《机械工程材料Ⅱ》课程辅导教案Word文件下载.docx
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课外总学时
72(自学)
课外学分
课程负责人
齐宝森
师资队伍
陈传忠,边洁
基本面向
动力学院动、热机01班
共7个班
教学方式
讲课,课堂讨论,讨论式课堂教学,实验等相结合。
教材
主教材:
《机械工程材料教程》。
辅助教材:
《机械工程材料学习指导》,《大学生学习方法指南》。
参考书
1.工程材料(郑铭新主编);
2.机械工程材料(王焕庭等主编);
3.电厂金属材料(宋琳生主编);
4.机械工程材料(沈莲主编);
5.机械工程材料(王章忠主编);
6.材料科学基础(刘智恩主编)。
课程说明
本课程系一门基于固体物理、材料力学、金相学等基础上,又与工业实践紧密相连的材料科学。
随科技发展、新型材料不断涌现,其内容不断扩充。
内容简介
(200字左右)
本课程遵循材料科学体系,阐述了材料的“成分、组织结构、性能与应用”;
以材料强韧化为出发点,阐明了变更加工工艺的重要性与措施;
加强了新材料、新工艺等方面的知识,反映了工程材料的发展趋势。
全课程共分七章,包括:
材料的结构、凝固与变形规律,突出了铁碳相图、材料强韧化、钢铁材料的特性与应用,介绍了常用工程材料及材料的失效分析与合理选用。
各章均从问题入手、再转入相应内容,章末均有进一步阅读参考文献以利学生进一步学习参考、附有习题与思考题旨在帮助学生及时消化本章内容。
备注
《机械工程材料教程》(齐宝森姜江边洁陈传忠等主编)(以下简称“教程”);
《大学生学习方法指南》(以下简称“指南”),《机械工程材料学习指导》(以下简称“指导”)(齐宝森陈传忠边洁徐英);
参考教材:
1.《工程材料》(第2版)(郑铭新主编,请华大学出版社),2.《机械工程材料》(第2版)(王焕庭等主编,大连理工大学出版社),3.《电厂金属材料》(宋琳生主编,水电出版社),4.《机械工程材料》(沈莲主编,机械工业出版社),5.《机械工程材料》(王章忠主编,机械工业出版社),6.《材料科学基础》(刘智恩主编,西北工大出版社)等(以下简称1,2,·
·
6)。
0绪论(需1h)
0.1授课的重点
绪论课讲授的重点是材料科学的发展,工程材料在机械工业中的地位和作用,本课程的研究对象、目的、性质、内容梗概与相应重点章节说明,以及学习要求等。
使学习者在课程伊始,对《机械工程材料》课程的特点就有足够了解与认识,以便能有的放矢地制定自己的学习计划、选择恰当的学习方法。
0.2基本要求
1.了解学习本课程的目的与重要性;
2.明确本课程的研究对象,主要内容及重点章节;
3.牢记贯穿本课程的“纲”——材料的化学成分(化学组成)、组织结构与性能之间的相互关系与变化规律。
4.充分认识本课程的性质及学习方法等。
0.3学习方法指导
学习本课程,要紧紧抓住“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的相互关系及其变化规律这个“纲”。
纲举目张,《机械工程材料》课程的各个部分、各章
内容都是以此“纲”为主线索而展开的。
希望学习者在开始学习本课程就应充分认识到此点,并在学习过程中,始终牢牢把握住这个“纲”。
0.4教学参考资料
“教程”P1~4;
“指导”P1~2,“指南”P1~13;
1.P1~2,2.P1~2,3.P1~2,4.1~2,5.P1~5。
1.机械工程材料的结构(共需5h)
1.1授课的重点与难点
1.1.1本章授课的重点
机械工程材料的微观结构是决定其性能的最根本性因素。
为此本章介绍的机械工程材料的微观结构特点,特别是实际机械工程材料的结构特点等基础理论是十分必要的。
本章学习的重点是有关金属材料的晶体结构特点,它包括:
(1)牢记有关晶体结构的基本概念;
(2)熟知纯质材料中三种理想的典型晶体结构特点,以及晶体缺陷的类型、主要形式、对材料性能的影响;
(3)明确立方晶系中晶面与晶向指数的表示方法(以掌握“简单指数”为主);
(4)掌握合金相结构的基本类型、分类、总的性能特点及其在合金中的地位与作用。
1.1.2本章学习的难点及易混肴处
(1)线缺陷——两种基本形式位错模型的建立;
(2)立方晶系中,晶面指数与晶向指数的表示方法,晶面族与某具体晶面,晶向族与某具体晶向易混肴;
1.2基本要求
(1)熟悉三种典型金属晶体结构的特点,立方晶胞中晶面、晶向的表示方法,实际金属中晶体缺陷的种类、主要形式及其对材料性能的影响;
(2)掌握金属合金相结构的基本类型、性能特点及其在合金中的地位与作用;
(3)了解聚合物与陶瓷材料的结构特点;
(4)建立“相”、“组织”的概念。
1.3基本概念
(1)各向异性、各向同性与伪各向同性;
(2)同素异构转变与纯铁的同素异构转变;
(3)晶体与非晶体;
(4)固溶强化;
(5)相与组织的概念;
(6)组元、固溶体与化合物;
(7)单晶体与多晶体;
(8)晶格、晶胞与晶格常数;
(9)晶界与亚晶界;
(10)位错与位错密度。
1.4学习方法指导
1.4.1联想记忆法的应用
本章学习中,名词、概念、基本术语固然较多,但只要结合实际学习,经常联系金工实习,联系微观结构对性能的影响等加深理解,是完全可以学好这部分内容的。
例如,学习金属晶体结构特点要列举实例,学习实际金属晶体缺陷要联系其对性能的影响;
学习合金相结构,就要理解其在合金中的地位与作用等。
这样不仅可加深对概念的理解,而且把“材料的性能一组织一结构一工艺一成分和应用”联系起来学习,更有助于把握本课程的主脉搏。
1.4.2表格归纳法的应用
“表格归纳法”是深入理解、归纳、记忆有关内容的一种良好方式,以下列举一、二,供学习、复习时参考。
(1)三种典型金属晶体结构特点(表1-1)。
表1–1三种典型金属的晶体结构特点
晶格
类型
代表
符号
常数
晶胞
原子数
原子
半径
致密
度
配位
数
密排
面
方向
举例
说明
体心立方
BCC
a
0.68
{110}
〈111〉
α-FeWV
面心立方
FCC
4
0.74
12
{111}
〈110〉
γ-FeAlCu
密排六方
HCP
c/a
6
a/2
12
底面
对角线
ZnMgBe
(2)实际金属晶体缺陷特征(表1-2)。
表1–2实际金属的晶体结构(晶体缺陷)特征
晶体缺陷类别
主要形式
对固体材料性能的影响
点缺陷
空位,间隙原子,置换原子
金属扩散的主要形式
线缺陷
刃型位错,螺型位错
加工硬化,固溶强化,弥散强化等
面缺陷
晶界,亚晶界
易腐蚀,易扩散,熔点低,强度高,细晶强化
(3)合金相结构的特征(表1-3)。
表1-3合金相结构的特征
类别
分类
在合金中的位置
及所起作用
主要力学性能特点
固溶体
间隙固溶体
基体相
提高塑性、韧度
塑性、韧度好,
强度比纯组元高
置换固溶体
金属
化合物
正常价化合物
强化相
提高强度、硬度
与耐磨性
熔点高、硬度高
但脆性大
电子化合物
间隙相
复杂晶格间隙化合物
1.5教学参考资料
主教材:
《教程》P5~25;
辅助教材:
《指导》P3~8,《指南》P1~29;
参考教材:
1.P2~26,2.P9~20,3.P14~18,32~34,4.29~34,5.P27~36,6.P1~74。
1.6课程进度与学时分配(共5h)
§
1.1固态物质中原子的排列方式,
1.2固体材料的晶体结构特点
1.2.1有关晶体结构的基本概念;
1.2.2纯金属的晶体结构(典型金属的晶体结构)1h
1.2,§
1.3实际晶体的特点2h
1.4一般工程材料的结构特点2h
2.凝固、结晶与相图(共需8h)
2.1授课的重点与难点
2.1.1本章授课的重点
物质由液态转变为固态过程称为凝固,物质由液态转变为固态晶体的过程称作结晶,而相图则是研究材料的成分、组织结构与性能之间相互关系和变化规律的有力工具。
本章在确定工程材料结晶的一般规律,剖析金属结晶的充分、必要条件、结晶规律及控制结晶后晶粒大小的途径、方法,介绍匀晶、共晶型两类基本形式相图分析方法的基础上,重点讨论了铁碳合金相图。
铁碳合金相图是本课程的第一个重点章节,因为铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要理论基础与有力工具。
此外,金属结晶的条件、结晶的一般规律及控制结晶后晶粒大小的途径与方法等亦应十分明确。
2.1.2本章学习的难点及易混肴处
(1)对相、组织,相组分、组织组分的概念易混肴,不易理解。
具体表现在:
①填写相图(如Fe-Fe3C相图)时,混淆了相组分及组织组分这两种填写相图的不同形式;
②计算相组分或组织组分的相对质量百分数时,它们之间易产生混淆。
(2)反映在对典型合金(如亚共析或过共析钢)结晶过程的分析上:
①不理解为什么在两相区内,两平衡相的成分与相对百分含量随温度变化而沿各自相线变化的呢?
②不明白为什么在书写三相共晶或共析反应式时为什么必须注明温度与各相的成分点呢?
这两大难点是影响学习、消化本章内容的关键,应引起学习者足够的重视。
2.2基本要求
(1)明确金属结晶的充分、必要条件,结晶的一般规律以及影响金属结晶后晶粒大小的途径与方法;
(2)熟悉匀晶、共晶(包括共析)这两类基本形式的二元合金相图(其中包括相图分析,典型合金的平衡结晶过程分析,杠杆定律的应用,以及利用与区分相组分和组织组分这两种填写相图的方法等);
(3)熟练地掌握铁碳合金相图(包括默画铁碳合金相图、掌握α、Fe3C、γ等基本相,熟知相图中重要点、线的含义,能以冷却曲线及语言文字分析典型合金尤其是钢的平衡结晶过程,正确利用杠杆定律计算室温下钢的相组分、组织组分的相对百分含量以及掌握铁碳合金的成分一组织一性能之间关系)。
2.3基本概念
(1)过冷与过冷度;
(2)金属结晶的充分与必要条件;
(3)相与组织,相组分与组织组分;
(4)匀晶相图与匀晶转变;
(5)α-Fe,α相与F;
(6)γ-Fe、γ相与A;
(7)共晶相图与共析相图;
(8)杠杆定律的适用条件;
(9)利用杠杆定律计算合金组织组分的理论依据是什么?
(10)固溶强化与细晶强化。
2.4学习方法指导
2.4.1学习本章内容时应注意的几点
(1)注意区分相与组织,相组分(相组成物)与组织组分(组织组成物)的关系与区别
“相”实质上是晶体结构相同状态。
因此,相与组织的区别就是结构与组织的区别,结构描述的是原子尺度,而组织则指的是显微尺度。
相—-是指材料中结构相同、化学成分及性能均一的组成部分,相与相之间有界面分开。
从结构上讲,“相”是合金中具有同一原子聚集状态,而固相即指具有一定的晶体结构和性质。
组织----一般系指用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内部所具有的某种形态特征或形貌图像,实质上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称。
因此,“相”构成了“组织”。
相与组织之间的关系——合金的组织可由单相固溶体或化合物组成,也可由一个固溶体和一个化合物或两个固溶体和两个化合物等组成。
正是由于这些相的形态、尺寸、相对数量和分布的不同,才形成各式各样的组织。
即组织可由单相组成,也可由多相组成。
组织是材料性能的决定性因素。
在相同条件下,不同的组织对应着不同的性能。
相组分与组织组分——人们把在合金相图分析中出现的“相”称为相组分(即相组成物),出现的“显微组织”就称为组织组分(即组织组成物)。
实际上相组分就表示“相”,组织组分就表示“组织”。
2.4.2运用联想、对比记忆法进一步区分“相”与“组织”
应联系二元合金(如Fe-C合金)结晶过程分析,区分相组分与组织组分;
应对比不同成分的二元合金(如Fe-C合金)结晶过程分析,区分相组分与组织组分;
应依据不同成分的二元合金(如Fe—C合金)的成分→组织→性能变化规律,区分相组分与组织组分。
2.4.3固溶体合金的结晶规律
匀晶反应生成固溶体,其平衡结晶特点是:
(1)在一定过冷温度下,通过形核、长大两个过程进行结晶;
(2)结晶是在变温下进行的;
(3)在结晶过程中两相的成分不断发生变化,同时两相的相对质量比符合杠杆定律。
但若快冷时,则易出现枝晶偏析。
2.4.4初生相〔初晶〕与次生相(二次相)的区别
初生相是由液体中首先结晶出来的固相,亦称初晶。
而次生相系指由固溶体中析出的新固相,亦称二次相。
在同一相图中,初生相α(或β)与次生相αⅡ(或βⅡ)是属于同一相,但却形成两种不同的组织。
这是由于它们的形成条件,形态、数量、分布等均不相同所致。
初生相由于结晶温度较高、结晶条件较好,并以树枝状方式长大,所以一般较粗大。
而次生相是在低温下仅靠原子扩散从固态下析出,结晶条件不好,故一般长得细小,大多分布于晶界或固溶体中。
由于次生相的析出是通过原子在固溶体中的扩散来完成的,故快冷时可抑制或阻止次生相的析出,在室温下得到过饱和固溶体。
过饱和固溶体与二次相的析出在工程上具有重要意义。
2.4.5杠杆定律及其应用
杠杆定律表示平衡状态下两平衡相的化学成分与相对重量之间的关系。
可用来定量计算两平衡相分别占总合金的重量百分数,即各相的相对重量。
亦可用它来近似确定组织中各组织组分的相对重量。
运用杠杆定律时要切实注意:
(1)只适用于平衡状态下;
(2)只适用于两相区;
(3)杠杆的总长度为两平衡相的成分点之间的距离,杠杆的支点一般为合金成分点,杠杆的位置由所处的温度决定;
(4)当用杠杆定律计算组织组分时,必须依据该合金的平衡结晶过程分析,找出与组织相对应的两相区,使组织组分与相应的相组分相呼应,才能进而应用杠杆定律近似计算组织组分的相对百分含量。
2.4.6共晶型反应产物的组织特征
共晶反应(共析反应)得到的反应产物为共晶体(共析体)组织,其组织特征是两相相间交替排列,并呈层状、点状、球状和螺旋状等。
其结晶特点是:
亦是在一定过冷度下,通过形核与长大过程进行结晶;
结晶是在恒温下进行;
在结晶过程中反应相、生成相的成分是恒定的;
在三相水平线上不能应用杠杆定律;
若冷却速度较快时,成分接近共晶合金的亚共晶或过共晶合金会抑制初生相的结晶,形成类似共晶组织的机械混合物,称为伪共晶组织。
2.4.7铁碳合金中的基本相与基本组织(表2-1示)
铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体三种,其中前二种属于固溶体,后者属于化合物。
铁素体、奥氏体均具有良好的塑性和韧性,而渗碳体则硬而脆。
由基本相所形成的铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体(一次、二次、三次渗碳体之分)、珠光体、莱氏体(有低温与高温莱氏体之分)等五种。
其特点归纳列于表2-1。
表2–1铁碳合金中的基本组织
2.4.8钢的分类,组织组分,相组分及其计算,如表2-2所示。
2.4.9铁碳合金中的五种渗碳体的特征,见表2-3示。
2.4.10铁碳合金的分类表,如表2-4所示。
表2-2钢的分类、组织组分、相组分及其计算
表2–3铁碳合金中的渗碳体
表2–4铁碳合金的分类
2.4.11口诀助记法的应用
(1)如何识记铁碳相图中特性点的合碳量?
“韩探亮(含碳量)爬山,携带四个蛋(0.0008%)。
日食其半(0.0218%),爬至E点(2.11%)已无蛋;
到达西天(C点),‘食点山’(4.3%)。
”
(2)如何正确、快速地填写经简化了的铁碳相图呢?
①以相组分形式填写相图——铁碳相图“二·
四·
五”
铁碳相图二四五:
二是共晶和共折;
四种单相要牢记,液、奥、铁素、渗碳体;
五个二相区易记,两“单”相会在一起。
②以组织组分形式填写相图——铁碳组织图“四·
七”
铁碳组织图四七,不同之处在晶析;
共晶下面分四区,共析下面区分七。
2.4.12如何利用铁碳合金相图分析钢的平衡结晶过程呢?
(1)当用语言文字描述时:
①首先画出所分析成分合金的合金垂线;
②通过单相区时属于简单冷却;
③通过两相区时:
i、两平衡相相对含量随温度下降而变化;
ⅱ、两平衡相成分分别沿各自相线变化。
④与三相水平线相交时,应写明反应式、同时标注成分、温度条件。
(2)应用冷却曲线描述时:
①应注明冷却曲线的温度、时间坐标;
②单相区简单冷却,其曲线较陡;
③两相区即匀晶转变或二次析出转变时,其曲线较缓;
④三相区为一水平线,注意其上应写明反应式;
⑤一定注明室温组织。
2.5教学参考资料
《教程》P26~56;
《指导》P9~21,《指南》P30~65;
1.P27~35,52~87,2.P20~43,3.P19~22,32~58,4.P29~55,5.P37~59,79~92,
6.P75~156。
2.6课程进度与学时分配
2.1材料的凝固过程1h
2.2二元相图的基本类型
一、相图的建立,二、匀晶相图,三、共晶相图(部分)2h
2.2二元相图的基本类型
三、共晶相图(部分)~七、相图与性能之间的关系2h
2.3铁碳合金相图分析
采用讨论式课堂教学法,即首先由学生提出问题,师生之间相互讨论,
然后由教师或提问题的学生进行小结,最后教师总结。
讨论式课堂教学的关键是学生必须课前充分自学或预习相关内容,这样
才能在课堂上提出问题。
3h
3材料的力学行为、塑性变形与再结晶(需3h)
3.1授课的重点与难点
3.1.1本章授课的重点
材料在外力作用下会发生变形,这种变形通常包括弹性变形与塑性变形两种.塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法,而且更为重要的是塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能.
因此本章讨论的重点是金属塑性变形(主要是滑移变形)的特点,塑性变形对金属组织、性能的影响(特别是加工硬化)以及回复与再结晶的有关概念。
3.1.2本章学习的难点及易混肴处
塑性变形(滑移变形)的微观机制——即位错的运动不易接受,应结合观看电教片“活的位错”等,及时树立起位错的易动性的概念。
计算金属的再结晶温度的经验公式,看似简单,但在使用时经常出错。
应注意:
(1)再结晶温度经验公式的适用条件,一是仅适用于纯金属,二是计算时必须使用绝对温度。
(2)再结晶温度与再结晶退火温度的区别,绝对不能混为一谈。
3.2基本要求
(1)熟悉金属塑性变形(以滑移为主)的特点及其微观机制;
(2)了解塑性变形对金属组织与性能的影响,重点掌握加工硬化的定义、机理及在生产中的实际意义;
(3)掌握有关再结晶的概念,明确再结晶温度及再结晶退火温度的确定;
(4)比较并总结强化金属材料的四种基本方式——细晶强化、固溶强化、弥散强化与加工硬化。
3.3基本概念
(1)塑性变形与超塑性变形;
(2)滑移变形与孪生变形;
(3)结晶、再结晶与重结晶;
(4)加工硬化、细晶强化与弥散强化;
(5)冷变形加工与热变形加工;
(6)去应力退火与再结晶退火;
(7)再结晶温度与再结晶退火温度;
(8)塑性变形的微观机制
3.4学习方法指导
本章涉及到有关基础理论知识较多,既有较深的塑性变形理论,又与生产实际紧密相连,具有很强的理论性与实践性。
学习时一定注意遵循一定的规律分析与理解教材内容,应紧密联系金工实习,则学习效果更佳。
学习本章内容时应注意:
(1)按照材料的“化学成分→加工工艺→组织结构→性能→应用”这一主线索去分析和理解冷、热变形加工(塑性变形)过程中的各种现象,以便深入理解这些现象的本质及加深记忆.表3-1归纳列出了冷、热变形加工对于金属组织和性能的不同影响。
表3-1塑性变形对金属组织和性能的影响
变形类型
工艺方法
组织变化
性能变化
冷变形
加工
冷轧、拉拔、冷挤压、冷冲压、冷镦等
晶粒沿变形方向伸长,形成冷加工纤维组织
趋于各向异性
晶粒破碎,形成亚结构,
位错密度增加
强度提高,塑性下降,造成
加工硬化,密度下降
冷拉、冷轧等
晶粒位向趋于一致,形成
形变织构
热变形
自由锻、模锻、
热轧、热挤压等
焊合铸造组织中存在的气孔,缩松等缺陷
力学性能提高,密度提高
击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物,偏析减少,晶粒细化
夹杂物沿变形方向伸长,形成流线组织,缓慢冷却可形成带状组织
趋于各向异性,沿流线方向力学性能提高
(2)紧密围绕本章的学习要求与重点,结合有关密切联系生产实际的应用型习题,或直接与生产实践相联系来分析几种典型实例或压力加工零件的变形过程,进一步加深对加工硬化、再结晶温度,冷、热变形加工等基本概念的理解,防止“闭门造车”式的空想、主观臆断及死记硬背等。
(3)为了有效地培养和提高学生独立分析与解决实际问题的能力,要求学习者独立完成教师布置的作业与习题,提倡同宿舍、同小组之间相互切磋、相互讨论,对有关与生产实习密切联系的某些压力加工零件的加工等以求理解更深刻。
(4)在学习本章的过程中,应注意联系第一章“材料的结构”的有关知识来认识、理解、深化本章的学习内容。
3.5教学参考资料
《教程》P57~78;
《指导》P22~28,《指南》P66~93;
1.P36~51,2.P44~52,3.P23~31,4.P55~60,5.P60~78,6.P196~255。
3.6课程进度与学时分配
3.1材料的力学行为与塑性变形1h
3.2冷变形加工对材料组织与性能的影响
3.3冷变形加工的材料在加热时组织与性能的变化
3.4热变形加工
3.5超塑性成形简介2h
4机械工程材料的强韧化——钢的热处理与合金化原理
(共需8h)
4.1授课的重点与难点
4.1.1本章授课的重点
本章主要在归纳、概括机械工程材料强韧化的基础上,重点讨论了钢铁材料强韧化的两条主要途径:
一是对钢铁材料实施热处理,二是通过调整钢的化学成分,加入合金元素(亦即
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