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1、教学目标知识目标：熟悉工程材料的种类、性能指标和牌号表示方法；熟悉金属晶体结构；掌握铁碳合金相图的相关知识；熟悉热处理的理论基础，掌握常见的热处理工艺方法。能力目标：根据零件的使用条件，选择力学性能指标；根据材料的牌号，判断其所属种类、性能特点、应用场合；根据材料的性能要求，选择合适的热处理工艺。素质目标： 教学重点各种工程材料的应用领域教学难点各种工程材料的性能教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释模块一 工程材料基础任务描述减速器是机械设备中的常用装置，它是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作
2、需要。减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件（轴承盖、定位销、螺栓、螺钉等）组成。试确定这些零部件都是由哪些材料制作而成的。任务分析减速器的各零部件在工作时受力情况各不相同，对材料的性能要求也有所差异，需要区别对待。相关知识学习情境一 材料的分类和金属材料的性能一、材料的分类工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。按材料的组成和结合键的特点，可将工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。二、金属材料的性能1.使用性能1）力学性能力学性能是指材料在载荷（外力）作用下所表现出的抵抗产生塑性变形或断裂的能
3、力。（1） 弹性和刚度。材料力学性能的指标是通过拉伸试验测定的。根据国家标准GB/T 228.12010金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法中的相关规定制作标准拉伸试样，如图1-1所示。图1-1 标准拉伸试样为消除试样几何尺寸对试验结果的影响，将拉伸过程中试样所受的拉伸力转化为试样单位截面积上所受的力（称为应力），试样伸长量转化为试样单位长度上的伸长量（称为应变），得到应力应变曲线，其形状与拉伸曲线完全一致。低碳钢的应力应变曲线如图1-2所示。图1-2 低碳钢的应力应变曲线（2） 强度。工程材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力称为强度。屈服强度。在图1-2中，当曲线超过A点后，若卸去
4、外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。在金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点称为屈服点，其所对应的强度称为屈服强度，应区分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，单位为MPa。抗拉强度。材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用Rm表示，单位为MPa。（3）塑性。塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率，在拉伸试验中，可以通过把试样拉断后将其对接起来进行测量而得到。断后伸长率A和断面收缩率Z越大，材料的塑性越好。两者相比，用断面收缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变
5、形。（4）硬度。硬度是反映材料软硬程度的一种性能指标，它表示材料表面局部区域内抵抗其他物体压入的能力。测量硬度的常用指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。使用不同方法所测得的硬度值不能直接比较，可通过硬度对照表换算。（5）冲击韧性。材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性，用ak表示。一般采用一次冲击弯曲试验测定材料的冲击韧性。（6）疲劳。疲劳的概念。许多机械零件（如齿轮、轴、弹簧）是在重复或交变载荷下工作的。交变载荷是指大小或方向随时间而变化的载荷。在交变载荷作用下，即使零件所承受的应力远低于其屈服强度，长时间作用后也会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。疲劳强度。在测定材料的疲
6、劳强度时要用较多的试样，在不同循环应力作用下进行试验，作出疲劳曲线（材料所受交变应力S与其断裂前的应力循环次数Nf的关系曲线），如图1-8所示。图1-8 疲劳曲线示意图2）物理性能和化学性能（1）物理性能。工程材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。各种机械零件由于用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。（2）化学性能。金属及合金的化学性能指它们在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力，主要有耐蚀性和抗氧化性。2.工艺性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。按加工方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性及热处理工艺性能等。在设计零件和选择工艺方法时，都
7、要考虑材料的工艺性能，以降低成本，获得质量优良的零件。学习情境二 金属的晶体结构与结晶一、晶体结构的基本概念1.晶格如果把组成晶体的原子（或离子、分子）看做刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期性地堆积而成，如图1-9（a）所示。不同晶体的堆积规律不同。为了研究方便，假设将刚性球体视为处于球心的点，称为结点，用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格，如图1-9（b）所示。晶格能够直观地表示晶体中原子（或离子、分子）的排列规律。2.晶胞从微观上看，晶体是无限大的。为了便于研究，常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元称为晶
8、胞，如图1-9（c）所示。晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体。图1-9 简单立方晶体示意图3.常见纯金属的晶格类型1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞示意图如图1-10所示，具有体心立方晶格的金属有-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。图1-10 体心立方晶胞示意图2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞示意图如图1-11所示，属于这类晶格的金属有Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。图1-11 面心立方晶胞示意图3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞示意图如图1-12所示，属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。图1-12 密排六方晶胞示意图二、纯金属的晶体结构1.单晶体和多晶体在研究
9、金属的晶体结构时，是把晶体看成由原子按一定几何规律作周期性排列而成，晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1-13所示。图1-13 多晶体结构示意图2.晶体缺陷按晶体缺陷的几何形状，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三、纯金属的结晶金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，此过程称为金属的结晶过程。纯金属在缓慢冷却时，由于结晶时放出的结晶潜热补偿了冷却时向外散失的热量，故冷却过程中温度不变化，此时的温度称为理论结晶温度。四、合金及合
10、金中的相结构1.合金的基本概念1）组元组成合金最基本的、独立的单元称为组元，简称为元。例如，黄铜的组元是铜和锌，碳钢的组元是铁和碳，或者是铁和金属化合物Fe3C。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金。2）相固态合金中的相是合金组织的基本组成部分，它具有一定的晶体结构和性质，具有均匀的化学成分。3）合金系由给定的组元可以配制成一系列成分不同的合金，这些合金组成一个合金系统，称为合金系。4）组织组织是指用肉眼或借助各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。2.固态合金中的基本相1）固溶体合金结
11、晶时，组元之间相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种固相称为固溶体。2）金属化合物金属化合物是合金组元按一定比例发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。3.合金相图的基础知识1）二元匀晶相图两组元在液态和固态下均能无限互溶时所构成的相图称为二元匀晶相图。二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W等合金都形成二元匀晶相图。在这类合金中，结晶时都由液相结晶出单相的固溶体。这种从液相中结晶出单一固相的过程称为匀晶转变或匀晶反应。Cu-Ni二元匀晶相图如图1-18所示。图1-18 Cu-Ni二元匀晶相图2）二元共晶相图组
12、成合金的两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合金系所形成的二元合金相图称为二元共晶相图。PbSn、PbSb、AgCu、AlSi合金相图均属于这类相图。PbSn二元共晶相图如图1-19所示。图1-19 PbSn二元共晶相图学习情境三 铁碳合金一、 纯铁的同素异构转变铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如图1-20所示。图1-20 纯铁的同素异构转变冷却曲线二、 铁碳合金的基本组织铁碳合金在固态下会出现以下几种基本组织。1.铁素体2.奥氏体3.渗碳体4.珠光体5.莱氏体三、Fe-Fe3C相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。wC6.69%的铁碳合
13、金脆性极大，没有使用价值，而Fe3C可以作为一个独立的组元，因此，所研究的铁碳合金相图实际上是简化的Fe-Fe3C相图，如图1-21所示。图1-21 简化后的FeFe3C相图及其室温组织图1. Fe-Fe3C相图中的特征点2.Fe-Fe3C相图的特征线（1）ACD线。ACD线为液相线，该线以上的合金为液态，合金冷却至该线以下便开始结晶。（2）AECF线。AECF线为固相线，该线以下合金为固态，加热时温度达到该线，合金开始熔化。(3)PSK线。PSK线为共析线，也称为A1线，即具有共析成分（wC0.77%）的奥氏体在共析温度727 时，要同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，其反应方程式为AS恒温
14、FFe3C（4）ES线。ES线为碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm线。从该线可以看出，奥氏体的最大溶碳量在1 148 时为2.11%，而在727 时仅为0.77%。（5）GS线。GS线是冷却时由奥氏体析出铁素体的开始线，通常称为A3线。（6）GP线。GP线是冷却时奥氏体转变成铁素体的终了线。（7）PQ线。PQ线是碳在铁素体中的固溶线。3.Fe-Fe3C相图中的特征相区（1）三个单相区。（2）五个两相区。（3）两个三相区。四、典型合金的结晶过程分析1.共析钢的结晶过程分析其结晶过程如图1-23所示。图1-23 共析钢结晶过程示意图2.亚共析钢的结晶过程分析结晶过程如图1-25所示。图1-25 wC=0.4%的亚共析钢的结晶过程示意图3.过共析钢的结晶过程分析结晶过程如图1-27所示。图1-27 过共析钢的结晶过程示意图4.共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-29所示。图1-29 共晶白口铸铁的结晶过程示意图5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-31所示。图1-31 wC=3.0%的亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图6.过共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-33所示。图1-34 wC=5.0%的过共晶白口铸铁的室温平衡组织五、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1.含碳量对铁碳合金组织的影响2.含碳量对力学性能的影响3.含碳量对工艺性能的影响
