高教版中職職高教版機械基礎第2版教模塊 3.1、3.2和3.3

模塊三材料與選用3.1金屬材料的性能3.2鋼鐵材料3.3其他材料[章節(jié)名稱]金屬材料的性能、鋼鐵材料、其他材料［教學目標與要求］一、知識目標1.熟悉非合金鋼、低合金鋼與合金鋼以及鑄鐵的分類、牌號、性能及用途。2.熟悉非鐵金屬材料的分類、牌號、性能及用途；較清楚地了解非金屬材料的分類、性能用途。二、能力目標根據(jù)非合金鋼、低合金鋼與合金鋼的牌號，能分析它的成分、性能特點和大致用途。三、素質(zhì)目標熟悉非合金鋼、低合金鋼、合金鋼、鑄鐵的分類、牌號，了解合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號，知道它們的性能和用途。熟悉非鐵金屬材料和非金屬材料的分類、牌號、性能及用途。四、教學要求、較熟練地掌握非合金鋼的分類、牌號、性能及應用，掌握常用低合金鋼、合金鋼、鑄鐵的牌號、性能及應用，具有初步運用的能力。了解非鐵金屬材料和非金屬材料的分類、牌號、性能及用途。[教學重點]常用非合金鋼、低合金鋼、合金鋼、鑄鐵的牌號、性能和應用。[難點分析]根據(jù)非合金鋼、低合金鋼、合金鋼、鑄鐵的牌號能分析它們的性能特點和大致應用范圍。[分析學生]非合金鋼、鑄鐵是生產(chǎn)上用途最廣、用量最大的工程材料，低合金鋼、合金鋼廣泛用于制造重要零件，是機械工程材料學習的重點。本節(jié)課應用性很強，在教學上要引導學生聯(lián)系實際應用，根據(jù)材料牌號，知道它的大致性能與應用；根據(jù)零件的用途、性能要求，初步學會正確選用鋼鐵牌號。[教學設計思路]教學方法：講授法、討論法【教學資源】機械基礎在線開放課程．“中國職教MOOC”頻道，高等教育出版社。[教學安排]4學時（180分鐘）[教學過程]一、復習舊課（15分鐘）講評作業(yè)批改情況及存在問題。二、導入新課在人類社會發(fā)展過程中，材料往往扮演著劃分時代的角色，從石器時代、青銅時代、鐵器時代開始，演進到近代以鋼鐵和有色金屬為代表的金屬材料，以水泥、玻璃和陶瓷為代表的無機非金屬材料，以橡膠、纖維和塑料為代表的高分子材料，在此基礎上，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)代能夠滿足各種工程結(jié)構(gòu)更高的力學性能、更高的輕量化特質(zhì)、更高的耐熱性、更高的環(huán)境適應性和環(huán)境親和性需求的結(jié)構(gòu)材料；能夠滿足電、磁、聲、光、熱等物理學、化學以及生物醫(yī)學等各方面性能需求的各種功能材料?？梢哉f，材料無所不在，材料日新月異。因此，材料與信息、能源一起被國際社會公認為構(gòu)成現(xiàn)代文明的三大支柱。三、新課教學選擇適合于機械使用的材料，主要依據(jù)于金屬材料的性能。它分為使用性能和工藝性能。使用性能是指在使用條件下表現(xiàn)出來的性能，它包括物理、化學、力學性能，力學性能在機械設備中力的相互作用時所表現(xiàn)出來的性能，是課程研究的重點，關(guān)系最為密切；而工藝性能是零件從毛坯到成品加工生產(chǎn)過程中所表現(xiàn)出來的性能，對零件的加工影響很大。講課中把力學性能作為重點，特別是強度的含義及所包括的內(nèi)容要講清楚。硬度要把洛氏和布氏硬度作為重點，注意應用場合的區(qū)別和表示方法，應多舉例說明，如HB170~230；HRC45~50，要注意說明為什么不給一個具體值，而要給一個范圍？疲勞強度要舉例說明，如飛機規(guī)定使用1萬小時飛行后必須強行退役；出租汽車運行滿3年后要報廢等實例說明疲勞對零件壽命的關(guān)系。工藝性能以舉例說明更能幫助學生理解。如鑄造性好的金屬其流動性好，可以鑄造薄而大的表面，否則易出現(xiàn)填不平；塑性好的低碳鋼容易鍛造成型，而含碳量高的金屬不易鍛造，高速鋼更難鍛壓；焊接性好的材料如普通碳素鋼，而銅次之，鋁更難。（一）金屬材料的性能金屬材料的性能包括物理、化學性能、力學性能和工藝性能。研究金屬材料的性能主要指力學性能，包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度。它涉及到材料的安全和使用壽命。（二）鋼鐵材料鋼鐵是鐵（Fe）與碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）以及少量的其他元素所組成的合金。鐵和碳的質(zhì)量分數(shù)對鋼鐵材料的力學性能起著主要作用，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。鋼中有益元素（要添加）：硅能提高鋼的強度，錳能提高鋼的硬度和耐磨性；鋼中有害元素（要控制）：硫使鋼在熱加工時產(chǎn)生“熱脆”，磷使鋼在低溫時產(chǎn)生“冷脆”。碳的質(zhì)量分數(shù)wC<2.11%的鐵碳合金稱為鋼，wC,>2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。鋼可以分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼三類。1.非合金鋼鋼鐵牌號比較復雜，我們采取不同的對策辨識與記憶——對于與強度數(shù)值有關(guān)的牌號，采取【認牌號知強度】的小欄目，適合于碳素結(jié)構(gòu)鋼、鑄造碳鋼、低合金高強度合金鋼、鑄鐵等；強度是主要關(guān)注指標；對于與質(zhì)量分數(shù)有關(guān)的牌號，采取【認牌號知成分】的小欄目，適合于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、刃具模具用非合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼與耐熱鋼；性能是主要關(guān)注指標。非合金鋼性價比高，在機械制造、建筑、交通運輸?shù)刃袠I(yè)得到廣泛應用。按照鋼中硫和磷的質(zhì)量分數(shù)，非合金鋼可以分為——普通質(zhì)量碳鋼（wS≥0.045%,wP≥0.045%，在冶煉過程中不需要特別控制質(zhì)量要求）；特殊質(zhì)量碳鋼（wS≤0.020%,wP<0.02%，在冶煉過程中需要嚴格控制質(zhì)量和性能要求）；優(yōu)質(zhì)碳鋼（鋼中硫和磷的質(zhì)量分數(shù)除前兩者之外，在冶煉過程中需要特別控制質(zhì)量要求）。另外，在生產(chǎn)實際中，非合金鋼還分為低碳鋼（wC,<0.25%）、中碳鋼（0.25≤wC,≤0.6%）和高碳鋼（wC,>0.6%）。2.低合金鋼與合金鋼合金元素是通過與鋼中的鐵和碳發(fā)生作用，以及合金元素之間的作用，影響鋼的組織，提高鋼的力學性能，改善鋼的熱處理性能等，以滿足各種使用性能的要求。合金元素的種類和質(zhì)量分數(shù)低于國家標準規(guī)定范圍的鋼稱為低合金鋼。按照質(zhì)量等級，低合金鋼分為——普通質(zhì)量低合金鋼（如一般低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼筋鋼等）；優(yōu)質(zhì)低合金鋼（如通用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、鍋爐和壓力容器用低合金鋼、造船用低合金鋼等）；特殊質(zhì)量低合金鋼（如核能用低合金鋼、低溫壓力容器用鋼等）。合金元素的種類和質(zhì)量分數(shù)高于國家標準規(guī)定范圍的鋼稱為合金鋼。按照質(zhì)量等級，合金鋼分為——優(yōu)質(zhì)合金鋼（如一般工程結(jié)構(gòu)用合金鋼、耐磨鋼和硅錳彈簧鋼等）；特殊質(zhì)量合金鋼（如合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼和耐熱鋼等）。此外，按照鋼中合金元素的總質(zhì)量分數(shù)wMe的不同，合金鋼分為低合金鋼（wMe<5%）、中合金鋼（wMe=5%～10%）和高合金鋼（wMe>10%）。有些牌號很相似，要注意辨識：【答疑】低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號都是“Q”與屈服強度數(shù)值的組合，如何來區(qū)分呢？只需記住碳素結(jié)構(gòu)鋼“Q”后的數(shù)值不超過300MPa；而低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼“Q”后的數(shù)值不低于300MPa。3.鑄鐵碳的質(zhì)量分數(shù)wC,>2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。這里介紹其中的灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。1.灰鑄鐵灰鑄鐵中的碳以片狀石墨形式析出，對基體有割裂，斷口呈淺灰色?；诣T鐵的主要性能：力學性能低。灰鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性遠低于鋼，抗壓強硬度與鋼相當。工藝性能好?；诣T鐵鑄造時的流動性好、切削加工時的切屑脆斷性好。減振減摩性好。灰鑄鐵中的石墨能夠起到緩沖吸振、儲油潤滑的作用。缺口敏感性低?；诣T鐵內(nèi)部組織缺陷和表面加工質(zhì)量對疲勞強度的影響小?；诣T鐵價格便宜，占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上，廣泛用于受力不大、以承受壓力為主及有減振性要求的零件，如機床的床身、結(jié)構(gòu)復雜的箱體、承受摩擦的缸體與導軌等。球墨鑄鐵球墨鑄鐵中石墨呈球狀，使球墨鑄鐵的抗拉強度、塑性與韌性都優(yōu)于灰鑄鐵，接近于鋼；具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性和切削性。球墨鑄鐵常用來代替鋼制造某些形狀復雜的重要零件，如曲軸、連桿、凸輪軸等，代替灰鑄鐵制造強度要求高的箱體類零件。（三）其他材料范圍：鋼鐵之外的非鐵金屬材料、非金屬材料，以及結(jié)構(gòu)材料與功能材料等。1.非鐵金屬材料最常用的是鋁及鋁合金、銅及銅合金。鎂合金低密度、無磁性、散熱性和減震性好，在制造汽車零部件和筆記本電腦殼體時有優(yōu)勢。鈦合金高強度、低密度、耐腐蝕、抗氧化，但價格昂貴，適合賽車、航天和航空工業(yè)應用。（1）鋁及鋁合金純鋁具有質(zhì)輕、密度小、導熱性好的優(yōu)點，但強度和硬度低，不宜用作結(jié)構(gòu)零件。鋁合金的硬度較高，常用作結(jié)構(gòu)零件，分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩種。鋁板、鋁管和鋁棒屬于形變鋁合金，發(fā)動機外殼屬于鑄造鋁合金。（2）銅及銅合金純銅為紫紅色，也稱紫銅。其硬度很低，強度不高，但導電性極好。用T表示，如T1、T2、T3、T4。數(shù)字越大，雜質(zhì)含量越多。銅合金分為普通黃銅、特殊黃銅、青銅和白銅。普通黃銅用苻號H加數(shù)字表示，如H70表示含銅質(zhì)量分數(shù)為70％，其余為鋅。H70用作彈殼。特殊黃銅是在普通黃銅內(nèi)加入合金元素，如HPb59－1為鉛黃銅。青銅是在銅中加入鋅、鎳以外的合金。如ZCuSn101，其中含Sn質(zhì)量分數(shù)為10％，含P質(zhì)量分數(shù)為1％。白銅是銅鎳的合金。2.非金屬材料非金屬材料包括無機非金屬材料、高分子材料等。通用塑料是產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價格便宜的熱塑性材料。如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等，通用塑料的強度比較低，使用溫度也無法與鋼鐵材料相比。工程塑料具有優(yōu)良的性能和強度，可以代替金屬材料。復合材料是兩種或多種物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)人工制成的材料。①按基體類型分為非金屬基體復合材料和金屬基體復合材料。②按增強材料性質(zhì)和形態(tài)分纖維增強復合材料、顆粒復合材料和層疊復合材料。③按材料用途分結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。3.結(jié)構(gòu)材料與功能材料結(jié)構(gòu)材料具有更高的力學性能、更高的輕量化特質(zhì)、更高的耐熱性、更高的環(huán)境適應性和環(huán)境親和性需求。功能材料能夠滿足電、磁、聲、光、熱等物理學、化學以及生物醫(yī)學等各方面性能的需求。包括具有檢測、處理、儲存、傳輸、顯示功能的信息材料（光敏材料、壓電材料、磁性材料、液晶材料等），集感知-判斷-執(zhí)行