《工程材料》教案 前 言 “学校是培养人才的重要园地，教育是崇高的社会公益事业” 。“教育是一个系统工程，要不断提高教学质量和教育水平……”。 “学校的根本任务是培养人才，培养社会主义的建设者和接班人，而教学工作是人才培养的中心环节之一。因此，教学工作是学校的中心工作”。作为大学教师如何落实党和国家交给我们培养四有人才的伟大使命，这是每一个燕山大学教师值得深思的问题。教学质量是高等学校的生命线，而教学及教学研究、课程建设则是每个教师重要的日常工作，加强课程建设积极开展教学研究迅速提高教学质量则是直接关系到能否培养出合格的社会主义的建设者和接班人的大问题，在倡导“加强基础，拓宽专业，提高能力，素质教育”的今天，课程建设及教学研究显得尤其重要。 《工程材料》是我校材料工程学院金属材料系为全校机械类冷、热加工各专业共计30多个班开设的校级必修课，也是机械类冷、热加工各专业重要的技术基础课。本课程的任务是从机械工程材料的应用角度出发，阐明工程材料的基础理论，了解材料的化学成分、加工工艺、组织结构与性能之间的关系；介绍常用工程材料及其应用等基本知识。本课程的目的是使学生们通过课堂教学和实验教学，掌握工程材料的基本理论及基本知识和实验技能，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理的选材及制定零件加工工艺路线的初步能力。 纵观工程材料所含内容可知，该课程内容较为庞杂。具有三多一少的特点；即所谓内容头绪多（含材料结构、钢的热处理原理及工艺、非金属材料、金属材料等等）、原理规律多（涉及原理、规律几十个）、概念定义多、以及理论计算少（除相图计算外，基本没有计算的内容）。由于该课程具有上述特点，加之有些微观结构看不见、摸不到，而且课程内容枯燥、乏味，因此，教师感到难教，学生感到难学。为搞好燕山大学“工程材料”课程建设，以利于提高“工程材料”今后教学质量及课程建设，特撰写本教案。 第一部分 总 纲 一、课程性质及教学目的： 工程材料是机械制造、机械设计、机械电子等机械类和近机类各专业的技术基础课。其目的是使学生获得有关工程结构和机械零件常用的金属材料和非金属材料的基础理论知识，并使其初步具备根据零件工作条件和失效方式合理选择与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。 二、课程内容： 课堂教学内容 1. 工程材料的基本理论。即材料的结构与性能、金属材料的组织与性能控制（纯金属凝固、合金凝固、金属塑变与再结晶、钢的热处理、钢的合金化）。 2. 工程材料。即金属材料（工业用钢、铸铁、有色金属及合金）、高分子材料、无机非金属材料、复合材料、功能材料、纳米材料。 3. 机械零件的失效、强化与选材。即零件的失效与强化，零件的选材及工程材料应用。 实验教学内容（选作4学时） 实验一：金相显微镜的使用与Fe-Fe3C平衡组织观察 实验二：铁碳合金非平衡组织观察。 实验三：热处理工艺操作。 实验四：铸铁及有色金属组织观察。 课堂讨论内容（选作2学时） 铁碳相图； 钢的热处理； 工业用钢； 材料的选择和使用。 三、与其它课程的关系： “工程材料”是以化学、物理、材料力学及金属工艺学和金工教学实习为基础的课程，在学习时应联系上述基础课程的有关内容，以加深对本课程内容的理解。同时本课程又是设计选材的基础，在今后学习有关专业课程时，还应经常联系本书的有关内容，以便进一步掌握所学的知识。 四、教学对象：机自01级9-12班。。 五、教学时间：02-03年春、1-12周、周一、周三 六、教学地点：N304 七、教学指导思想： 从机械设计和工程应用的角度出发讲授《工程材料》，体现21世纪教学理念、教学改革精神和世界工程教育思想。 严格按《工程材料》教学大纲及《工程材料实验大纲》进行教学，注意课程内容的准确定位和整体优化。 第一篇：工程材料的基本理论 应遵循讲授那些“基本的、成熟的、 有用的”原则； 第二篇：工程材料 重点讲授三大固体材料的化学成分、性能特点（金属材料还要讲授合金元素作用、热处理特点及组织特征）、应用范围；在注意知识的通用性及普遍性的同时，应兼顾发展性，即介绍一些新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿知识及未来材料发展方向。 第三篇：机械零件的失效、强化与选材 使学生了解机械零件的失效形式 及原因、强化方法，掌握选材原则及工程材料的应用。 开设的实验及课堂讨论应有利于学生分析问题、解决问题的能力及创新能力的培养。 八、教学重点： 1. 典型金属的晶体结构。 2. 凝固理论应用。 3. 铁碳相图及其应用。 4. 钢的加热、冷却转变及普通热处理工艺。 5. C曲线及其应用。 6. 工业用钢。 7. 工程材料选材及其应用。 九、教学难点： 1. 晶体结构。 2. 铁碳合金结晶过程分析。 3. 热处理原理。 4. 合金化原理。 5. 工程材料选材。 十、教学方法： 1. 采用启发式、归纳类比法、教学模型、电化教学等传统教学方法。 2. 采用CAI课件、网络教学课件进行教学。 3. 改革实验内容及方法，注重理论联系实际及培养学生分析问题、解决问题的能力，利用电视、计算机等辅助教学手段提高实验教学效果。 4. 正确处理《工程材料》与基础课、专业课的关系：即利用基础课所学过的知识来讲授《工程材料》，结合专业特点讲授《工程材料》。 5. 采用计算机命题与评分系统，实现教考分离。 十一、学时分配： 1．讲课 38学时 2．实验 4学时 3．课堂讨论 2学时 4．机动 1学时 总学时 45学时 十二、教学过程(见讲义)： 主要包括（100分钟）： 后次复习前次概念（1 —— 2分钟）; 本次讲授内容的引入（1 —— 2分钟）， 新教学内容的讲授过程（90 ——95分钟）， 小结（2 ——3分钟）， 思考题（1 —— 2分钟）， 6．作业（1 —— 2分钟）。 十三、教材及教学参考书 工程材料 崔占全、孙振国 机械工业出版社 2003年3月 工程材料学习指导 崔占全、孙振国 机械工业出版社 2003年3月 工程材料 崔占全、邱平善 哈尔滨工程大学出版社 2001年5月 4．工程材料辅助教材 邱平善 哈尔滨工程大学出版社 2001年5月 5、. 工程材料 朱张校 清华大学出版社 2000年5月 6、工程材料习题集 郑明新 清华大学出版社 1993年6月 7、机械工程材料 沈 莲 机械工业出版社 2000年7月 8、机械工程材料 杨瑞成 重庆大学出版社 2000年7月 第二部分 绪 论 一、教学目的及要求： 使学生了解材料科学的重要地位与作用，工程材料的分类，课程的任务与内容，工程材料的学习方法。 二、主要内容： 材料科学的重要地位与作用，工程材料的分类，本课程的任务与内容，教学要求，工程材料的学习方法，教学参考书。 三、学时安排：1学时 四、教学重点： 使学生了解本课程在教学计划中的地位、重要性。，以达到按照教学目的要求，学生能够自觉地学好本课程的教学内容。通过实例分析，说明选材及热处理方法不当造成的危害。 五、教学过程：(见讲稿) 六．思考题： 材料科学的重要地位与作用是什么？ 工程材料的分类如何？ 本课程的任务与内容是什么？ 七、教学参考书： 1. 机械工程材料 崔占全、邱平善 哈尔滨工程大学出版社 2000年3月 2. 机械工程材料辅助教材 邱平善 哈尔滨工程大学出版社 2000年3月 3. 工程材料 朱张校 清华大学出版社 2000年5月 4. 工程材料习题集 郑明新 清华大学出版社 1993年6月 5. 机械工程材料 沈 莲 机械工业出版社 2000年7月 第三部分 工程材料的基本理论 第一章 材料的结构与性能 一、教学目的及要求 使学生们掌握三大固体材料的结构特点、性能特点，建立材料结构与性能之间的关系。 二、主要内容 材料的结合方式、金属材料的结构与性能、高分子材料的结构与性能、陶瓷材料的结构与性能。 三、学时安排： 5 学时 四、教学重点： 1. 典型金属材料的晶体结构； 2. 金属材料的性能及其测试方法、结构与性能的关系； 3. 高分子材料及陶瓷材料的性能特点。 五、教学难点： 1. 金属材料的晶体结构； 2. 高分子材料的结构； 3. 陶瓷材料的结构。 六、教学过程：(见讲稿) 七．思考题： 1．三大固体材料的键性如何？ 2．金属的特性是什么？ 3．纯金属的晶体结构有几种类型？ 4．合金相结构有几种？都是什么？ 5．金属材料的性能特点是什么？什么是材料的使用性能及工艺性能？ 6．高分子材料的结构及性能特点是什么？什么是高分子材料的老化？如何防止老化？ 7．陶瓷材料的结构及性能特点是什么？陶瓷材料的增韧方法有哪些？ 八．作业： 1．画出（111）、[111]、（110）、 [110]、（112）、[112]晶面及晶向，指明具有相同指数的晶面及晶向关系。 (依当时教学情况从《工程材料学习指导》第一章中选做2—3题)。 九、教学参考书： 1. 金属力学性能 束德林 机械工业出版社 1997年10月 2. 高分子材料导论 张留成 化学工业出版社 1993年5月 3. 工程陶瓷材料 金志浩、周敬恩 机械工业出版社 1986年 第二章 金属材料组织与性能控制 一、教学目的及要求： 通过本章的学习，使掌握结晶理论的应用；掌握金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化及表面技术对其组织性能的影响；掌握控制金属材料组织与性能的方法。 二、 主要内容： 纯金属及合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术。 三、学时安排： 16 学时 讲课 12学时 课堂讨论 2学时 实验 2学时 四、教学重点： 1. 结晶理论的应用； 2. 铁碳相图； 3. 塑性加工对组织性能的影响； 4. 钢的热处理原理及普通热处理工艺； 5. C曲线的建立及应用； 6. 钢的合金化原理。 五、教学难点： 1. 铁碳合金结晶过程及相对量计算； 2. 金属的塑性变形与再结晶； 3. 钢在加热、冷却时的组织转变与规律； 4. C曲线的应用； 5. 钢的合金化原理。 六、教学过程(见讲稿) 七、 实验教学： 1. 铁碳平衡组织观察； 2. 碳钢的热处理操作； 3. 碳钢热处理后的组织观察。 八、课堂讨论： 2学时 1. 铁碳相图； 2. C曲线应用。 九．思考题： 结晶的基本规律是什么？ 从结晶理论分析，获得细晶粒金属的方法有哪些？ 铁碳合金的分类如何？铁碳合金的化学成分、组织及性能之间关系如何？ 塑性变形对金属的组织、性能有何影响？ 冷变形金属在加热过程当中组织与性能要发生那些变化？ 钢的加热转变规律如何？ 钢在冷却时要发生那些相变？过程如何？ 过冷奥氏体等温（连续）转变C曲线有何应用？ 钢的普通热处理工艺有哪些？ 10．钢的淬火、退火、正火的温度如何确定？ 11．合金元素对铁碳相图临界点有何影响？对加热、冷却转变有何影响？ 十．作业： 分析含0.6(C、1.2(C的铁碳合金结晶过程，计算室温下的组织及相的相对含量。 画出共析碳钢过冷奥氏体等温转变C曲线，标明各点、线、区的意义；说 明合金元素对C曲线位置及形状的影响。 十一、教学参考书： 1、材料科学基础 马泗春主编 陕西科学技术出版社 1998年 2、材料科学基础 石德珂主编 西安交大出版社 1995年 3、金属学教程 卢光熙主编 机械工业出版社 1985年 第四部分 常用工程材料 第三章 金属材料 一、教学目的及要求： 通过本章学习，使学生们掌握常用金属材料(工业用钢、铸铁、有色金属)的牌号、化学成分特点、合金元素作用、热处理特点、组织特征、性能及应用范围。 二、主要内容： 1. 工业用钢 2. 铸铁 3. 有色金属 三、学时安排： 8 学时 四、教学重点： 工业用钢、铸铁、有色金属的牌号、热处理特点、性能特点及应用。 五、教学难点： 1. 合金元素在钢中的作用 2. 各类金属材料的热处理特点及应用范围。 六、教学过程：(见讲稿) 七．实验教学： 1. 合金钢、铸铁、有色金属组织观察。 八．思考题： 列表说明结构钢、工具钢、特殊性能钢的类别、典型钢种的牌号、化学成分、合金元素的作用、热处理特点、组织、性能及应用范围。 列表说明各种铸铁的类别、牌号、成分特点、显微组织、生产方法、性能、及应用。 铝合金的强化方法有哪些？ 轴承合金的组织有何特点？ 铝极其合金、铜及其合金、钛及其合金、轴承合金的牌号、组织、性能及应用范围如何？ 九、作业： 指明下列金属材料牌号的类别、合金元素的作用、热处理特点、性能及应用： Q235—AF、16Mn、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、GCr15、T8、9SiCr、CrWMn、 W18Cr4V、Cr12MoV、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、 ZGMn13。 2．铝铜合金的时效过程是什么？ 十、教学参考书： 1．金属学与热处理 崔忠圻 机械工业出版社 第四章 高分子材料 一、教学目的及其要求： 通过本章学习，使学生们掌握三大合成材料(塑料、橡胶、合成纤维)性能特点及应用范围。 二、 主要内容 1. 工程塑料 2. 橡胶与合成纤维； 3. 合成胶粘剂和涂料。 三、学时安排： 2 学时 四、教学重点： 1. 工程塑料的性能及应用范围； 2. 橡胶的性能特点及应用范围。 五、教学难点： 1. 工程塑料的性能及应用范围； 2. 橡胶的性能特点及应用范围。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1、说明各种工程塑料的性能及应用范围。 2、说明各种橡胶的性能特点及应用范围。 八、作业： 1、说明解决高分子材料老化及白色污染的可能方法。 九、教学参考书： 1、高分子材料导论 张留成 化学工业出版社 1993年5月 2、高分子材料概论 吴其晔 机械工业出版社 第五章 陶瓷材料 一、教学目的及其要求 通过本章学习，使学生们掌握陶瓷材料的性能特点及应用范围。 二、 主要内容 1. 常用工程结构陶瓷材料； 2. 金属陶瓷(硬质合金)。 三、学时安排： 2学时 四、教学重点： 1. 常用工程结构陶瓷材料的性能特点及应用； 2. 金属陶瓷(硬质合金)的性能特点及应用。 五、教学难点： 各类陶瓷材料的性能特点及应用范围。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1、叙述各类常用工程结构陶瓷材料的性能特点及应用。 2、说明金属陶瓷(硬质合金)的性能特点及应用。 八、作业： 1、陶瓷材料有哪几类？其生产过程如何？ 九、教学参考书： 1、工程陶瓷材料 金志浩、周敬恩 机械工业出版社 1986年 复合材料 一、教学目的及其要求： 通过本章学习，使学生们掌握复合材料的性能特点及应用范围。 二、 主要内容 1. 复合材料的增强机制及性能； 2. 常用复合材料。 三、学时安排： 2 学时 四、教学重点： 1. 复合材料的增强机制及性能； 2. 常用复合材料的性能特点及其应用。 五、教学难点： 复合材料的增强机制及性能。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1、说明复合材料的增强机制及性能。 2、说明常用复合材料的性能特点及其应用。 八、作业： 1、玻璃钢、钨钴硬质合金是一种什么样的复合材料。 九、教学参考书： 1、复合材料学 周祖福 武汉工业大学出版社 1995年5月 2、复合材料及其应用技术 汤佩剑 重庆大学出版社 1998年 其它工程材料 一、教学目的及其要求： 通过本章学习，使学生们了解功能材料、纳米材料的特点及应用、未来材料的发展方向。 二、 主要内容 1. 功能材料； 2. 纳米材料； 3. 未来材料的发展方向。 三、学时安排： 2 学时 四、教学重点： 1. 功能材料的类型； 2. 纳米材料的种类； 3. 未来材料的发展方向。 五、教学难点： 各类材料的性能(功能)及应用。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1. 功能材料的种类。 2. 纳米材料的性能（功能）特点。 3. 未来材料的发展方向是什么？ 八、教学参考书： 1. 功能材料概论 殷景华等 哈尔滨工业大学出版社 1999年 2. 纳米材料与纳米结构 张立德等 科学出版社 2000年1月 3. 纳米技术与应用 顾 宁等 人民邮电出版社 2002年2月 4、纳米材料 丁秉钧 机械工业出版社 5、功能材料 朱 敏 机械工业出版社 第五部分 机械零件的失效、强化、选材及工程材料的应用 机械零件的失效与强化 一、教学目的及其要求： 通过本章学习，使学生们了解机械零件的失效形式、分析方法及工程材料的强化方法。 二、 主要内容 1. 机械零件的失效形式与分析方法； 2. 工程材料的强化与强韧化。 三、学时安排： 2学时 四、教学重点： 1. 机械零件的失效形式； 2. 工程材料的强化方法。 五、教学难点： 1. 工机械零件的失效形式的分析方法； 2. 工程材料的强化方法。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1.机械零件的失效形式及分析方法是什么？ 2. 工程材料的强化与强韧化的方法有哪些？ 八、教学参考书： 1. 工程材料 朱张校 清华大学出版社 2000年5月 2. 金属材料及热处理 史美堂 上海科技出版社 1984年1月 3. 机械工程材料 杨瑞成 重庆大学出版社 2000年7月 典型零件的选材及工程材料的应用 一、教学目的及其要求： 通过本章学习，使学生们掌握工程材料选材的一般原则、典型零件的选材及工艺路线设计，了解各类工程材料的应用。 二、 主要内容 1. 选材的一般原则； 2. 典型零件的选材及工艺路线设计； 3. 工程材料的应用。 三、学时安排： 2 学时 四、教学重点： 1. 选材的一般原则； 2. 典型零件的选材及工艺路线设计。 五、教学难点： 典型零件的选材及工艺路线设计。 六 、教学过程：(见讲稿) 七、思考题： 1. 选材的一般原则是什么？ 2. 齿轮、轴类等典型零件的选材及工艺路线设计如何？ 八、作业： 1. 某汽车、拖拉机变速箱齿轮其力学性能要求是：表面要求高硬度、高耐磨性（HRC58～62）、心部要求具有一定韧性（HRC30～45）。请从下列牌号中选材、制定加工工艺路线、说明工艺中各种热处理工艺的作用。 Q235—AF、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、GCr15、T8、9SiCr、CrWMn、 W18Cr4V、Cr12MoV、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、 ZGMn13 2. 某汽车半轴其性能要求具有良好的综合力学性能（既强又韧），请从下列牌号中选材、制定加工工艺路线、说明工艺中各种热处理工艺的作用。 Q235—AF、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、GCr15、T8、9SiCr、CrWMn、 W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V、1Cr13、1Cr18Ni9Ti、ZGMn13 九、教学参考书： 1. 工程材料 朱张校 清华大学出版社 2000年5月 2. 金属材料及热处理 史美堂 上海科技出版社 1984年1月 3..工程材料 郑明新 清华大学出版社 1984年1月 4. 机械工程材料 王焕庭等 大连理工大学出版社 1991年7月 5. 机械工程材料 沈莲 机械工业出版社 2000年7月 制定人：崔占全、高聿为 审定人：荆天辅 批准人：杨庆祥 2006年1月1日