《机械基础（第2版）》 第2课 工程材料基础知识

课题机械工程材料（一）——工程材料基础知识课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握工程材料的分类（2）掌握金属材料的力学性能和工艺性能（3）了解非金属材料的性能及应用思政育人目标：（1）提高分析问题、解决问题的科学思维能力（2）培养投身制造强国、专注技能成才的职业追求教学重难点教学重点：工程材料的分类，金属材料的力学性能和工艺性能，非金属材料的性能及应用教学难点：根据工作条件分析零件材料所需具备的性能教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→→传授新知（35min）→课堂小结（3min）第2节课：传授新知（25min）→任务实施（15min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生自由分组，每5～6人1组，并选出1名小组长，然后下载“任务工单1.1”，并根据任务工单进行组内分工。同时，提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件预习本节课知识，了解工程材料的分类、性能及应用，并思考以下问题：（1）工程材料分为哪几类？请分别举例。（2）金属材料的力学性和工艺性能有哪些？简要说明各种力学性能的含义及评价指标。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】提出以下问题：什么是工程材料？举出身边某制品或零件，说出是什么材料制造的？【学生】思考、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣

传授新知

（35min）工程材料概述【教师】新知讲解1．工程材料的分类工程材料根据化学成分分为以下类型。类型典型材料名称金属

材料钢铁材料铸铁、碳素钢、合金钢非铁金属材料轻非铁金属、重非铁金属、稀有金属及稀土非金属材料无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料高分子材料塑料、橡胶、合成纤维、胶黏剂、涂料复合材料纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层叠复合材料【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答1、同学们在平时生活中看到过哪些金属（纯金属）？2、金属与非金属比较有哪些特点？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】总结学生回答1.金属：如铁、铜、铝、金、银等等。2.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。2．工程材料在机械中的应用优质的机械产品是正确的工程材料、精巧的设计及合理的加工工艺三者结合的产物。机械的各个零件都是由工程材料制造的，工程材料的性能不但决定了机械的质量和使用寿命，还直接影响机械制造的生产成本，如材料采购成本、机械加工成本等。在众多工程材料中，金属材料来源丰富、性能优良，并且可通过不同的成分配制、采用不同的加工工艺改变组织和性能，在机械工程中应用最为广泛。【学生】聆听、思考、理解金属材料的性能【课堂互动】✈【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答1、塑料的应用很广，但为什么不用塑料来代替金属做重要的齿轮呢？2、而有些地方却可以用塑料来代替齿轮，如家用电器中的组合音响、DVD影碟机的转盘，随身听的传动都是塑料齿轮。这是什么道理？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】根据学生的回答引入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个方面。使用性能：金属材料在使用过程中表现出来的性质和特点，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：金属材料被制造成为产品的难易程度，主要包括铸造性、压力加工性、焊接性和切削加工性等。【教师】新知讲解1．金属材料的力学性能金属材料的力学性能：指金属材料在各种不同性质外力作用下所表现出的抵抗能力。金属材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。根据作用性质的不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷三类。【课堂互动】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“金属材料的强度”，观看微课视频，学习金属材料的力学性能—强度✈【学生】观看、思考1）强度（1）强度与变形的概念强度：金属材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。金属材料拉伸断裂前能够承受的最大拉应力称为抗拉强度；金属材料抵抗压缩载荷而不失效的最大压应力称为抗压强度。变形：金属材料在载荷作用下形状和尺寸的改变。载荷撤去后变形消失，弹性变形。载荷撤去后变形将保持不变，塑性变形又称为永久变形【课堂互动】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“拉伸实验”，观看微课视频，学习拉伸实验知识✈【学生】观看、思考（2）拉伸实验如图所示为圆形横截面试样，其中，表示原始标距，表示圆形横截面试样平行长度的原始直径，表示断后标距，表示圆形横截面试样断裂后缩颈处的最小直径。（b）拉伸前（b）拉伸后低碳钢材料拉伸试样的拉伸曲线如图所示。低碳钢材料拉伸试样的拉伸过程可分为四个阶段阶段曲线特征力学性能OE段：弹性变形阶段直线试样长度随着轴向拉力的增大而增大，撤去外力后，试样变形消失，恢复原长ES段：屈服阶段上下波动轴向拉力增加至时试样将发生塑性变形。当轴向拉力达到时，在拉力不增加甚至略有减小的情况下，试样还将继续伸长，这种现象称为屈服SB段：强化阶段非线性增大需要不断地增加轴向拉力，试样才能继续伸长。随着塑性变形的增大，试样抵抗变形的内力也逐渐增大，这种现象称为冷变形强化。为整个拉伸过程中的最大轴向拉力BZ段：缩颈阶段加速下降轴向拉力达到最大值后，试样中间某处的直径会发生局部收缩，称为缩颈。由于缩颈处的横截面积急剧缩小，因此单位面积上的拉力大大增加，最后到点试样被拉断（3）强度指标在拉伸试验中，试样断裂前处于受力平衡状态，内力与外力大小相等，此时试样横截面上的拉应力为（1-1）式中：——横截面上的拉应力，单位为；——试样所受轴向拉力，单位为；

——试样的横截面积，单位为。工程中常用的强度指标有抗拉强度和屈服强度。其中，抗拉强度是最大轴向拉力对应的拉应力，即（为试样原始横截面面积）；屈服强度为试样发生屈服时的拉应力，即。【点拨】对于铸铁、高碳钢等金属材料的拉伸试样，由于它们在拉伸过程中没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，因此很难确定的准确数值。对于这类金属材料，通常规定一个相当于屈服强度的强度指标，即以拉伸试样伸长量为试样原始标距0.2%时的拉应力作为其屈服强度，用符号表示。2）塑性（1）塑性的概念塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。如汽车的车身和车门，生活中常用的不锈钢盆和不锈钢水槽等。（2）塑性指标金属材料的塑性可用断后伸长率和断面收缩率来衡量。两者都可通过拉伸试验进行测算。断后伸长率是指拉伸试样拉断后，拉伸试样的伸长量与原始标距之比的百分率，用符号表示，其计算公式为（1-2）断面收缩率是指拉伸试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率，用符号表示，其计算公式为（1-3）金属材料的断后伸长率和断面收缩率越大，表示该金属材料的塑性越好，适宜用轧制、锻造等使工件或毛坯产生塑性变形的加工方法进行加工。【点拨】工程上通常将在常温、静载条件下测定的断后伸长率的金属材料称为塑性金属材料，如低碳钢、铜合金和铝合金等；将断后伸长率的金属材料称为脆性金属材料，如灰铸铁、陶瓷、玻璃等。【课堂互动】✈【教师】观察与思考，提问1．低碳钢拉伸试验时，发生屈服现象和加工硬化的载荷有什么不同？2．低碳钢制造的机械零件在实际使用中发生屈服现象有什么危害？✈【学生】观察、思考、回答3）硬度定义：指金属材料抵抗外部硬物压入或刻划的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标，硬度越高，金属材料表面越不容易产生压痕或划痕。常用的硬度试验方法：布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测定的硬度分别称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。金属材料这三种硬度试验方法的原理、测定方法和应用范围（详见教材表1-4）。【课堂互动】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“一次摆锤冲击试验”，观看微课视频，学习韧性知识✈【学生】观看、思考4）韧性韧性是指金属材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，金属材料的抗冲击能力越强，发生断裂的可能性越小。试验原理：试样被冲击过程中吸收的能量即冲击吸收功（AK）等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验原理图如下图所示（a）试样（b）摆锤冲击示意图【课堂互动】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“高铁车轴材料疲劳性能的测量”，观看微课视频，学习疲劳强度知识✈【学生】观看、思考5）疲劳强度疲劳强度是指金属材料承受无限次交变载荷的作用而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用而不发生疲劳破坏的能力。通常规定，钢在经受次、非铁金属材料经受次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。【学生】聆听、思考、理解【知识链接】疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一。由于前期不易察觉，具有较强的突发性，因此疲劳破坏容易造成很严重的后果。例如，1985年8月，执飞日本航空123号航班的波音747飞机发生空难，造成超过500人遇难，这是世界航空史上最严重的空难之一。事后调查发现，该飞机曾在失事7年前发生机尾擦地，飞机制造商波音公司在对飞机修理时没有妥善修补损伤区块。这导致事发时飞机尾端机体因金属疲劳而爆开，连带损毁尾翼与液压系统，最终飞机失控，迫降不及而坠毁。通过教师讲解、课堂互动、举例分析等教学方式，帮助学生掌握工程材料的分类和金属材料的力学性能课堂小结

（3min）【教师】简要总结本节课的要点本节课主要学习了工程材料的分类、金属材料的力学性能等内容。希望同学们能够通过本节课的学习，为学习后续知识和工程实践建立必要的基础。【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固学生对工程材料分类、金属材料力学性能的学习。第二节课

传授新知

（25min）【课堂互动】✈【教师】为什么说金属材料仅有良好的力学性能是不够的，还必须有良好的工艺性能？才能得到生产工艺简单、质量良好、成本低廉的工件？✈【学生】聆听、思考、讨论、回答✈【教师】根据学生的回答总结我们可通过举一些例子来说明这个问题。例如：有色金属（如青铜）铸造性很好，常用来铸造精美的工艺品；再如铸铁的铸造性能要比钢好，因此常用铸造的方法生产零件；但是钢的锻造性能很好，可以用锻造的工艺方法生产出力学性能较高的机械零件，而铸铁则不能锻造。【教师】新知讲解2．金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力，它反映了金属材料的加工难易程度。金属材料的工艺性能主要包括铸造性、压力加工性、焊接性和切削加工性等。工艺性能直接影响零件的加工质量及加工成本，是选择零件材料时必须考虑的因素。1）铸造性铸造是指将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得具有一定尺寸、形状和力学性能的铸件的材料成形方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力称为金属材料的铸造性，它反映了金属材料熔化浇注成为铸件的难易程度。灰铸铁因具有良好的铸造性而广泛用于铸造各种结构复杂、尺寸较大的制品和零件，如暖气片、钢管、管接头、车床底座等，如图所示。（a）暖气片（b）钢管（c）管接头（d）车床底座2）压力加工性压力加工是指使金属材料在外力作用下产生塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的制品或零件的加工方法。常用的压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等，如图1-8所示。（a）轧制（b）挤压（c）冷拔（d）锻造（e）冷冲压金属材料在压力加工过程中成形的难易程度称为金属材料的压力加工性，它主要与金属材料的塑性有关。塑性越好，金属材料的压力加工性就越好。3）焊接性金属材料在焊接过程中获得优质焊接接头（包括焊缝、熔合区和热影响区）的能力称为焊接性，又称可焊性。焊接性好的金属材料，焊接接头不容易产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷，而且具有较好的力学性能。4）切削加工性切削加工性是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量和切削工作时间等。金属材料的切削加工性主要受金属材料的化学成分、组织、硬度、塑性、韧性和导热性等的影响。【学生】聆听、思考、理解【课堂互动】✈【教师】提出以下问题1．什么是铸造性能？主要取决于什么？2．什么是压力加工性能？常用什么来衡量？3．什么是焊接性能？4．什么是切削加工性能？常用什么来衡量？✈【学生】聆听、思考、回答非金属材料的性能及应用【教师】新知讲解除金属材料之外的各种材料统称为非金属材料。【课堂互动】✈【教师】提问：同学们都知道哪些陶瓷类物品，根据日常生活经验分析陶瓷的特点？✈【学生】聆听、思考、回答1．陶瓷在机械工程中，陶瓷是最常用的无机非金属材料。陶瓷除了应用于传统的生活制品外，还广泛用于制造各种机械零部件和机械工程制品等，如图所示。（a）陶瓷砂轮（b）陶瓷轴承（c）陶瓷刹车片（d）管道1）陶瓷的分类根据原材料的不同，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷。其中普通陶瓷可根据应用范围的不同，可分为日用陶瓷、绝缘陶瓷和化工陶瓷等。2）陶瓷的性能及应用陶瓷普遍具有硬度高、耐磨性好、抗压强度大、耐高温、耐腐蚀及不易老化等优点，但其脆性大，韧性较差，耐冲击能力低。常用陶瓷的性能和应用范围（如下表）。类别名称性能特点应用范围普通

陶瓷日用陶瓷

绝缘陶瓷

化工陶瓷硬度高、耐高温（1200℃）、耐蚀性和绝缘性好、易于加工成形、成本低，但强度较低广泛应用于化工、电气、建筑、日用品等行业，如化学反应容器、绝缘子、瓷砖和瓷碗等特种

陶瓷氧化铝陶瓷

（刚玉瓷、莫来瓷等）强度比普通陶瓷高2～3倍，刚度仅次于金刚石、氮化硼、立方氮化硼和碳化硅，能耐高温（在1500℃时仍可工作），耐蚀性和绝缘性好；但脆性大，抗温变能力差用于制造高温容器、盛装高温液态金属的坩埚、热电偶的绝缘套管、内燃机火花塞和高硬度刀具等氮化硅陶瓷化学稳定性好，能耐除氢氟酸外的各种无机酸，硬度高、耐磨性很好，电绝缘性和抗急冷急热性良好用于制造耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘的零部件，如密封环、高温轴承、阀门和燃气轮机叶片等氮化硼陶瓷耐热性和抗温变能力好，导热性和热稳定性好，高温绝缘性和化学稳定性较好用于制造磨料、刀具、高温轴承和玻璃制品成形模具等特种

陶瓷碳化硅陶瓷高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍保持在500～600MPa，热传导能力极高，仅次于氧化铍，热稳定性、耐蚀性、耐磨性良好用于制造工作温度高于1

500℃的结构件，如火箭尾部喷管的喷嘴、热电偶绝缘套管和炉管等，还可用于制造高温轴承和高温热交换器等2．高分子材料高分子材料是以高分子化合物（一般指相对分子质量大于5

000的化合物）为主要成分的材料，通常包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料等。1）塑料（1）重量轻。（2）比强度高。（3）耐蚀性好。（4）绝缘性好。（5）导热系数小。（6）成形性、着色性好，且加工简单。但是大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，尺寸稳定性差，使用过程中容易变形和老化。【知识链接】塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。其中，热塑性塑料是指加热时变软，冷却后变硬，再加热又可变软，反复加热成形后仍保持基本性能不变的塑料，常用于制造汽车进气管、运动器材的手柄握把和耳机线外皮等；热固性塑料是指加热时软化，冷却后坚硬，待固化后再加热，则不再软化或熔融的塑料，即不能重塑使用，常用于制造汽车内饰件、各种按钮和印制电路板等。2）橡胶胶具有极高的弹性；同时具有耐磨性、隔声性、绝缘性好，吸振能力强，有一定的耐蚀性和强度等优点。橡胶的主要缺点是容易老化，老化后橡胶会丧失弹性、变硬、变脆、发黏甚至龟裂。使用或存放周期过长，光照、高温等因素均会加快橡胶的老化。橡胶制品在工业生产中应用十分广泛，通常用于制造车辆轮胎、传动带、密封圈和绝缘手套等。【学生】聆听、思考、理解【课堂互动】✈【教师】要求学生通过“文旌课堂”APP扫描二维码“复合材料在飞机结构上的应用”，观看微课视频，学习复合材料知识✈【学生】聆听、思考、【教师】新知讲解3．复合材料1）复合材料的分类根据组成成分的不同，复合材料可分为金属与金属复合材料（如金属轴承合金等）、金属与非金属复合材料（如金属陶瓷等）、非金属与非金属复合材料（如纤维-树脂复合材料等）。根据复合形式的不同，复合材料可分为纤维增强复合材料（如纤维增强塑料和纤维增强金属等）、夹层复合材料（实心夹层和蜂窝夹层两种）、细粒复合材料（弥散强化合金和金属陶瓷等）、混杂复合材料等。2）复合材料的性能及应用特点：（1）比强度与比模量高。（2）抗疲劳性好。（3）耐高温性好。（4）减振性好。良好的化学稳定性、耐蚀性和工艺性等应用：机械工程中使用最广泛的复合材料是纤维增强塑料。常用纤维增强塑料的组成、性能和应用范围如下表所示。名称组成性能应用范围玻璃纤维增强塑料

（又名玻璃钢）热塑性玻璃钢由体积分数为20%～40%的玻璃纤维与体积分数为60%～80%的热塑性树脂组成强度高，冲击韧性好，低温性能好，热胀系数低用于制造仪表盘、电机及电器的壳体等热固性玻璃钢由体积分数为60%～70%的玻璃纤维与体积分数为30%～40%的热固性树脂组成密度小，强度高，比强度超过一般的高强度钢，耐蚀性、热绝缘性好，但弹性模量低用于制造自重轻的结构件和要求无磁性、绝缘及耐腐蚀的零部件碳纤维增强塑料由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成密度小，强度、比强度和比模量高，抗疲劳性、耐热性、耐蚀性、减摩性、耐磨性、自润滑性好，尺寸稳定性高用于制造人造卫星、火箭的机架、壳体等硼纤维增强塑料由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成比强度和比模量高，耐热性良好用于航天和航空工程中要求高刚度的结构件，