金屬材料與熱處理理論課教案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1 溫度的大小與冷卻的速度有關。 冷卻速度越快，金屬的實際結晶溫度越低，過冷度也就越大。冷卻曲線的坐標 表示： 縱坐標表示――溫度（ T） 橫坐標表示――時間（ t ） 提問：為什么純金屬結晶時，冷卻曲線有一段是水平的： 由于結晶過程的結晶潛熱補賞了散失在空氣中的熱量，因此，結晶時溫度并不隨時間的延長而下降。 直到結晶終了時，溫度下降才快些。 溫度的大小與什么有關：與冷卻的速度有關。 冷卻速度越快，金屬的實際結晶溫度越低，過冷度也就越大。 準備上課 學生思考并回答所提出的問題。學生分組討論并發言 聽 課 記筆記 學生分組討論 并發言 聽 講 提 問 學生分組討論并發言 記筆記 2分 5分 15分 15分 教 與 學 互 動 設 計 教 師 活 動 內 容 學生活動內容 時間 （二）、 純金屬的結晶過程――― 晶核的形成與長大 晶核：作為結晶核心的微小晶體。 單晶體：結晶后只有一個晶粒的晶體叫～ 。 單晶體有各向異性：因為單晶體中的原子排列位向是完全一致的，其性能是各向異性的。 多晶體：結晶后的晶體是許多位向不同的晶粒組成的。 多晶體中各晶粒的晶格位向互不一致，各向異性彼此抵消。 四、晶粒大小對金屬材料的影響 晶粒越細，金屬具有較高的強度和韌性。在實際的生產過程中，為了提高金屬的力學性能，就要控制金屬結晶的大小。通過研究和分析，發現晶粒的大小與結晶時的形核率有關，與晶核長大的速度有關。形核率越高，長大的速度越慢，晶粒就越小。抓住這個規律之后，所以確認 ： 細化晶粒的根本途徑是控制形核率及長 大速度。 增加過冷度 常用細化晶粒的方法： 變質處理 振動處理 ?增加過冷度能使晶粒細化：這種方法的適應范圍：中、小型鑄件。 ?變質處理：在熔液中加一些變質劑（形核劑）這種方法可使晶粒顯著增加，或者降低晶核的長大速度。 加入哪些元素可細化晶粒：鋼：鈦（ Ti） 硼（ P） 鋁（ Al）鑄鐵：硅鐵（ SiFe） 硅鈣（ SiCa）等 ?振動處理：結晶時金屬液加以機械、超聲波、電磁振動等，使晶格破碎。 第三節、同素異構 轉變 概念： 金屬結晶后，晶格類型隨溫度的改變而發生的變化。 舉例：純鐵的同素異構轉變（圖 17） 學生分組討論并發言：溫度與結晶的關系 討論生產中常見 的細化晶粒的方法 分組討論， 對比金剛石和石墨認識 同素異晶轉變 10分 20分 教 與 學 互 動 設 計 教 師 活 動 內 容 學生活動內容 時間 1538 度 (結晶 δFe) 1394 度 (γFe) 912 度 (βFe) （體心立方晶格） （面心立方晶格） （密排六方晶格） 同素異構轉變的特點：固態相變是需要較大的過冷度的，則體積變化時造成較大的內應力，以致于淬火時引起應力導致工件變形和開裂，因此要控制冷卻速度，可以改變同素異構后的晶粒的大小，從而改變金屬的性能。 （四）課堂小結 點出重 點，分析難點 （五）布置作業 復習本次課內容 課后習題冊 預習下一節內容 學生認真聽講，并詳細記筆記 學生根據老師的提示認真回顧本次課的重點內容 15分 5分 3分 理 論 課 教 案 章節 課題 167。 31金屬的塑性變形 課 型 新授課 課時 2 教具學具 電教設施 掛圖 教學目標 知識 教學點 通過學習使 學生們了解什么是單晶體塑性變形、多晶體塑性變形 能力 培養點 掌握單晶體塑性變形、多晶體塑性變形 德育 滲透點 培養學生的職業道德觀及互相協作的精神 教學重點 難點 重點 單晶體塑性變形、多晶體塑性變形 難點 單晶體塑性變形、多晶體塑性變形 學法引導 討論法、訓練法、自主探究法 教學內容 更新、補 充、刪節 補充《金屬材料與熱處理》相關內容 參考資料 《金屬學與熱處理》 課后體會 教 與 學 互 動 設 計 教 師 活 動 內 容 學生活動內容 時間 （一）組織教學 點名考勤，穩定學生情緒，準備上課 （二）復習提問 金屬工藝性能包括哪些？ （三）講授新課 第三章 金屬的塑性變形與再結晶 在工業生產中，經熔煉而得到的金屬錠，如鋼錠、鋁合金錠或銅合金鑄錠等，大多要經過軋制、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工 (圖 3— 1)，使金屬產生塑性變形而制成型材或工件。金屬材料經壓力加工后，不僅改變了外形尺寸，而且改變了內部組織和性能。因此，研究金屬的塑性變形，對于選擇金屬材料的加工工藝、提高生產率、改善產品質量、合理使用材料等均有重要的意義。 圖 3— 1 壓力加工方 法示意圖 a)軋制 b)擠壓 c)冷拔 d)鍛造 e)冷沖壓 第一節 金屬的塑性變形 金屬在外力 (載荷 )的作用下，首先發生彈性變形，載荷增加到一定值后，除了發生彈性變形外，還發生塑性變形，即彈塑性變形。繼續增加載荷，塑性變形也將逐漸增大，直至金屬發生斷裂。即金屬在外力作用下的變形可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個連續的階段。 彈性變形的本質是外力克服了原子間的作用力，使原子間距發生改變。當外力消除后，原子間的作用力又使它們回到原來的平衡位置，使金屬恢復到原來的形狀。金屬彈性變形后其 組織和性能不發生變化。 塑性變形后金屬的組織和性能發生變化。塑性變形較彈性變形復雜得多，下面先來分析單晶體的塑性變形。 一、單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進行的，即晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分發生滑動。由圖 3— 2 可見，要使某一晶面滑動，作用在該晶面上的力必須是相互平行、方向相反的切應力 (垂直該晶面的正應力只能引起伸長或收縮 )，而且切應力必須達到一定值，滑移才能進行。當原子滑移到新的平衡位置時，晶體就產生了微量的塑性變形 (圖 3— 2d)。許多晶面滑移的總和 ，就產生了宏觀的塑性變形，圖 3— 3為鋅單晶體滑移變形時的情況。 準備上課 學生思考并回答所提出的問題。學生分組討論并發言 聽 課 記筆記 聽 講 記筆記 2分 5分 10分 10分 教 與 學 互 動 設 計 教 師 活 動 內 容 學生活動內容 時間 圖 32 晶體在切應力作用力的變形 a)未變形 b）彈性變形 c）彈、塑性變形 d）塑性變形 圖 33 鋅單晶體滑移變形示意圖 a)拉伸 b)壓縮 研究表明，滑移優先沿晶體中一定的晶面和晶向發生，晶體中能夠發生滑移的晶面和晶 向稱為滑移面和滑移方向。不同晶格類型的金屬，其滑移面和滑移方向的數目是不同的，一般來說，滑移面和滑移方向越多，金屬的塑性越好。 理論及實踐證明，晶體滑移時，并不是整個滑移面上的全部原子一起移 動，因為那么多 原子同時移動，需要克服的滑移阻力十分巨大 (據計算比實際大得多 )。實際上滑移是借助 位錯的移動來實現的，如圖 3— 4所示。 位錯的原子面受到前后兩邊原子的排斥，處于不穩定的平衡位置。只須加上很小的力就 能打破力的平衡，使位錯前進一個原子間距。在切應力作用下，位錯繼續移動到晶體表面， 就形成了一個原子間距的滑移量，如圖 3— 5 所示。大量位錯移出晶體表面，就產生了宏觀的塑性變形。按上述理論求得位錯的滑移阻力與實驗值基本相符，證實了位錯理論的正確 學生仔細思考，并分組討論，得出答案 記筆記 跟 隨老師的 思路進行分析 記筆記 20分 教 與 學 互 動 設 計 教 師 活 動 內 容 學生活動內容 時間 圖 34 錯位的運動 圖 35 通過位錯運動產生滑移的示意圖 二、多晶體的塑性變形 常用金屬材料都是多晶體。多晶體中各相鄰晶粒的位向不同，并且各晶粒之間由晶界相 連接，因此，多晶體的塑性變形主要具有下列一些特點： 1．晶粒位向的影響 由于多晶體中各個晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置。當處于有利于滑移位置的晶粒要進行滑移時，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，使滑移的阻力增加，從而提高了塑性變形的抗力。同時，多晶體各晶粒在塑性變形時，受到周圍位向不同的晶粒與晶界 的影響，使多晶體的塑性變形呈逐步擴展和不均勻形式，其結果之一就是產生內應力。 2．晶界的作用 晶界對塑性變形有較大的阻礙作用。圖 3— 6 所示是一個只包含兩個晶粒的試樣經受拉伸時的變形情況。由圖可見，試樣在晶界附近不易發生變形，出現了所謂的“竹節”現象。這是因為晶界處原子排列比較紊亂，阻礙位錯的移動，因而阻礙了滑移。很顯然，晶界越多，晶體的塑性變形抗力越大。 圖 3— 6 兩個晶粒試樣在拉伸時的變形 a)變形前 b)變形后 3．晶粒大小的影響 在一定體積的晶體內，晶粒的數目越多，晶界就越多，晶粒就越細，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。細晶粒的多晶體不僅強度較高，而且塑性和韌性也較好。因為晶粒越細，在同樣變形條件下，變形量可分散在更多的晶粒內進行，使各晶粒的變形比較均勻，而不致過分集中在少數晶粒上，使其變形嚴重。另一方面，晶粒越細，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂紋的傳播，從而在其斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現出較好的塑性和韌性。由于細晶粒金屬具有較好的強度、 塑性和韌性，故生產中總是盡可能地細化晶粒。 第二節 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響 一、冷塑性變形對金屬組織的影響 當變形程度很大時，晶粒會沿變形方向伸長，形成細條狀，稱為冷加工纖維組織。此時金屬的的性能具有明顯的方向性，其縱向（沿纖維方向）的力學性能高于橫向（垂直于纖維方向）的性能。金屬內部存在著殘余應力。 二、冷塑性變形對金屬性能的影響 隨著冷塑性變形程度的增加，金屬材料的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。這種現象稱為冷變形強化。 三、冷塑