金屬材料基礎(chǔ)教學(xué)教案與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一、課程基本信息*課程名稱：金屬材料基礎(chǔ)*課程代碼：（此處根據(jù)實(shí)際情況填寫）*適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程、機(jī)械工程、冶金工程等相關(guān)工科專業(yè)*課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課/技術(shù)基礎(chǔ)課*學(xué)時(shí)/學(xué)分：（例如：理論XX學(xué)時(shí)+實(shí)驗(yàn)XX學(xué)時(shí)/XX學(xué)分，具體根據(jù)培養(yǎng)方案確定）*先修課程：大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)（部分內(nèi)容）二、課程目標(biāo)（一）知識(shí)目標(biāo)1.掌握金屬與合金的基本概念、分類及主要性能特點(diǎn)。2.理解金屬的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過程、塑性變形與再結(jié)晶的基本原理。3.掌握二元合金相圖的基本類型及分析方法，重點(diǎn)理解鐵碳合金相圖。4.熟悉金屬熱處理的基本工藝（退火、正火、淬火、回火）及其目的與應(yīng)用。5.了解常用金屬材料（碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金等）的成分、組織、性能及應(yīng)用。6.理解金屬材料的腐蝕與防護(hù)的基本原理和常用方法。（二）能力目標(biāo)1.能夠識(shí)別和描述常見金屬材料的顯微組織特征。2.能夠運(yùn)用相圖分析合金的凝固過程及室溫平衡組織。3.能夠理解并解釋金屬材料性能與成分、組織、熱處理工藝之間的關(guān)系。4.初步具備根據(jù)零件使用性能要求選擇合適金屬材料及熱處理工藝的能力。5.掌握金屬材料主要力學(xué)性能（硬度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性等）的測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理。6.培養(yǎng)觀察、分析和解決實(shí)際工程問題的初步能力，以及實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)記錄分析能力。（三）素養(yǎng)目標(biāo)1.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的工作作風(fēng)。2.樹立安全第一、規(guī)范操作的實(shí)驗(yàn)觀念。3.提升工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。4.培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和溝通表達(dá)能力。三、課程內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配章節(jié)序號(hào)主要內(nèi)容理論學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)備注:-------:-------------------------------------------:-------:-------:-------第一章緒論XX-第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶XX-第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶XX-第四章二元合金相圖XX-第五章鐵碳合金相圖與非合金鋼XXXX實(shí)驗(yàn)一第六章鋼的熱處理XXXX實(shí)驗(yàn)二第七章金屬材料的力學(xué)性能XXXX實(shí)驗(yàn)三第八章合金元素在鋼中的作用與合金鋼XX-第九章鑄鐵XX-第十章有色金屬及其合金XXXX實(shí)驗(yàn)四第十一章金屬的腐蝕與防護(hù)XX-第十二章課程總結(jié)與綜合應(yīng)用XX-**總計(jì)****XX****XX***(注：具體學(xué)時(shí)分配需根據(jù)總學(xué)時(shí)要求進(jìn)行調(diào)整)*四、教學(xué)方法與手段1.課堂講授：以PPT為主，結(jié)合板書、實(shí)物樣品、工程案例進(jìn)行講解，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)。2.案例教學(xué)：引入工程實(shí)際中的金屬材料選擇、失效分析等案例，增強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系。3.多媒體輔助：利用動(dòng)畫、視頻等資源，直觀展示金屬的晶體結(jié)構(gòu)、塑性變形、相變等微觀過程。4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)：通過親手操作，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力。5.課堂討論與提問：鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，參與互動(dòng)，及時(shí)反饋學(xué)習(xí)效果。6.課程作業(yè)與習(xí)題：鞏固所學(xué)知識(shí)，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。7.專題報(bào)告/小論文（可選）：針對(duì)特定金屬材料或應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，培養(yǎng)查閱文獻(xiàn)和綜合論述能力。五、課程內(nèi)容綱要第一章緒論1.金屬材料的定義、特性及分類2.金屬材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用3.金屬材料的發(fā)展簡(jiǎn)史與趨勢(shì)4.本課程的主要內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和要求第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1.金屬的特性與鍵合2.晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：晶格、晶胞、晶格常數(shù)3.常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方（BCC）、面心立方（FCC）、密排六方（HCP）4.晶體中的缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷（位錯(cuò)）、面缺陷（晶界、亞晶界）5.金屬的結(jié)晶過程：過冷度、形核（均勻形核、非均勻形核）、長(zhǎng)大6.晶粒大小的控制：變質(zhì)處理、振動(dòng)、攪拌等第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶1.金屬的塑性變形：滑移、孿生2.單晶體與多晶體的塑性變形特點(diǎn)3.塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響：加工硬化4.回復(fù)與再結(jié)晶：定義、過程、影響因素5.再結(jié)晶溫度及其應(yīng)用6.金屬的熱加工與冷加工第四章二元合金相圖1.合金的基本概念：組元、相、組織、固溶體、金屬間化合物2.相圖的建立：熱分析法3.二元?jiǎng)蚓鄨D、共晶相圖、包晶相圖的分析4.合金的結(jié)晶過程及平衡組織5.杠桿定律及其應(yīng)用第五章鐵碳合金相圖與非合金鋼1.鐵碳合金的基本相：鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體（Fe3C）、珠光體（P）、萊氏體（Ld）2.鐵碳相圖分析：主要點(diǎn)、線、區(qū)的含義3.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及室溫平衡組織4.含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響5.非合金鋼（碳鋼）的分類、編號(hào)及用途第六章鋼的熱處理1.熱處理的定義、目的和分類2.鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變：奧氏體的形成（形核、長(zhǎng)大、均勻化）3.鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）4.珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)及產(chǎn)物性能5.常用熱處理工藝：退火、正火、淬火、回火（目的、工藝、組織、性能）6.表面淬火、化學(xué)熱處理簡(jiǎn)介第七章金屬材料的力學(xué)性能1.強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性極限2.塑性：伸長(zhǎng)率、斷面收縮率3.硬度：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度（原理、測(cè)試方法、應(yīng)用）4.韌性：沖擊韌性、斷裂韌性5.疲勞強(qiáng)度與蠕變強(qiáng)度簡(jiǎn)介6.力學(xué)性能指標(biāo)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用第八章合金元素在鋼中的作用與合金鋼1.合金元素在鋼中的存在形式2.合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響3.合金元素對(duì)鋼熱處理工藝及組織性能的影響4.合金鋼的分類與編號(hào)方法5.常用合金鋼：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼）的成分、性能與應(yīng)用第九章鑄鐵1.鑄鐵的定義、成分特點(diǎn)及石墨化過程2.鑄鐵的分類：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵3.各類鑄鐵的組織、性能特點(diǎn)及典型應(yīng)用4.鑄鐵的孕育處理與球化處理簡(jiǎn)介第十章有色金屬及其合金1.鋁及鋁合金：分類、性能特點(diǎn)、典型鋁合金（防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁）及應(yīng)用2.銅及銅合金：分類（黃銅、青銅、白銅）、性能與應(yīng)用3.鈦及鈦合金：性能特點(diǎn)、分類（α型、β型、α+β型）及應(yīng)用4.鎂及鎂合金、軸承合金簡(jiǎn)介第十一章金屬的腐蝕與防護(hù)1.金屬腐蝕的危害2.腐蝕的基本類型：化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕3.電化學(xué)腐蝕的原理：原電池、腐蝕電池4.影響金屬腐蝕的因素5.金屬腐蝕的防護(hù)方法：覆蓋層法、電化學(xué)保護(hù)法、緩蝕劑法、合理選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第十二章課程總結(jié)與綜合應(yīng)用1.金屬材料知識(shí)體系回顧與串聯(lián)2.典型工程案例分析：材料選擇、失效分析、性能優(yōu)化3.金屬材料的發(fā)展趨勢(shì)與前沿技術(shù)簡(jiǎn)介4.課程學(xué)習(xí)方法與工程實(shí)踐能力培養(yǎng)總結(jié)六、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)一：鐵碳合金平衡組織觀察與分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉金相顯微鏡的構(gòu)造及使用方法。2.觀察并識(shí)別典型鐵碳合金（工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵）的平衡組織特征。3.理解含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響，并能根據(jù)組織判斷合金的大致含碳量及性能特點(diǎn)。4.掌握金相試樣的制備（取樣、鑲嵌、磨光、拋光、腐蝕）的基本過程。二、實(shí)驗(yàn)原理利用金相顯微鏡觀察金屬材料的內(nèi)部組織。不同成分的鐵碳合金，在緩慢冷卻條件下，會(huì)形成不同的平衡組織。通過對(duì)這些組織的觀察，可以加深對(duì)鐵碳相圖的理解。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料1.金相顯微鏡、拋光機(jī)、預(yù)磨機(jī)。2.各種典型鐵碳合金的金相試樣（或待制備的樣品毛坯）。3.金相砂紙（不同粒度）、拋光布、拋光膏（Al2O3或MgO）。4.腐蝕劑（4%硝酸酒精溶液）、酒精、鑷子、脫脂棉等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.金相顯微鏡的使用：由指導(dǎo)教師講解并示范金相顯微鏡的操作方法及注意事項(xiàng)。2.金相試樣制備（若時(shí)間允許或作為預(yù)習(xí)內(nèi)容）：*取樣：從待測(cè)試材料上切取合適大小的樣品。*鑲嵌（必要時(shí)）：對(duì)于小型或形狀不規(guī)則的樣品進(jìn)行鑲嵌。*磨光：依次用粗、細(xì)砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上進(jìn)行磨制，每換一道砂紙，試樣需旋轉(zhuǎn)90度。*拋光：在拋光機(jī)上用拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光，直至試樣表面光亮如鏡，無劃痕。*腐蝕：將拋光好的試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕適當(dāng)時(shí)間，然后用清水沖洗，酒精脫水，吹風(fēng)機(jī)吹干。3.組織觀察與分析：*將制備好的各鐵碳合金試樣依次放在載物臺(tái)上，在低倍和高倍物鏡下觀察其顯微組織。*繪制所觀察到的典型組織示意圖，并注明材料名稱、含碳量、放大倍數(shù)、組織組成物。*描述各組織組成物的形態(tài)特征，分析其形成過程。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理?.實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備、材料及腐蝕劑。3.簡(jiǎn)述金相試樣制備的主要步驟及注意事項(xiàng)。4.畫出所觀察到的每種鐵碳合金的顯微組織圖，標(biāo)注清晰。5.根據(jù)組織特征，說明含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響規(guī)律。6.實(shí)驗(yàn)心得與思考題。六、思考題1.同樣是鐵碳合金，為何工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼的組織會(huì)有差異？2.珠光體、萊氏體的組織形態(tài)有何區(qū)別？它們的形成條件是什么？3.在金相試樣制備過程中，磨光和拋光的目的是什么？如果拋光不當(dāng)會(huì)對(duì)組織觀察產(chǎn)生什么影響？---實(shí)驗(yàn)二：鋼的熱處理工藝及性能分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解鋼的退火、正火、淬火、回火等基本熱處理工藝的操作方法。2.研究不同熱處理工藝對(duì)鋼組織和硬度的影響。3.理解淬火加熱溫度、冷卻速度及回火溫度對(duì)鋼性能的影響規(guī)律。4.掌握洛氏硬度計(jì)的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻的工藝方法，改變鋼的內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種技術(shù)。*退火：緩慢冷卻，達(dá)到消除應(yīng)力、軟化材料、改善組織的目的。*正火：空冷，細(xì)化晶粒、改善組織、調(diào)整硬度。*淬火：快速冷卻（水、油等），獲得馬氏體組織，提高硬度和耐磨性。*回火：將淬火后的鋼加熱到Ac1以下溫度，保溫后冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力，調(diào)整強(qiáng)韌性。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料1.箱式電阻爐、控溫儀、熱電偶。2.洛氏硬度計(jì)。3.淬火水槽、油槽。4.試樣：45鋼、T8鋼等（尺寸約10mm×10mm×30mm）若干。5.砂紙、冷卻介質(zhì)（水、油）、鉗子、砂紙等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.試樣準(zhǔn)備：將同種材質(zhì)的鋼樣分為若干組，每組2-3個(gè)。2.制定熱處理工藝：*退火：例如，45鋼加熱至約____℃，保溫一段時(shí)間，隨爐冷卻。*正火：例如，45鋼加熱至約____℃，保溫一段時(shí)間，出爐空冷。*淬火：*45鋼加熱至約____℃，T8鋼加熱至約____℃，保溫。*分別進(jìn)行水淬和油淬。*回火：將淬火后的試樣分別加熱至不同溫度（如200℃、400℃、600℃），保溫后空冷或水冷。3.熱處理操作：在教師指導(dǎo)下，按制定的工藝參數(shù)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻操作。注意安全。4.硬度測(cè)試：使用洛氏硬度計(jì)（HRC標(biāo)尺）測(cè)定各熱處理狀態(tài)下試樣的硬度值，每個(gè)試樣測(cè)3點(diǎn)取平均值。5.（可選）顯微組織觀察：對(duì)典型熱處理狀態(tài)的試樣進(jìn)行金相制備和組織觀察。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理?.實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備、材料及工藝參數(shù)（加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式）。3.記錄各試樣熱處理前后的硬度數(shù)據(jù)，列表整理。4.分析不同熱處理工藝對(duì)同一鋼種硬度的影響。5.分析同一淬火工藝下，不同回火溫度對(duì)鋼硬度的影響。6.結(jié)合（或預(yù)期）組織變化，解釋硬度變化的原因。7.實(shí)驗(yàn)心得與思考題。六、思考題1.45鋼和T8鋼的淬火加熱溫度為何不同？2.淬火后的鋼為什么通常要進(jìn)行回火處理？回火溫度對(duì)鋼的性能有何影響？3.水淬和油淬對(duì)淬火鋼的硬度和淬透性有何影響？---實(shí)驗(yàn)