3.1 钢铁材料的应用（教案）-《机械基础》同步精品课堂（高教版·第2版）

《机械基础》教案 详 细 教 案 一、设计摘要 课程课题 任务3.1 钢铁材料的应用 授课教师 1 学时数 1 授课班级 人数 授课时间 教学地点 理实一体化教室 二、设计意图 学情分析 金属材料性能的学情分析显示学生普遍理解硬度、弹性模量、屈服强度等基本概念，但在应用这些概念解决实际问题时存在困难。学生对塑性变形和弹性变形的区别认识清晰，但对疲劳强度的理解不够深入，尤其是其与交变载荷的关系。此外，学生在掌握冲击韧性测试方法和意义方面需要更多实践。建议增加实物演示、案例分析和实验室实践，以提高学生对金属材料性能的直观理解和应用能力。 背景分析 在机械基础引言课程中，我们首先探讨了机械工程的重要性及其在现代社会中的应用。机械工程是工程学科的基石之一，它涉及到设计、分析、制造和维护各种机械系统和产品。随着科技的不断进步，机械工程领域也在不断扩展，涵盖了从传统的汽车、飞机制造到现代的机器人技术、纳米技术等多个方向。 本课程旨在为学生提供一个坚实的理论基础，使他们能够理解机械系统的工作原理，并具备分析和设计机械组件的能力。通过学习机械基础，学生将掌握机械设计、材料选择、机构分析和机械制造等方面的知识，为未来的工程实践打下坚实的基础。此外，课程还将强调创新思维和解决复杂工程问题的能力，以适应不断变化的工业需求和技术挑战。 学习目标 设定 素质目标 知识目标 能力（技能）目标 结合机械基础课程内容特点，认识到加入工匠精神、职业道德、节能减排是当下亟需解决的问题，培养学生关注国家时事，让自己成为国家栋梁之材。 了解常用材料的性能及应用。 理解常用非合金钢的分类、牌号、性能和应用。 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 了解钢的热处理的目的、分类和应用 学习任务 描述 了解常用材料的性能及应用。 理解常用非合金钢的分类、牌号、性能和应用。 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 了解钢的热处理的目的、分类和应用 教学资源 准备 教师准备：讨论主题、学生任务书； 学生准备：在线讨论、完成任务书。 教学重点 了解常用材料的性能及应用。 理解常用非合金钢的分类、牌号、性能和应用。 教学难点 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 了解钢的热处理的目的、分类和应用 教学难点突破方法 对于复杂的概念，使用图解、动画或实物模型来帮助学生直观理解。例如，通过3D模型展示复杂机构的运动方式。鼓励学生提问和讨论，通过小组讨论或辩论的形式，让学生积极参与，共同解决问题。提供额外的学习材料，如阅读材料、视频讲座、在线课程等，供学生课后复习和深入学习。 三、教学策略 教法 讲授法、演示法、讨论法； 学法 小组讨论法、 自主阅读法。 四、教学资源 教材工具材料 《机械基础》，主编：车世明，2024年4月第2版；高等教育出版社出版。 教学情景 创设 五、教学过程 教学环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 知识复习与回顾（2分钟） [引入主题]（2分钟） 材料是人类用以制造各种有用器件的物质，也是人类生产和生活所必需的物质基础。汽车、轮船、火箭及日常使用的工具都是由各种不同的材料制成的(图)。 提出问题，认真回答问题。 接收并查看本节课堂任务书。查看并记住本节任务的学习目标。 1、组织学生回答问题，使同学们提起兴趣，对学习内容参与度更深。 2.下发和展示任务，让学生明确课堂任务，学习课堂知识。 新 课 导 入 （3分钟） [新课引入] （3分钟） 引导学生分析任务书，明确本节课的学习内容。 通过任务书，采用提问方式引出今天的内容。 1.跟上老师思路。 2.学生分小组交流讨论，总结出小组答案。 激发学生探索学习的欲望与兴趣，还可以把本次课程的内容快速引入课堂。 探索 新知（2分钟） [探索新知] （2分钟） 一、金属材料的性能 金属材料的性能主要包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是金属材料在使用过程 中所表现出来的性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等，决定了材料的应用范围。 1.金属材料的物理性能 物理性能是指金属材料在固态下所表现出的一系列性能，主要有密度、熔点、导热性、导电 性、热膨胀性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能要求也有所不同，例如，飞机、 航天器等，为了减轻自重，需要选择密度小而强度高的铝、镁、钛合金来制造；电器熔断器和防 火安全阀用熔点低的金属制造；锅炉、加热炉燃烧室、发动机排气口用难熔金属制造；散热器、 热交换器要选用导热性好的铜或铝制造；电线、电缆、电器元件用导电性好的金属制造；变压 器、测量仪器用铁磁性材料制造；在制订焊接、热处理、铸造等工艺及测量工件的尺寸时，都要 考虑到热膨胀的因素。试思考图3-3中各种结构的材料选择。 2.金属材料的化学性能 化学性能是指金属材料在室温或高温时抵抗各种化学介质作用时表现出来的性能，如耐 蚀性和抗氧化性等。 (1)耐蚀性金属材料在常温下抵抗周围介质腐蚀破坏的能力称为耐蚀性。金属材料在 空气中很容易被腐蚀，尤其是在酸、碱和盐等腐蚀介质中工作的零件。腐蚀作用对金属的危害 很大，选用材料时，必须考虑金属材料的耐蚀性。 (2)抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化 过程随温度升高而加速，如钢铁在铸造、锻造、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。氧化不仅 造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷。为此，常采取措施避免金属材料发生氧化。 上课前老师收集相关的新专业、职业、技能等知识。 学生对新专业了解后，再上网查一下新专业所涉及的知识点。 使用学生对新专业有个大概了解，自己再去收集相关资料补充自己的知识面。 学 习 新 知（14分钟） [学习新知] （14分钟） 3.金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指在外力(载荷)作用时所表现出来的性能，也称机械性能。 载荷按作用性质的不同分为静载荷和动载荷。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载 荷，金属材料在静载荷的作用下所表现出来的力学性能主要有强度、塑性、硬度等；动载荷主要 指冲击载荷以及作用力大小和方向做周期性变化的交变载荷，在动载荷作用下表现出来的力 学性能主要有冲击韧度、疲劳强度等。 ( 1 ) 强 度 强度是指材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。在工程上一般用下 屈服强度R (或规定塑性延伸强度Rp₀.2)、抗拉强度Rm作为强度的主要评定指标。 (2)塑性塑性是材料在载荷作用下，断裂前产生塑性变形的能力。材料的塑性指标有 断后伸长率A 和断面收缩率Z,A、Z 值越大，表示材料的塑性越好，塑性好的材料能比较容易 地进行锻压、轧制等压力加工。 (3)硬度材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力称为硬度，硬度是评定材料软硬程度的一种力学性能。一般情况下材料的硬度越高，其耐磨性就越好。在规定的静态试验载荷下， 将压头压入材料表层，然后根据载荷的大小、压痕表而积或深度确定其硬度值。常用的硬度测 定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法，如图3-4所示。 1)布氏硬度测定布氏硬度用硬质合金球压头，根据压痕单位面积上的载荷大小来计算 硬度值，适用于测定硬度较低的材料，又因压痕较大，故不宜测定成品零件及薄片零件。布氏 硬度的符号为HBW, 如45钢调质后的布氏硬度值为220,表示为220HBW。 2)洛氏硬度 洛氏硬度是采用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588 mm 的硬质合 金球为压头，根据压入深度来计算出材料的硬度值。洛氏硬度用符号HR 表示，常用的洛氏硬 度有HRA、HRB、HRC三个标尺，分别用于高硬度材料与钢材薄板、硬度较低的材料、硬度较 高的材料。其中HRC 应用最广，例如碳素工具钢T10的淬火硬度表示为62 HRC。 3)维氏硬度维氏硬度压头是两相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥，根据压痕对角 线长度d 得到硬度值，其适用面广，软、硬、厚、薄的金属均可测量。维氏硬度用符号HV 表示。 (4)冲击韧性 冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力， 常用标准试样的冲击吸收能量来衡量，由冲击试验测得，它是将带有U形或V 形缺口的标准 试样放在冲击试验机上，用摆锤将试样冲断，所消耗的能量即为冲击吸收能量，分别用KU 或 KV表示，其单位为J 。KU或 KV的值越大，材料的韧性越好，能承受的冲击载荷越大。 (5)疲劳强度金属材料在交变应力作用下，经历无限次循环而不破坏的最大应力称为 疲劳强度或疲劳极限，详见项目二。 主要讲解金属材料的力学性能。 学生在书本上找出对应的内容并勾画出重点内容。 通过直观教学法，使用电教媒体PPT 的形式，不仅能进一步激发学生的兴趣，也有利于加深学生对知识的理解和对内容的掌握。 4.金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料在制造、加工过程中所表现出来的各种性能，包括铸造 性、锻压性、焊接性和切削加工性等。 (1)铸造性金属材料适合于铸造成形的能力称为铸造性。金属材料熔化后的流动性以 及金属在液态凝固和冷却过程中的收缩性，是决定铸造性能的主要因素。常用材料中，铸造铝 合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，而铸铁又优于铸钢。 (2)锻压性锻压性是指金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能。锻压性与 材料的塑性及其塑性变形抗力有关，材料的塑性好，变形抗力小，则锻压性也好。低碳钢的锻 压性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差；低合金钢锻压性近似于中碳钢，高合金钢锻压性比碳 钢差。 (3)焊接性焊接性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。 焊接性好的金属，焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣等缺陷，且有较高的力学性能。低碳钢 有较好的焊接性，高碳钢较差，铸铁则更差。铜合金、铝合金的焊接性一般都比碳钢差。 (4)切削加工性切削加工性是指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程 度。切削加工性好的材料容易把工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸 和表面质量。材料具有适当的硬度和足够的脆性时较易切削。铸铁比钢的切削加工性好，碳 钢比高合金钢的切削加工性好。 (5)热处理性热处理性是指金属材料接受热处理的能力。热处理性包括淬透性、淬硬 性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。 教师根据金属材料的工艺性能讲解。 学生跟上老师的思路； 抽取学生回答老师的提问； 让学生能够快速的掌握工序等主要流程的内容 突破了课程内容难点。 二、钢铁材料 钢铁材料是钢和铸铁的总称，也称黑色金属，是以铁和碳为主要元素的合金，故也称为铁 碳合金，是工业上使用最多的金属材料。 钢是以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。 钢按化学成分可分为非合金钢(即碳钢)、低合金钢、合金钢。 1.非合金钢 (1)非合金钢的分类非合金钢的分类方法很多，比较常用的有三种。 1)按碳的质量分数分类可分为：低碳钢(wc≤0.25%) 、 中碳钢(0.25%<wc≤0.60%) 和高碳钢(wc>0.60%)。wc 表示碳的质量分数。 2)按钢的质量分类可分为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢，有 害元素硫(S)、磷(P) 的含量依次减少。 3)按钢的用途分类分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、非合金工具钢等。 (2)非合金钢的牌号和用途 教师讲解钢铁材料，通过展示图片和理论相结合的形式，更形象的记忆 学生跟上老师的思路； 图片展示更加直观 学生再练习（6分钟） 4、分配任务：（6分钟）（思政导入：团队合作，培养学生学会思考，解决问题能力） 1）、以小组为单位回答问题：总结金属材料的性能。 2）、每组派出代表回答老师提问。 4）、学生分组相互评价。 5）、老师点评，哪个组最好，回答最准确。评出优胜小组。 1、教师分配任务小组任务，随堂进行观察和指导。 2.讨论完成后，教师以提问形式选择学生进行问题的回答。 3.各组互评后，教师进行总结评价。 学生小组讨论后每个组派一人或者两人回答。学生之间互评打分。 学生对知识的一个巩固过程，调动学生的学习积极性。 课堂 总结（2分钟） 教师总结（2分钟） （引入思政教育：认认真真、严谨细致的工作态度、团队合作精神） 在教授金属材料性能的课程中，我发现学生对基本性能参数如硬度、屈服强度和弹性模量有初步了解，但对它们的实际应用和相互关系理解不足。学生在理论学习与实际操作之间存在脱节，特别是在疲劳强度和冲击韧性的实验验证方面。为了提高教学效果，我计划增加更多实际案例分析，设计更多实验室实践活动，以增强学生对材料性能测试方法的理解和应用能力。同时，我将采用多媒体教学工具，如模拟软件，来直观展示金属材料在不同载荷下的变形和破坏过程，帮助学生更好地理解材料性能的实际意义。 布置下节课任务（40分钟） 布置下节课任务（40分钟） 预习下节课内容 布 置 作 业（13分钟） [完成作业] （13分钟） 1.简述金属材料的硬度与其耐磨性之间的关系。 2.什么是金属材料的屈服强度，它对材料的应用有何意义？ 3.描述金属材料的疲劳强度及其重要性。 板书 设计 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 在教授金属材料性能课程中，我发现学生对基本理论如硬度、弹性模量和屈服强度有较好理解，但对疲劳强度和冲击韧性的实际应用认识不足。学生在将理论知识转化为解决实际工程问题的能力方面存在挑战。未来教学中，我计划增加更多与工程实践相关的案例分析，设计更多互动式和讨论式学习活动，以促进学生批判性思维和问题解决技能的发展。同时，我将强化实验室实践环节，通过实际操作提高学生对材料性能测试方法的理解和应用。 教师分配任务 学分组讨论 学生问题提问 学生分组回答 教师总结 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$