。

2.教學(xué)目標(biāo)與要求

對于教學(xué)目標(biāo)與要求，任課教師可以根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的實際情況自主確定，本教案不具

體編寫。

3.對學(xué)生情況的分析

對于學(xué)生情況的分析，任課教師可以根據(jù)本校生源的具體情況自主確定，本教案不予表述。

4.教學(xué)設(shè)計思路

教學(xué)有法，教無定法。本教案僅從知識的重點和難點等方面對教案進(jìn)行一般性設(shè)計。當(dāng)涉及教學(xué)

設(shè)計創(chuàng)新時，任課教師可根據(jù)本校、本專業(yè)、學(xué)生的實際情況以及任課教師的自身特點等進(jìn)行合理創(chuàng)

新，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

本教案總體來說，是以講解與演示（或?qū)嵺`）交叉方式進(jìn)行教學(xué)活動的。對于課程中的重點和難

點內(nèi)容，建議多輔以多媒體輔助教學(xué)資源、實物、演示實驗、理實一體化教學(xué)等手段、方法和方式，

以提高教學(xué)內(nèi)容的直觀性，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識及相關(guān)技能。另外，任課教師還可以通過現(xiàn)場觀察

活動、試驗設(shè)備操作、教具演示以及實訓(xùn)活動，幫助學(xué)生對所學(xué)知識的理解，以及掌握相關(guān)基本技能。

對于實驗課，建議任課教師可根據(jù)本校的實訓(xùn)條件以及授課的具體進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)籌安排，在本教案

中不作具體課時要求。

5.多媒體輔助教學(xué)資源

為了盡可能形象、直觀、有效地展示相關(guān)知識，幫助學(xué)生掌握和理解相關(guān)知識。本教案在講解與

示范過程中需要演示一定數(shù)量的多媒體輔助教學(xué)資源，如課件、動畫、圖片、實物等。

對于多媒體輔助教學(xué)資源的建設(shè)工作，建議以優(yōu)秀教材為藍(lán)本，做到圖文準(zhǔn)確。

6.教學(xué)過程

教學(xué)過程通常分為五個步驟：

（1）新課導(dǎo)入（5?10分鐘）

新課導(dǎo)入包含檢測上次課的主要知識點、預(yù)習(xí)情況以及新課的案例等。具體措施一般以回顧上次

所講內(nèi)容為主，可采用提問、演示、討論、問題分析等方式，激發(fā)學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)

生積極思考、互動、交流，同時再輔以評價、鼓勵、歸納等環(huán)節(jié)，增強學(xué)生的自信心和成就感。

最后，簡述本次課的主要知識點和需要掌握的基本知識及相關(guān)要求。

（2）講解與示范（60?65分鐘）

教師可根據(jù)授課內(nèi)容選擇適宜的教具、典型案例和教學(xué)手段，采用講解與演示（或?qū)嵺`）交叉進(jìn)

行的方式組織教學(xué)活動。必要時，教師應(yīng)盡可能采用多媒體輔助教學(xué)資源及實物等對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行介

紹，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。

建議：在設(shè)計教學(xué)活動過程中，任課教師要精講，要講重點和難點，切忌滿堂灌，滔滔不絕地講,

一定要合理地控制教師講解的時間，不能講得太多，一定要合理地留出學(xué)生自主學(xué)習(xí)、相互交流探討、

師生互動的時間，這樣做不僅可以發(fā)揮教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的作用，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,

培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，可以達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。另外，嚴(yán)格控制教師講解的時間還可以做到教

師不累，學(xué)生不煩的和諧教學(xué)氛圍。

（3）學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（或測試活動）（10?15分鐘）

具體組織形式可以是：學(xué)生分組學(xué)習(xí)、問題交流與探討、調(diào)研活動、主題活動等。在學(xué)生自主學(xué)

習(xí)活動過程中，任課教師要針對學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動過程，合理地進(jìn)行整體調(diào)控和引導(dǎo)，切實發(fā)揮以學(xué)

生為主體，以教師為主導(dǎo)的教學(xué)氛圍。

對于學(xué)習(xí)效果的評價，任課教師可采用學(xué)生自評、互評、教師評價等方式。

（4）課堂小結(jié)（5-10分鐘）

課堂小結(jié)主要是對本次課的主要內(nèi)容和注意事項進(jìn)行歸納與小結(jié)，簡評學(xué)生掌握及理解知識（或

技能）的情況，幫助學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)重點等。

（5）作業(yè)及要求

作業(yè)盡可能以教材中的習(xí)題為主，簡單明了，要便于學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固所學(xué)知識，不要出難題，要

樹立幫助學(xué)生復(fù)習(xí)，幫助學(xué)生掌握知識的新觀念，而不是“考住”學(xué)生、“難住”學(xué)生。另外，如果有

必要，可少量地布置一些補充題，或附加的課外學(xué)習(xí)資料、課外主題活動等。

7.板書設(shè)計

本教案不對板書設(shè)計做具體指導(dǎo)，任課教師可根據(jù)多媒體輔助教學(xué)資源和課堂實際情況合理地進(jìn)

行設(shè)計，本教案不予表述。

8.教學(xué)后記

做好教學(xué)后記對于提高任課教師的教學(xué)水平，提高教學(xué)質(zhì)量是非常重要的基礎(chǔ)性工作，同時也是

教學(xué)督導(dǎo)的一個方面。因此，本次課講授完畢后，任課教師應(yīng)根據(jù)課堂上的實際情況和作業(yè)反饋情況

及時地對本次課進(jìn)行認(rèn)真的分析和總結(jié)，并提出改進(jìn)措施。

如果任課教師能長期地堅持寫教學(xué)后記，則有益于提高教學(xué)水平，提高教學(xué)質(zhì)量，并增強教研能

力和意識。此項工作需要任課教師在課后及時進(jìn)行歸納與總結(jié)，在本教案設(shè)計中不予具體表述。

三、課程教學(xué)說明

本課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，實踐性較強。在教學(xué)過程中，應(yīng)注意將理論教學(xué)與實踐教學(xué)（或經(jīng)

典案例）緊密地結(jié)合起來。課堂教學(xué)過程中要多采用現(xiàn)實生活中的實例進(jìn)行引導(dǎo)，將生活中的間接經(jīng)

驗變?yōu)閷W(xué)生的直接經(jīng)驗（或感性認(rèn)識），要充分利用多媒體輔助教學(xué)資源、實物、教具等進(jìn)行演示，盡

可能提高學(xué)生的理解能力和實踐技能。

教學(xué)過程中要善于發(fā)揮教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的作用。任課教師要多啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生掌握關(guān)鍵

知識點和技能。在實踐教學(xué)中，要善于引導(dǎo)學(xué)生多觀察、多交流、多實踐，提高學(xué)生分析問題和解決

問題的能力。在理論教學(xué)與實踐教學(xué)過程中，要加強和營造學(xué)生之間的交流、互動及探討風(fēng)氣，激發(fā)

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的交流能力、溝通能力和協(xié)作能力。

編者

2016年6月

教案一

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

緒論

一、金屬材料的地位

金屬材料是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，人類利用金屬材料制作了生產(chǎn)和生活用的工具、設(shè)備

及設(shè)施，不斷改善了人類生存的環(huán)境與空間，創(chuàng)造了豐富的的物質(zhì)文明和精神文明。

科學(xué)家把金屬材料比做現(xiàn)代工業(yè)的骨架。

二、節(jié)約金屬材料

一是向地殼的深部要金屬；二是向海洋要金屬；三是節(jié)約金屬材料，尋找它的代用品。

三、中國古代在使用和加工金屬材料的成就

歷史上我國是使用和加工金屬材料最早的國家之一。

我國使用和加工銅的歷史約有4000多年。

早在公元前6世紀(jì)即春秋末期，我國就已出現(xiàn)了人工冶煉的鐵器，比歐洲出現(xiàn)生鐵早1900多年。

明朝宋應(yīng)星所著《天工開物》一書中詳細(xì)記載了古代冶鐵、煉鋼、鑄鐘、鍛鐵、淬火等多種金屬

材料的加工方法。書中介紹的鏗刀、針等工具的制造過程與現(xiàn)代幾乎一致，可以說《天工開物》是世

界上闡述有關(guān)金屬成形加工工藝內(nèi)容最早的科學(xué)著作之一。

四、我國在金屬材料生產(chǎn)方面取得的成就

2013年我國鋼鐵產(chǎn)量突破7.8億噸，成為國際鋼鐵市場上舉足輕重的“第一力量”，產(chǎn)量約占世界

鋼產(chǎn)量的半壁江山，也是鋼材出口大國。

現(xiàn)在中國機械制造業(yè)正從“機械制造大國”向“機械制造強國”方向發(fā)展；由“制造大國”向“智”

造強國發(fā)展；由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”、“中國創(chuàng)新”轉(zhuǎn)變。

可以說，金屬材料及其成形加工工藝水平的高低，在某種程度上代表著一個國家的機械制造水平,

并與國民經(jīng)濟的快速發(fā)展有著密切的關(guān)系。

五、金屬材料及熱處理課程的性質(zhì)

1.性質(zhì)：該課程是融匯多種專業(yè)基礎(chǔ)知識為一體的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)從事機械制造行業(yè)

應(yīng)用型、管理型、操作型與復(fù)合型人才的必修課程。

2.教學(xué)內(nèi)容：內(nèi)容廣、實踐性強，比較系統(tǒng)地介紹了金屬材料基礎(chǔ)知識、鋼鐵材料熱處理、鋼鐵

材料、非鐵金屬及其合金、鑄造成形、鍛壓成形、焊接成形、金屬切削加工基礎(chǔ)(包括特種加工與數(shù)

控加工)、切削加工工藝過程制定、機械裝配、鉗工等知識與技能。

學(xué)習(xí)該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程素質(zhì)、技術(shù)應(yīng)用能力、經(jīng)濟意識、環(huán)保意識、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)

新能力也是非常有益的。

同學(xué)們在學(xué)習(xí)本課程時,一定要多聯(lián)系自己在金屬材料和非金屬材料方面的感性知識和生活經(jīng)驗,

要多討論、多交流、多分析和多研究，特別是在實習(xí)中要多觀察，勤于實踐，做到理論聯(lián)系實際，這

樣才能更好地學(xué)好教材中的基礎(chǔ)知識，做到融會貫通，全面發(fā)展。

六、學(xué)習(xí)本課程的教學(xué)要求

(1)了解金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、組織及性能之間的密切關(guān)系；

(2)了解金屬材料的分類、牌號、性能、用途之間的相互關(guān)系，熟悉常用金屬材料的選用原則，

做到靈活應(yīng)用。

(3)了解常用金屬材料熱處理工藝的原理、特點及其應(yīng)用。

第一單元金屬材料與機械產(chǎn)品制造過程簡介

模塊一金屬材料的分類

金屬材料的基本概念

金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的并具有金屬特性的工程材料。它包括純金

合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料，如普通黃銅是由銅和

鋅兩種金屬元素組成的合金，碳素鋼是由鐵和碳組成的合金。

金屬材料的分類

金屬

非合金鋼

低合金鋼

鋼鐵材料

合金鋼

、鑄鐵

金屬材料?'銅及銅合金

鋁及鋁合金

非鐵金屬軸承合金

鈦及鈦合金

其他非鐵合金

（1）鋼鐵材料。以鐵或以它為主而形成的物質(zhì)，稱為鋼鐵材料（或稱黑色金屬），如鋼和生鐵。

（2）非鐵金屬。除黑色金屬以外的其它金屬，都稱為非鐵金屬（或稱有色金屬），如銅、鋁、鎂、

鈦、鋅、錫、鉛等。

模塊二鋼鐵材料生產(chǎn)過程簡介

鋼鐵是鐵和碳的合金。

鋼鐵材料按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)耽（含碳量）進(jìn)行分類，包括工業(yè)純鐵（wc<0.0218%）；鋼（wc=0.0218%?

2.11%）和生鐵（wc>2.11%

鋼材生產(chǎn)是以生鐵為主要原料，將生鐵裝入高溫的煉鋼爐里，通過氧化作用降低生鐵中碳和雜質(zhì)

的質(zhì)量分?jǐn)?shù)煉成鋼液，然后將鋼液鑄成鋼錠，再經(jīng)過熱軋或冷軋后，制成各種類型的鋼材。

煉鐵

煉鐵用的原料多數(shù)是鐵的氧化物，如赤鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等稱為鐵礦石。

鐵礦石中除了含有鐵的氧化物以外，還含有硅、鎰、硫、磷等元素的氧化物雜質(zhì)，這些雜物稱為

脈石。

煉鐵的實質(zhì)就是從鐵礦石中提取鐵及其有用元素形成生鐵的過程。

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)煉鐵的主要方法是高爐煉鐵。

高爐煉鐵的爐料主要是鐵礦石（FesOj、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）。

經(jīng)高爐冶煉出的鐵不是純鐵，其中溶有碳、硅、鎬、硫、磷等雜質(zhì)元素，這種鐵稱為生鐵。

生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品。根據(jù)用戶的不同需要，生鐵可分為兩類：鑄造生鐵和煉鋼生鐵。

高爐煉鐵產(chǎn)生的副產(chǎn)品是煤氣和爐渣。

煉鋼

煉鋼是以生鐵(鐵液和生鐵錠)和廢鋼為主要原料，再加熔劑(石灰石、螢石)、氧化劑(。2、鐵

礦石)和脫氧劑(鋁、硅鐵、鑄鐵)等。

1

現(xiàn)代煉鋼方法主要有氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電弧爐煉鋼法。

2

按鋼液脫氧程度不同，鋼可分為特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)、鎮(zhèn)靜鋼(Z),半鎮(zhèn)靜鋼(b)和沸騰鋼(F)

鎮(zhèn)靜鋼是脫氧完全的鋼。這類鋼錠化學(xué)成分均勻，內(nèi)部組織致密，質(zhì)量較高。但由于鋼錠頭部形

成相當(dāng)深的縮孔，軋制時被切除，鋼材浪費較大。

沸騰鋼是指脫氧不完全的鋼。這類鋼錠不產(chǎn)生縮孔，切頭浪費小。但是，鋼的化學(xué)成分不均勻，

特殊鎮(zhèn)靜鋼脫氧質(zhì)量優(yōu)于鎮(zhèn)靜鋼，其內(nèi)部材質(zhì)均勻，非金屬夾雜物含量少，滿足特殊需要。

3.鋼的澆注

鋼液經(jīng)脫氧后，除少數(shù)用來澆鑄成鑄鋼件外，其余都澆鑄成鋼錠或連鑄坯。鋼錠用于軋鋼或鍛造

大型鍛件。

4

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論金屬材料在生活中的應(yīng)用。

2.同學(xué)搶答說出自己遇到的金屬材料，看誰說的多。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：金屬材料分類和相關(guān)基本概念

2.難點：煉鐵與煉鋼的實質(zhì)

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案二

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（58分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（15分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊三機械產(chǎn)品制造過程簡介

機械產(chǎn)品的制造過程一般分為機械產(chǎn)品設(shè)計、機械

模塊四機械產(chǎn)品加工工藝方法簡介

機械產(chǎn)品加工工藝方法主要有：鑄造、壓力加工、焊接、粉末冶金、切削加工、特種加工等。

鑄造是指熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能金屬零件毛

坯的成形方法。

壓力加工是利用壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形，使其改變形狀、尺寸和改善性能，獲得型材、棒材、

板材、線材和鍛壓件的加工方法。

焊接是指通過加熱或加壓或同時加熱加壓，并且用或不用填充材料使工件達(dá)到結(jié)合的一種工藝方

法。

粉末冶金是用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作原料，經(jīng)過壓制成形、燒結(jié)等工

序，制成各種金屬制品或金屬材料的一種冶金方法。

切削加工是指從工件表面切除一層多余的金屬，從而形成已加工表面的過程，如鉆削加工、車削

加工、銃削加工、刨削加工、磨削加工等。

特種加工是將電能、磁能、化學(xué)能、光能、聲能、熱能等或其組合施加在工件的被加工部位上，

從而使材料被去除、變形、改變性能或被鍍蓋的非傳統(tǒng)的加工方法。

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論金屬材料各種加工方法的特點及應(yīng)用。

2.智力搶答活動：一個同學(xué)說出一個零件，其他同學(xué)搶答，說明該零件的制造材料和加工方法，

看誰說得準(zhǔn)確并且多。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：機械產(chǎn)品加工工藝方法

2.難點：機械產(chǎn)品加工工藝方法

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案三

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

第二單元金屬材料的性能

金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。

使用性能是指金屬材料為保證機械零件或工具正常工作應(yīng)具備的性能，即在使用過程中所表現(xiàn)出

的特性，它包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。

工藝性能是指金屬材料在制造機械零件或工具的過程中，適應(yīng)各種冷、熱加工的性能，也就是金

屬材料采用某種加工方法制成成品的難易程度，它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理

性能及切削加工性能等。

模塊一金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料力學(xué)性能的基本概念

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)

系的性能，如彈性、強度、硬度、塑性、韌性等。

彈性是指物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又回復(fù)到其原始形狀和尺寸的

特性。

物體受外力作用后導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用的力稱為內(nèi)力，而單位面積上的內(nèi)力則為應(yīng)力必MPa

或N/mm2）o

應(yīng)變e是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化（%）

金屬力學(xué)性能指標(biāo)有：強度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

強度與塑性

強度是金屬材料抵抗永久變形和斷裂的能力。

塑性是金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。

永久變形是物體在力的作用下產(chǎn)生的形狀和尺寸的改變。

一、拉伸試驗

拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進(jìn)行軸向拉伸，測量拉伸力和相應(yīng)的伸長，并測其力學(xué)性能的試

驗。

1

試驗過程中通常采用圓柱形拉伸試樣。拉伸試樣分為短試樣和長試樣兩種。長試樣L°=10d。；短試

樣Lo=5do。

2.試驗方法

拉伸試驗在拉伸試驗機上進(jìn)行。將試樣裝在試驗機的上下夾頭上，開動機器，在壓力油的作用下,

試樣受到拉伸。同時，記錄裝置啟動，并記錄下拉伸過程中的力一

二、力-伸長曲線

在進(jìn)行拉伸試驗時，拉伸力F和試樣伸長量△/之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長曲線。通常把拉伸力

F作為縱坐標(biāo)，伸長量作為橫坐標(biāo)。

當(dāng)拉伸力繼續(xù)增加到K時，力-伸長曲線在s點后出現(xiàn)一個平臺，即在拉伸力不再增加的情況下，試

樣也會明顯伸長，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。拉伸力

當(dāng)拉伸力超過屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會增加，此現(xiàn)象為冷變形強化，即抗力增加

現(xiàn)象。

當(dāng)拉伸力達(dá)到4時，試樣的局部截面開始收縮，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。由于頸縮使試樣局部截面迅速縮

小，最終導(dǎo)致試樣被拉斷。

我是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力，稱為極限拉伸力。

三、強度指標(biāo)

金屬材料抵抗拉伸力的強度指標(biāo)有屈服強度、規(guī)定殘余延伸強度、抗拉強度等。

1.屈服強度和規(guī)定殘余延伸強度

屈服強度是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加（保持恒定）仍然能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力。

Re=A/S0

規(guī)定殘余延伸強度是指試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時

的應(yīng)力，用符號耳表示。例如，尺，0.2表示規(guī)定殘余伸長率為0?2%

2

抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。

&=￡/S。

此,是表征金屬材料由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是表征材料在靜拉伸

條件下最大承載能力。

四、塑性指標(biāo)

金屬材料的塑性可以用拉伸試樣斷裂時的最大相對變形量來表示，如拉伸后的斷后伸長率和斷面

1.

試樣拉斷后的標(biāo)距伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，用符號/表示。/可用下式計算：

^=(Lu-Lo)/LoXlOO%

2.■

斷面收縮率是指試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。斷面收縮率

用符號方M示。Z

=(So-Su)/SoX100%

硬度

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、

壓痕或劃痕的能力。

硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。

壓入法是在規(guī)定的靜態(tài)試驗力作用下，將一定的壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積

大小或深度測定其硬度值，這種評定方法稱為壓痕硬度。

在壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度

(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。

一、布氏硬度

布氏硬度的試驗原理是用一定直徑的硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持

時間后，去除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d,然后根據(jù)壓痕直徑d計算其硬度值的方法。

布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的。

2F

HBW=0.102x----------------1^=^=

兀D(D-、D2_屋)

由于金屬材料有硬有軟，工件有厚有薄，在進(jìn)行布氏硬度試驗時，壓頭直徑D(有10mm、5mm、2.5mm

和1mm四種)、試驗力和保持時間應(yīng)根據(jù)被測金屬材料種類和厚度正確地進(jìn)行選擇。

例如：150HBW10/1000/30表示用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球，在lOOOkgf(9.807kN)試驗力作用下，

保持30s測得的布氏硬度值為150

500HBW5/750表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球，在750kgf(7.355kN)試驗力作用下保持10?15s測得

的布氏硬度值。一般試驗力保持時間為10?15s

布氏硬度試驗的特點是試驗時金屬材料表面壓痕大，能在較大范圍內(nèi)反映被測金屬材料的平均硬

度，測得的硬度值比較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強。但由于其壓痕大，對金屬材料表面的損傷較大，不宜測

定太小或太薄的試樣。

布氏硬度試驗主要用來測試原材料的硬度，如鑄鐵、非鐵材料、經(jīng)退火處理或正火處理的金屬材

料及其半成品。

二、洛氏硬度

洛氏硬度試驗原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球，壓入試樣表面,

試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力，壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力的情

況下，根據(jù)試樣壓痕殘留深度增量h

根據(jù)壓頭和試驗力的不同，洛氏硬度常用A、B、C

HR=N-壓痕深度h/0.002

洛氏硬度數(shù)值寫在符號HR的前面，HR后面寫使用的標(biāo)尺，如50HRC表示用“C”標(biāo)尺測定的洛氏硬

度值為50

洛氏硬度試驗特點是：硬度試驗壓痕小，對試樣表面損傷小，常用來直接檢驗成品或半成品零件

的硬度，尤其是經(jīng)過淬火處理的零件，常采用洛氏硬度計進(jìn)行測試；試驗操作簡便，可以直接從試驗

機上顯示出硬度值，省去了繁瑣的測量、計算和查表等工作。但是，由于壓痕小，硬度值的準(zhǔn)確性不

如布氏硬度，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此，在測試金屬材料洛氏硬度時，要選取不同位置的三點測出硬度值,

再計算三點硬度的平均值作為被測金屬材料的硬度值。

三、維氏硬度

維氏硬度測定原理與布氏硬度基本相似。維氏硬度是用正四棱錐形壓痕單位表面積上承受的平均

壓力表示的硬度值。用符號HV表示，計算式如下：

HV=0.1891F/d2

試驗時用測微計測出壓痕的對角線長度，算出兩對角線長度的平均值后，查GB4340T984附表或計

例如：640HV30表示用30kgf(294.2N)試驗力，保持10?15s測定的維氏硬度值為640。

640HV30/20表示用30kgf(294.2N)試驗力，保持20s測定的維氏硬度值為640。

維氏硬度適用范圍寬，從很軟的材料到很硬的材料都可以測量，尤其適用于零件表面層硬度的測

量，如化學(xué)熱處理的滲層硬度測量，其測量結(jié)果精確可靠。但測取維氏硬度值時，需要測量對角線長

度，然后查表或計算，而且進(jìn)行維氏硬度測試時，對試樣表面的質(zhì)量要求高，測量效率較低，因此，

維氏硬度沒有洛氏硬度使用方便。

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論退火低碳鋼的拉伸過程及相關(guān)現(xiàn)象。

2.相互討論硬度與強度，硬度與塑性的一般關(guān)系。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：強度、塑性、硬度

2.難點：強度與塑性

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案四

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

韌性

韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

沖擊吸收功的單位是焦?fàn)枴＝饘俨牧享g性大小通常采用沖擊吸收功指標(biāo)來衡量，而測定金屬材料

的沖擊吸收功，通常采用夏比缺口沖擊試驗方法。

一、夏比沖擊試驗

1

帶V型缺口的試樣，稱為夏比V型缺口試樣，使用V型缺口試樣進(jìn)行沖擊試驗時，相應(yīng)的沖擊吸收功

用符號KV表示。

帶U型缺口的試樣，稱為夏比U型缺口試樣。使用U型缺口試樣進(jìn)行沖擊試驗時，相應(yīng)的沖擊吸收功

用符號KU表示

夏比沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行的。擺錘沖斷試樣所失去的勢能是：

KV=KV1-KV2（J）或KU=KU1-KU2（J）

KU（或KV）就是規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功，稱為沖擊吸

收功。

沖擊吸收功KV愈大，表示材料抵抗沖擊試驗力而不破壞的能力愈強。如果用沖擊試樣的斷口處的

橫截面積S去除KU（或KV）即可得到?jīng)_擊韌度，其用aw或a.表示，單位是J/cm2。

沖擊吸收功（或沖擊韌度）對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質(zhì)量、宏觀缺口

和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。

3.沖擊吸收功-

沖擊吸收功（或沖擊韌度）對溫度非常敏感，通過一系列溫度下的沖擊試驗可測出金屬材料的脆

化趨勢和韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

在進(jìn)行不同溫度的一系列沖擊試驗時，隨試驗溫度的降低，沖擊吸收功總的變化趨勢是隨溫度降

低而降低。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值時，沖擊吸收功急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種

現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。

金屬材料在一系列不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域,

稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標(biāo)。金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度愈低，

說明金屬材料的低溫抗沖擊性愈好。

二、多次沖擊試驗的概念

金屬材料在多次沖擊下的破壞過程是由裂紋產(chǎn)生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段組成。其破壞是

每次沖擊損傷積累發(fā)展的結(jié)果，不同于一次性沖擊的破壞過程。

疲勞強度

一、疲勞

循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力或應(yīng)變的大小、方向，都隨時間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力和應(yīng)變。常

見的循環(huán)應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力，其最大值R“ax和最小值的絕對值相等，即R它/Rmin=T。

零件在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一定時間的工作后會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬材料的疲勞。

疲勞斷裂時不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此，具有很大的危險性，常常造成嚴(yán)

重的事故。據(jù)統(tǒng)計，損壞的機械零件中80%以上是因疲勞造成的。

疲勞斷裂首先是在零件的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生，先形成微小的裂紋核心，即裂紋源。隨后在循環(huán)應(yīng)

力作用下，裂紋繼續(xù)擴展長大，形成擴展區(qū)。由于疲勞裂紋不斷擴展，使零件的有效工作面逐漸減小，

因此，零件所受應(yīng)力不斷增加，當(dāng)應(yīng)力超過金屬材料的斷裂強度時，則發(fā)生疲勞斷裂，即形成瞬斷區(qū)。

二、疲勞強度

金屬材料在循環(huán)應(yīng)力作用下能經(jīng)受無限多次循環(huán)，而不斷裂的最大應(yīng)力值稱為金屬材料的疲勞強

度。即循環(huán)次數(shù)值N無窮大時所對應(yīng)的最大應(yīng)力值，稱為疲勞強度。

在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應(yīng)于指定的循環(huán)基數(shù)下的中值疲勞強度。對于鋼鐵材料

其循環(huán)基數(shù)為101對于非鐵材料其循環(huán)基數(shù)為108。對于對稱循環(huán)應(yīng)力，其疲勞強度用R-表示。

2

許多試驗結(jié)果表明：金屬材料疲勞強度隨著抗拉強度的提高而增加，對于結(jié)構(gòu)鋼當(dāng)R,n<1400N/mm

時，其疲勞強度R-約為抗拉強度的二分之一。

模塊二金屬材料的物理性能與化學(xué)性能

金屬材料的物理性能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現(xiàn)出的

性能或固有的屬性。它包括密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。

金屬材料的化學(xué)性能是指金屬材料在室溫或高溫時抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用所表現(xiàn)出來的性能，它

包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。

金屬材料的物理性能

1

金屬材料的密度是指在一定溫度下單位體積金屬的質(zhì)量。

密度小于5XloTg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5XlO,kg/m，的金屬稱為重金屬。

2

金屬材料和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定的熔點。

熔點高的金屬材料稱為難熔金屬（如鴇、鋁、鋼等）。

熔點低的金屬稱為易熔金屬（如錫、鉛、鈿等）。

3

金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。金屬材料導(dǎo)熱能力的大小常用熱導(dǎo)率（亦稱導(dǎo)熱系數(shù)）入表

示。金屬材料的熱導(dǎo)率越大，說明其導(dǎo)熱性越好。一般說來，金屬材料越純，其導(dǎo)熱能力越大。合金

的導(dǎo)熱能力比純金屬差。金屬材料的導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。

4

金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的性能，稱為導(dǎo)電性。金屬材料導(dǎo)電性的好壞，常用電阻率P表示。電阻

5

金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹性的大小用線脹系數(shù)a?和體脹

系數(shù)av來表示。體脹系數(shù)近似為線脹系數(shù)的3倍。

6

金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能稱為磁性。通常應(yīng)磁導(dǎo)率四（H/m）表示。根據(jù)金

鐵磁性材料一在外加磁場中，能強烈地被磁化到很大程度，如鐵、鑲、鉆等。

順磁性材料―--------------------------

抗磁性材料一能夠抗拒或減弱外加磁場磁化作用的金屬，如銅、金、銀、鉛、鋅等。

金屬材料的化學(xué)性能

1.

金屬材料在常溫下抵抗氧、水及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。

耐候鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金，在室溫條件下能耐大氣腐蝕，一般都具有良好的耐腐蝕性。

2

金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例

如，鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時，氧化比較嚴(yán)重。

3

化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)

定性。在高溫條件下工作的設(shè)備(如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機、噴氣發(fā)動機等)上的部件需要選擇熱穩(wěn)

定性好的材料來制造。

模塊三金屬材料的工藝性能

1.鑄造性能

金屬材料在鑄造成形過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流

動性、吸氣性、收縮性和偏析等。

2.壓力加工性能

金屬材料利用壓力加工方法塑造成形的難易程度稱為壓力加工性能。壓力加工性能的好壞主要同

金屬材料的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形抗力越小，金屬材料的壓力加工性能越好。

3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求

的能力。鋼的焊接性能主要取決于碳及合金元素的含量，其中影響最大的是碳元素。

對于非合金鋼及低合金鋼，常用碳當(dāng)量來評定它的焊接性，所謂碳當(dāng)量是指把鋼中的合金元素(包

括碳)含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量的總和，用符號W(CE)表示。

國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量W(CE)的計算公式如下：

W(CE)=Wc+WMn/6+(WCr+WMo+Wv)/5+(WNi+Wcu)/15

在計算碳當(dāng)量時，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都取化學(xué)成分范圍的上限。

根據(jù)一般經(jīng)驗，碳當(dāng)量W(CE)<0.4%時，淬硬傾向小，焊接性良好，焊接時不需預(yù)熱；W(CE)

=0.4%?0.6%時，淬硬傾向較大，焊接性較差，一般需要預(yù)熱；W(CE)>0.6%時，淬硬傾向嚴(yán)重，

焊接性差，需要較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。

焊接性能好的金屬材料能獲得沒有裂縫、氣孔等缺陷的焊縫，并且焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、不銹鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。

4.切削加工性能

切削加工性能是指金屬材料在切削加工時的難易程度。切削加工性能好的金屬材料對使用的刀具

磨損量小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光潔。切削加工性能與金屬材料的硬度、熱導(dǎo)

性、冷變形強化等因素有關(guān)。如果金屬材料硬度在170?230HBW時，最易切削加工。

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論疲勞斷裂過程，舉例疲勞斷裂現(xiàn)象。

2.相互討論金屬腐蝕現(xiàn)象。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：韌性、疲勞強度

2.難點：疲勞強度

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案五

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

第三單元金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

模塊一金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

晶體與非晶體

固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類。

物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點（原子、離子或分子）呈規(guī)律性和周期性排列的物質(zhì)，稱為晶體。晶體具有固定熔

點、幾何外形和各向異性特征，諸如金剛石、石墨、單晶硅及一般固態(tài)金屬材料等均是晶體。

物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點呈無規(guī)則排列的稱為非晶體，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。

金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

一、晶格

為了便于清楚地描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，可把晶體內(nèi)部原子近似地視為

剛性質(zhì)點，用一些假想的直線將各質(zhì)點中心連接起來，便形成了一個空間格子，這種抽象地用于描述

原子在晶體中排列形式的空間幾何格子，稱為晶格。

二、晶胞

組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞。

三、常見金屬材料的晶格類型

1

體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的八個頂角和中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是2

個。具有這種晶格的金屬有鴇（W）、鋁（Mo）、銘（Cr）、釵（V）、a鐵（a—Fe）

2

面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞實

有原子數(shù)是4個。具有這種晶格的金屬有金（Au）、銀（Ag）、鋁（A1）、銅（Cu）、保（Ni）、Y鐵（丫一F

e）等。

3

密排六方晶格的晶胞是六方柱體，在六方柱體的十二個頂角和上下底面中心各有一個原子，另外

在上下面之間還有三個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是6個。具有此種晶格的金屬有鎂（Mg）,鋅（Zn）、

鍍（Be）、a鈦（a-Ti）

金屬材料的實際晶體結(jié)構(gòu)

如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，稱這塊晶體為單晶體。

由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

多晶體材料內(nèi)部以晶界分開的、晶體學(xué)位向相同的晶體稱為晶粒。

由于一般的金屬材料是多晶體結(jié)構(gòu)，故通常測出的性能是各個位向不同的晶粒的平均性能，其結(jié)

在晶界上原子的排列不象晶粒內(nèi)部那樣有規(guī)則性，這種原子排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。

根據(jù)晶體缺陷存在的幾何形式，可將晶體缺陷分為以下三種：點缺陷、線缺陷和面缺陷。

~?、點缺陷

點缺陷是晶體中呈點狀的缺陷，即在三維空間上的尺寸都很小的晶體缺陷。最常見的缺陷是晶格

線缺陷是指在三維空間的兩個方向上尺寸很小的晶體缺陷。這種缺陷主要是指各種類型的位錯。

所謂位錯是指晶格中一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。

面缺陷是指在二維方向上尺寸很大，在第三個方向上的尺寸很小，呈面狀分布的缺陷，通常面缺

陷是指晶界。

模塊二

由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。

通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶。

冷卻曲線與過冷度

液態(tài)金屬隨著時間的推移，溫度不斷下降，當(dāng)冷卻到某一溫度時，在冷卻曲線上出現(xiàn)水平線段，

這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度(T。)-

金屬在實際結(jié)晶過程中，從液態(tài)必須冷卻到理論結(jié)晶溫度(T。)以下才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過

冷。

理論結(jié)晶溫度T。和實際結(jié)晶溫度L之差A(yù)T

研究指出：金屬材料結(jié)晶時的過冷度并不是一個恒定值，而是與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，

在實際生產(chǎn)中，金屬材料結(jié)晶必須在一定的過冷度下進(jìn)行，過冷是金屬材料結(jié)晶的必要條件，但

不是充分條件。金屬材料要進(jìn)行結(jié)晶，還要滿足動力學(xué)條件，如必須有原子的移動和擴散等。

金屬材料的結(jié)晶過程

液態(tài)金屬材料在達(dá)到結(jié)晶溫度時，首先形成一些極細(xì)小的微晶體，稱為晶核。隨著時間的推移，

已形成的晶核不斷長大。與此同時，又有新的晶核形成、長大，直至液態(tài)金屬材料全部凝固。凝固結(jié)

束后，各個晶核長成的晶粒彼此相互接觸。晶核的形成和晶核長大是金屬材料結(jié)晶的基本過程。

金屬材料結(jié)晶后晶粒的控制

1

2

(1)加快液態(tài)金屬材料的冷卻速度。

(2)變質(zhì)處理。所謂變質(zhì)處理就是在澆注前，以少量固體材料加入熔融金屬中，增加形核數(shù)量，從

而達(dá)到細(xì)化晶粒，改善其組織和性能的方法。加入的少量固體材料可起晶核作用。

(3)采用機械振動、超聲波振動和電磁振動等，可使生長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)增多，從而達(dá)到

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論晶格類型及其特點。

2.相互討論晶體缺陷的特點及其對金屬性能的影響。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：晶體結(jié)構(gòu)、同素異構(gòu)

2.難點：位錯

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案六

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊三

金屬材料在固態(tài)下由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱同素異晶轉(zhuǎn)

變。

液態(tài)純鐵在結(jié)晶后具有體心立方晶格，稱為6—Fe,當(dāng)其冷卻到1394C時，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，

由體心立方晶格的6—Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦腨-Fe,再冷卻到912℃時，原子排列方式又由面心立

方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為a-Fe

5-Fe1394ry-Fe912ra-Fe

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料的一個重要特性，它是鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理的理論依據(jù)，同素異構(gòu)

轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的（猶如隊列變換隊形一樣）

（1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程來完成，新晶核優(yōu)先在原晶界處生

（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時有過冷（或過熱）

（3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上也會出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固

（4）

模塊四合金的相結(jié)構(gòu)

基本概念

一、組元

組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。

—一幺口￡無仝爾玄

由若干給定組元按不同比例配制而成的一系列化學(xué)成分不同的合金，稱為合金系。

相是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的

組織是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排

列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。

合金的晶體結(jié)構(gòu)

根據(jù)合金中各組元間的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物及機械混合物三種

一、固溶體

合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一組元原子而形成的晶體相，稱為固溶體。

在固溶體中晶格保持不變的組元稱為溶劑。固溶體的晶格類型與溶劑相同，固溶體中的其他組元

稱為溶質(zhì)。

1

溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子占據(jù)溶劑晶格部分結(jié)點位置時，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。

按溶質(zhì)溶解度的不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。

溶解度大小主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)。

大多數(shù)合金只能有限固溶，且溶解度隨著溫度的升高而增加。只有兩組元晶格類型相同，原子半

徑相差很小時，才可能無限互溶，形成無限固溶體。

2

溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)溶劑結(jié)點位置，而嵌入各結(jié)點之間的間隙內(nèi)時，所形成的晶體相，

由于溶劑晶格的間隙有限，所以，間隙固溶體只能是有限溶解溶質(zhì)原子，同時只有在溶質(zhì)原子與

溶劑原子半徑的比值小于0.59時，才能形成間隙固溶體。

間隙固溶體的溶解度與溫度、溶質(zhì)與溶劑原子半徑比值以及溶劑晶格類型等有關(guān)。

無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發(fā)生畸變，增加位錯運

動的阻力，使固溶體的強度、硬度提高。

通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是強化金

二、金屬化合物

金屬化合物是指合金中各組元間原子按一定整數(shù)比形成的具有金屬特性的新相，如鐵碳合金中的

滲碳體（FesC）就是鐵和碳組成的化合物。

金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，具有熔點高、硬度高、脆性大特性。合

金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能顯著地提高合金的強度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性則會明顯地降

三、機械混合物

由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。

在機械混合物中各組成相仍保持它原有的晶格類型和性能，而整個機械混合物的性能介于各組成

相性能之間，并與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。

模塊五合金的結(jié)晶

合金的結(jié)晶過程

合金結(jié)晶過程與純金屬一樣，為晶核形成和晶核長大兩個過程。合金與純金屬結(jié)晶不同之處在于:

（1）純金屬結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行，只有一個臨界點。而合金則絕大多數(shù)是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)

（2）合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分（即濃度）有變化，當(dāng)結(jié)晶終止后，整個晶體

（3）合金結(jié)晶后不是單相，一般有三種情況：單相固溶體；單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械

混合物（如共晶體）；結(jié)晶開始形成單相固溶體（單相金屬化合物），剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混

合物（如共晶體）。

合金結(jié)晶的冷卻曲線

一、形成單相固溶體的結(jié)晶冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下仍完全互溶，結(jié)晶后形成單相固溶體。結(jié)晶過程中有兩個臨界點。

二、形成單相化合物或共晶體的結(jié)晶冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下完全不互溶或部分互溶，結(jié)晶后形成單相金屬化合物或共晶體。

從一定成分的液體合金中同時結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)的過程，稱為共晶轉(zhuǎn)變（共晶反應(yīng)），其結(jié)晶產(chǎn)

三、形成機械混合物的冷卻曲線

組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下部分互溶，結(jié)晶開始形成單相固溶體（或單相金屬化合物）后,

在固態(tài)下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質(zhì)的過程，稱為共析轉(zhuǎn)變（共析反應(yīng)）。共析轉(zhuǎn)變

三、學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動

1.相互討論晶格類型及其特點。

2.相互討論晶體缺陷的特點及其對金屬性能的影響。

四、教學(xué)重點與難點

1.重點：基本概念、合金結(jié)晶過程

2.難點：合金結(jié)晶的冷卻曲線

五、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.利用試樣、掛圖等教具。

2.利用多媒體資料進(jìn)行短時演示。

六、小結(jié)與布置作業(yè)

1.小結(jié)

熟悉基本定義，注重將基本知識與生活經(jīng)驗相聯(lián)系，加深對所學(xué)知識的理解。

2.布置作業(yè)

盡量獨立完成相應(yīng)章節(jié)中的習(xí)題，必要時可相互交流與探討問題。

教案七

一、教學(xué)組織

1.新課導(dǎo)入（10分鐘）

2.講解（63分鐘，包括演示多媒體輔助教學(xué)資源）

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動（10分鐘）

4.課堂小結(jié)（5分鐘）

5.布置作業(yè)（2分鐘）

二、教學(xué)內(nèi)容

模塊六金屬材料鑄錠組織特征

金屬材料在鑄造狀態(tài)的組織會直接影響金屬材料在壓力加工過程中的性能及其相關(guān)產(chǎn)品的性能。

金屬材料的結(jié)晶產(chǎn)品大體可以分為三個類型：

（1）結(jié)晶后在鑄造狀態(tài)下直接使用，這類產(chǎn)品稱為鑄件或鑄錠；

（2）結(jié)晶后要進(jìn)行軋制、鍛造等壓力加工，這類產(chǎn)品稱為鍛坯；

（3）結(jié)晶后形成工件的一個組成部分，如焊件的焊縫，金屬的熱鍍層等。

鑄錠的組織結(jié)構(gòu)

金屬鑄錠呈現(xiàn)三個不同外形的晶粒區(qū)，即表面細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和等軸晶粒區(qū)。

一、表面細(xì)晶粒區(qū)

液態(tài)金屬材料剛注入錠模時，表面層的金屬液受到劇烈冷卻，因而在較大的過冷度下結(jié)晶。

表面細(xì)晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒細(xì)長，區(qū)域厚度較小，組織致密，成分均勻，力學(xué)性能較好。

二、柱狀晶粒區(qū)

柱狀晶粒區(qū)的出現(xiàn)主要是因為金屬鑄錠受垂直于模壁散熱方向的影響。凡晶軸垂直于模壁的晶

粒，由于其沿著晶軸向模壁傳熱較快，從而形成柱狀晶粒區(qū)。

三、等軸晶粒區(qū)

晶核由于在不同方向上的長大速度相同，加之這時過冷度較小，因而便形成粗大的等軸晶粒區(qū)。

等軸晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒粗大，組織疏松，力學(xué)性能較差。

在金屬鑄錠中，除存在組織不均勻外，還常有縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。

根據(jù)澆注方法不同，金屬鑄錠分為鋼錠模鑄錠（簡稱鑄錠）和連續(xù)鑄錠。

定向結(jié)晶和單晶制備原理

定向結(jié)晶是通過控制冷卻方式，使鑄件沿軸向形成一定的溫度梯度，從而可使鑄件從一端開始凝

固，并按一定方向逐步向另一端結(jié)晶的過程。

單晶是其原子都按一個規(guī)律和一致的位向排列的一個晶體，如單晶硅和單晶錯。

單晶體制備的基本原理就是使液體結(jié)晶時只形成一個晶核，再由這個晶核提拉成一整塊晶體（稱

為拉晶）。

單晶體具有高強度和各向異性特性，如果把一些重要的零件做成一個單晶，如把飛機發(fā)動機的葉

片凝固成一個晶體，則其工作溫度可達(dá)970℃。

模塊七金屬材料塑性變形與再結(jié)晶

金屬材料壓力加工（又稱塑性加工）就是利用塑性通過軋制、鍛壓、擠壓、沖壓、拉拔等成形工

藝，使金屬材料產(chǎn)生一定的塑性變形而獲得所需要的工件。

金屬材料塑性變形

金屬材料在變形過程包括彈性變形和塑性變形兩個階段。其中只有塑性變形才能用于成形加工。

金屬材料的塑性變形與變形抗力有密切關(guān)系，塑性愈好，變形抗力愈小，則金屬材料越容易進(jìn)行

塑性變形加工。

一、塑性變形實質(zhì)

晶體只有受到切應(yīng)力時才會產(chǎn)生塑性變形。單晶體塑性變形時，在切應(yīng)力作用下，晶體內(nèi)部上下

兩部分原子會沿著某一特定的晶面產(chǎn)生相對移動，這種現(xiàn)象稱為滑移。

滑稱是由于切應(yīng)力引起晶體內(nèi)部位錯運動產(chǎn)生的。

單晶體的變形方式有滑移和攣晶兩種。

多晶體是由許多微小的單個晶粒雜亂組合而成的，其塑性變形過程可以看成是許多單個晶粒塑性

變形的總和；另外，多晶體塑性變形還存在著晶粒與晶粒之間的滑移轉(zhuǎn)動，即晶間變形。

對于多晶體其塑性變形以晶內(nèi)變形為主，晶間變形很小。

由于多晶體晶界處原子排列紊亂，各個晶粒的位向不同，使晶界處的位錯運動較難進(jìn)行，所以，

晶粒愈細(xì)，晶界面積愈大，塑性變形抗力就愈大，宏觀上表現(xiàn)出金屬材料的強度也愈高；另外，晶粒

越細(xì)，金屬材料塑性變形可更好地分散在大多數(shù)晶粒內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)力集中現(xiàn)象較小，塑性和韌性越好，

金屬材料塑性變形能力也越好。因此，生產(chǎn)中都盡最大可能地獲得細(xì)晶粒組織。

大量位錯運動的宏觀結(jié)果就是金屬材料的塑性變形。

位錯運動觀點認(rèn)為：晶體缺陷及位錯相互糾纏會阻礙位錯運動，導(dǎo)致金屬材料強化，即產(chǎn)生冷變

形強化現(xiàn)象。

二、冷變形強化

隨著金屬材料冷變形程度的增加，金屬材料