资源简介

课题 机械工程材料（二）——常用工程材料
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握常用工程材料的特点及应用 （2）了解零件的失效形式 （3）掌握零件材料的选择方法 思政育人目标： （1）提高分析问题、解决问题的科学思维能力 （2）培养投身制造强国、专注技能成才的职业追求
教学重难点 教学重点：工程材料的特点及应用、零件的失效形式 教学难点：零件材料的选择方法
教学方法 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法
教学用具 电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学设计 第1节课：课前任务→考勤（2 min）→问题导入（5 min）→传授新知（38 min） 第2节课：传授新知（25 min）→任务实施（15 min）→课堂小结（3 min）→作业布置（2 min）
教学过程 主要教学内容及步骤 设计意图
第一节课
课前任务 【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单1.2”，并根据任务工单进行组内分工。同时，提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件预习本节课知识，了解常用工程材料的特点及应用，零件的失效形式，以及零件材料的选择方法，并思考以下问题： （1）钢铁材料分为哪几类？请分别举例，并说明其牌号的含义、性能特点及应用范围。 （2）常用的非铁金属材料及合金有哪些？请举例说明，并说明其牌号的含义、性能特点及应用范围。 （3）零件的失效形式有哪些？简要说明零件材料选择的一般原则。 【学生】完成课前任务 通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣
考勤
（2 min） 【教师】使用文旌课堂APP进行签到 【学生】按照老师要求签到 培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况
问题导入 （5 min） 【教师】提出以下问题： 举出日常生活中常用的工程材料，并分析其特点。 【学生】思考、举手回答 【教师】通过学生的回答引入要讲的知识 通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣
传授新知
（38min） 钢铁材料 【教师】新知讲解 1．钢铁材料的分类与组织 钢铁材料主要由铁和碳两种基本元素构成，故钢铁又称为铁碳合金。 钢铁根据含碳量进行的分类如图1-15所示。 铁碳合金基本组织的特点（详见教材表1-8）。 2．工业钢 钢是指含碳量为0.021 8%～2.11%的铁碳合金。工业生产中，为了保证其韧性和塑性，钢的含碳量一般不超过1.7%。 1）钢的分类 （1）根据化学成分分类 碳素钢：低碳钢（）、中碳钢（）和高碳钢（）； 合金钢：低合金钢（合金元素总量）、中合金钢（合金元素总量）和高合金钢（合金元素总量）。 （2）根据冶金质量分类 普通钢（，）、优质钢（，）和高级优质钢（，）。 （3）根据冶金质量分类 结构钢、工具钢、特殊功能钢和专业用钢等。 【课堂互动】 【教师】随机邀请学生回答以下问题： 市场上供应的钢材种类有哪些？ 【学生】聆听、思考、回答 【教师】总结学生的回答： 工业用钢一般由专门的冶金厂生产，市场上供应的钢材种类有板材（薄钢板、中等厚度钢板和钢带等）、管材（焊接钢管和无缝钢管）、型材（圆钢、方钢、工字钢和槽钢等）、线材及其他异型钢材等，如图所示。 （a）钢板 （b）钢管 （c）工字钢 （d）线材 2）钢的牌号 《钢铁产品牌号表示方法》（GB/T 221—2008）中规定了各种钢的牌号。 钢的牌号通常由大写的汉语拼音、化学元素符号和阿拉伯数字等组成。 （详见教材表1-9） 3）碳素钢 工业用钢中，碳素钢的用量非常大。常用的碳素钢有碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸造碳钢等，（详见教材表1-10）。 4）合金钢 为改善钢的力学性能，通常在炼钢时加入某些合金元素，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V等，由此获得的钢称为合金钢。与碳钢相比，合金钢往往具有某些方面的特殊性能或具有良好的综合力学性能。常用的合金钢（详见教材表1-11）。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 如图所示为2008年北京奥运会的主体育场——国家体育场鸟巢，它的建设用到了一种重要的金属材料，同学们知道是什么吗？ 这座气势如此恢宏的场馆是用什么钢材建造的呢？ 【学生】聆听、观看、思考、回答 【教师】总结： 我国自主研制生产的Q460。Q460是一种低合金高强度结构钢，含碳量为0.2%，同时含有锰、钛、钒、铬、铌、镍等合金元素。Q460材料的强度是普通钢的两倍，鸟巢所使用的Q460钢板厚度为110 mm，若采用其他同等强度的钢材，厚度至少需要为220 mm。 【教师】新知讲解 2．铸铁 （1）定义 铸铁是指平均含碳量大于2.11%，且含有硅、锰、磷、硫等合金元素的铁碳合金。 工业用铸铁的含碳量一般为2.5%～3.5%。 （2）特点 铸铁的塑性及韧性虽然不及钢，但生产成本低廉，且具有优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和吸振性，因而在工业生产中应用十分广泛。 （3）分类 根据碳存在形式的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。 根据内部石墨形态的不同，铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。 常用的铸铁性能及应用范围（详见教材表1-12）。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 搜集日常生活中见到的铸铁构件，认识并区分各类构件 【学生】思考、讨论、回答 非铁金属材料及其合金 【教师】新知讲解 除钢铁材料之外的金属材料统称为非铁金属材料。 如图所示，汽车轮毂、轴瓦和飞机机身等产品使用的材料分别为铝合金、铜合金和钛合金。 （a）汽车轮毂（b）轴瓦（c）飞机机身 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 （1）生活中常见的铝制品有哪些？（铝锅、导线等） （2）为什么用铝制造锅？为什么用铝制造导线？为什么空气中的导线几十年都能使用而没有坏，铝线容易变形，这些说明什么？ 【学生】思考、讨论、回答 2．铝及铝金属 1）纯铝 纯铝呈银白色，密度较小（），熔点为660℃。 纯铝的特点：具有较好的耐腐蚀性、导热性和导电性良好、塑性很高、强度很低 纯铝的牌号：用“1×××”四位字符表示。 第一位数字1表示纯铝； 第二位为英文大写字母，表示原始纯铝（A）或原始纯铝的改型（B～Y，C、I、L、N、O、P、Q、Z除外）； 最后两位数字表示铝的最低百分含量，即铝的最低百分含量小数点后面的两位数字。 例如，牌号1A90表示纯度为99.90%的原始高纯铝。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“铝合金”，观看微课视频，学习铝合金知识 【学生】观看、思考 2）铝合金 定义：通过往纯铝中添加适量的合金元素来提高铝的强度和硬度等力学性能，从而得到了各种系列的铝合金。 特点：铝合金质量轻、强度高，具有很高的比强度，其力学性能超过许多合金钢。 分类：铝合金中的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，根据合金元素和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 （1）变形铝合金 变形铝合金具有良好的塑性，可通过冲压、弯曲、挤压等加工方法制成所需零件。 变形铝合金的牌号用2×××～8×××系列表示，如3A21、2A12等。 根据性能特点和应用范围的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金等。（详见教材表1-13） （2）铸造铝合金 铸造铝合金具有良好的铸造性、耐蚀性和耐热性，可用于铸造形状复杂的零件毛坯。 根据所含合金元素的不同，铸造铝合金可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系等。（详见教材表1-14） 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题： 铸造铝合金代号用ZL×××系列表示，这个代号有何含义？ 【学生】聆听、思考、回答 【教师】总结学生的回答： “ZL”是“铸铝”的拼音首字母，其后为三位数字。第一位数字表示合金类别：1代表Al-Si合金；2代表Al-Cu合金；3代表Al-Mg合金；4代表Al-Zn合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL202表示2号Al-Cu铸造铝合金。 通过教师讲解、课堂互动、举例分析、多媒体等教学方式，帮助学生掌握常用工程材料的特点及应用，零件的失效形式和零件材料的选择方法
第二节课
传授新知
（25 min） 【教师】新知讲解 2．铜及铜合金 1）纯铜 纯铜的密度为8.96 g/cm3，比钢略大，导电性和导热性良好。纯铜的强度和硬度不高，但塑性、耐蚀性和焊接性良好，适合进行各种压力加工，常用来制造电线、电缆、散热片等。 工业纯铜分为T1、T2、T3和T4四种，数字越大，纯度越低，杂质含量越高。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“铜合金”，观看微课视频，学习铜合金知识 【学生】观看、思考 2）铜合金 通过向纯铜中加入锌、铅、锡、铝、铍等元素即可得到各种性能优良的铜合金。 根据适用制造方法的不同，铜合金可分为加工铜合金和铸造铜合金。其中，加工铜合金可分为加工高铜合金、加工黄铜、加工青铜和加工白铜等。（详见教材表1-15） 【学生】聆听、思考、理解 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“粉末冶金材料”，观看微课视频，学习粉末冶金材料知识 【学生】观看、思考 【教师】新知讲解 3．粉末冶金材料 粉末冶金法：一种用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经成形和烧结制成材料或制品的加工方法。 粉末冶金材料：用粉末冶金法制成的材料。 粉末冶金材料应用：可以生产出多种具有特殊性能的金属材料，也可以直接制造零件。 1）硬质合金 定义：硬质合金是以一种或几种难熔的碳化物粉末（如WC、TiC、TaC等）为主要成分，同时加入具有黏结作用的钴粉末，采用粉末冶金法制得的一种粉末冶金材料。 特点：硬质合金具有硬度高、热硬性和耐磨性好等特点，它在900℃时仍能保持很高的硬度，是一种较为理想的刀具材料。 分类：硬质合金可分为切削工具用硬质合金、地质和矿山工具用硬质合金和耐磨零件用硬质合金三大类。 切削工具用硬质合金的基本成分和应用范围（详见教材表1-16）。 2）减摩材料 定义：减摩材料是指具有低摩擦因数和高耐磨性的粉末冶金制品，分为铁基减摩材料和铜基减摩材料。 特点：减摩材料具有优良的自润滑性能，能在缺油甚至无油润滑的条件下工作。 应用：主要用于制造滑动轴承。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 请说出下列日常生活中使用的工具，是什么金属材料？为何选用这种材料？ （1）制易拉罐的金属 （2）灯泡的灯丝 （3）体温计填充的金属 （4）制作导丝的紫红色金属 【学生】思考、讨论、回答 零件材料的选择 【教师】新知讲解 1．零件的失效形式 机械零件在使用过程中若失去原有的设计功能而无法正常工作即称为失效。 根据零件的工作条件及失效特点可分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类。 1）过量变形失效 过量变形失效是指零件在工作过程中产生过量变形，而导致整个机械设备无法正常工作，或者虽能正常工作但工作质量严重下降的现象，它主要包括过量弹性变形失效和过量塑性变形失效两种。 2）断裂失效 断裂失效是指零件在工作过程中完全断裂而导致整个机器无法工作的现象。 断裂失效的主要形式有韧性断裂失效、低应力脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效和应力腐蚀断裂失效等。 3）表面损伤失效 表面损伤失效是指零件因表面损伤而造成机械设备失去精度或无法正常工作的现象。 主要包括磨损失效、接触疲劳失效和腐蚀失效等。 【课堂互动】 【教师】随机邀请学生回答以下问题： 零件的失效是由什么引起的？ 【学生】聆听、思考、回答 【教师】总结学生的回答： 零件的失效情况很复杂，往往是多方面因素共同作用的结果，因此必须全面考虑设计、选材、加工、使用等方面的问题，找到对零件失效起决定作用的主要原因，采取相对应的措施来预防，以延长零件的使用寿命。 2．零件选择的方法 零件材料的选择是否合理直接影响产品的质量、寿命和生产成本。因此，掌握各种工程材料的特性，正确选择和使用工程材料是从事相关工作必不可少的技能。 1）零件选择的一般原则 零件材料选择的依据是零件的使用性能和失效分析结果，其一般原则是：首先保证使用性能，同时兼顾工艺性能和经济性。 2）零件材料的选择步骤 （1）分析零件的工作条件，包括零件的受力情况（如载荷类型、载荷形式、载荷分布及大小等）、零件的工作环境（如介质、工作温度等）、零件的特殊性能（如电性能、磁性能、热性能等）。 （2）进行失效分析，判别零件的主要失效形式，从而确定零件主要使用性能的指标，如刚度和弹性指标、硬度和强度指标、塑性和冲击韧性指标等。 （3）确定材料的性能指标后，可在相关设计手册中查阅材料的性能数据，选定材料牌号并决定热处理和其他强化方法。 3）零件材料选择的注意事项 （1）选择零件材料时，应注意材料的尺寸效应。一般情况下，零件的横截面越大，实际力学性能越低。 （2）采用不同的加工工艺及热处理工艺，材料所获得的力学性能不同，应注意尽可能发挥材料的潜力。 （3）对关键零件批量生产前要进行试验，以确定材料的选择、热处理的方法是否合理，是否利于冷、热加工，经试验确认全部符合要求后再进行批量生产。 【学生】聆听、思考、理解 【课堂互动】 【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答 随着全球能源紧缺和环境污染问题的日益严重，人们更加注重汽车的节能环保。据统计，汽车行驶时60%的燃料消耗于汽车自重，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%～8%。因此，汽车的轻量化设计具有重要的意义。其中，采用轻质材料是一条重要途径，因为构成汽车的2万多个零部件中，约有86%是由金属材料制造的，而钢铁材料又占了其中的80%。 请大家讨论一下，为减轻汽车的质量，汽车中哪些零件可用非铁金属材料制造 【学生】思考、讨论、回答 通过教师讲解、课堂互动、举例分析、多媒体等教学方式，帮助学生掌握常用工程材料的特点及应用
任务实施
（15 min） 【教师】组织学生以小组为单位根据表格中的要求，为以下零件选择零件材料，并填写“任务工单1.2” （a）低速内燃机曲轴（b）载重汽车变速齿轮（c）机床减速器箱盖 零件名称工作条件主要性能要求低速内燃机曲轴（1）受气缸中周期性变化的气体压力，曲柄连杆机构的惯性力、扭转、弯曲应力、扭转振动和冲击力等的作用 （2）曲轴轴颈与轴承间有较大的滑动摩擦（1）较高的综合力学性能 （2）轴颈处有较高的硬度及耐磨性 （3）较好的铸造性和切削加工性载重汽车变速齿轮（1）传递转矩时齿根部承受较大的交变弯曲应力 （2）啮合时齿面承受较大的接触压应力并受到强烈的摩擦和磨损 （3）换挡、启动、制动或啮合不均匀时承受一定的冲击力（1）高的屈服强度和弯曲疲劳强度 （2）高的齿心强度和韧性 （3）高的齿面接触疲劳强度和高的硬度及耐磨性 （4）较好的切削加工性机床减速器箱盖减速器运转平稳，箱盖所受载荷不大（1）高的强度和刚度 （2）良好的耐蚀性 （3）较好的铸造性
【学生】观看、思考、分析、小组讨论、选择材料、填写“任务工单1.2”，最后由小组代表上台发表选择的材料 【教师】根据各组学生的表现进行评价，并填写任务工单中的考核评价表 【学生】结合自身表现和教师的评价，对本次任务进行总结 通过任务实施，加深对所学知识的理解，并将理论应用到实践中，做到学以致用
课堂小结
（3 min） 【教师】简要总结本节课的要点 本节课主要学习了钢铁材料的分类，钢的牌号含义、性能特点及应用范围，铝及铝合金的特点及应用，铜及铜合金的特点及应用，粉末冶金材料的特点及应用，零件材料的选择等知识。希望同学们能够通过本节课的学习，了解常用工程材料的性能特点及应用范围，为学习后续知识和工程实践建立必要的基础。 【学生】总结回顾知识点 总结知识点，巩固学生所学知识
作业布置
（2 min） 【教师】布置课后作业 完成教材项目一“思考与练习”中与本课相关的题目 【学生】完成课后任务 通过课后作业复习巩固学到的知识，提高实际操作能力
教学反思 教师通过多媒体使教学更加直观、清晰了解常用工程材料，授课过程中及时地与学生沟通、探讨，最后师生共同总结出相关知识。这样更有利于发挥学生的主观能动性，更好的挖掘学生的灵感，培养学生的创新精神

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