机械工程材料及应用教案.docx
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机械工程材料及应用教案
项目三手锯锯条的选材——碳素工具钢的应用
课题:
3.1手锯锯条的服役条件分析 3.2材料的力学性能——硬度与韧性(2课时)
【新课导入】:
锯条是用什么材料做的?
锯条需要具有什么样的力学性能?
金属材料的软硬是我们经常关注的问题,请问常见的金属材料中哪些是比较软的?
哪些是比较硬的?
在工业生产中,我们仅仅知道金属材料软和硬是远远不够的,还必须精确知道其硬度值的大小。
本节课我们来深入学习硬度的有关知识。
中文里“韧”是什么意思?
它是指柔软而结实,不易折断。
在生产和生活中,许多机械零件往往要受到冲击载荷的作用,如冲床的冲头、凿岩石机风镐上的活塞、快速行驶的汽车相撞、高速飞行的子弹击中防弹衣的材料等。
在金属材料受到冲击载荷作用时,也必须具有这种韧性。
教学目标:
1.了解并分析手锯锯条的工作条件;
2.掌握三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。
3.理解硬度概念,明确三种硬度测定方法;
4.理解韧性的意义,明确韧性测定方法,掌握韧性的衡量指标(Ak);
教学重点:
三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。
教学难点:
三种硬度的测定方法的符号、原理和应用。
前测:
什么是机械工程材料的硬度与塑性?
测试硬度的方法有哪些?
教学过程:
【板书】
3.1手锯锯条的服役条件分析
3.1.1手锯锯条的工作条件
摩擦——高硬度;冲击力——韧性好;
3.1.2手锯锯条的失效分析
磨损、崩刃、断裂
3.2材料的力学性能——硬度与韧性
3.2.1硬度
硬度:
金属材料抵抗其它更硬物体压入表面的能力。
【讲解】硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。
各种不同的机械零件对硬度都有不同的要求,尤其是机械制造业所用的刀具、量具、模具等,都应具备足够的硬度,才能保证使用性能和寿命,因此硬度是金属材料重要的力学性能之一。
硬度试验设备简单,操作方便,能在零件上进行试验而不破坏。
硬度值还可以间接地反映金属材料的强度和金属的化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异,因而硬度试验在机械工程中得到普遍应用。
硬度试验方法很多,生产中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。
【板书】
硬度测定方法压头类型原理硬度值应用
HBS:
淬硬钢球以球面压痕单位表面积HBS<450测定较软的原材料、
布氏硬度HBW:
硬质合金球上的压力来计量硬度值。
HBW<650半成品的硬度。
直径1、2、2.5、5、10HB=
(完成交流与讨论1、2)
HRA1200金刚石圆锥体以压痕深度(h)来HRA20~80适用于测定硬度极高的材
料和成品。
如硬质合金。
洛氏硬度HRB1.588mm的钢球计量硬度值。
HRB20~100适用于测定硬度较低的材
料和成品。
如黄铜轴套。
HRC1200金刚石圆锥体HRC20~70适用于测定硬度较高的
材料和成品。
如淬火钢。
相对面夹角为1360以压痕单位表面积HV10~1000适用测定极软到极硬的各种
维氏硬度的正四棱锥体金刚石上的压力计量硬度值。
材料,主要用于测试很薄工件及渗碳层等的硬度。
3.2.2冲击韧度
【板书】韧性:
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
1.韧性测定
(1)冲击试样图1-19所示
V型缺口试样10×10×55
U型缺口试样10×10×55
(2)冲击试验大能量一次冲击(图1-20所示)
2.韧性指标
冲击功Ak=G(H1—H2)
G──摆锤重量(N);
H1──冲击前摆锤举起的高度(m);
H2──冲断试样后,摆锤回升的高度(m);
Ak──冲击功(J)。
【练习】依据表4-2,请查出下列材料的韧性(Ak)
碳钢
25
35
25
韧性(Ak)
【板书】韧性材料Ak≥8J如碳钢;
脆性材料Ak<8J如铸铁。
小结:
(1)Ak值的越大,表示材料的韧性越好;
【交流与讨论】是否所有受到冲击载荷作用的零件都要选用韧性大的材料制造?
【板书】
(2)受到大能量,一次冲击载荷作用的零件,应选用韧性大的材料制造。
如汽车保险杆、防弹材料;
受到小能量,多次冲击载荷作用的零件,应选用强度大塑性好的材料制造。
如模锻锤锤杆。
【小结】学习内容
硬度测定方法:
布氏硬度
洛氏硬度
维氏硬度
韧性Ak
Ak值的越大,表示材料的韧性越好
【作业】书面:
习题
【交流与讨论】
1.某私营企业自制了一批水泥砖,需要检验这批水泥砖的硬度是否达到样品的硬度。
这时有人说只要有一个小铁球就可以做这个试验。
你认为可行吗?
应怎样试验,能够测出水泥砖的硬度是否达标?
(1.让小铁球从相同高度自由下落,检查铁球落在每块水泥砖上的深度,深度浅的硬度大。
2.让水泥砖成45度角安放,小铁球从相同高度下落,看铁球滚动多远。
硬度大,小铁球滚得远些。
)
课题:
3.3金属的结晶特点与铁碳相图
【导入新课】
从铁碳合金组织学习中我们知道,室温下的组织F、P、Ldˊ、Fe3C随着含碳量增加,它们的性能变化是规律的,塑性、韧性由好变差,硬度由大变小,其实这种变化规律我们是可以从材料专家绘制的铁碳合金相图反映出来的。
Fe-Fe3C相图不仅大大地推动了金相学的发展,而且在生产实践中具有重要的现实意义。
它为研究钢铁的组织,合理选用钢铁材料,科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据
【学习目标】
1.了解金属的结晶条件、过程及晶粒大小对其力学性能的影响
2.了解纯铁的同素异构转变
3.了解分析铁碳合金相图
4.了解铁碳合金相图的应用
教学重点:
分析铁碳合金相图与铁碳合金相图应用
教学难点:
分析铁碳合金相图与铁碳合金相图应用
前测:
1、合金的基本组织有哪三种类型?
2、固溶体又有哪两种类型?
固溶体的性能是怎样的?
3、什么叫合金、请说明下列合金的组成。
黄铜碳钢硬铝武德合金
(Cu-ZnFe-CAI-Cu-MgPb-Sn-Bi-Cd)
4、合金至少有几种元素组成?
一定是金属元素与金属元素组成的吗?
教学过程:
【板书】3.3.1金属结晶特点
金属的结晶液态─→固态
【讲解】金属材料由液态转变为固态时凝固的过程,即晶体结构形成的过程称为结晶。
金属材料的冶炼和铸造都要经历由液态转变为固态的结晶过程。
金属材料性能与结晶后组织密切相关,所以了解金属材料结晶过程的基本规律,对于掌握和控制金属材料的组织及性能具有十分重要的
【板书】一、金属结晶的条件(教师引导分析观察图3-6,概括出特点。
)
纯金属是在恒定的温度下结晶的。
如:
Fe1538℃,Cu1083℃。
原因:
结晶过程中释放出来的结晶热量,补尝了散失在空气中的热量。
【讲解】在实际生产中我们总会发现液态金属冷却到理论结晶温度(T0)以下才开始结晶,如图2-6所示。
实际结晶温度(T1)低于结晶温度(T0)。
(过冷现象)
【板书】过冷度:
理论结晶温度和实际结晶温度之差
△T=T0—T1
【交流与讨论】
在寒冷季节里,北方人是怎样吃硬梆梆的冻柿子呢?
他们吃法叫做“拨冰子”,其过程就是将冻柿子放入冷水中,待冻柿子外面结成大冰团时将其捞出,此时剥开冰团,里面的柿子已变得松软可口了。
请你想一想,他们是利用什么原理把冻柿子里的冰拨出来的?
(利用水结冰放出的热量熔化冻柿。
)
教师指导阅读“你知道吗?
”
【板书】二、纯金属的结晶过程
【讲解】液态金属在达到结晶温度开始结晶时,首先从液态金属形成一些微小而稳定的小晶体,称为晶核,然后随着时间推移,晶核不断长大,与此同时,液体中不断形成新晶核,并不断长大,直到它们彼此相互接触,液态金属完全消失而转变为固态,如图2-7所示。
【板书】(纯金属的结晶过程是)晶核形成与晶核长大。
三、晶粒大小对其力学性能的影响
(教师讲读“材料史话”)
【交流与讨论】
晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示,数目越多晶粒越小。
为了方便测量,常用单位截面上晶粒的平均直径来表示。
下表是晶粒大小对纯铁力学性能的影响:
晶粒平均直径(μm)
σb(MPa)
δ(%)
70
25
2.0
1.6
184
216
268
270
30.6
39.5
48.8
50.7
分析上表晶粒大小对纯铁力学性能的影响,你得出的结论是:
【板书】晶粒越细,金属材料的力学性能越好。
细化晶粒的方法有:
1、增大过冷度适用于中小型铸件。
2、变质处理(孕育处理)在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂。
3、振动处理
【交流与讨论】
细化晶粒是提高金属材料力学性能的重要手段之一,工业上把利用细化晶粒来强化金属材料的方法称为细晶强化。
专家们认为:
“细晶强化是一种最经济的强化金属材料的方法。
”你怎样理解这一观点的?
(金属同样的结晶,细晶粒,力学性能就好,反之就差。
)
【板书】四、临界温度:
金属材料结构发生改变的温度。
如纯Fe的临界温度为1538℃,纯Cu的临界温度为1083℃。
教师指导阅读“你知道吗?
”
【板书】3.3.2铁碳合金相图
一、铁碳合金的基本组元与基本相
1、纯铁的同素异构转变:
金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
【讲解】同素就是同种元素;
由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性:
αβγδ
低温高温
纯铁的同素异构转变
(教师引导学生分析图3-8为纯铁的冷却曲线,师生共同概括出下式)
【交流与讨论】金属晶体结构改变,它的性能会不会改变?
【讲解】不仅纯铁能够发生同素异构转变,而且铁碳合金——钢、铸铁同样能发生同素异构转变。
正因为如此,生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理来改变其组织和性能。
可见纯铁的同素异构转变现象具有极其重要的意义。
2、铁碳合金的基本相及其性能
钢和生铁都是铁碳合金,根据含碳量的不同,碳可以溶解在铁中形成固溶体,也可以反应形成金属化合物,或固溶体与金属化合物组成机械混合物。
因此,在铁碳合金中出现以下几种基本组织。
【板书】
组织名称符号含义含碳量性能
铁素体F碳溶解在α-Fe中的0.0008%塑性、韧性很好,强度、硬度
间隙固溶体。
(室温)低。
(δ:
30~50%,Ak:
128~160J,
(指导观察图3-4、3-5)σb:
180~280MPa,HBS:
50~80)
奥氏体A碳溶解在γ-Fe中的0.77%塑性、韧性好,强度、硬度不
间隙固溶体。
(727℃)高(伸长率δ:
45%~60%σb:
(指导观察图3-6、3-7)400MPa,HBS:
160~200)
渗碳体Fe3C铁与碳反应形成的金6.69%硬度很高(相当于800HBS),塑
属化合物。
性、韧性几乎为零,脆性很大。
珠光体P铁素体与渗碳体组成0.77%强度较高,硬度适中,有一
的机械混合物。
(727℃以下)定的塑性。
(σb:
800MPa,HBS:
(指导观察图3-8)160~280,δ:
20%~25%)
莱氏体Ld由奥氏体和渗碳体组成。
(727℃以上)硬度高(相当于700HBS),
Ldˊ由珠光体和渗碳体组成。
(727℃以下)塑性很差。
(指导观察图3-9)
注:
在完成上述内容教学时,结合完成下列内容教学。
【交流与讨论】
下表为纯铁的力学性能,通过学习比较可以发现铁素体力学性能与纯铁基本相同,请问你是如何看待这一问题的?
力学性能
抗拉强度
(σb)
硬度(HBS)
伸长率
(δ)
断面收缩率(ψ)
韧性
(Ak)
力学性能指标值
176-276MPa
50-80
40%-50%
70%-80%
128-160J
【讲解】渗碳体有片状、球状(粒状)、网状等不同形态,其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有很大的影响。
渗碳体在适当的条件下,能分解为铁和石墨:
Fe3C─→3Fe+C(石墨)
【交流与讨论】
在铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体中:
属于合金基本相的是____________________________,属于机械混合物的是____________________________,只能存在727℃以上组织是______________________。
【板书】二.铁碳合金相图分析
铁碳合金相图:
表示在极缓慢加热(或冷却)情况下,不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。
【讲解】铁碳合金中,铁和碳可以形成一系的化合物,如Fe3C、Fe2C、FeC等,如图3—10所示。
由于含碳量>6.69%的铁碳合金脆性很大,没有实用价值。
因此,目前应用的铁碳合金相图仅研究含碳量从0%~6.69%,也就是Fe-Fe3C相图。
图3-11为简化后的Fe-Fe3C相图。
图中纵坐标为温度,横坐标为含碳量的质量百分数,从左向右表明含碳量从零增加到6.69%。
【板书】1、Fe-Fe3C相图
【板书】2、Fe-Fe3C相图特性点
特性点温度(℃)含碳量(%)含义
A15380纯铁的熔点
D12276.69渗碳体的熔点
C11484.30共晶点(教师板书出反应式)
S7270.77共析点(教师板书出反应式)
E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度
G9120纯铁α-Fe↔γ-Fe转变温度
【板书】3、Fe-Fe3C相图特性线
ACD线——液相线。
此线以上全部为液相。
〔用L表示。
铁碳合金冷却到此线开始结晶,在AC线以下从液相中结晶出奥氏体,在CD线以下结晶出一次渗碳体(Fe3CI)。
〕
AECF线——固相线。
液态合金冷却到此线全部结晶为固相。
(此线以下全部为固相区)
GS线(A3)——冷却时奥氏体开始转变为铁素体的开始线,或加热时铁素体全部转变为奥氏体终了线。
ES线(Acm)——碳在γ-Fe中溶解度曲线。
此线以下开始从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
ECF线——共晶线。
〔含碳量在2.11-6.69%的合金冷却到此线时(1148℃)都发生共晶反应,同时结晶出奥氏体与渗碳体混合物——莱氏体。
)〕
PSK线(A1)——共析线。
〔含碳量在0.0218-6.69%的合金冷却到此线时(727℃)都反生共析反应,同时析出铁素体与渗碳体混合物——珠光体。
〕
【练习】教师指导学生画出Fe-Fe3C相图(其尺寸与图3-11)并填写出各区域的组织。
【板书】4、相区
四个单相区、
五个两相区
【板书】三、典型合金的结晶过程及组织
铁碳合金的分类
钢含碳量小于2.11%的铁碳合金。
分类含碳量室温组织
亚共析钢C<0.77%F+P
共析钢C=0.77%P
过共析钢C>0.77%Fe3CⅡ+P
白口铸铁含碳量2.11%~6.69%的铁碳合金。
分类含碳量室温组织
亚共晶白口铸铁C<4.3%P+Fe3CⅡ+L`d
共晶白口铸铁C=4.3%L`d
过共晶白口铸铁C>4.3%Fe3CI+L`d
分析六种典型铁碳合金的结晶过程和组织
四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1、含碳量对组织的影响
(教师引导学生分析图3-22)
亚共析钢共析钢过共析钢
F减少全部为PFe3CⅡ增多
P增多P减少
2、含碳量对性能的影响
含碳量越高,钢的强度、硬度越高,塑性、韧性越低。
但当钢的含碳量大于0.9%时,因网状渗碳体的出现,使钢的强度有所降低。
为了保证工业上使用的钢具有足够的强度,并具有一定的塑性和韧性,钢中的含碳量一般不超过1.4%。
Fe-Fe3C相图不仅大大地推动了金相学的发展,而且在生产实践中具有重要的现实意义。
它为研究钢铁的组织,合理选用钢铁材料,科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据,本节课我们讨论Fe-Fe3C相图的应用。
【板书】五、Fe-Fe3C相图的应用
1、选材方面
(教师讲读教材内容,指导完成“交流与讨论”)
2、铸造方面
接近共晶成分的铸铁铸造性好,在铸造生产中获得广泛应用。
原因:
接近共晶成分的铸铁不仅熔点低,而且凝固区间小,且流动性好,收缩性小。
3、锻造方面
钢材锻造、轧制的温度范围通常选择在Fe—Fe3C相图中奥氏体区。
原因:
钢处于奥氏体状态时,强度较低,塑性较好,便于塑性变形。
4、热处理方面
【讲解】Fe-Fe3C相图诞生100多年来,它为钢铁金相组织的研究,钢铁材料的合理选用,科学制订钢铁材料铸造、锻造和热处理等热加工工艺提供了重要的科学依据,发挥了巨大的指导作用。
然而,我们也应认识它的缺陷和不足。
实际生产中使用的钢铁材料,除铁和碳两种元素外,还有其他杂质元素(主要是硅、锰、硫、磷)或合金元素,而Fe-Fe3C相图仅研究铁、碳两种元素的相互作用和影响,没有考虑其他杂质元素或合金元素对铁碳合金的影响。
我们还知道,Fe—Fe3C相图是钢在极缓慢加热(或冷却)时测定绘制的,因而,在实际生产加热时,由于加热速度较快,钢的组织转变总会发生滞后现象,实际加热转变温度总要高于Fe—Fe3C相图的A1、A3、Acm。
例如,依据Fe—Fe3C相图,含碳量为0.45%钢由铁素体转变为奥氏体的转变终了温度为766℃,而含碳量为0.45%钢在实际加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度为780℃。
为了将Fe—Fe3C相图的加热临界温度A1、A3、Acm和实际生产加热临界温度加以区别,通常把实际加热的各临界温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示,
【板书】实际加热的各临界温度
相图加热临界温度A1A3Acm
实际加热临界温度Ac1Ac3Accm
Ac1实际加热时,珠光体转变为奥氏体的终了温度;
Ac3实际加热时,铁素体转变为奥氏体的终了温度;
Accm实际加热时,Fe3CⅡ溶入奥氏体的终了温度。
【讲解】必须指出的是,在实际生产冷却时,由于冷却速度较快,钢的组织转变临界温度也会发生滞后现象,在此我们不作讨论。
【小结】
一、纯金属结晶特点
纯金属是在恒定的温度下结晶的。
二、纯金属的结晶过程
晶核形成与晶核长大
三、晶粒大小对其力学性能的影响
晶粒越细,金属材料的力学性能越好。
细化晶粒的方法。
FPLdˊFe3C
含碳量小————————————————→大
塑性、韧性好————————————————→差
硬度小————————————————→大
四、Fe-Fe3C相图的分析特性点、相图特性线;
五、含碳量对钢组织和性能的影响
六、Fe-Fe3C相图的应用;
【作业】习题思考
课题:
3.4金属材料的热处理3.5碳素工具钢及手锯锯条的选材(2课时)
【新课导入】钳工锉削用的锉刀是采用什么材料制造的?
锉刀的性能是怎样的?
〔T13或T12,具有高硬度(62~65HRC)和耐磨性。
〕锉刀的高硬度和耐磨性是T13本身具有的吗?
不是的。
它是通热处理处理出来的。
从第五章开始我们将学习讨论热处理的知识。
教学目标:
1、掌握热处理含义,明确普通热处理和表面热处理的种类。
2、能熟练应用Ac1、Ac3、ACcm,明确钢加热时的组织转变及其影响因素。
3、明确等温冷却、连续冷却、过冷奥氏体;
4、理解过冷奥氏体等温图,掌握过冷奥氏体等温冷却的组织和性能。
5、掌握过冷奥氏体典型连续的产物,马氏体及马氏体转变特点。
教学重点:
热处理含义,Ac1、Ac3、ACcm应用
教学难点:
热处理含义,Ac1、Ac3、ACcm应用
教学过程:
【板书】热处理:
将固态钢进行加热、保温和冷却,以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
普通热处理──退火、正火、淬火、回火;
表面热处理──表面淬火、化学热处理。
注意
(1)任何热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段;(如图5-1)
(2)保温的目的是使工件热透,组织转变均匀。
【讲解】热处理是机械制造工艺中一个不可缺少的组成部分,它能改善零件的加工性能,提高材料使用性能,充分发挥钢材的潜力,延长零件的使用寿命。
据统计,机床制造中约有60%~70%的零件,汽车、拖拉机制造中约有70%~80%的零件都要进行热处理,各种工具和轴承几乎全部要进行热处理。
可见,热处理在机械制造中占有非常重要的地位。
(教师介绍“热处理史话”)
【板书】
(1)钢在加热的组织转变
一、加热目的:
获得奥氏体(或部分奥氏体)。
【复习】请说出Ac1、Ac3、ACcm的意义?
并将Ac1、Ac3、ACc分别标注到钢部分相图中去。
【交流与讨论】
一.45钢Ac1:
724℃,Ac3:
780℃。
T10钢Ac1:
730℃,ACcm:
800℃。
请问45钢、T10钢在下表不同温度时的组织是什么?
室温
735℃
830℃
45钢
T10钢
二.亚共析钢完全奥氏体化,应加热到______以上;
共析钢完全奥氏体化,应加热到________以上;
过共析钢完全奥氏体化,应加热到______以上。
【讲解】奥氏体虽然是钢在高温状态下的组织,但它的晶粒大小、均匀程度,对钢冷却后的组织和性能有重影响。
因此,了解钢在加热时组织结构的变化规律,是对钢进行正确热处理的先决条件。
【板书】二、奥氏体的形成过程教师讲读教材相关内容)
共析钢
1.奥氏体晶核的形成;2.奥氏体晶核的长大;3.残余渗碳体的溶解;4.奥氏体的均匀化。
三、奥氏体晶粒长大及影响因素
1、晶粒长大过程2、影响晶粒长大因素
小结:
热处理加热时,要合理选择并严格控制加热温度和保温时间,合理选用钢材。
【板书】
(2)钢在冷却的组织转变
热处理的冷却方式
1、等温冷却 2、连续冷却
一、过冷奥氏体等温转变
(教师讲解除清楚过冷奥氏体。
)
1.过冷奥氏体等温转变图(C曲线)
(教师边图示边讲解分析以下内容)
共析钢过冷奥氏体等温转变图:
aa‵曲线为过冷奥氏体转变开始线;
bb‵曲线为过冷奥氏体转变终了线。
Ms线:
过冷奥氏体发生马氏体转变的开始温度线;
Mf线:
过冷奥氏体发生马氏体转变的终了温度线。
2.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
(1)珠光体转变在A1~550℃温度范围
组织名称 符号 温度范围 组织特征 硬度(HRC)
珠光体 P A1~650℃ 粗片状 <25
索氏体 S 650℃~600℃ 细片状 25~35
托氏体 T 600℃~550℃ 极细片状 35~40
(2)贝氏体转变在550℃~Ms温度范围。
组织名称 符号 温度范围 组织特征 硬度(HRC)
上贝氏体 B上 550℃~350℃ 羽毛状 40~45
下贝氏体 B下 350℃~Ms 黑色针叶状 45~55
二、过冷奥氏体连续转变
【讲解】把钢加热到奥氏体状态后,使奥氏体在温度连续下降的过程中发生的转变称为过冷奥氏体连续冷却转变。
因过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难,故目前生产中通常应用过冷奥氏体等温转变图近似地来分析奥氏体连续冷却时的转变。
例如我们要确定一种钢在某种连续
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