机械工程材料及应用教案王纪安

《机械工程材料应用》教案项目一工程材料与机械制造过程课题：材料的发展过程分类及发展趋势（4课时）导入：教师以教材“问题”进行课程的始学教育，举出身边某制品或零件，说出是什么材料制造的，为何选用这种材料？教学目标：1.了解机械工程材料及其分类；2. 了解机械工程材料的发展过程；3. 了解机械制造过程；4. 了解机械工程材料在机械制造过程中的地位和作用前测：什么是机械工程材料？你所知道的机械制造过程有哪些？教学过程：【板书】一.材料的简要发展过程材料是人类文明和技术进步的重要标志。

石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢铁时代→新材料时代1、司母戊大鼎发掘历史；2、新型材料（航空航天材料）。

【讲解】在浩瀚的材料世界里，金属材料是一个最大的王国。

最早，我们人类使用的金属材料主要是天然产品。

（穿插讲解材料史话）经历了石器时代、青铜器时代和铁器时代的漫长历史过程后，在冶金技术的推动下，我们又从钢铁时代迈进了新材料时代。

在人类文明历程中，金属材料对推动社会的发展，促进文明的进步，丰富文化的内容，改变人们的生活方式发挥了巨大作用。

当今世界，金属材料已成为工农业生产、人民生活、科学技术和国防发展的重要物质基础。

离开了金属材料的“钢筋铁骨”，桥梁将断，舰艇将毁，大厦将倾，工厂将停……二、了解机械工程材料的分类及发展过程1 、定义机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。

2、分类（按化学成分分类）金属材料 (综合性能好，用量最大、应用范围最广)【设问】同学们在平时的生活中看到过哪些金属（纯金属）？【板书】1．金属：如铁、铜、铝、金、银等，共有90种。

常温下为固体（除汞外）。

【设问】金属与非金属比较有哪些特性？【板书】2．金属特性：具有金属光泽；（铁、铝等大多数金属为银白色，铜为紫红色，金为黄色）有良好的导电性和导热性；（铜、铝是优良的导电体）有一定的强度和塑性。

【交流与讨论】金属是一类重要的材料，人类的生活和生产都离不开金属。

请说出下表日常生活中使用的金属。

【讲解】强度、硬度很小，无法用来制造承受大载荷的机械零件和工具。

如果我们将一种金属跟其他金属(或非金属)熔合制成具有金属特性的物质就得到合金。

合金：一种金属跟其他金属(或非金属)熔合制成具有金属特性的物质。

教师指导阅读表1-1日常生活中常见的合金和教材内容，并介绍记忆合金。

【交流与讨论】1．组成合金的元素一定是金属元素吗？从概念上来理解合金至少有几种元素组成？其中有一种肯定是什么元素？2．合金的用途远远比纯金属广泛得多，请问这是为什么？金属材料：将纯金属和合金材料统称为金属材料。

1．黑色金属：以铁或以它们为主形成的物质。

如碳钢、合金钢和铸铁等。

2．有色金属：除黑色金属以外的金属和合金。

如铜及铜合金、铝及铝合金和轴承合金等。

【讲解】金属材料在机械工业中应用最为广泛，在各种机械设备所用的材料中，金属材料占90%以上。

这是由于金属材料不仅冶炼资源丰富，而且还具有优良的物理、化学、力学和工艺性能。

此外，金属材料品种多，性能各异，可以通过不同的加工方法（例如热处理），使金属材料的某些性能获得进一步的改善，从而扩大其使用范围。

高分子材料 (质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等)陶瓷材料（高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于电器、化工、航空航天等等）复合材料（轻、高的比强度、比刚度，结合两种材料的性能优点，用于航空航天等领域）三、机械制造过程与材料1、机械工程材料的常用性能材料使用性能力学性能（强度、塑性、韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）材料工艺性能加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）2、机械工程材料的加工方法金属材料的加工方法：铸造、锻造、焊接、冲压、合金粉末：粉末冶金工程陶瓷材料：压制、烧结工程塑料、橡胶：注塑、挤出、吹塑、模压、压铸等复合材料：层压、浇注、粘贴3、金属材料的热处理钢的热处理方法：普通热处理：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。

钢的表面热处理（1）感应淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火。

（2）火焰淬火钢的化学热处理：目前常用的化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

四．课程学习指导1．机械制造和日常生活的基础知识；2．学习其他后续工艺学的基础。

3．课程特点与学习要求【小结】：1．机械工程材料及分类；金属材料、有机高分子材料、无机非金属、复合材料2. 了解机械工程材料的发展过程；石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢铁时代→新材料时代3. 了解机械制造过程；4. 了解机械工程材料在机械制造过程中的地位和作用【作业】书面：习题【交流与讨论】阅读下面的一段故事，谈谈你的感想。

形状记忆合金的发现许多重大的发现都源于偶然事件。

20世纪60年代初，美国海军研究所的的一个研究小组把一些乱如麻丝的镍-钛合金拉直，以便使用。

他们无意中发现，当温度升高到一定值时的时候，这些已被拉直的镍-钛合金突然“记忆”起自己的模样，又恢复到弯弯曲曲的“本来面目”。

经过材料专家的反复实验，证实了镍-钛合金丝“变形——恢复”的现象能重复进行。

其实，类似的现象早在20世纪50年代初就不止一次被观察到，只不过当时没有引起人们的足够重视。

这一发现引起了科学家们的极大兴趣，经研究发现，铜基合金，铁基合金等都有这种奇妙的记忆本领。

课题：项目二螺栓、螺母的选材——碳素结构钢的应用（4课时）【导入新课】螺栓、螺母使用什么材料做的？它为什么有这样的性能？材料内部结构？【学习目标】1.了解分析螺栓、螺母的工作条件2. 了解分析机械工程材料的力学性能3. 了解分析金属材料内部的晶体结构特点4.了解碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用5了解分析螺栓、螺母的选材教学重点：碳素结构钢的种类、牌号、性能与应用螺栓、螺母的选材教学难点：了解分析机械工程材料的力学性能了解分析金属材料内部的晶体结构特点前测：低碳钢的力学性能有哪些？如何测定的？金属材料内部的晶体结构如何？螺栓、螺母的选材？教学过程：【板书】螺纹联接件的服役条件分析1、螺纹联接件的主要功能：连接、传递载荷（载荷的分类：动载荷静载荷）2、螺纹联接件的受力情况分析：螺栓受拉力、螺母受剪切力3、螺纹联接件的失效分析：螺栓受拉力：塑性变形和断裂螺母受剪切力：剪断和压溃材料的力学性能力学性能：金属材料在外力作用时表现来的性能。

力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。

【讲解】在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时，大多以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。

力学性能不仅是本章学习的重点，同时也是整个教材的学习重点，希望同学们要努力学习掌握好这些内容。

本节课学习准备知识。

一、低碳钢的拉伸试验分析1、绘制拉伸试样应力与应变曲线金属材料的强度、刚度与塑性可通过静拉伸试验测定。

图1-1 力—伸长曲线和拉伸式样 1-2应力—应变曲线力-伸长曲线（也叫拉伸曲线）为了消除试样尺寸影响，引入应力-应变曲线，如图1-2所示。

应力-应变曲线的形状与力-伸长曲线相似，只是坐标和数值不同，从中，可以看出金属材料的一些力学性能。

【板书】拉伸试样圆形长试样 L0=10×d0圆形短试样工 L0= 5×d0【讲解】d0为试样的原始直径（mm）， L0为试样的原始长度（mm）【讲解】拉伸曲线是指以载荷F为纵坐标，试样伸长量△L为横坐标绘制的曲线，如下图为低碳钢的拉伸曲线。

【板书】2、低碳钢的拉伸曲线四个阶段的分析：oe─弹性形变形阶段试样的伸长量△L和载荷F成正比，试样只发生弹性形变。

es─屈服阶段试样发生屈服现象，开始产生明显的塑性变形。

屈服现象：载荷保持不变或略有减小而试样的变形继续增加的现象。

sb ─强化阶段试样发生变形强化，产生大量的塑性变形。

变形强化：随着塑性变形的增加，金属材料强度、硬度增大，塑性、韧性下降的现象。

b Z ─缩颈阶段试样出现缩颈，塑性变形所需的载荷逐渐减小。

3、附加的一些概念【板书】（一）、载荷（金属材料在加工和使用过程中所受的外力）静载荷：指大小不变或变动很慢的载荷。

如地面所受讲台的压力，千斤顶工作所受的载荷。

冲击载荷：指突然增加的载荷。

如铁匠用铁锤锻打工件、高速行驶的汽车相撞的载荷。

交变载荷：指周期性或非周期性的动载荷。

如电扇主轴、弹簧工作时所受的载荷。

【交流与讨论】请根据下列的文字描述，判断物体所受的载荷类型。

电视机放在桌面上，桌面所受的载荷是_____________。

在金属拉伸试验中。

金属试样所受的载荷是_________。

电动机工作时，电动机主轴所受的载荷是___________。

人坐在沙发上，沙发里弹簧所受的载荷是___________。

子弹击中金属防弹衣，防弹衣所受的载荷是_________。

【板书】（二）、变形（金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸的变化。

）【演示】教师用橡皮筋、弹簧演示弹性变形，用镀锌钢丝、薄钢板演示塑性变形。

【板书】弹性变形：载荷去除后，可完全恢复的变形。

塑性变形：载荷去除后，不可恢复的永久变形。

【讲解】金属材料的弹性变形可用于控制机构运动、缓冲与吸振、储存能量等。

金属材料塑性变形可用于成型产品的加工，70%的金属材料是通过塑性变形加工成型的。

【交流与讨论】1、弹性变形与塑性变形的根本区别是什么？(有无永久变形。

)2、生活、生产哪些地方发生弹性变形或塑性变形？你知道哪些产品产通过塑性变形加工成形的？（①沙发、席梦思中弹簧变形；汽车、拖拉机车厢下板弹簧的变形；闹钟发条的变形。

②课桌椅上钢板折边、钢管弯折；自行车铃、弹壳的冲压加工；轿车车身冲压加工。

）3、加工制造好的机械零件，在使用时一旦发生塑性变形有什么危害？（零件变形、失效，甚至发生断裂。

）【板书】（三）应力1、内力 金属受外力作用后，在材料内部作用着与外力相对抗的力称为内力。

F 内力= F 外力【板书】 2、应力：单位面积上的内力。

σ=F S式中 F ──外力（N ）；S ──横截面积（mm 2）；σ──应力，常用单位为MPa （N/mm 2），1MPa=106 Pa 。

【板书】结论：当横截面积一定时，应力越大，表示材料承受载荷的能力越大。

例 碳钢 最大应力Ｑ235钢（生活中最常用的钢） 460 MPa45钢 （制电机主轴的钢） 600 MPa65Mn 钢（制沙发弹簧的钢） 735 MPa4、强度、与塑性（1）强度 是指材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

强度的大小通常用应力表示，符号为σ，单位为MPa （兆帕）。

工程上常用的强度指标有：屈服点和抗拉强度等。

① 屈服点σs （σ）由曲线1-2可知：σe 是试样保持弹性变形的最大应力；当应力＞σe 时，产生塑性变形；当应力达σs 时，试样变形出现屈服。