金屬學與熱處理課程教學大綱

PAGEPAGE12《金屬學與熱處理》課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱金屬學與熱處理課程編號01120012課程性質必修課課程類別專業(yè)核心課開課單位材料成型教研室授課學期第五學期學分/學時3.5/56課內學時56理論授課56上機學時0課內實踐0實驗學時0課外學時0適用專業(yè)材料成型及控制工程是否雙語否先修課程大學物理、大學化學、熱力學、材料成型控制基礎后續(xù)課程焊接冶金學、金屬焊接性、塑料成型工藝及模具設計、沖壓成型工藝與模具設計、焊接工藝課程設計、畢業(yè)設計二、課程簡介《金屬學與熱處理》是金屬材料相關專業(yè)，包括冶金工程、金屬材料工程、材料成形與控制工程、新能源材料與器件、焊接技術與工程以及一些機械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎課。其由金屬學原理、鋼的熱處理二部分組成。本課程著重闡述金屬與合金的化學成分、結構、組織與性能之間的內在聯系以及在各種條件下的變化規(guī)律。使學生掌握金屬材料科學有關的基本現象、基本概念、基本規(guī)律和基本方法，以便為學生合理的選擇使用金屬材料和制定熱加工工藝規(guī)程、獲得優(yōu)質零構件打好必要的理論基礎，并為從事金屬與合金的研究提供理論依據和線索，并為后續(xù)專業(yè)課程學習打下基礎。提升學生的學習力、思維創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題能力、科研能力，引導學生樹立和踐行大國工匠精神。三、課程目標及對畢業(yè)要求指標點的支撐（一）課程目標課程目標1（知識目標）：1.闡釋金屬學基本理論和基本知識，明確常見金屬的晶體結構特點，掌握典型晶體結構晶面指數和晶向指數的標定，正確理解缺陷特點、形成機制及對性能影響；明確金屬與合金的凝固理論，掌握合金相圖的建立、分析計算及應用，了解鑄錠宏觀組織與缺陷。2.正確理解金屬塑性變形原理，掌握冷變形金屬加熱時回復再結晶機制、影響因素，掌握晶粒度概念及晶粒大小影響因素，初步認知細晶強化理論。3.掌握擴散機制及影響因素，熟悉菲克定律及固態(tài)物質傳輸過程。4.明確熱處理的基本原理及工藝，了解鋼在奧氏體化過程中奧氏體形核和長大機制以及均勻化過程；熟悉并能應用過冷奧氏體的等溫轉變過程（TTT）和連續(xù)冷卻過程（CCT）曲線；知曉鋼的回火轉變過程中組織以及相應性能的變化；掌握鋼的熱處理工藝規(guī)程：理解鋼的退火、正火、淬火和回火相關的基本概念、目的，相應的工藝流程和工藝參數；熟知鋼的不同熱處理條件下所獲得的組織特征及相應性能；認識其他熱處理工藝的基本概念和工程應用。課程目標2（能力目標）：1.綜合運用所學金屬學知識，能夠正確理解金屬材料化學成分、結構、組織及性能之間的關系及其變化規(guī)律，初步具有應用光學金相分析鋼鐵材料組織的能力，具有根據金相組織判斷鋼鐵材料的力學性能能力。2.運用金屬材料主要的強化機理，學會金屬材料強化的途徑；能夠用辯證的觀點分析材料的強度與塑韌性之間的關系，能夠提出強韌化材料的方法及方案。3.深入理解固態(tài)相變及擴散基本理論，學會用擴散的知識分析金屬材料生產和使用過程的問題：金屬與合金熔煉與結晶的偏析與均勻化問題、鋼熱處理過程的氧化和脫碳問題、釬焊及擴散焊等問題。4.熟悉鋼的熱處理工藝與材料性能之間的相互轉化關，能靈活運用鋼的等溫冷卻轉變曲線和連續(xù)冷卻轉變曲線分析不同冷卻條件下組織轉變特點，具有根據零部件的服役條件正確的制定熱處理工藝能力。課程目標3（素質目標）：1.緊跟金屬材料前沿發(fā)展，在金屬學與熱處理基礎理論的講授中擴充專業(yè)最新研究成果及研究動向，擴寬專業(yè)視野，樹立求真創(chuàng)新、自主學習、終身學習的意識。2.領會金屬學與熱處理的基本原理，在鋼鐵材料力學性能控制方面進行分析討論，培養(yǎng)學生追求卓越的理念和獻身材料科學的理想，培養(yǎng)學生嚴謹認真、勤于思考、注重實踐的學習與工作態(tài)度。培養(yǎng)學生具有初步應對實際工況條件的應變能力、綜合分析和解決問題工程能力。3.了解中國熱處理發(fā)展史，解讀熱處理工藝對金屬材料組織及性能的改善，弘揚熱處理工匠的優(yōu)秀事跡，培養(yǎng)學生對科學技術勇于探索的精神。（二）課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐課程目標支撐畢業(yè)要求指標點畢業(yè)要求課程目標11.3學習專業(yè)基礎知識，掌握解決復雜材料成型及控制工程問題的基本思路和方法；1-工程知識課程目標22.1能夠運用數學、自然科學和材料學科的基本原理對材料成型問題進行識別與描述；2-問題分析課程目標34.1能夠基于科學原理并采用科學方法，針對材料成型及控制工程領域復雜工程問題，探討分析解決方案。4-研究四、課程基本教學內容及對課程目標的支撐（一）課程基本教學內容第一單元金屬的晶體結構（學時數：6學時）1.課程主要內容（1）金屬晶體的基本概念及特點。（2）金屬的晶體結構，典型晶體的結構及特征參數。（3）實際金屬的晶體結構，點缺陷、線缺陷、面缺陷。2.重點和難點重點：三種常見金屬晶體結構及基本性能，晶面指數、晶向指數的標定，實際金屬的缺陷及其對性能影響。難點：晶面指數和晶向指數的標定，晶體缺陷特別是位錯。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明金屬晶體的基本概念及特點；金屬的晶體結構；實際金屬的晶體結構。（2）通過典型金屬晶體結構及其特征參數分析，明確晶體與非晶體、單晶體與多晶體，單晶體的各向異性與多晶體的偽同性。（3）通過課堂提問及討論，正確理解不同缺陷的特點、形成機制，辯證的分析缺陷對金屬性能影響，強化知識應用意識，發(fā)展學生的自學能力和反思能力。（4）通過作業(yè)及階段性測驗，促進對所學知識的消化和鞏固。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后應初步認知金屬的晶體結構，熟悉常用金屬的晶體結構，熟練掌握體心、面心、密排六方結構晶面指數和晶向指數標定，掌握晶體與非晶體、單晶體與多晶體的結構及性能特點，明確晶體缺陷形成機理及對性能貢獻。5.支撐課程目標（1）講授金屬的晶體結構基本概念及特點、實際金屬缺陷等內容，從理論上闡釋金屬中原子堆垛方式，實際金屬中的缺陷對性能影響。（知識傳授）（2）以典型金屬晶體結構及特征參數為主線，熟悉常用金屬的晶體結構，探究實際金屬中缺陷特點，培養(yǎng)學生正確認知金屬的晶體結構對性能影響，金屬缺陷對性能的影響。（能力培養(yǎng)）（3）深刻認識金屬材料晶格結構至關重要性，它關系到該材料的力學性能、熱性能以及化學性能等多方面的特性，對金屬材料晶格結構進行分析具有重要意義，拓寬學生從微觀看宏觀的視野，拓展金屬材料微觀領域的分析研究，樹立敬業(yè)、專注、創(chuàng)新的職業(yè)精神。（價值塑造）第二單元純金屬的結晶（學時數：6學時）1.課程主要內容（1）金屬結晶的宏觀現象及微觀過程。（2）金屬結晶的熱力學條件及結構條件。（3）晶核的形成，溫度梯度及晶核長大。（4）金屬鑄錠宏觀組織與缺陷2.重點和難點重點：晶核的形成條件和方式，晶核長大的界面形狀與晶體形態(tài)，晶粒大小控制；金屬鑄錠三晶區(qū)的形成及控制。難點：金屬結晶的熱力學及結構條件；溫度梯度及晶體形態(tài)，鑄錠組織控制。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明金屬結晶的宏觀現象和微觀過程，金屬結晶的熱力學條件和結構條件，晶核形成及長大機理；金屬鑄錠宏觀組織與缺陷。（2）通過案例分析和課堂討論，闡述形核率長大機制及長大速度對晶形及晶粒大小影響，分析比較晶形和晶粒大小對金屬性能影響，提升學生在課堂教學的參與度，培養(yǎng)辯證思維，加深對重點知識的深入理解。（3）通過作業(yè)及階段性測驗，促進對所學知識的消化和鞏固。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后應初步認知金屬結晶的熱力學條件和結構條件，理解均勻形核與非均勻形核機理，了解固液界面的微觀結構及晶體長大機制，掌握影響晶體生長形態(tài)的因素，明確金屬鑄錠的基本組織與常見缺陷。5.支撐課程目標（1）講授金屬結晶的熱力學及結構條件，晶核形成與晶核長大機理，金屬鑄錠宏觀組織與缺陷等內容，從理論上闡釋形核、長大機理對晶體形態(tài)和晶粒大小影響。正確的認識鑄錠組織及缺陷控制。（知識傳授）（2）熟悉細化晶粒的主要途徑，并能應用結晶過程基本理論說明鑄錠組織的形成過程及改變鑄錠組織的方法。（能力培養(yǎng)）（3）以典型案例為主線，講授工業(yè)生產中常用晶粒大小控制途徑，探究影響晶粒大小因素，深刻理解通過調控微觀組織提高宏觀性能，引導學生樹立正確的職業(yè)觀、專業(yè)觀，引導學生將所學知識和技能轉化為內在德行和素養(yǎng)。（價值塑造）第三單元合金相圖（學時數：18學時）1.課程主要內容（1）相平衡與相平衡圖的基本概念、相律。（2）組元、相、組織、相組成物、組織組成物等基本概念。（3）二元相圖的基本類型，杠桿定律，相律在相圖中的應用。（4）勻晶、共晶相圖、共析相圖、包晶相圖，形成穩(wěn)定化合物相圖。（5）典型二元合金相圖Fe-C相圖分析及應用。（6）三元相圖的表示方法，三元系平衡相的定量法則，三元勻晶相圖和簡單三元共晶相圖。2.重點和難點重點：鐵碳合金組元、基本相及基本組織，Fe-C合金狀態(tài)圖；三元共晶相圖。難點：含碳量對鐵碳合金組織和性能影響，杠桿定律在鐵碳合金相圖中應用。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明組元、相與組織之間的內在聯系，熟悉勻晶、共晶相圖、共析相圖、包晶相圖，形成穩(wěn)定化合物相圖特點，牢固地掌握鐵碳相圖，掌握其點、線、區(qū)的物理意義；三元相圖的表示方法，三元系平衡相的定量法則，三元勻晶相圖和簡單三元共晶相圖。（2）通過鐵碳相圖案例分析，闡述鐵碳合金的基本相和組織，分析不同成分的鐵碳合金平衡結晶過程，建立合金成分—組織—性能—用途之間的關系，促進學生對知識的整合。（3）通過課堂提問及討論，分析含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響，探究鋼中雜質元素對性能影響，了解鋼錠的宏觀組織及其缺陷，提升學生在課堂教學的參與度，培養(yǎng)辯證思維，加深對重點知識的深入理解。（4）通過作業(yè)及階段性測驗，促進對所學知識的消化和鞏固。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后應初步認知勻晶、共晶相圖、共析相圖、包晶相圖，形成穩(wěn)定化合物相圖特點，會分析典型合金的結晶過程，熟知相圖與性能的關系，能默繪Fe—Fe3C相圖，掌握其點、線、區(qū)的物理意義，會分析鐵碳合金緩冷過程中的組織變化，能應用杠桿定律計算合金的組織組成物和相組成物的相對量；熟悉三元相圖的表示方法，三元系平衡相的定量法則，三元勻晶相圖和簡單三元共晶相圖。5.支撐課程目標（1）講授相律、組元、相、組織、相組成物、組織組成物等基本概念，明確勻晶、共晶相圖、共析相圖、包晶相圖，形成穩(wěn)定化合物相圖特點，初步認知典型合金的結晶過程，闡釋鐵碳合金的基本相和組織，分析不同成分的鐵碳合金平衡結晶過程，建立合金成分—組織—性能—用途之間的關系，明確杠桿定律在組織組成物和相組成物計算中應用，熟悉元相圖的表示方法，三元系平衡相的定量法則，三元勻晶相圖和簡單三元共晶相圖，使學生理解到結晶相變過程中蘊藏著從量變到質變的經典哲學思想。（知識傳授）（2）通過鐵碳合金相圖分析，簡單三元共晶相圖分析，初步具有組織辨析的能力，培養(yǎng)學生利用相圖分析組織演變過程的能力，探知通過調控組織改善材料性能的能力，樹立自主學習、思維創(chuàng)新能力。（能力培養(yǎng)）（3）根據成分-相-組織-性能之間的關系探討，樹立“事物間相互關聯”的哲學思想，提升學生在鋼鐵制造和應用方面的社會責任感和專業(yè)興趣。（價值塑造）第四單元金屬的塑性變形和再結晶（學時數：10學時）1.課程主要內容（1）塑性變形的宏觀變形規(guī)律與微觀機制。（2）加工硬化本質及實際意義，塑性變形對金屬與合金組織、性能影響，金屬材料強化機制。（3）變形金屬在退火中回復、再結晶過程。（4）影響再結晶的因素，再結晶晶粒大小及控制，熱加工與冷加工。2.重點和難點重點：塑性變形理論，再結晶的實質及其影響因素，再結晶晶粒大小及控制。難點：塑性變形對金屬組織和性能影響，變形金屬在退火過程中回復、再結晶及晶粒長大過程中組織與性能變化。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明單晶體的塑性變形機理、多晶體的塑性變形的特點，塑性變形對金屬組織及性能的影響，探究金屬強化機理；探索變形金屬在加熱過程中微觀組織轉變的基本規(guī)律及對性能影響，明確熱加工與冷加工概念，加強對基礎理論知識的理解。（2）通過典型案例分析金屬發(fā)生塑性變形的主要方式，分析塑性變形后金屬組織與性能之間變化規(guī)律，以及變形金屬在加熱過程中組織和性能變化特點，明確加工硬化的概念及實際應用，初步認知熱加工工藝過程中控扎控冷意義及最近進展。（3）通過課堂提問及討論，熟悉金屬材料常用的強化途徑，分析比較不同強化理論的優(yōu)缺點，提升學生在課堂教學的參與度，培養(yǎng)辯證思維，加深對重點知識的深入理解。（4）通過階段性測驗，促進對所學知識的消化和鞏固。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后應了解金屬塑性變形的微觀機制，掌握塑性變形對金屬或合金組織及性能的影響，認知加工硬化本質及實際意義，熟悉金屬材料的強化機制，掌握再結晶實質及影響因素，再結晶晶粒大小的控制，明確熱加工與冷加工概念。5.支撐課程目標（1）講授金屬塑性變形的微觀機制，闡明金屬或合金的塑性變形對組織及性能影響，理解加工硬化本質及材料強化機制，明確再結晶的實質及再結晶晶粒大小控制，理解熱加工與冷加工的概念，加強對該單元理論知識的理解。（知識傳授）（2）講授塑性變形物理實質和宏觀規(guī)律，培養(yǎng)學生分析金屬塑性加工中塑性行為的能力；理解材料強化機制，培養(yǎng)學生用辯證的觀點認知材料強化過程；通過對再結晶晶粒大小控制的理解，學生應明確細化晶粒的方法。（能力培養(yǎng)）（3）通過案例教學法，引導學生理論與實踐相結合，社會責任感，樹立工匠精神和工程師素養(yǎng)；引導學生提高自身抗壓能力。（價值塑造）第五單元擴散（學時數：4學時）1.課程主要內容（1）擴散機制、擴散分類以及擴散條件，擴散第一定律、第二定律表達式及意義。（2）影響擴散的因素。2.重點和難點重點：菲克第一定律、菲克第二定律。難點：影響擴散的因素。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明擴散的本質、擴散機制、固態(tài)金屬擴散條件及分類；理解菲克第一定律、菲克第二定律，加強對該單元基礎知識的理解。（2）通過分析鑄錠的均勻化退火、金屬的粘結等案例，探知擴散在實際生產中的應用，強調理論與實踐相結合，促進學生知識整合，培養(yǎng)學生的反思能力。（3）通過課堂提問及討論，分析影響擴散的因素，探討晶體結構、晶體缺陷、化學成分等因素對擴散影響，強化知識應用意識，發(fā)展學生的自學能力和反思能力。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后能夠用擴散的機理分析鑄錠均勻化退火過程、釬焊過程等例子，能夠分析影響擴散的因素。5.支撐課程目標（1）講授擴散機制、分類及條件，闡釋菲克第一定律、菲克第二定律表達式，明確影響擴散的因素，加強對該單元理論知識理解。（知識傳授）（2）講授實際生產過程擴散過程，培養(yǎng)學生用擴散的知識理解鑄錠均勻化退火過程、釬焊過程、擴散焊等過程，加深理論聯系實際的認識。（能力培養(yǎng)）（3）通過對擴散機制的理解，揭示了物質世界的平衡性、相互聯系和影響，幫助我們更好地認識自然界和人類社會的規(guī)律，為我們的生活和科學研究提供更多的啟示和指導。（價值塑造）第六單元熱處理原理及工藝（學時數：12學時）1.課程主要內容（1）熱處理基本概念，固態(tài)相變的特點及類型，共析鋼的奧氏體化過程及影響因素，晶粒度概念，奧氏體晶粒大小控制。（2）過冷奧氏體的等溫冷卻轉變曲線、連續(xù)冷卻轉變曲線，珠光體轉變、貝氏體轉變、馬氏體轉變、回火轉變、回火脆性。（3）鋼的退火、正火工藝及應用，鋼的淬火工藝，鋼的回火工藝、鋼的其他熱處理。（4）鋼的淬透性和脆硬性概念、影響因素及實際意義。2.重點和難點重點：鋼在加熱時轉變、鋼在冷卻時轉變、鋼的回火轉變，鋼的退火、正火、淬火和回火。難點：珠光體、貝氏體、馬氏體轉變、鋼的滲碳和滲氮，鋼的熱處理工藝選擇。3.教學方法（1）通過多媒體課件和傳統教學相結合，闡明熱處理基本概念，固態(tài)相變的特點及類型，共析鋼在加熱過程轉變和冷卻過程轉變，熟悉鋼的退火、正火、淬火及回火工藝特點，理解鋼的脆硬性及淬透性概念，加強對該單元基礎知識的理解。（2）通過案例-共析鋼過冷奧氏體的等溫冷卻轉變曲線、連續(xù)冷卻轉變曲線分析，探知過冷奧氏體在不同冷卻條件組織轉變特點，強調理論與實踐相結合，促進學生知識整合，培養(yǎng)學生的反思能力。（3）通過課堂提問及討論，分析珠光體轉變、貝氏體轉變、馬氏體轉變過程，明確退火、正火、淬火、回火熱處理工藝選擇原則，強化知識應用意識，發(fā)展學生的自學能力和反思能力。（4）專項討論典型零件熱處理過程，學生在課外查找、閱讀鋼鐵熱處理工藝及相關微觀組織演變的特定案例研究論文，找出試驗對象、熱處理工藝、微觀組織演變、性能特點等內容，分析化學成分-微觀組織-力學性能的控制關系。（5）通過設置熱處理課程設計加深學生對熱力原理、工藝和設備的認識，促進學生理論聯系實際過程。4.學生學習預期成果學生在學完本單元課程后能夠明確珠光體、貝氏體、馬氏體以及回火轉變組織的特點及性能，能夠運用曲等溫轉變曲線和連續(xù)冷卻曲線確定過冷奧氏體轉變的組織和性能特征，能夠掌握常用的熱處理工藝及熱處理工藝的選用。5.支撐課程目標（1）講授熱處理基本概念，固態(tài)相變的特點及類型，理解鋼在加熱和冷卻時的轉變，鋼在回火時候轉變，熟悉常用的熱處理工藝，加強對該單元理論知識理解。（知識傳授）（2）講授共析鋼等溫冷卻轉變曲線、連續(xù)冷卻轉變曲線，培養(yǎng)學生用運用“TTT”和“CCT”曲線分析過冷奧氏體轉變產物的組織和性能，通過對退火、正火、淬火和回火及其他熱處理工藝的認知，培養(yǎng)學生根據零件的服役條件選擇熱處理工藝能力，加深理論聯系實際的認識，培養(yǎng)學生思維創(chuàng)新能力、團隊合作意識。（能力培養(yǎng)）（3）分享熱處理原理及工藝相關的最新研究文獻，結合我國大型設備用鋼現狀以及取得的國家重大應用等，引入愛國精神、工匠精神思政教學內容，引導同學們繼承和發(fā)揚老一代科學家艱苦奮斗、科學報國的優(yōu)秀品質，堅持國家利益和人民利益至上，以支撐服務社會主義現代化強國建設為己任。（價值塑造）（二）課程基本教學內容對課程目標的支撐理論課程課程教學內容教學方法支撐的課程目標學時安排課內課外學時比例第一單元金屬的晶體結構講授法、案例分析、課堂討論、階段性測驗課程目標1、2、361:1第二單元純金屬的結晶講授法、案例分析、課堂討論、階段性測驗課程目標1、2、361:1第三單元合金相圖講授法、案例分析、課堂討論、階段性測驗課程目標1、2、3181:1第四單元金屬的塑性變形和再結晶講授法、案例分析、課堂討論、階段性測驗課程目標1、2、3101:1第五單元擴散講授法、案例分析、課堂討論、階段性測驗課程目標1、2、341:1第六單元鋼的熱處理原理與工藝講授法、案例分析、課內外專項討論、階段性測驗課程目標1、2、3121:1合計56112五、課程考核及對課程目標的支撐（一）課程考核課程成績構成（百分制）課程成績構成比例考核環(huán)節(jié)目標分值考核/評價細則平時成績50%作業(yè)（百分制）40本門課程4~6次作業(yè)，主要考核金屬的晶體結構、純金屬的結晶、合金的結晶、金屬塑性變形及再結晶、擴散、鋼的熱處理，作業(yè)評分的具體標準（提交時間、作業(yè)正確率等）目標分值=0.4*作業(yè)平均成績測驗（百分制）40每個單元結束后安排一次階段性測驗，考核學生對該單元重點知識的掌握情況，評價細則目標分值=0.4*階段性測驗總評成績課堂表現（百分制）10出勤、課堂提問、課堂討論等及評價細則目標分值=0.1*成績線上討論（百分制）10針對材料的強化機理討論鋼的強化途徑，評價細則根據討論結果及正確率確定最終成績目標分值=0.1*成績期末考試50%知識40考核內容覆蓋第一單元~第六單元的專業(yè)基礎知識，知識的綜合應用能力，分析問題解決問題能力?？荚囶}型：分為六大題型，填空、判斷、選擇、概念、簡答題、綜合題。評價細則：試卷相應的參考答案及評分標準，依據卷面實際分數計入成績。能力40綜合應用20（二）課程考核對課程目標的支撐教學內容考核內容考核方式支撐的課程目標第一單元金屬的晶體結構1.1金屬的晶體結構金屬的晶體結構，典型晶體的結構及特征參數1.2晶面指數和晶向指數標定；1.3.實際金屬的晶體結構；1.4.金屬的各向異性及多晶型性；課堂表現，作業(yè)、階段性測驗、期末考試課程目標1、2、3第二單元純金屬的結晶2.1金屬結晶宏觀現象及微觀過程2.2金屬結晶的熱力學條件及結構條件2.3晶核的形成及長大2.4鑄錠宏觀組織及缺陷作業(yè)，課堂表現，階段性測驗，期末考試課程目標1、2、3第三單元合