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《工程材料及成型技术》课程案例式教学一、课程简介《工程材料及成型技术》是一门工程类必修课程，主要涵盖金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料等方面的知识，通过学习和实验，了解工程材料的性质、结构和应用，学习成型技术的基本原理和方法，掌握各种成型工艺的优缺点及选择方法。
二、课程目标1.学习金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料等工程材料的基本性质、结构以及应用。
2.熟悉常见的制备工艺及其原理，例如液相法、气相法、固相法等，并了解其优缺点及适用领域。
3.掌握各种材料的加工、成型工艺的基本原理和方法，例如挤出、压缩成型、注射成型等，并了解其应用领域。
4.通过案例分析，学习材料和成型工艺在实际工程中的应用。
三、案例分析1.汽车车身结构材料选择某汽车厂生产一种小型轿车，需要选择车身结构材料。
根据车身结构的要求，材料需满足以下条件：(1)具有较高的强度和刚度，以保证车身的整体刚性；(3)具有较低的密度，以减轻车身自重，提高燃油经济性。
需根据这些要求，选择最合适的材料。
分析：根据要求，选择轻量化高强度钢材料。
轻量化高强度钢材料可以提高车身整体刚性，同时由于具有较低的密度，可以减轻车身重量。
此外，高强度钢材料的抗腐蚀性也比较好，可以满足车身的寿命要求。
2.注塑成型参数的优化某电子厂需要生产一种塑料零件，需要使用注塑成型工艺。
根据经验，选取了一组常规参数进行注塑成型，但是在生产过程中发现产品存在短射、缺陷等问题，需要对注塑参数进行优化。
首先，需要分析问题的原因。
短射、缺陷等问题一般是由于注塑成型时塑料流动不畅造成的。
因此，需要进行模具设计的优化，包括增加冷却水道、调整流道设计等。
其次，可以从注塑参数入手，例如调整注塑温度、压力、注塑时间等参数。
此外，也可以考虑采用一些添加剂改善塑料流动性能，例如界面活性剂、内润滑剂等。
四、案例教学的优势通过案例教学，可以帮助学生将课程中的理论知识应用到实际工程中，更好地理解课程内容。
工程材料及成形技术基础课程引言工程材料及成形技术基础课程是工程相关专业的一门基础课程，旨在介绍工程材料的基本概念、特性及其在工程中的应用，以及常见的成形技术。
本文将从以下几个方面进行介绍：工程材料的分类、材料力学性能、材料的常见加工工艺等。
一、工程材料的分类1. 金属材料金属材料是工程中最常用的材料之一。
金属材料具有良好的导电、导热性能，较高的强度和硬度以及良好的可塑性和可加工性等特点。
金属材料可分为铁基材料、非铁金属和合金等。
•铁基材料：包括钢、铸铁等，广泛应用于工程结构、机械制造、汽车制造等领域。
•非铁金属：如铝、铜、镁等，常用于电子器件、航空航天等领域。
•合金：由两种或更多种金属元素混合而成，常用于制造具有特定性能要求的零部件。
2. 非金属材料非金属材料广泛应用于建筑、电子、光电等领域，常见的非金属材料包括聚合物、复合材料和陶瓷等。
•聚合物：如塑料、橡胶等，具有良好的绝缘性、耐腐蚀性和可塑性等特点，广泛应用于包装、家电、汽车等领域。
•复合材料：由两种或多种不同材料的组合而成，具有优异的综合性能，如碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
•陶瓷：具有高温稳定性、强度和硬度较高的特点，常用于耐火材料、电子陶瓷等领域。
3. 半导体材料半导体材料具有介于导体与绝缘体之间的电导特性，是电子器件制造中的重要材料。
常见的半导体材料有硅、锗等，广泛应用于集成电路、光电器件等领域。
二、材料力学性能1. 强度和硬度强度是材料抵抗外力作用下变形和破坏的能力，通常用抗拉强度、屈服强度等指标来衡量。
硬度是材料抵抗外部压力而发生塑性变形的难易程度，通常用洛氏硬度、维氏硬度等进行表征。
2. 韧性和脆性韧性是材料抵抗外力作用下断裂的能力，通常用断裂韧性来衡量。
脆性是材料在受到外力作用下迅速发生断裂的性质。
3. 延展性和可塑性延展性是材料在拉伸过程中发生塑性变形的能力，即材料的伸长率。
可塑性是材料经过加工而改变形状的能力，通常用冷、热加工性能来衡量。
工程材料及成型技术课程（Engineering Material and Processing）（36学时，工业工程专业适用）一、简要说明《工程材料及成型技术》是工业工程专业的必修课，36学时，2学分。
二、课程的性质，地位和任务《工程材料及成型技术》是研究工程材料及其成形技术的综合性课程，是机械类、工业工程专业必修的技术基础课。
本课程包括工程材料及其选择、材料成形技术及其选择两大部分，使学生通过本课程的学习，达到以下目的：1．获得工程材料性能及其改性和成型工艺的基本知识；2．掌握工程材料及其主要成形方法的基本原理和工艺特点，具有合理选择零件材料，零件、毛坯成形方法以及工艺分析的初步能力；3．具有应用工艺知识考虑零件结构设计工艺性的初步能力；4．了解现代材料及其成形的新技术和发展方向。
为其它相关课程的学习和将来从事机械制造工作奠定基础。
三、教学基本要求和方法本课程是一门密切联系工业生产实践的综合性技术基础课，课堂教学之前应具有一定的生产实践知识，因此学习本课程之前或在学习过程中应到机械制造厂进行一次多工种的金工实习，对于主要工种（如铸造、锻压、焊接、热处理、切削加工等）的基本操作应作全面了解和动手实践，以获得零件加工的感性知识。
在学习本课程之前，应先修完工程图学，工程力学，并完成金工实习，可与机械加工技术、机械原理、互换性原理等课程并行开课。
四、授课教材与主要参考书教材：材料及热加工，陈培里等，高等教育出版社，2006.8参考书：1．工程材料及成型技术基础，吕广庶，张远明主编，高教出版社，2001.82．热加工工艺基础张万昌主编，清华大学出版社，3．材料科学与工程导论王高潮主编，机械工业出版社，20064．机械工程材料，沈莲主编，机械工业出版社，2003。
四、学分和学时分配《工程材料及热处理》36学时，2学分，学时分配如下表。
五、教学内容及学时分配（一）理论教学(30学时）绪论（1学时）1．目的要求：使学生对材料科学、材料及机械零件的成型技术的发展概况、材料及成型技术与工业工程专业的关系、以及《材料及成型技术》的课程特点及学习方法有总的了解。
一、二元相图的建立合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析，相图是用来表示合金系中各金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。
多数情况下组元是指组成合金的元素。
但对于既不发生分解、又不发生任何反应的合物也可看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为α固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区(L+ α）。
（3) 枝晶偏析合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体.但实际冷速较快,结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素，如Cu-Ni合金中的Cu）。
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。
与冷速有关而且与液固相线的间距有关.冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温,以使原子充分扩散、成分均匀,消除枝晶偏析,这种热处理工艺称作扩散退火.2、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。
以Pb-Sn 相图为例进行分析.（1) 相图分析①相：相图中有L、α、β三种相,α是溶质Sn在Pb中的固溶体,β是溶质Pb在Sn中的固溶体。
②相区：相图中有三个单相区：L、α、β；三个两相区：L+α、L+β、α+ β。
③液固相线:液相线AEB，固相线ACEDB。
A、B分别为Pb、Sn的熔点。
④固溶线: 溶解度点的连线称固溶线.相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。
固溶体的溶解度随温度降低而下降。
课程名称：工程材料及成形技术基础总学时： 64/48学时 (理论学时56/40)适用专业：机械设计制造及其自动化、机械电子工程/汽车服务工程一、课程的性质与任务《工程材料及成型技术基础》是研究机械零件的材料、性能及成形方法的综合性课程，是高等工科师范院校机械工程专业必修的专业基础课，其内容包括工程材料和成形技术基础两部分。
本课程是在修完高等数学、大学物理（含实验）和机械制图等课程的基础上开设的。
其任务是使学生掌握工程材料及成形技术的基本知识，为后继学习机械设计、模具制造工艺、先进制造技术和毕业设计等课程，培养专业核心能力；为今后从事职业学校机械类专业相关课程的教学，奠定必要的专业基础。
本课程教学开设了实验教学。
通过实验教学，在巩固和验证课程的基本理论知识的同时，拓展学生的创新思维，着重培养学生实践动手能力和创新能力。
二、课程教学基本要求1、获得有关材料学的基本理论与工程材料的一般知识，掌握常用工程材料的成分、热加工工艺与组织、性能及应用之间的相互关系，熟悉常用工程材料的种类、牌号与特点，使学生具备合理选用工程材料、热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的基本能力。
2、初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理与工艺特点，获得具有初步选择常用工程材料、成形方法的能力和进行工艺分析的能力。
3、具有综合运用工艺知识，初步分析零件结构工艺性的能力。
4、初步了解新材料、新技术、新工艺的特点和应用。
四、本课程的教学内容绪论一、材料科学的发展与地位：材料科学的发展通常是和人类文明联系在一起的。
古代文明：人类的发展史上，最先使用的工具是石器；新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)烧制成陶器；东汉时期发明了瓷器；到了西汉时期, 炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。
在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。
炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。
可见当年生产规模之壮观。
《工程材料与成型技术》学习包目录课程的任务和学习方法 (2)1.金属材料的性能 (1)习题 (2)2.金属与合金的晶体结构与结晶 (3)习题 (5)3.铁碳合金 (6)习题 (7)4.钢的热处理 (8)习题 (10)5.常用工程材料 (11)习题 (13)6.铸造成形 (14)习题 (15)7.锻压成形 (16)习题 (17)8.焊接与胶结成形 (18)习题 (21)9.机械零件材料及毛坯的选择与质量检验 (22)习题 (24)习题答案 (36)课程的任务一、本课程的特点1、本课程是一门有关机械零件制造方法及其用材的综合性技术基础课。
2、本课程实践性很强，学生应积极认真地参加生产实习和实践，才能更有效地掌握本门课程的知识，以便为后续专业课程的学习和今后生产实践打下较好的基础。
二、本课程的任务1、了解常用工程材料的种类、性能及改性方法，初步掌握其应用范围和选择原则。
2、掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。
3、了解零件的结构工艺性。
1 金属材料的性能一、学习目标1、清楚金属材料的性能包括哪些内容。
2、掌握金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
3、了解金属材料的物理、化学性能及应用。
二、基本内容1、金属材料的性能1）使用性能包括：力学性能、物理性能、化学性能。
2）工艺性能包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
2、载荷的概念1）静载荷：大小不变或变动很慢的载荷。
2）冲击载荷：突然增加或消失的载荷。
3）疲劳载荷：周期性的动载荷。
3、金属材料的力学性能各项指标的概念符号及表示方法应用条件和范围1）强度概念：金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
符号表示：屈服强度σs——材料产生屈服时的最小应力。
单位为Mpa。
抗拉强度σb——材料拉断前所承受的最大应力。
单位为Mpa。
应用条件和范围：设计机械零件和选材的主要依据。
2）塑性概念：金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
符号表示：断后伸长率δ——试样拉断后，标距长度的相对伸长率。
断面收缩率ψ——试样拉断后，试样截面积的相对收缩率。
应用条件和范围：材料进行压力加工时选材的主要依据。
3）硬度概念：材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力。
符号表示：布氏硬度HB洛氏硬度HR应用条件和范围：布氏硬度主要用于测量灰铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质的钢材等材料。
HBS适于测量硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。
洛氏硬度计可测定软的金属材料，也可测定硬的金属材料。
HRA主要用于测量硬质合金、表面淬火钢；HRB主要用于测量软钢、退火钢、铜合金等；HRC主要用于测量一般淬火钢。
4）冲击韧度概念：金属材料抵抗冲击载荷载荷作用而不破坏的能力。
符号表示：冲击吸收功Ak。
冲击韧度ak。
应用条件和范围：冲击韧度值一般只作为选材时的参考，不能作为计算依据。
材料的多次冲击抗力主要取决于塑性；冲击能量大时，主要取决于强度。
5）疲劳强度概念：金属材料在多次重复交变载荷作用下而不发生断裂的最大应力。
符号表示：疲劳强度δ-1应用条件和范围：黑色金属循环周次10的7次方，有色金属和某些高强钢循环周次10的8次方。
三、本章重点金属材料的力学性能各项指标的概念，符号及表示方法，应用条件和范围。
四、习题一、填空题1、金属的性能包括（）性能和( )性能。
2、材料的工艺性能包括（）、（）、( )、( )和（）。
3、填写下列力学性能指标的符号：屈服点（）、洛氏硬度A标尺（）、抗拉强度（）、断后伸长率( )。
二、判断题1、塑性变形随载荷的去除而消失。
（）2、当布氏硬度试验条件相同时，压痕直径愈小，金属的硬度愈低。
（）三、选择题1、做疲劳实验时，试样承受的载荷是（）A 静载荷B 冲击载荷C 循环载荷2、金属的( )愈好，则其锻造性能愈好。
A 强度B 塑性C 硬度四、名词解释强度硬度塑性冲击韧性疲劳强度五、简答题1、为什么疲劳断裂对机械零件危害最大？如何提高零件的疲劳强度？2 金属与合金的晶体结构与结晶一、学习目标1、了解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。
2、掌握金属晶体的三种常见晶格类型：面心立方、体心立方和密排六方晶格。
3、掌握实际金属点、线、面缺陷与金属力学性能的关系。
4、掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对力学性能的影响，细化晶粒的措施。
5、掌握合金的基本概念，了解固溶体和金属间化合物的概念。
6、了解二元合金相图的建立，了解合金结晶的过程。
二、基本内容1、金属的晶体结构的基本知识1）晶格、晶胞的概念：晶格：用来描述原子在晶体中排列形式的假想的空间格架。
晶胞：晶格中能代表晶体结构特征的最小组成几何单元。
2）金属晶体结构常见的三种晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
3）金属的实际晶体结构：实际金属的晶体结构是多晶体结构；实际金属的晶体结构内部存在晶体缺陷。
晶体缺陷包括：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
点缺陷即空位、间隙原子和置换原子；线缺陷即位错；面缺陷即晶界和亚晶界。
晶体缺陷会使金属内部晶格发生晶格畸变，产生内应力；金属的性能发生变化，强度、硬度增加。
晶体缺陷是强化金属的手段之一2、金属的结晶：1）纯金属的结晶过程。
结晶的概念：凝固时原子在物质内部做有规则排列。
过冷度：金属实际结晶温度低于理论结晶温度的差值。
结晶过程：液态金属结晶是不断生成晶核和晶核不断长大，直至完全结晶成固态的过程。
2）金属结晶后的晶粒大小。
晶粒大小对金属力学性能的影响：细晶粒金属具有较高的强度和韧性。
细化晶粒的措施：增大形核率，抑制长大速率。
常用方法有：增加过冷度；变质处理；振动等。
3、合金的晶体结构1）合金的基本概念：合金：一种金属元素与其它金属元素和非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。
组元：组成合金的最基本的独立物质。
可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
相：合金中具有同一聚集状态，同一种结构和性质的均匀组成部分。
组织：用肉眼或借助显微镜观察到材料晶粒内部组成相的数量、形态、大小和分布状态。
2）合金的组织：固溶体：合金由液态结晶成固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相。
占主要地位的元素叫溶剂，被溶解的元素叫溶质。
固溶体的晶格类型保持溶剂的晶格类型。
由于溶质原子的融入，容剂晶格发生畸变，使塑性变形阻力增加，导致金属的强度、硬度提高，塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。
金属间化合物：合金组员间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相，它的晶格类型和性能不同于任一组元。
金属间化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧性有所降低。
机械混合物：两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质。
通过调整固溶体中容质含量和金属间化合物数量、大小、形态和分布状况，可以改变合金的力学性能。
3）合金的结晶：二元合金相图的建立：相图是表示在极其缓慢冷却条件下合金系中各种合金状态与温度、成分之间的关系的简明图解。
它是通过实验方法建立。
二元合金相图的分析：相图横坐标表示二元合金成分分数，纵坐标表示温度；特性点：纯金属熔点；特性线：液相线、固相线。
二元合金结晶过程：液相线以上温度，合金为液相——到达液相线，合金开始结晶——液相线、固相线之间，合金液相、固相共存——到达固相线及一下，合金为固相。
三、本章重点1、金属的晶体结构。
2、合金的晶体结构。
四、习题一、填空题1、晶体与非晶体的根本区别在于（）。
2、金属晶格常见的基本类型有（）、（）、（）三种。
3、实际金属的晶体缺陷有（）、（）、（）三种。
4、金属的晶粒愈细小，其强度（），塑性、韧性（）。
二、判断题1、无论是纯金属，还是合金，其结晶过程都是恒温过程。
（）2、金属结晶的过程是晶核形成和晶核长大的过程。
（）3、一种金属元素与其它金属元素或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成的物质叫合金。
（）三、选择题1、一般来说，细晶粒金属具有（）强度和韧性。
A 较高的B 较低的C 中等的2、实际金属的结晶温度一般都（）理论结晶温度。
A 高于B 低于C 等于四、名词解释晶体晶体缺陷结晶合金固溶体金属间化合物五、简答题1、实际金属中存在的晶体缺陷对金属的力学性能有何影响？2、为什么希望得到细小晶粒组织？如何细化晶粒？3 铁碳合金一、学习目标1、熟悉铁碳合金的基本组织的特点。
2、熟悉铁碳相图中的相、特性点和特性线。
3、熟悉典型铁碳合金结晶过程和组织转变。
4、掌握含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响。
二、基本内容1、铁碳合金基本组织1）纯铁的同素异构转变：δ-Fe：1394ºС以上固态铁，体心立方晶格。
γ-Fe：1394ºС—912ºС固态铁，面心立方晶格，。
α-Fe：912 ºС以下固态铁，体心立方晶格。
2）铁碳合金基本组织：铁素体：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。
力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度低。
奥氏体：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。
力学性能：有良好塑性，强度、硬度较低。
渗碳体：是铁和碳组成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用符号Fe3C表示。
力学性能：塑性、韧性几乎为零，硬度很高。
珠光体：是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。
力学性能：介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。
莱氏体：1148ºС—727ºС时为奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld表示；727 ºС及以下时为珠光体和渗碳体的机械混合物，用符号Ld’表示。
力学性能：与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。
2、铁碳合金相图1）相图分析：铁碳合金相图中的相：液相、δ铁素体、铁素体、奥氏体和渗碳体。
铁碳合金相图中的特性点：C、E、P、S。
铁碳合金相图中的特性线：ECF线、ES线、PSK线、GS线。
2）典型铁碳合金结晶过程和组织转变：工业纯铁：含碳量≤0.0218%，室温平衡组织F。
亚共析钢：含碳量>0.0218%——<0.77%，室温平衡组织F+P。
共析钢：含碳量0.77%，室温平衡组织P。
过共析钢：含碳量>0.77%——<2.11%，室温平衡组织F+Fe3CⅡ。
亚共晶白口铸铁：含碳量≥2.11%——<4.3%，室温平衡组织P+ Fe3CⅡ+ Ld’。
共晶白口铸铁：含碳量4.3%，室温平衡组织Ld’。
过共晶白口铸铁：含碳量≥4.3%——<6.69%，室温平衡组织Fe3CⅠ+ Ld’。
3）含碳量对铁碳合金组织转变和力学性能的影响：对平衡组织的影响：随着含碳量的增加，铁素体不断减少，渗碳体不断增加，渗碳体的形态和分布有所变化。
