金属学与热处理课程教学大纲

PAGEPAGE12《金属学与热处理》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称金属学与热处理课程编号01120012课程性质必修课课程类别专业核心课开课单位材料成型教研室授课学期第五学期学分/学时3.5/56课内学时56理论授课56上机学时0课内实践0实验学时0课外学时0适用专业材料成型及控制工程是否双语否先修课程大学物理、大学化学、热力学、材料成型控制基础后续课程焊接冶金学、金属焊接性、塑料成型工艺及模具设计、冲压成型工艺与模具设计、焊接工艺课程设计、毕业设计二、课程简介《金属学与热处理》是金属材料相关专业，包括冶金工程、金属材料工程、材料成形与控制工程、新能源材料与器件、焊接技术与工程以及一些机械类专业的重要专业基础课。其由金属学原理、钢的热处理二部分组成。本课程着重阐述金属与合金的化学成分、结构、组织与性能之间的内在联系以及在各种条件下的变化规律。使学生掌握金属材料科学有关的基本现象、基本概念、基本规律和基本方法，以便为学生合理的选择使用金属材料和制定热加工工艺规程、获得优质零构件打好必要的理论基础，并为从事金属与合金的研究提供理论依据和线索，并为后续专业课程学习打下基础。提升学生的学习力、思维创新能力、分析问题和解决问题能力、科研能力，引导学生树立和践行大国工匠精神。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标课程目标1（知识目标）：1.阐释金属学基本理论和基本知识，明确常见金属的晶体结构特点，掌握典型晶体结构晶面指数和晶向指数的标定，正确理解缺陷特点、形成机制及对性能影响；明确金属与合金的凝固理论，掌握合金相图的建立、分析计算及应用，了解铸锭宏观组织与缺陷。2.正确理解金属塑性变形原理，掌握冷变形金属加热时回复再结晶机制、影响因素，掌握晶粒度概念及晶粒大小影响因素，初步认知细晶强化理论。3.掌握扩散机制及影响因素，熟悉菲克定律及固态物质传输过程。4.明确热处理的基本原理及工艺，了解钢在奥氏体化过程中奥氏体形核和长大机制以及均匀化过程；熟悉并能应用过冷奥氏体的等温转变过程（TTT）和连续冷却过程（CCT）曲线；知晓钢的回火转变过程中组织以及相应性能的变化；掌握钢的热处理工艺规程：理解钢的退火、正火、淬火和回火相关的基本概念、目的，相应的工艺流程和工艺参数；熟知钢的不同热处理条件下所获得的组织特征及相应性能；认识其他热处理工艺的基本概念和工程应用。课程目标2（能力目标）：1.综合运用所学金属学知识，能够正确理解金属材料化学成分、结构、组织及性能之间的关系及其变化规律，初步具有应用光学金相分析钢铁材料组织的能力，具有根据金相组织判断钢铁材料的力学性能能力。2.运用金属材料主要的强化机理，学会金属材料强化的途径；能够用辩证的观点分析材料的强度与塑韧性之间的关系，能够提出强韧化材料的方法及方案。3.深入理解固态相变及扩散基本理论，学会用扩散的知识分析金属材料生产和使用过程的问题：金属与合金熔炼与结晶的偏析与均匀化问题、钢热处理过程的氧化和脱碳问题、钎焊及扩散焊等问题。4.熟悉钢的热处理工艺与材料性能之间的相互转化关，能灵活运用钢的等温冷却转变曲线和连续冷却转变曲线分析不同冷却条件下组织转变特点，具有根据零部件的服役条件正确的制定热处理工艺能力。课程目标3（素质目标）：1.紧跟金属材料前沿发展，在金属学与热处理基础理论的讲授中扩充专业最新研究成果及研究动向，扩宽专业视野，树立求真创新、自主学习、终身学习的意识。2.领会金属学与热处理的基本原理，在钢铁材料力学性能控制方面进行分析讨论，培养学生追求卓越的理念和献身材料科学的理想，培养学生严谨认真、勤于思考、注重实践的学习与工作态度。培养学生具有初步应对实际工况条件的应变能力、综合分析和解决问题工程能力。3.了解中国热处理发展史，解读热处理工艺对金属材料组织及性能的改善，弘扬热处理工匠的优秀事迹，培养学生对科学技术勇于探索的精神。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标11.3学习专业基础知识，掌握解决复杂材料成型及控制工程问题的基本思路和方法；1-工程知识课程目标22.1能够运用数学、自然科学和材料学科的基本原理对材料成型问题进行识别与描述；2-问题分析课程目标34.1能够基于科学原理并采用科学方法，针对材料成型及控制工程领域复杂工程问题，探讨分析解决方案。4-研究四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容第一单元金属的晶体结构（学时数：6学时）1.课程主要内容（1）金属晶体的基本概念及特点。（2）金属的晶体结构，典型晶体的结构及特征参数。（3）实际金属的晶体结构，点缺陷、线缺陷、面缺陷。2.重点和难点重点：三种常见金属晶体结构及基本性能，晶面指数、晶向指数的标定，实际金属的缺陷及其对性能影响。难点：晶面指数和晶向指数的标定，晶体缺陷特别是位错。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明金属晶体的基本概念及特点；金属的晶体结构；实际金属的晶体结构。（2）通过典型金属晶体结构及其特征参数分析，明确晶体与非晶体、单晶体与多晶体，单晶体的各向异性与多晶体的伪同性。（3）通过课堂提问及讨论，正确理解不同缺陷的特点、形成机制，辩证的分析缺陷对金属性能影响，强化知识应用意识，发展学生的自学能力和反思能力。（4）通过作业及阶段性测验，促进对所学知识的消化和巩固。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应初步认知金属的晶体结构，熟悉常用金属的晶体结构，熟练掌握体心、面心、密排六方结构晶面指数和晶向指数标定，掌握晶体与非晶体、单晶体与多晶体的结构及性能特点，明确晶体缺陷形成机理及对性能贡献。5.支撑课程目标（1）讲授金属的晶体结构基本概念及特点、实际金属缺陷等内容，从理论上阐释金属中原子堆垛方式，实际金属中的缺陷对性能影响。（知识传授）（2）以典型金属晶体结构及特征参数为主线，熟悉常用金属的晶体结构，探究实际金属中缺陷特点，培养学生正确认知金属的晶体结构对性能影响，金属缺陷对性能的影响。（能力培养）（3）深刻认识金属材料晶格结构至关重要性，它关系到该材料的力学性能、热性能以及化学性能等多方面的特性，对金属材料晶格结构进行分析具有重要意义，拓宽学生从微观看宏观的视野，拓展金属材料微观领域的分析研究，树立敬业、专注、创新的职业精神。（价值塑造）第二单元纯金属的结晶（学时数：6学时）1.课程主要内容（1）金属结晶的宏观现象及微观过程。（2）金属结晶的热力学条件及结构条件。（3）晶核的形成，温度梯度及晶核长大。（4）金属铸锭宏观组织与缺陷2.重点和难点重点：晶核的形成条件和方式，晶核长大的界面形状与晶体形态，晶粒大小控制；金属铸锭三晶区的形成及控制。难点：金属结晶的热力学及结构条件；温度梯度及晶体形态，铸锭组织控制。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明金属结晶的宏观现象和微观过程，金属结晶的热力学条件和结构条件，晶核形成及长大机理；金属铸锭宏观组织与缺陷。（2）通过案例分析和课堂讨论，阐述形核率长大机制及长大速度对晶形及晶粒大小影响，分析比较晶形和晶粒大小对金属性能影响，提升学生在课堂教学的参与度，培养辩证思维，加深对重点知识的深入理解。（3）通过作业及阶段性测验，促进对所学知识的消化和巩固。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应初步认知金属结晶的热力学条件和结构条件，理解均匀形核与非均匀形核机理，了解固液界面的微观结构及晶体长大机制，掌握影响晶体生长形态的因素，明确金属铸锭的基本组织与常见缺陷。5.支撑课程目标（1）讲授金属结晶的热力学及结构条件，晶核形成与晶核长大机理，金属铸锭宏观组织与缺陷等内容，从理论上阐释形核、长大机理对晶体形态和晶粒大小影响。正确的认识铸锭组织及缺陷控制。（知识传授）（2）熟悉细化晶粒的主要途径，并能应用结晶过程基本理论说明铸锭组织的形成过程及改变铸锭组织的方法。（能力培养）（3）以典型案例为主线，讲授工业生产中常用晶粒大小控制途径，探究影响晶粒大小因素，深刻理解通过调控微观组织提高宏观性能，引导学生树立正确的职业观、专业观，引导学生将所学知识和技能转化为内在德行和素养。（价值塑造）第三单元合金相图（学时数：18学时）1.课程主要内容（1）相平衡与相平衡图的基本概念、相律。（2）组元、相、组织、相组成物、组织组成物等基本概念。（3）二元相图的基本类型，杠杆定律，相律在相图中的应用。（4）匀晶、共晶相图、共析相图、包晶相图，形成稳定化合物相图。（5）典型二元合金相图Fe-C相图分析及应用。（6）三元相图的表示方法，三元系平衡相的定量法则，三元匀晶相图和简单三元共晶相图。2.重点和难点重点：铁碳合金组元、基本相及基本组织，Fe-C合金状态图；三元共晶相图。难点：含碳量对铁碳合金组织和性能影响，杠杆定律在铁碳合金相图中应用。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明组元、相与组织之间的内在联系，熟悉匀晶、共晶相图、共析相图、包晶相图，形成稳定化合物相图特点，牢固地掌握铁碳相图，掌握其点、线、区的物理意义；三元相图的表示方法，三元系平衡相的定量法则，三元匀晶相图和简单三元共晶相图。（2）通过铁碳相图案例分析，阐述铁碳合金的基本相和组织，分析不同成分的铁碳合金平衡结晶过程，建立合金成分—组织—性能—用途之间的关系，促进学生对知识的整合。（3）通过课堂提问及讨论，分析含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响，探究钢中杂质元素对性能影响，了解钢锭的宏观组织及其缺陷，提升学生在课堂教学的参与度，培养辩证思维，加深对重点知识的深入理解。（4）通过作业及阶段性测验，促进对所学知识的消化和巩固。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应初步认知匀晶、共晶相图、共析相图、包晶相图，形成稳定化合物相图特点，会分析典型合金的结晶过程，熟知相图与性能的关系，能默绘Fe—Fe3C相图，掌握其点、线、区的物理意义，会分析铁碳合金缓冷过程中的组织变化，能应用杠杆定律计算合金的组织组成物和相组成物的相对量；熟悉三元相图的表示方法，三元系平衡相的定量法则，三元匀晶相图和简单三元共晶相图。5.支撑课程目标（1）讲授相律、组元、相、组织、相组成物、组织组成物等基本概念，明确匀晶、共晶相图、共析相图、包晶相图，形成稳定化合物相图特点，初步认知典型合金的结晶过程，阐释铁碳合金的基本相和组织，分析不同成分的铁碳合金平衡结晶过程，建立合金成分—组织—性能—用途之间的关系，明确杠杆定律在组织组成物和相组成物计算中应用，熟悉元相图的表示方法，三元系平衡相的定量法则，三元匀晶相图和简单三元共晶相图，使学生理解到结晶相变过程中蕴藏着从量变到质变的经典哲学思想。（知识传授）（2）通过铁碳合金相图分析，简单三元共晶相图分析，初步具有组织辨析的能力，培养学生利用相图分析组织演变过程的能力，探知通过调控组织改善材料性能的能力，树立自主学习、思维创新能力。（能力培养）（3）根据成分-相-组织-性能之间的关系探讨，树立“事物间相互关联”的哲学思想，提升学生在钢铁制造和应用方面的社会责任感和专业兴趣。（价值塑造）第四单元金属的塑性变形和再结晶（学时数：10学时）1.课程主要内容（1）塑性变形的宏观变形规律与微观机制。（2）加工硬化本质及实际意义，塑性变形对金属与合金组织、性能影响，金属材料强化机制。（3）变形金属在退火中回复、再结晶过程。（4）影响再结晶的因素，再结晶晶粒大小及控制，热加工与冷加工。2.重点和难点重点：塑性变形理论，再结晶的实质及其影响因素，再结晶晶粒大小及控制。难点：塑性变形对金属组织和性能影响，变形金属在退火过程中回复、再结晶及晶粒长大过程中组织与性能变化。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明单晶体的塑性变形机理、多晶体的塑性变形的特点，塑性变形对金属组织及性能的影响，探究金属强化机理；探索变形金属在加热过程中微观组织转变的基本规律及对性能影响，明确热加工与冷加工概念，加强对基础理论知识的理解。（2）通过典型案例分析金属发生塑性变形的主要方式，分析塑性变形后金属组织与性能之间变化规律，以及变形金属在加热过程中组织和性能变化特点，明确加工硬化的概念及实际应用，初步认知热加工工艺过程中控扎控冷意义及最近进展。（3）通过课堂提问及讨论，熟悉金属材料常用的强化途径，分析比较不同强化理论的优缺点，提升学生在课堂教学的参与度，培养辩证思维，加深对重点知识的深入理解。（4）通过阶段性测验，促进对所学知识的消化和巩固。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应了解金属塑性变形的微观机制，掌握塑性变形对金属或合金组织及性能的影响，认知加工硬化本质及实际意义，熟悉金属材料的强化机制，掌握再结晶实质及影响因素，再结晶晶粒大小的控制，明确热加工与冷加工概念。5.支撑课程目标（1）讲授金属塑性变形的微观机制，阐明金属或合金的塑性变形对组织及性能影响，理解加工硬化本质及材料强化机制，明确再结晶的实质及再结晶晶粒大小控制，理解热加工与冷加工的概念，加强对该单元理论知识的理解。（知识传授）（2）讲授塑性变形物理实质和宏观规律，培养学生分析金属塑性加工中塑性行为的能力；理解材料强化机制，培养学生用辩证的观点认知材料强化过程；通过对再结晶晶粒大小控制的理解，学生应明确细化晶粒的方法。（能力培养）（3）通过案例教学法，引导学生理论与实践相结合，社会责任感，树立工匠精神和工程师素养；引导学生提高自身抗压能力。（价值塑造）第五单元扩散（学时数：4学时）1.课程主要内容（1）扩散机制、扩散分类以及扩散条件，扩散第一定律、第二定律表达式及意义。（2）影响扩散的因素。2.重点和难点重点：菲克第一定律、菲克第二定律。难点：影响扩散的因素。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明扩散的本质、扩散机制、固态金属扩散条件及分类；理解菲克第一定律、菲克第二定律，加强对该单元基础知识的理解。（2）通过分析铸锭的均匀化退火、金属的粘结等案例，探知扩散在实际生产中的应用，强调理论与实践相结合，促进学生知识整合，培养学生的反思能力。（3）通过课堂提问及讨论，分析影响扩散的因素，探讨晶体结构、晶体缺陷、化学成分等因素对扩散影响，强化知识应用意识，发展学生的自学能力和反思能力。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后能够用扩散的机理分析铸锭均匀化退火过程、钎焊过程等例子，能够分析影响扩散的因素。5.支撑课程目标（1）讲授扩散机制、分类及条件，阐释菲克第一定律、菲克第二定律表达式，明确影响扩散的因素，加强对该单元理论知识理解。（知识传授）（2）讲授实际生产过程扩散过程，培养学生用扩散的知识理解铸锭均匀化退火过程、钎焊过程、扩散焊等过程，加深理论联系实际的认识。（能力培养）（3）通过对扩散机制的理解，揭示了物质世界的平衡性、相互联系和影响，帮助我们更好地认识自然界和人类社会的规律，为我们的生活和科学研究提供更多的启示和指导。（价值塑造）第六单元热处理原理及工艺（学时数：12学时）1.课程主要内容（1）热处理基本概念，固态相变的特点及类型，共析钢的奥氏体化过程及影响因素，晶粒度概念，奥氏体晶粒大小控制。（2）过冷奥氏体的等温冷却转变曲线、连续冷却转变曲线，珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变、回火脆性。（3）钢的退火、正火工艺及应用，钢的淬火工艺，钢的回火工艺、钢的其他热处理。（4）钢的淬透性和脆硬性概念、影响因素及实际意义。2.重点和难点重点：钢在加热时转变、钢在冷却时转变、钢的回火转变，钢的退火、正火、淬火和回火。难点：珠光体、贝氏体、马氏体转变、钢的渗碳和渗氮，钢的热处理工艺选择。3.教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明热处理基本概念，固态相变的特点及类型，共析钢在加热过程转变和冷却过程转变，熟悉钢的退火、正火、淬火及回火工艺特点，理解钢的脆硬性及淬透性概念，加强对该单元基础知识的理解。（2）通过案例-共析钢过冷奥氏体的等温冷却转变曲线、连续冷却转变曲线分析，探知过冷奥氏体在不同冷却条件组织转变特点，强调理论与实践相结合，促进学生知识整合，培养学生的反思能力。（3）通过课堂提问及讨论，分析珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变过程，明确退火、正火、淬火、回火热处理工艺选择原则，强化知识应用意识，发展学生的自学能力和反思能力。（4）专项讨论典型零件热处理过程，学生在课外查找、阅读钢铁热处理工艺及相关微观组织演变的特定案例研究论文，找出试验对象、热处理工艺、微观组织演变、性能特点等内容，分析化学成分-微观组织-力学性能的控制关系。（5）通过设置热处理课程设计加深学生对热力原理、工艺和设备的认识，促进学生理论联系实际过程。4.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后能够明确珠光体、贝氏体、马氏体以及回火转变组织的特点及性能，能够运用曲等温转变曲线和连续冷却曲线确定过冷奥氏体转变的组织和性能特征，能够掌握常用的热处理工艺及热处理工艺的选用。5.支撑课程目标（1）讲授热处理基本概念，固态相变的特点及类型，理解钢在加热和冷却时的转变，钢在回火时候转变，熟悉常用的热处理工艺，加强对该单元理论知识理解。（知识传授）（2）讲授共析钢等温冷却转变曲线、连续冷却转变曲线，培养学生用运用“TTT”和“CCT”曲线分析过冷奥氏体转变产物的组织和性能，通过对退火、正火、淬火和回火及其他热处理工艺的认知，培养学生根据零件的服役条件选择热处理工艺能力，加深理论联系实际的认识，培养学生思维创新能力、团队合作意识。（能力培养）（3）分享热处理原理及工艺相关的最新研究文献，结合我国大型设备用钢现状以及取得的国家重大应用等，引入爱国精神、工匠精神思政教学内容，引导同学们继承和发扬老一代科学家艰苦奋斗、科学报国的优秀品质，坚持国家利益和人民利益至上，以支撑服务社会主义现代化强国建设为己任。（价值塑造）（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑理论课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例第一单元金属的晶体结构讲授法、案例分析、课堂讨论、阶段性测验课程目标1、2、361:1第二单元纯金属的结晶讲授法、案例分析、课堂讨论、阶段性测验课程目标1、2、361:1第三单元合金相图讲授法、案例分析、课堂讨论、阶段性测验课程目标1、2、3181:1第四单元金属的塑性变形和再结晶讲授法、案例分析、课堂讨论、阶段性测验课程目标1、2、3101:1第五单元扩散讲授法、案例分析、课堂讨论、阶段性测验课程目标1、2、341:1第六单元钢的热处理原理与工艺讲授法、案例分析、课内外专项讨论、阶段性测验课程目标1、2、3121:1合计56112五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩50%作业（百分制）40本门课程4~6次作业，主要考核金属的晶体结构、纯金属的结晶、合金的结晶、金属塑性变形及再结晶、扩散、钢的热处理，作业评分的具体标准（提交时间、作业正确率等）目标分值=0.4*作业平均成绩测验（百分制）40每个单元结束后安排一次阶段性测验，考核学生对该单元重点知识的掌握情况，评价细则目标分值=0.4*阶段性测验总评成绩课堂表现（百分制）10出勤、课堂提问、课堂讨论等及评价细则目标分值=0.1*成绩线上讨论（百分制）10针对材料的强化机理讨论钢的强化途径，评价细则根据讨论结果及正确率确定最终成绩目标分值=0.1*成绩期末考试50%知识40考核内容覆盖第一单元~第六单元的专业基础知识，知识的综合应用能力，分析问题解决问题能力。考试题型：分为六大题型，填空、判断、选择、概念、简答题、综合题。评价细则：试卷相应的参考答案及评分标准，依据卷面实际分数计入成绩。能力40综合应用20（二）课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标第一单元金属的晶体结构1.1金属的晶体结构金属的晶体结构，典型晶体的结构及特征参数1.2晶面指数和晶向指数标定；1.3.实际金属的晶体结构；1.4.金属的各向异性及多晶型性；课堂表现，作业、阶段性测验、期末考试课程目标1、2、3第二单元纯金属的结晶2.1金属结晶宏观现象及微观过程2.2金属结晶的热力学条件及结构条件2.3晶核的形成及长大2.4铸锭宏观组织及缺陷作业，课堂表现，阶段性测验，期末考试课程目标1、2、3第三单元合