2.1 金属材料的力学性能（教案）《金属材料与热处理》上好课（科学版·第二版）

《金属材料与热处理》教案 详细教案 一、设计摘要 课程课题 2.1 金属材料的力学性能 授课教师 1 学时数 1 授课班级 人数 授课时间 教学地点 二、设计意图 学情分析 学生前期已完成单元一金属材料分类及机械制造过程的学习，对金属材料的基本概念、分类体系及从原材料到零件的完整生产流程有了较为系统的认识。学生已了解钢铁材料的生产过程和机械制造的基本工艺方法，知道材料是制造零件的基础。在日常生活中接触过各种金属制品，对“强度”“硬度”等词汇有模糊的感性认识，但缺乏科学的定义和定量概念。学生对力学性能指标（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）的概念、测定方法和工程意义完全陌生，对拉伸曲线中各阶段的含义、硬度试验的不同方法容易混淆。学生形象思维较强，对实物图片、试验视频、动画演示等直观教学手段接受度高，但抽象概念理解和公式计算能力较弱。授课依托教材拉伸曲线图、硬度试验原理图、实物图片和动画演示，用直观教学法、类比教学法和对比表格法突破认知难点。 背景分析 本节选自科学出版社《金属材料与热处理》第二版单元二“金属材料的性能”中的2.1节。金属材料的力学性能是材料选用和热处理工艺制定的重要依据，是连接材料基础理论与工程实际的关键内容。本节系统介绍金属材料在静载荷、冲击载荷和交变载荷作用下的各种力学性能指标，包括强度（屈服强度、抗拉强度）、塑性（断后伸长率、断面收缩率）、硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）、冲击韧性、疲劳强度等。本节内容是单元二的开篇章节，是在学生了解“材料是什么、怎么来的”之后，进一步学习“材料性能如何、如何选用”，为后续学习铁碳合金相图、钢的热处理、常用钢材选用等章节奠定基础，也是指导合理选材和热处理工艺设计的核心依据。 学习目标 设定 情感目标 知识目标 能力（技能）目标 1.感受力学性能指标在机械设计、材料选用和热处理工艺制定中的重要作用，增强质量意识和责任意识。 2.培养严谨认真的试验态度和规范操作的职业素养。 3.体会材料性能测试对产品质量控制的实际意义。 1.记住屈服强度和抗拉强度的计算公式及工程意义。 2.记住断后伸长率和断面收缩率的计算公式及意义。 3.说出三种硬度试验方法的原理、特点和适用范围。 4.记住疲劳强度的定义及提高疲劳强度的措施。 1.能根据拉伸曲线正确判断弹性变形、屈服、强化、颈缩四个阶段。 2.能正确区分屈服强度和抗拉强度的工程意义。 3.能正确区分布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的适用范围。 4.能根据零件工作条件判断需要测试哪些力学性能指标。 学习任务 描述 1.通过展示柴油机连杆螺栓技术要求图片和教师讲解，了解力学性能在实际工程中的重要性和载荷的三种类型。 2.通过拉伸试验动画和拉伸曲线图（图2.4），掌握拉伸变形的四个阶段及强度、塑性指标的测定原理。 3.通过公式讲解和例题计算，掌握屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率的计算方法和工程意义。 4.通过硬度试验机图片和试验原理图（图2.9、图2.10、图2.12），掌握布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的试验原理、特点和适用范围。 5.通过冲击试验原理图（图2.14）和吸收能量-温度曲线（图2.15），掌握冲击韧性的测定原理和韧脆转变温度的概念。 6.通过疲劳曲线（图2.17）和二战战机疲劳实例，理解疲劳现象和疲劳强度概念。 7.完成课堂练习：根据给定零件的工作条件和性能要求，判断需要测试哪些力学性能指标。 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 1.载荷的三种类型（静载荷、冲击载荷、疲劳载荷）。 2.拉伸曲线的四个变形阶段及强度、塑性指标的获取。 3.屈服强度和抗拉强度的定义、计算公式及工程意义。 4.断后伸长率和断面收缩率的定义及工程意义。 5.布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的试验原理、特点和适用范围。 6.冲击韧性的测定原理及韧脆转变温度的概念。 教学难点 1.拉伸曲线各阶段对应的力学性能指标的理解。 2.屈服强度与抗拉强度的区别及工程意义。 3.三种硬度试验方法的区别及适用条件。 4.韧脆转变温度对材料选用和服役安全的影响。 教学难点突破方法 1. 图示分析法 2. 类比教学法 3. 分步引导法 4. 案例诊断法 三、教学策略 教法 讲授法、演示法、问答法； 学法 观察归纳法、练习巩固法、背诵记忆法。 四、教学资源 教材工具材料 《金属材料与热处理》，科学出版社组织编写。 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 新课导入（2分钟） [引入主题]（2分钟） 展示柴油机连杆螺栓实物图（图2.1）及其技术要求：抗拉强度 Rₘ ≥ 931 MPa，下屈服强度 RₑL ≥ 784 MPa，断后伸长率 A ≥ 12%，断面收缩率 Z ≥ 50%，布氏硬度 HBW = 350~300。提问：“螺栓上标了这么多数字和符号是什么意思？设计人员为什么要提出这些要求？这些指标是怎么测出来的？”引出金属材料力学性能的概念。 展示连杆螺栓实物图和技术要求。提问“这些数字和符号是什么意思？为什么提出这些要求？”倾听回答。归纳总结，指出这些都是力学性能指标，引出课题。板书课题：2.1 金属材料的力学性能。 观察图片和技术要求，思考并回答问题。听讲，明确本节学习内容。 从真实零件技术要求切入，引发学生思考“为什么需要这些指标”，自然引出力学性能的概念，激发学习动机。 探索 新知（20分钟） 一、载荷的类型 1.机械零件在使用过程中会受到各种形式的外力作用，如起重机钢索受拉力、连杆受拉力和冲击力、轴受弯矩和扭矩等。 2.金属材料在使用和加工过程中所受到的外力称为载荷。 3.载荷的三种类型： （1）静载荷——大小不变或变化很缓慢的载荷，如床头箱对机床床身的压力。 （2）冲击载荷——在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷，如空气锤锤头下落时锤杆所受到的载荷。 （3）疲劳载荷——指大小、方向或大小和方向随时间作周期性变化的载荷，如机床上的各种齿轮所受到的载荷。 二、强度与拉伸试验 1.强度的定义：金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。强度越高，所能承受的载荷越大。 2.常见强度类型：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度。常用下屈服强度 RₑL 和抗拉强度 Rₘ 作为强度指标。 3.强度和塑性指标的测定通过拉伸试验完成。 4.拉伸试样：按国家标准制作，常用圆形截面试样。长试样 L₀=10d₀，短试样 L₀=5d₀。 三、拉伸曲线与变形阶段 1.低碳钢拉伸曲线（图2.4）的四个变形阶段： （1）OE阶段——弹性变形阶段：伸长量与载荷成正比，卸载后完全恢复。Fₑ为能恢复原状的最大拉力。 （2）ES阶段——屈服阶段：出现塑性变形，载荷不增加而试样继续伸长，即屈服现象。FₑL为屈服载荷。 （3）SB阶段——强化阶段：出现明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。Fₘ为最大载荷。 （4）BK阶段——颈缩阶段：试样局部急剧缩小（颈缩现象），载荷降低，K点断裂。 2.脆性材料（铸铁、淬火钢）弹性变形后马上断裂，无明显屈服和颈缩阶段（图2.7）。 四、强度指标的计算与意义 1.下屈服强度 RₑL = FₑL/S₀（MPa），是材料发生明显塑性变形的抗力，是机械设计的主要依据。 2.抗拉强度 Rₘ = Fₘ/S₀（MPa），是材料拉断前承受的最大拉应力，表示抵抗均匀塑性变形的最大能力。 3.无明显屈服现象的材料，规定产生0.2%塑性变形的应力为条件屈服强度 Rᵣ₀.₂。 4.一般机械零件在弹性状态下工作，不允许有塑性变形，更不允许工作应力超过 Rₘ。 1.展示起重机、连杆、轴等零件受力图片，讲解载荷的定义。依次讲解三种载荷类型：静载荷（压力）、冲击载荷（锤头）、疲劳载荷（齿轮），列举生活实例帮助学生理解。板书三种载荷类型。 2. 讲解强度的定义，强调“抵抗塑性变形或断裂”。列举常见强度类型，指出 RₑL 和 Rₘ 是最常用指标。展示拉伸试样图片（图2.2），讲解长、短试样的区别。播放拉伸试验动画（图2.3）。 3.展示低碳钢拉伸曲线（图2.4），依次讲解四个阶段。强调各阶段关键特征：弹性（完全恢复）、屈服（载荷不增加伸长）、强化（继续硬化）、颈缩（局部缩小）。展示颈缩现象图片（图2.5）和断口形式图片（图2.6）。展示铸铁拉伸曲线（图2.7），对比说明脆性材料特点。 4.讲解屈服强度和抗拉强度的计算公式，强调 FₑL 和 Fₘ 的区别。用“开始变形的抗力”类比屈服强度，用“最大承受能力”类比抗拉强度。讲解条件屈服强度的概念。强调工程意义：RₑL是设计依据，Rₘ是安全极限。 1. 观察图片，理解载荷的概念。记录载荷的定义和三种类型。跟随教师举例，判断生活场景中的载荷类型。 2. 记录强度的定义。记录常见强度类型和两种常用指标。观察拉伸试样图片，记录长、短试样的区别。观看拉伸试验动画。 3.观察拉伸曲线图，记录四个阶段的名称和关键特征。理解“屈服”“颈缩”等概念的含义。观察颈缩现象和断口形式图片。观察铸铁拉伸曲线，对比分析。 4.记录计算公式和工程意义。理解两种强度指标的区别。记录条件屈服强度的概念。 1.从机械零件实际工作条件出发，帮助学生理解“载荷”的概念和分类，为后续学习力学性能指标打下基础。 2. 建立强度的概念，了解拉伸试验是测定强度和塑性的基本方法。通过动画演示建立直观认识。 3拉伸曲线是理解力学性能的核心内容，通过分步讲解和图示帮助学生掌握四个阶段的特征。对比脆性材料加深理解。 4.通过类比教学法帮助学生区分屈服强度和抗拉强度两种容易混淆的概念，明确各自的工程意义。 学 习 新 知（20分钟） 一、塑性指标的定义与计算 1.塑性：金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。 2.断后伸长率 A = (Lᵤ-L₀)/L₀×100%，长、短试样分别用 A₁₀ 和 A₅ 表示。 3.断面收缩率 Z = (S₀-Sᵤ)/S₀×100%。 4.塑性越好，越易于压力加工；零件使用中，塑性好可避免突然断裂。 5.典型实例（连杆螺栓）：测得 L₀=50mm，Lᵤ=57.1mm，d=10mm，dᵤ=6.7mm。计算得 A=14.2%，Z=55.1%。二、硬度 1.硬度的定义：材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度越高，耐磨性越好。 2.布氏硬度（HBW）：用硬质合金球压头，以规定试验力压入表面，测压痕直径确定硬度值。适用于铸铁、有色金属、退火/正火和调质钢。压痕大、精度高。 3.洛氏硬度（HRA/HRB/HRC）：用金刚石圆锥或钢球压头，根据压痕深度确定硬度值。操作简便、压痕小，适用于成品和热处理质量检查。HRC应用最广。 4.维氏硬度（HV）：用正四棱锥金刚石压头，测压痕对角线长度。从软到硬连续标定，适用于表面硬度测量。 三、冲击韧性与疲劳强度 1.冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，通过夏比摆锤冲击试验测定。 2.冲击试样：10mm×10mm×55mm，有U型和V型缺口。吸收能量 K=mg(h₁-h₂)，单位为J。 3.韧脆转变温度：吸收能量随温度下降而急剧减小的温度区间，韧脆转变温度越低，低温抗冲击性能越好。 4.疲劳现象：在交变应力作用下，应力远低于屈服强度时突然断裂的现象。80%以上损坏零件为疲劳造成。 5.疲劳强度：材料经无数次交变载荷作用而不发生断裂的最大应力（疲劳极限）。 6.提高疲劳强度的措施：减少应力集中、改善表面粗糙度、表面处理（高频淬火、喷丸、化学热处理等）。 1.讲解塑性的定义。讲解断后伸长率和断面收缩率的公式，强调测量要点。说明塑性的工程意义：塑性好易加工，使用中不易脆断。按教材连杆螺栓实例演示计算过程，展示公式代入和数据结果。 2.展示硬度试验机图片（图2.8），讲解硬度的定义。展示布氏硬度原理图（图2.9），讲解原理、公式和适用范围，强调压痕大、精度高。展示洛氏硬度原理图（图2.10）和表盘（图2.11），讲解三种标尺（A/B/C）和适用范围，强调HRC应用最广。展示维氏硬度原理图（图2.12），讲解原理和特点。用对比表格总结三种硬度的压头、原理、特点和适用范围。 3.展示冲击试样图片（图2.13）和冲击试验原理图（图2.14），讲解冲击韧性定义和测定原理。展示吸收能量-温度曲线（图2.15），讲解韧脆转变温度的概念。展示疲劳曲线（图2.17），讲解疲劳现象和疲劳强度定义，用二战战机实例说明疲劳断裂的突然性和危险性。讲解提高疲劳强度的措施。 4.知识背诵： （1） 拉伸曲线四阶段：弹性变形→屈服→强化→颈缩。 （2） 强度指标：RₑL=FₑL/S₀（设计依据），Rₘ=Fₘ/S₀（最大能力）。 （3） 三种硬度：布氏HBW（压痕大、精度高）、洛氏HRC（操作快、压痕小）、维氏HV（连续标定）。 5.师生互动： （1）某机械制造厂生产一批起重机吊钩，吊钩在工作时承受重物拉力，要求材料具有足够的强度，且不允许在使用过程中产生明显的塑性变形。现有两种材料可选：材料A的屈服强度为 450 MPa，抗拉强度为 650 MPa；材料B的屈服强度为 600 MPa，抗拉强度为 700 MPa。请问应优先选用哪种材料？请说明理由。 （2）某汽车制造厂需要生产一批汽车外壳覆盖件，要求材料具有良好的塑性以便于冲压成形。现有两种钢材：钢材A的断后伸长率 A=25%，断面收缩率 Z=60%；钢材B的断后伸长率 A=12%，断面收缩率 Z=35%。请问应优先选用哪种钢材？请说明理由。 （3）某机械加工厂对一批调质处理后的传动轴进行质量检验，要求在不破坏零件的前提下快速检测其硬度是否达到设计要求。现有布氏硬度计、洛氏硬度计和维氏硬度计三种设备可供选择，请问应优先选用哪种硬度试验方法？请说明理由。 1.记录塑性的定义和两个指标公式。理解塑性的工程意义。跟随教师计算过程，记录计算结果。 2.记录硬度的定义。观察图片，记录布氏硬度原理、特点和适用范围。观察图片，记录洛氏硬度原理、三种标尺和适用范围。观察图片，记录维氏硬度原理和特点。观察对比表格，记录三种硬度的关键区别。 3.记录冲击韧性的定义和测定原理。理解韧脆转变温度的概念。记录疲劳现象和疲劳强度的定义。观看疲劳断口示意图（图2.16），理解疲劳断裂的三个阶段。记录提高疲劳强度的措施。 4.合书默背，同桌互背。 5. 小组讨论，代表回答，其他人补充。 1.塑性是材料的重要性能指标，通过公式讲解和实例计算帮助学生掌握其测定方法。计算练习加深理解。 2.硬度是综合性能指标，应用广泛但内容较多。通过原理图讲解和对比表格帮助学生区分三种硬度试验方法，明确各自的适用范围。 3.冲击韧性和疲劳强度是材料在特殊工况下的重要性能指标。通过实例讲解帮助学生理解疲劳断裂的突然性和危险性，增强工程安全意识。 4.强化记忆。 5.帮助学生在课堂上掌握核心知识点。 课堂 总结（2分钟） 1.载荷三种类型：静载荷、冲击载荷、疲劳载荷。 2.强度：屈服强度 RₑL（设计依据）、抗拉强度 Rₘ（最大能力）。 3.塑性：断后伸长率 A、断面收缩率 Z。 4.硬度：布氏硬度HBW（压痕大、精度高）、洛氏硬度HRC（操作快、压痕小）、维氏硬度HV（连续标定）。 5.冲击韧性：夏比摆锤试验，韧脆转变温度。 6.疲劳强度：交变应力下远低于屈服强度突然断裂，80%以上损坏零件由疲劳造成。 布置下节课任务（1分钟） 布置下节课任务（1分钟） 预习下节课内容 布 置 作业（1分钟） 1.背诵：载荷三种类型；拉伸曲线四阶段；强度、塑性、硬度的定义及主要指标名称。 2.简答：屈服强度和抗拉强度在工程应用中有何不同？ 板书 设计 2.1 金属材料的力学性能 一、载荷 静载荷、冲击载荷、疲劳载荷 二、强度——抵抗塑性变形或断裂的能力 屈服强度 RₑL = FₑL/S₀（设计依据） 抗拉强度 Rₘ = Fₘ/S₀（最大能力） 三、塑性——产生塑性变形而不断裂的能力 断后伸长率 A = (Lᵤ-L₀)/L₀×100% 断面收缩率 Z = (S₀-Sᵤ)/S₀×100% 四、拉伸曲线四阶段 弹性变形→屈服→强化→颈缩 五、硬度——抵抗局部变形、压痕的能力 布氏HBW：压痕大、精度高→铸铁、退火钢 洛氏HRC：操作快、压痕小→热处理检查 维氏HV：连续标定→表面硬度 六、冲击韧性——夏比摆锤试验，韧脆转变温度 七、疲劳强度——交变应力，80%零件损坏由疲劳造成 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 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