3.2 合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理（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3.2 合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理 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 在教授合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理课程中，学情分析显示学生对基础概念如合金成分、铁碳相图有基本理解，但对复杂的热处理过程和应用场景理解不够深入。学生对于理论到实践的转换存在困难，特别是在理解热处理对材料性能影响的具体机理方面。此外，学生在将课堂知识应用于解决工程问题上存在挑战，对铸铁和铸钢的性能差异认识不足。 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。 了解合金钢的分类方法。 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 了解合金钢的分类方法。 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 了解合金钢的分类方法。 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 教学难点 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） 2.合金钢 合金钢是指在碳钢的基础上加入其他合金元素形成的钢。常用的合金元素有硅Si、锰 Mn、 钨W、钼Mo、铬Cr、镍Ni 等，加入合金元素的种类、数量不同，则钢的性能、用途也有所 不同。其中加入钼、铬、镍可以提高钢的强度和韧性，而钨元素是提高热硬性及耐磨性的主要 元素。 合金钢的分类方法很多，最常用的是按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。 (1)合金结构钢合金结构钢主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上 应用最广、用量最多的钢种，一般分为两大类；工程用合金结构钢和机械制造用合金结构钢 (图3-6)。 1)工程用合金结构钢制造承受载荷的工程结构所用的钢称为工程用合金结构钢，也称 为建筑结构钢。常用的有低合金高强度结构钢、低合金耐候钢和低合金专用钢等。 低合金高强度结构钢是最常用的一种，是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素而成。 其牌号含义与碳素结构钢相同，如Q355B、Q390D、Q420B、Q460C 等。可见低合金高强度结 构钢的强度显著高于相同碳量的碳素结构钢，并具有较好的塑性、韧性以及良好的焊接性和耐 大气腐蚀性，用这类钢制作大型构件不仅安全可靠，而且减轻自重、节约钢材。因此，广泛用于 在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容 器等。 2)机械制造用合金结构钢这类钢是在优质或高级优质碳素结构钢的基础上加入少量 合金元素制成的合金结构钢。大多需经过热处理后才能使用，按其用途和热处理特点可分为 合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。前三类钢的牌号用两位数字+化学元 素符号+数字表示，前面的两位数字表示钢中碳的平均质量分数的万分数，后面的数字表示 钢中合金元素的平均质量分数的百分数。如60Si2Mn, 表示平均wc=0.6%、平 均ws=2%、平 均 wM<1.5%(当元素的质量分数<1.5%时，只标元素符号而不标质量分数)。 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表3-3。 ① 合金渗碳钢指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，其碳的质量分数wc一般 为0.10%～0.25%,主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，如汽车、 拖拉机、重型机床中的齿轮，内燃机的凸轮轴等。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。 ② 合金调质钢指经过调质处理后使用的中碳合金结构钢，其碳的质量分数wc一般为 0.25%～0.50%,用于受力复杂、要求综合力学性能好的重要零件，如精密机床的主轴、汽车的 后桥半轴、发动机的曲轴、连杆、高强度螺栓、锻床的锤杆等。40Cr 钢是最常用的合金调质钢， 其强度比40钢高20%。 ③ 合金弹簧钢 合金弹簧钢是弹性好且用于制造弹簧或弹性元件的合金钢，其碳的质量 分 数wc 一般为0.50%～0.70%。具有高的弹性极限和屈服强度，还具有较高的疲劳强度和足 够的塑性、韧性。主要用于制造机械及仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机和火车上的板弹簧和螺 旋弹簧等。60Si2Mn是最常用的合金弹簧钢。 ④ 滚动轴承钢滚动轴承钢是一种高碳低铬钢，具有高的接触疲劳强度、高而均匀的硬 度和耐磨性及一定的韧性和耐蚀性能，用于制造滚动轴承的套圈和滚动体等，也可用于制作精 密量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油泵等精密零件，如针阀体、柱塞、柱塞套等。中、小尺寸轴 承零件可选用G8Cr15 、GCr15,大尺寸轴承零件可选用GCr15SiMn 、GCr15SiMo 、GCrl8Mo制 造，牌号前面的G 为“滚”字的汉语拼音字首。 (2)合金工具钢 工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等，按其化学成分可分为非合金 工具钢、合金工模具钢和高速工具钢三类。非合金工具钢前面已作介绍。 (3)特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种，如不锈钢、耐热 钢、低温钢及耐磨钢。 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.铸钢 铸钢是可将熔炼好的钢液直接铸成零件或毛坯的钢种。与铸铁相比，铸钢的力学性能，特 别是抗拉强度、塑性、韧性较高，但铸造性较铸铁差。因此，铸钢一般应用于较重要、形状复杂 而且要求具有较高综合力学性能的结构件，如机架、缸体、齿轮、连杆等。 铸钢的牌号是用字母“ZG” 加两组数字组成。其中，“ZG” 是“铸钢”两字汉语拼音首字 母；第一组数字表示屈服强度值(MPa); 第二组数字表示抗拉强度值(MPa), 如ZG200-400。 铸造状态使用的合金钢，又称为合金铸钢。低、中合金铸钢主要用来制作一般机械结构件； 高合金铸钢有特殊性能，如耐磨铸钢、不锈耐酸铸钢、耐热铸钢、铸造合金工具钢等。 主要讲解铸钢。 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.铸铁 铸铁是碳的质量分数wc 大于2.11%的铁碳合金的总称，铸铁还含有硅、锰、硫、磷等元素。 与钢相比，铸铁抗拉强度、塑性、韧性较低，但却具有优良的铸造性能、耐磨性、减摩性、减振性 和可加工性，而且生产工艺简单、加工成本低，因此应用广泛。铸铁不能进行锻造、轧制等压力 加工，只能用铸造等工艺方法加工成形，图3-12所示为铸铁零件。 铸铁的种类很多，工业上根据铸铁中碳(石墨)的形态，可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸 铁、蠕墨铸铁等。 教师根据铸铁讲解。 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。 三、钢的热处理 热处理是在固态下通过加热、保温和冷却的方法，改变合金的内部组织，从而获得所需性 能的一种工艺方法。主要分为普通热处理和表面热处理。 1.普通热处理 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，包括退火、正火、淬火和回火四种。 2.表面热处理 仅对工件表层一定深度进行的热处理工艺称为表面热处理，主要是通过改变工件表层的组织，或既改变工件表层的组织又改变其化学成分，以改变其表层性能的工艺方法。常用的表 面热处理有表面淬火和表面化学热处理两大类。 (1)表面淬火钢的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，使工件 表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的组织的热处理工艺。表面淬火主要 有火焰淬火、感应淬火、激光淬火等。 (2)表面化学热处理将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某 些元素渗入工件表层，从而使其表面具有与心部不同性能的热处理方式称为表面化学热处理。 主要特点是改变工件表层的化学成分和组织，使工件表层不仅与心部组织不同，而且成分也不 同。最常用的方法是渗碳、渗氮和碳氮共渗。 教师讲解钢的热处理，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：总结钢铁材料。 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） 在教授合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理课程中，我注意到学生对材料的分类和特性有基本了解，但对热处理过程中的相变和性能变化理解不够深入。学生对理论概念的掌握尚可，但在将这些概念应用于解决实际工程问题时存在困难。为了提高教学效果，我计划增加更多的实验室实践，让学生亲手进行热处理实验，观察不同热处理工艺对材料性能的影响。此外，我将引入更多的工业案例分析，帮助学生理解这些材料和热处理技术在实际生产中的应用。通过这些改进，我期望学生能够更好地理解材料科学的原理，并提高他们解决实际工程问题的能力。 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.简述表面热处理。 2.简述普通热处理。 3.牌号HT300表示什么含义？ 板书 设计 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 在教授合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理课程中，我意识到理论与实践的结合对于学生理解材料科学的重要性。学生对材料的分类和特性有基本了解，但对热处理过程中的微观组织变化和性能影响的理解不够深入。未来，我计划增加更多实验和案例研究，以促进学生对热处理原理的直观理解。此外，我将采用更多互动式教学方法，如小组讨论和问题解决，以提高学生的参与度和批判性思维能力。同时，我也意识到需要不断更新课程内容，以反映材料科学领域的最新发展。 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 $$