资源简介

课题 机械工程材料（三）——钢的热处理
课时 2课时（90 min）
教学目标 知识技能目标： （1）掌握钢的整体热处理 （2）掌握钢的表面热处理 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：钢的整体热处理、钢的表面热处理 教学难点：分析和选择钢的热处理方法
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）→实例导入（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1.3”，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，了解钢热处理的工艺过程及分类，钢的整体热处理，钢的表面热处理，并思考以下问题： （1）热处理过程分为几个阶段？简述各过程中钢的内部组织转变过程。 （2）钢的整体热处理包括哪些？详述其特点及应用。 （3）钢的表面热处理包括哪些？详述其特点及应用。 【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
实例导入 （5 min） 【教师】讲解以下知识： 中国第一艘航母辽宁号的建造过程，所碰到钢材短缺的问题来说明热处理对国防和经济建设的重要性，吸引学生对钢的热处理知识的关注。 【教师】通过以上实例，引入本课课题 通过实例导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣
传授新知
（38min） 热处理概述 【教师】新知讲解 1．热处理的概念 定义：采用适当的方式对固态金属材料进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺称为热处理。 特性：不仅可以消除金属材料内部组织结构上的某些缺陷，改善其加工工艺性能，还可进一步提高金属材料的硬度、强度等力学性能，充分发挥金属材料的潜力，降低生产成本。 应用：热处理在工业生产中具有极为广泛的应用，重要的金属零部件以及各种刀具、模具、量具等在制造过程中几乎都要进行适当的热处理。 2．热处理的工艺过程 热处理的工艺方法很多，但基本上所有热处理的工艺过程都需要经过加热、保温和冷却三个阶段。 热处理的工艺过程可由如图所示的热处理工艺曲线来表示。 【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 热处理工艺过程中的冷却速度对材料的性能有哪些影响？ 【学生】聆听、思考、讨论、回答 【教师】总结 热处理工艺过程中的冷却速度对材料的性能有着直接的影响。例如，45钢在加热到450℃并保温后，随炉冷却至室温时得到的屈服强度为272 MPa，而在水中冷却至室温时得到的屈服强度则高达706 MPa，直接表现为前者韧性好、易弯曲，后者脆而硬。 3．钢发生组织转变的温度 钢的内部组织发生转变时的温度称为临界温度。 通常情况下，钢在加热和冷却阶段都会发生组织转变，如图所示的曲线表示钢在加热和冷却时组织转变的临界温度。 其中，共析钢加热到以上温度时，全部转变为奥氏体，而亚共析钢必须加热到以上温度、过共析钢必须加热到以上温度才能获得单相奥氏体。 【点拨】根据含碳量和室温组织的不同，钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。其中，含碳量为0.77%的碳素钢称为共析钢，室温下其内部组织为珠光体；含碳量低于0.77%的碳素钢称为亚共析钢，室温下其内部组织为铁素体+珠光体；含碳量高于0.77%的碳素钢称为过共析钢，室温下其内部组织为珠光体+渗碳体。 钢的各个实际临界温度的含义分别为： ——加热时，珠光体向奥氏体转变的温度； ——亚共析钢加热时，铁素体向奥氏体转变的终了温度； ——过共析钢加热时，二次渗碳体向奥氏体溶入的终了温度； ——冷却时，奥氏体向珠光体转变的温度； ——亚共析钢冷却时，奥氏体向铁素体转变的起始温度； ——过共析钢冷却时，二次渗碳体由奥氏体析出的起始温度。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“钢的热处理工艺”，观看微课视频，学习钢的热处理工艺 【学生】观看、思考 4．热处理的分类 热处理的种类很多，根据目的和工艺方法的不同，热处理可分为整体热处理和表面热处理两大类。 根据工序的位置不同，热处理可分为预备热处理和最终热处理。 预备热处理是在零件加工过程中进行的，目的在于改善铸造、锻造或焊接毛坯件的内部组织，消除内部应力，为后续机械加工或进一步热处理做准备； 最终热处理是在零件完成机械加工后进行的，目的在于获得零件所需的力学性能。 【学生】聆听、思考、理解 钢的整体热处理 【教师】新知讲解 钢的整体热处理是指对钢件整体进行加热，经保温后以一定方法冷却，从而改变钢件的内部组织和整体力学性能的热处理工艺方法。 钢的整体热处理包括退火、正火、淬火、回火、调质处理和时效处理等。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“退火”，观看微课视频，学习退火知识 【学生】观看、思考 1．退火 1）概念 退火是指将钢件加热到适当的温度，保温一段时间后，缓慢冷却（一般为随炉冷却）以使钢件内部组织均匀化，从而获得预期力学性能的热处理工艺。 2）目的 ①降低材料的强度和硬度，提高塑性，为后续机械加工做准备； ②减少材料内部组织的不均匀性，细化晶粒，消除内部应力； ③为下一步热处理做好组织准备。 3）分类及应用 退火通常可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火。 各种退火方法的工艺曲线如图所示，各自的工艺方法、特点和应用范围（详见教材表1-18）。 （a）加热温度 （b）工艺曲线 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“正火”，观看微课视频，学习正火知识 【学生】观看、思考 2．正火 1）概念 正火是指将钢件加热到（对于亚共析钢）或（对于过共析钢）以上30～50℃，保温一段时间后在空气中冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。 2）目的及应用 ①提高低碳钢、低碳合金钢的硬度，改善切削加工性； ②细化晶粒，消除组织缺陷，为下一步热处理做好组织准备； ③提高强度、硬度和韧性，对于力学性能要求不高的机械零部件可作为最终热处理。 【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 退火、正火有哪些联系和区别？ 【学生】聆听、思考、讨论、回答 【教师】总结 联系：退火和正火一般作为预先热处理，其作用都是消除前面工序所造成的组织缺陷及内应力，为后续的切削加工及热处理做好组织准备。 区别：冷却速度：正火退火；晶粒大小：正火退火；珠光体含量：正火退火；强度及硬度：正火退火。 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“淬火”，观看微课视频，学习淬火知识 【学生】观看、思考 3．淬火 1）概念 淬火是指将钢件加热到（对于亚共析钢）或（对于过共析钢）以上30～50℃，经过保温一段时间后，在某种介质中快速冷却，以大幅提高材料硬度的热处理工艺。 2）淬火介质 钢件进行淬火时所使用的冷却介质称为淬火介质。 按照冷却能力从高到低的顺序，常用的淬火介质包括水及水溶液、各种矿物油、硝盐浴、碱浴及空气等。 3）分类及应用 根据冷却方式的不同，淬火可分为单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。 各种淬火方式的冷却曲线如图1-26所示，它们的工艺流程、特点和应用范围（详见教材表1-19）。 【学生】聆听、思考、理解 通过教师讲解、课堂互动、举例分析、多媒体等教学方式，帮助学生掌握钢的整体热处理
第二节课
传授新知
（25min） 【多媒体教学】 【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“回火”，观看微课视频，学习回火知识 【学生】观看、思考 【教师】新知讲解 4．回火 1）概念 回火是指将淬火后的钢件重新加热到（相变温度）以下某个温度，保温一段时间后冷却至室温的热处理工艺。 2)目的 ①提高组织稳定性，避免钢件在使用过程中发生组织转变，从而造成开裂和变形； ②消除内部应力，以稳定钢件几何尺寸并改善切削加工性； ③适当降低钢件的硬度和强度，提高韧性和塑性，以获得良好的综合力学性能。 3）分类及应用 回火的保温温度越高，获得的钢件硬度、强度越低，塑性和韧性越高。 根据保温温度范围的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。 它们各自的工艺特点和应用范围（详见教材表1-20）。 5．调质处理 1）概念 先对钢件进行淬火，再进行高温回火，这种复合热处理工艺称为调质处理，简称调质。 2）特性 调质可使钢件获得良好的综合力学性能，使其在具有较高强度和硬度的同时保持一定的韧性和塑性。 3）应用 通常用于丝杠、连杆、主轴、轴承等受力复杂的重要机械零部件的制造。 6．时效处理 1）概念 经塑性变形、铸造、锻造加工后的钢件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在较高的温度或室温环境中存放一段时间，以使钢件的性能、形状、尺寸等发生缓慢变化直至稳定的状态，这种热处理工艺称为时效处理，简称时效。 2）分类 根据处理时是否加热，时效处理可分为人工时效、自然时效和振动时效等。 【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 机械制造业中，很多机器零件要求表面耐磨损，不易产生疲劳破坏，而心部却要求有足够的塑性和韧性，如齿轮、轴、凸轮等。 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法（结合上节课内容），能不能满足其要求？ 【学生】聆听、思考、回答 【教师】总结 低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足。 高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足。 解决这一问题的方法是表面热处理。 【教师】新知讲解 钢的表面热处理 概念：表面热处理是指仅对钢件的表面进行加热，以改变其表层组织结构和力学性能的热处理工艺。 分类：根据工艺方法和原理的不同，表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。 1．表面淬火 1）概念 仅对钢件表面进行淬火而不改变其组成成分的热处理工艺称为表面淬火。 2）分类 根据加热方式的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火和激光热处理等。其中，感应加热表面淬火（见图1-29）和火焰加热表面淬火（见图1-30）在工程中的应用较为广泛。 3）应用 感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火在工程中的应用较为广泛。 图1-29 感应加热表面淬火图1-30 火焰加热表面淬火 【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“化学热处理”，观看微课视频，学习化学热处理知识 【学生】观看、思考 【教师】新知讲解 2．化学热处理 1）概念 将钢件置于一定的介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的一种或几种元素渗入钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而使钢件表层和心部具有不同的性能，这种热处理工艺称为化学热处理。 2）过程 化学热处理的过程包括介质分解成活性原子、工件表面吸收活性原子和活性原子在内部扩散三个基本阶段。 3）分类 根据所用介质化学成分的不同，常用的化学热处理可分为渗碳、渗氮和碳氮共渗等。 （1）渗碳 钢的渗碳是指向低碳钢或低合金钢工件表面渗入碳原子，以提高表层含碳量，使钢件表面具有更高的硬度和更好的耐磨性，而心部仍保持良好韧性的表面热处理工艺。 根据使用的渗碳剂不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳等。 气体渗碳工艺在工业中应用最为广泛，如图所示。 【经验传承】零件渗碳后一般需要经过淬火+低温回火处理，才能达到提高表面硬度和耐磨性的目的。例如，汽车变速箱齿轮的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→切削加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→磨削精加工→检验。 （2）渗氮 渗氮又称氮化，是指将氮原子渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性的一种化学热处理方法。 渗氮通常用于处理耐磨性和精度要求都很高，或要求耐热、耐腐蚀的耐磨件，如发动机气缸、机床丝杠、汽轮机阀门等。 （3）碳氮共渗 碳氮共渗俗称氰化，是指在一定温度条件下将碳和氮同时渗入钢件表面的化学热处理方法。 碳氮共渗既具有渗碳的淬硬深度，又能获得渗氮的高硬度，因此能有效提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。 【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 请说出表面淬火与化学热处理的不同之处。 【学生】聆听、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，帮助学生掌握钢的整体热处理和表面热处理
任务实施
（10 min） 【教师】组织学生以小组为单位根据表格中的要求，分析履带板需要具备的性能和采用的热处理工艺，并填写“任务工单1.3” 【学生】观察、思考、讨论、填写任务工单 【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热处理的工艺过程及分类，钢的整体热处理，钢的表面热处理等知识。希望同学们能够通过本节课的学习，掌握钢的热处理方法，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 （1）小组合作探究，在思考与讨论中能较好的发挥学生的主体地位，课堂气氛活跃，课堂效率较高。 （2）也存在不足之处如:让学生探究讨论时，个别学生的积极性没有很好地调动起来，在今后教学中，要更加深入的进行研究，争取有更多的收获

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