机械工程材料及应用教案王纪安

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、

120金刚石圆锥体以压痕深度(h)来20~80 适用于测定硬度极高的材

料和成品。如硬质合金。洛氏硬度HRB1.588 mm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HV 10~1000 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）。

脆性材料Ak＜8 J 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-Zn Fe-C AI-Cu-Mg Pb-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：Fe 1538℃，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”）