《机械工程材料》教案

《机械工程材料》教案

编写 毛松发

第一章 金属材料的性能

课 题：第一节 金属材料（2课时）

教学要求：1.明确金属，掌握合金、金属材料及其分类，熟悉常见的金属材料； 2.明确金属特性。

重 点：合金 金属材料 金属特性 教学过程：

教师以教材“写给同学们的话”进行课程的始学教育.

【板书】一.材料是人类文明和技术进步的重要标志。 (教师讲解“写给同学们的话”第一、二段)

石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢铁时代→新材料时代 1、司母戊大鼎发掘历史； 2、新型材料。

二．课程作用

1．机械制造和日常生活的基础知识； 2．学习其他后续工艺学的基础。 三．课程特点与学习要求 【板书】第一节 金属材料

【讲解】在浩瀚的材料世界里，金属材料是一个最大的王国。最早，我们人类使用的金属材料主要是天然产品。（穿插讲解材料史话）经历了石器时代、青铜器时代和铁器时代的漫长历史过程后，在冶金技术的推动下，我们又从钢铁时代迈进了新材料时代。在人类文明历程中，金属材料对推动社会的发展，促进文明的进步，丰富文化的内容，改变人们的生活方式发挥了巨大作用。当今世界，金属材料已成为工农业生产、人民生活、科学技术和国防发展的重要物质基础。离开了金属材料的“钢筋铁骨”，桥梁将断，舰艇将毁，大厦将倾，工厂将停??

一、金属

【设问】同学们在平时的生活中看到过哪些金属（纯金属）？

【板书】1．金属：如铁、铜、铝、金、银等，共有90种。常温下为固体（除汞外）。 【设问】金属与非金属比较有哪些特性？ 【板书】2．金属特性：

具有金属光泽；（铁、铝等大多数金属为银白色，铜为紫红色，金为黄色） 有良好的导电性和导热性；（铜、铝是优良的导电体） 有一定的强度和塑性。

【交流与讨论】金属是一类重要的材料，人类的生活和生产都离不开金属。请说出下表日常生活中使用的金属。

金 属 不 同 的 用 途 制易拉罐的金属 制作导线的紫红色金属 灯泡中的灯丝 体温计中填充的金属 家用热水瓶内壁上的金属 金属名称 【讲解】在通常情况下，金属单质往往无法满足使用要求。如纯铜、纯铝及纯铁质软，强度、

1

硬度很小，无法用来制造承受大载荷的机械零件和工具。如果我们将一种金属跟其他金属(或非金属)熔合制成具有金属特性的物质就得到合金。

二、合金：一种金属跟其他金属(或非金属)熔合制成具有金属特性的物质。

教师指导阅读表1-1日常生活中常见的合金和教材内容，并介绍记忆合金。 【交流与讨论】

1．组成合金的元素一定是金属元素吗？从概念上来理解合金至少有几种元素组成？

其中有一种肯定是什么元素？

2．合金的用途远远比纯金属广泛得多，请问这是为什么？ 三、金属材料：将纯金属和合金材料统称为金属材料。

1．黑色金属：以铁或以它们为主形成的物质。如碳钢、合金钢和铸铁等。

2．有色金属：除黑色金属以外的金属和合金。如铜及铜合金、铝及铝合金和轴承合

金等。

【讲解】金属材料在机械工业中应用最为广泛，在各种机械设备所用的材料中，金属材料占90%以上。这是由于金属材料不仅冶炼资源丰富，而且还具有优良的物理、化学、力学和工艺性能。此外，金属材料品种多，性能各异，可以通过不同的加工方法（例如热处理），使金属材料的某些性能获得进一步的改善，从而扩大其使用范围。 【小结】：一、金属材料

金属：铁、铜、铝、金、银等。

金属材料

合金：碳钢、铸铁、黄铜、青铜等。

二、金属特性 具有金属光泽；

有良好的导电性和导热性； 有一定的强度和塑性。 【作业】

【交流与讨论】四．阅读下面的一段故事，谈谈你的感想。

形状记忆合金的发现

许多重大的发现都源于偶然事件。20世纪60年代初，美国海军研究所的的一个研究小组把一些乱如麻丝的镍-钛合金拉直，以便使用。他们无意中发现，当温度升高到一定值时的时候，这些已被拉直的镍-钛合金突然“记忆”起自己的模样，又恢复到弯弯曲曲的“本来面目”。经过材料专家的反复实验，证实了镍-钛合金丝“变形——恢复”的现象能重复进行。其实，类似的现象早在20世纪50年代初就不止一次被观察到，只不过当时没有引起人们的足够重视。

这一发现引起了科学家们的极大兴趣，经研究发现，铜基合金，铁基合金等都有这种奇妙的记忆本领。

书面：习题一、二、三；

课外：习题五、六（教师给予分组指导）

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课 题：第二节 金属的物理性能（1课时）

教学要求：对常见金属材料的物理性能有较深的认识，能运用物理性能分析解决问题。 教学重点：运用物理性能分析解决问题。 教学难点：运用物理性能分析解决问题。 教学过程：

【交流与讨论】说出铝、铜、银和金的颜色 【导入新课】金属颜色为金属材料的物理性能，本节课我们将深入讨论金属材料的物理性能。 【板书】物理性能：金属固有的属性。

一、密度（是指单位体积金属的质量。其单位为Kg/m3 。）

【交流与讨论】请你说出金、银、铜、铁、铝、钛等常用金属密度大小（师生共同完成下表内容）。 【板书】 金属 铝 钛 铁 铜 银 金 密度（Kg /m3） 2．7×10 4．5×10 7．87×10 8．96×10 333310．49×10 19．3×10 33（铝的密度仅为钢的1/3，钛的密度不到钢铁的2/3。） 3

【讲解】大多数金属的密度都比较大，最大的金属锇22．48×10Kg/m3，但有些金属密度比

3

较小，钠、钾能浮在水面上，密度最小的是金属锂0．534×10Kg/m3 。

-2-63

【例1】有一块质量为5×10Kg形似黄金的金属，投入盛有125×10m水的量筒中，水面

-63

升高到128×10m的地方，请问这块金属是纯金吗？

-2

解：已知：金属的质量m=5×10Kg

-63-63-63

金属的体积V=128×10m—125×10m=3×10m

m5×1033

密度 ρ==-6=16.7×10(Kg/m)

V3×10

求得此金属密度与金的密度19．3×10Kg/m不符，故知，这块金属不是纯金。

【交流与讨论】一架波音767飞机，约70%的零件是用铝和铝合金制造的。请问飞机的上零件为什么要大量选用铝和铝合金制造？（减轻自重，提高效能。） 【板书】二、熔点（金属材料从固态向液态转变的温度。）

易熔金属（＜700℃） 难熔金属（＞700℃） 锡 铅 锌 钨 钼 钒 231．2℃ 327．4℃ 419．4℃ 3180℃ 2622℃ 1919℃ 制造保险丝和防火安全阀等零件。 制造耐高温的零件，广泛用于

喷气发动机、火箭、导弹等。

【板书】三、导热性（金属材料传导热量的性能。）

金属的导热性：银＞铜＞铝

【讲解】导热性好的金属散热必然好，因此在制造散热器、热交换器和活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料制造。

导热性是金属材料的重要性能之一，在制订锻造、铸造焊接和热处理工艺时必须考虑金属材料的导热性，防止在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免金属材料变形或开裂。【交流与讨论】导热性差的金属材料，加热和冷却时会产生内外温度差，导致内外不同的膨胀或收缩，易使金属材料变形或开裂。请你设计出导热性差的金属材料在加热时防止变形或开裂的方法。（采用分级加热。请观察图6-17 W18Cr4V的热处理工艺曲线）。 【板书】四、导电性（金属材料传导电流的性能称为导电性。）

导电性好的金属材料：银＞铜＞铝， 做导电材料（电线、电缆等）； 导电性差的金属材料：铁-铬、铜-镍， 做电热元件（电炉丝、电熨斗等）。

【拓展视野】超导材料（略）

【问题】法国巴黎的埃菲尔铁塔是用7000吨钢铁材料建成的，塔身高300米，天线高24

米。铁塔管理部门检测到，每到夏天埃菲尔铁塔会长高21厘米，请问铁塔为什么

3

3

3

-2

会长高？

【板书】五、热膨胀性（金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。） 【交流与讨论】

1．金属工件加工过程中测量尺寸时从热膨胀因素考虑应如何操作？（测量工件尺寸，应等待冷却后再进行。）

2．精密测量工具（如游标卡尺）应选用热膨胀性大的还是热膨胀性小的金属材料来制造，为什么？（小，作为测量的标准，对大气温度的变化其热膨胀性应很小。） 【板书】六、磁性（金属材料在磁场中受到磁化的性能。）

【讲解】具有磁性的金属都能被磁铁所吸引。对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在自然温度下是铁磁性材料，但当温度升高到770℃以上时就会失去磁性。 【板书】 铁磁性材料 抗磁性材料

铁、钴、镍等。 铜、金、银、锌等。

制造半导体收音机的天线磁棒、录音机 制造避免磁场干扰的零件，如航海 的磁头、电子计算机中的存储元件、校 罗盘、航空仪表和炮兵瞄准环等。 园一卡通的磁性卡等。 【小结】学习内容： 金属的物理性能

学习重点：运用物理性能分析解决问题。 【作业】讨论：三、四； 书面：习题一、二。

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课 题：第三节 金属的化学性能（1课时） 教学要求：1.理解耐腐蚀性、抗氧化性；

2.知道常见金属的腐蚀性,了解金属的防腐方法。 教学重点：耐腐蚀性、抗氧化性，发蓝处理。 教学器材：镀锌、镀铬、发蓝处理的金属制品。 教学过程： 【交流与讨论】 在碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、金、银和钛这些常

见的金属材料中：

耐腐蚀的金属是____________________________；

易腐蚀的金属是____________________________。

（教师注意引导观察教室内钢制课桌椅腐蚀情况或展示实物。） 【导入新课】金属腐蚀的问题属于金属的化学性能，本节课我们学习讨论： 【板书】第三节 金属的化学性能

一、耐腐蚀性：金属材料在常温抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力。

指出：以钢铁为例：常温下钢铁能与氧气及其他化学物质反应（Fe + O2 → Fe2O3）当有水存在时，将发生电化学腐蚀，腐蚀的速度将大大加快。

【讲解】腐蚀不仅使金属材料本身受到损害，给生产生活带来很大不便，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。据报道，全世界每年因金属材料腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。我国因金属材料腐蚀造成的损失占国民生产总值（GNP）的4%，钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%~30%。金属材料腐蚀还可能造成环境污染。例如，重金属制成的材料被腐蚀后重金属离子就会进入水体、土壤中，引起重金属污染。因此，采取各种措施防止金属材料的腐蚀十分必要。

【交流与讨论】在日常生活中，你所知道的金属材料防腐方法有哪些？ 【板书】金属防腐方法（教师边讲边展示实物）

覆盖法防腐 （把金属同腐蚀介质隔开来，以达到防腐目的。）

1．喷涂油漆（最常见的防腐方法,如给汽车喷漆；国家体育馆“鸟巢” 的钢结构刷6层防腐漆，可确保25年不生锈。）

2．喷塑（把塑料喷涂在零件上。目前广泛用于电器设备金属外壳的防腐。）

3．镀层（在易腐蚀的金属表面电镀（或喷镀）上一层耐腐蚀的金属镀层。如镀锌、镀铬、镀铜、镀金、镀银等。）

镀锌：自来水管、钢丝（俗称铁丝）、白铁皮都经过镀锌处理； 镀铬：普通自行车把手、自行车钢圈上的通常镀铬防腐；

4．涂油脂（当零件或工具表面需要保持光洁时，常采用上油或涂脂的方法防腐。如机床导轨、游标卡尺的防腐。）

5．发蓝处理：将除锈后零件放入氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠溶液中，在140~150℃温度下，保温60~120分钟，使零件表面生成一层以Fe3O4为主的蓝黑色的多孔氧化膜，经浸油处理后，能有效地抵抗干燥气体腐蚀。广泛用于机械零件、钟表零件和枪支的防腐。

6．搪瓷（在金属表面涂覆一层或数层瓷釉 ，通过烧成，两者发生物理化学反应而牢固结合的一种复合材料。它既有金属的强度，又有涂层的耐腐蚀、耐磨、耐热、无毒及可装饰性。）

提高金属本身的耐腐蚀性

1．在冶炼金属材料的过程中，加入一些合金元素，以增强其耐蚀能力。如不锈钢就是很有代表性的一例。

2．采用化学热处理（渗铬、渗铝、渗氮）使金属表面产生一层耐蚀性强的表面层。

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