金属材料与热处理理论课教案(编辑修改稿)

金属材料与热处理理论课教案(编辑修改稿)内容摘要：

1 温度的大小与冷却的速度有关。 冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。 冷却曲线的坐标 表示： 纵坐标表示――温度（ T） 横坐标表示――时间（ t ） 提问：为什么纯金属结晶时，冷却曲线有一段是水平的： 由于结晶过程的结晶潜热补赏了散失在空气中的热量，因此，结晶时温度并不随时间的延长而下降。 直到结晶终了时，温度下降才快些。 温度的大小与什么有关：与冷却的速度有关。 冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。 准备上课 学生思考并回答所提出的问题。 学生分组讨论并发言 听 课 记笔记 学生分组讨论 并发言 听 讲 提 问 学生分组讨论并发言 记笔记 2分 5分 15分 15分 教 与 学 互 动 设 计 教 师 活 动 内 容 学生活动内容 时间 （二）、 纯金属的结晶过程――― 晶核的形成与长大 晶核：作为结晶核心的微小晶体。 单晶体：结晶后只有一个晶粒的晶体叫～。 单晶体有各向异性：因为单晶体中的原子排列位向是完全一致的，其性能是各向异性的。 多晶体：结晶后的晶体是许多位向不同的晶粒组成的。 多晶体中各晶粒的晶格位向互不一致，各向异性彼此抵消。 四、晶粒大小对金属材料的影响 晶粒越细，金属具有较高的强度和韧性。 在实际的生产过程中，为了提高金属的力学性能，就要控制金属结晶的大小。 通过研究和分析，发现晶粒的大小与结晶时的形核率有关，与晶核长大的速度有关。 形核率越高，长大的速度越慢，晶粒就越小。 抓住这个规律之后，所以确认 ： 细化晶粒的根本途径是控制形核率及长 大速度。 增加过冷度 常用细化晶粒的方法： 变质处理 振动处理 ⑪增加过冷度能使晶粒细化：这种方法的适应范围：中、小型铸件。 ⑫变质处理：在熔液中加一些变质剂（形核剂）这种方法可使晶粒显著增加，或者降低晶核的长大速度。 加入哪些元素可细化晶粒：钢：钛（ Ti） 硼（ P） 铝（ Al）铸铁：硅铁（ SiFe） 硅钙（ SiCa）等 ⑬振动处理：结晶时金属液加以机械、超声波、电磁振动等，使晶格破碎。 第三节、同素异构 转变 概念： 金属结晶后，晶格类型随温度的改变而发生的变化。 举例：纯铁的同素异构转变（图 17） 学生分组讨论并发言：温度与结晶的关系 讨论生产中常见 的细化晶粒的方法 分组讨论， 对比金刚石和石墨认识 同素异晶转变 10分 20分 教 与 学 互 动 设 计 教 师 活 动 内 容 学生活动内容 时间 1538 度 (结晶 δFe) 1394 度 (γFe) 912 度 (βFe) （体心立方晶格） （面心立方晶格） （密排六方晶格） 同素异构转变的特点：固态相变是需要较大的过冷度的，则体积变化时造成较大的内应力，以致于淬火时引起应力导致工件变形和开裂，因此要控制冷却速度，可以改变同素异构后的晶粒的大小，从而改变金属的性能。 （四）课堂小结 点出重 点，分析难点 （五）布置作业 复习本次课内容 课后习题册 预习下一节内容 学生认真听讲，并详细记笔记 学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容 15分 5分 3分 理 论 课 教 案 章节 课题 167。 31金属的塑性变形 课 型 新授课 课时 2 教具学具 电教设施 挂图 教学目标 知识 教学点 通过学习使 学生们了解什么是单晶体塑性变形、多晶体塑性变形 能力 培养点 掌握单晶体塑性变形、多晶体塑性变形 德育 渗透点 培养学生的职业道德观及互相协作的精神 教学重点 难点 重点 单晶体塑性变形、多晶体塑性变形 难点 单晶体塑性变形、多晶体塑性变形 学法引导 讨论法、训练法、自主探究法 教学内容 更新、补 充、删节 补充《金属材料与热处理》相关内容 参考资料 《金属学与热处理》 课后体会 教 与 学 互 动 设 计 教 师 活 动 内 容 学生活动内容 时间 （一）组织教学 点名考勤，稳定学生情绪，准备上课 （二）复习提问 金属工艺性能包括哪些。 （三）讲授新课 第三章 金属的塑性变形与再结晶 在工业生产中，经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金铸锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工 (图 3— 1)，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。 金属材料经压力加工后，不仅改变了外形尺寸，而且改变了内部组织和性能。 因此，研究金属的塑性变形，对于选择金属材料的加工工艺、提高生产率、改善产品质量、合理使用材料等均有重要的意义。 图 3— 1 压力加工方 法示意图 a)轧制 b)挤压 c)冷拔 d)锻造 e)冷冲压 第一节 金属的塑性变形 金属在外力 (载荷 )的作用下，首先发生弹性变形，载荷增加到一定值后，除了发生弹性变形外，还发生塑性变形，即弹塑性变形。 继续增加载荷，塑性变形也将逐渐增大，直至金属发生断裂。 即金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂三个连续的阶段。 弹性变形的本质是外力克服了原子间的作用力，使原子间距发生改变。 当外力消除后，原子间的作用力又使它们回到原来的平衡位置，使金属恢复到原来的形状。 金属弹性变形后其 组织和性能不发生变化。 塑性变形后金属的组织和性能发生变化。 塑性变形较弹性变形复杂得多，下面先来分析单晶体的塑性变形。 一、单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。 由图 3— 2 可见，要使某一晶面滑动，作用在该晶面上的力必须是相互平行、方向相反的切应力 (垂直该晶面的正应力只能引起伸长或收缩 )，而且切应力必须达到一定值，滑移才能进行。 当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形 (图 3— 2d)。 许多晶面滑移的总和 ，就产生了宏观的塑性变形，图 3— 3为锌单晶体滑移变形时的情况。 准备上课 学生思考并回答所提出的问题。 学生分组讨论并发言 听 课 记笔记 听 讲 记笔记 2分 5分 10分 10分 教 与 学 互 动 设 计 教 师 活 动 内 容 学生活动内容 时间 图 32 晶体在切应力作用力的变形 a)未变形 b）弹性变形 c）弹、塑性变形 d）塑性变形 图 33 锌单晶体滑移变形示意图 a)拉伸 b)压缩 研究表明，滑移优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶 向称为滑移面和滑移方向。 不同晶格类型的金属，其滑移面和滑移方向的数目是不同的，一般来说，滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。 理论及实践证明，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移 动，因为那么多 原子同时移动，需要克服的滑移阻力十分巨大 (据计算比实际大得多 )。 实际上滑移是借助 位错的移动来实现的，如图 3— 4所示。 位错的原子面受到前后两边原子的排斥，处于不稳定的平衡位置。 只须加上很小的力就 能打破力的平衡，使位错前进一个原子间距。 在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面， 就形成了一个原子间距的滑移量，如图 3— 5 所示。 大量位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。 按上述理论求得位错的滑移阻力与实验值基本相符，证实了位错理论的正确 学生仔细思考，并分组讨论，得出答案 记笔记 跟 随老师的 思路进行分析 记笔记 20分 教 与 学 互 动 设 计 教 师 活 动 内 容 学生活动内容 时间 图 34 错位的运动 图 35 通过位错运动产生滑移的示意图 二、多晶体的塑性变形 常用金属材料都是多晶体。 多晶体中各相邻晶粒的位向不同，并且各晶粒之间由晶界相 连接，因此，多晶体的塑性变形主要具有下列一些特点： 1．晶粒位向的影响 由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。 当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。 同时，多晶体各晶粒在塑性变形时，受到周围位向不同的晶粒与晶界 的影响，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀形式，其结果之一就是产生内应力。 2．晶界的作用 晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。 图 3— 6 所示是一个只包含两个晶粒的试样经受拉伸时的变形情况。 由图可见，试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓的“竹节”现象。 这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。 很显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。 图 3— 6 两个晶粒试样在拉伸时的变形 a)变形前 b)变形后 3．晶粒大小的影响 在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。 细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性和韧性也较好。 因为晶粒越细，在同样变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在少数晶粒上，使其变形严重。 另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。 由于细晶粒金属具有较好的强度、 塑性和韧性，故生产中总是尽可能地细化晶粒。 第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响 一、冷塑性变形对金属组织的影响 当变形程度很大时，晶粒会沿变形方向伸长，形成细条状，称为冷加工纤维组织。 此时金属的的性能具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向）的力学性能高于横向（垂直于纤维方向）的性能。 金属内部存在着残余应力。 二、冷塑性变形对金属性能的影响 随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。 这种现象称为冷变形强化。 三、冷塑。