《工程材料》教學大綱-中外-40學時

PAGEPAGE11《工程材料》課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱工程材料課程編號310130011課程性質必修課課程類別核心課開課單位機電工程學院授課學期第五學期學分/學時2.5/40課內學時40理論授課36上機學時0課內實踐0實驗學時4課外學時43適用專業(yè)機械設計制造及其自動化（中外合作辦學）是否雙語否先修課程化學、材料力學后續(xù)課程金屬成型二、課程簡介《工程材料》是中俄雙方高等院校機械類專業(yè)學生的專業(yè)基礎課之一，是一門實踐性較強的課程。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各類機械產品的設計與制造過程中所遇到的材料問題日益增多，機械工業(yè)與材料科學之間的關系愈加密切。實踐證明，合理選擇工程材料，適當確定冷熱加工工藝，妥善安排加工工藝路線對充分發(fā)揮材料本身性能潛力，提高產品零件質量，延長使用壽命，降低生產成本等方面有重大的影響。通過本課程的學習，獲得工程材料的基本知識，使學生在理解工程材料基本理論和基本知識的前提下，掌握常用工程材料的種類、成分、組織性能和改性方法；根據(jù)零件服役條件和性能要求，具備選用工程材料的初步能力；了解本課程有關的新材料、新工藝、新技術及其發(fā)展趨勢。三、課程目標及對畢業(yè)要求指標點的支撐（一）課程目標通過本課程的學習，使學生達到以下目標：課程目標1（知識目標）：理解工程材料的種類和主要力學性能；了解純金屬的晶體結構和結晶、晶體缺陷及其對性能的影響；了解合金的結構和性能、相與組織的概念；理解二元合金相圖和鐵碳合金相圖及其應用；理解金屬塑性變形的實質及對金屬組織和性能的影響。課程目標2（能力目標）：理解鋼在熱處理過程中的組織轉變及轉變產物的形態(tài)和性能，具備根據(jù)需求制定熱處理工藝的能力。了解非合金鋼、合金鋼和鑄鐵的種類、牌號、性能及應用，具備根據(jù)零件的服役條件和性能要求，選用工程材料的能力。課程目標3（素質目標）：通過課程教學，培養(yǎng)學生追求真理的理想和獻身科學的精神，樹立學生現(xiàn)代科學的自然觀、宇宙觀和辯證唯物主義世界觀。通過了解工程材料在各個領域的應用案例，激發(fā)學生的家國情懷、求知熱情、探索和創(chuàng)新精神，使學生善于思考，勇于實踐。（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1指標點1工程知識：具備數(shù)學、自然科學、機械電子工程基礎理論和專業(yè)知識，并能將其用于解決機械電子工程領域復雜工程問題。1-2掌握解決機械電子工程領域復雜工程問題所需的工程基礎理論、知識和方法。課程目標2指標點4研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜機電工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結論。4-3能對實驗結果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到有效結論。課程目標3指標點6工程與社會：能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價機電工程實踐和復雜機電工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。6-2能夠基于機電工程相關背景知識，分析和評價機電產品設計制造領域工程實踐和復雜工程問題解決方案。對社會、健康、安全、法律、文化、環(huán)境及社會可持續(xù)發(fā)展的影響，并理解應承擔的責任。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材料的性能（學時數(shù)：4學時）1.課程主要內容全面的理解材料的性能及其變化規(guī)律，是機械設計、選用材料、制定加工工藝及質量檢驗的重要依據(jù)。作為材料性能的兩個方面，使用性能和工藝性能既有聯(lián)系又有區(qū)別，兩者有時是統(tǒng)一的，但更多的情況下卻是互相矛盾的。合理地解決兩者間的矛盾并使之不斷的改善和創(chuàng)新，是材料與應用的主要任務之一。本章主要講授工程材料的各種性能（主要是力學性能）的物理意義、技術指標及其應用。2.重點和難點（1）重點：材料的力學性能；材料的工藝性能。（2）難點：材料各種力學性能的定義；屈服強度、抗拉強度、延伸率和斷面收縮率的計算方法；拉伸實驗曲線理解；沖擊韌性和疲勞性能的概念及測試方法。3.教學方法（1）采用“講授+多媒體動畫”的方式，使學生生動地掌握材料力學性能和工藝性能及其實驗方法。（2）采用“講授+思政案例”的方式，介紹自主研發(fā)的高端工程材料在我國各領域的應用，引入我院教師的科研項目，使學生更好的掌握知識點的同時，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和家國情懷。4.學生學習預期成果（1）掌握材料力學性能和工藝性能的含義，掌握各種力學性能的計算方法，并理解其測試方法。（2）具備根據(jù)使用場景，選擇何種力學性能工程材料的能力；具備根據(jù)性能評價工程材料的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握工程材料的各種性能（主要是力學性能）的物理意義、技術指標及其應用，通過工程課程思政元素的引入，對課程目標1、3起到了支撐作用，并為后續(xù)章節(jié)的學習奠定了理論基礎。第二單元材料的結構（學時數(shù)：10學時）1.課程主要內容固體材料的性能由其內部結構所決定，在制造、使用、研究和發(fā)展固體材料時，材料的內部結構是很重要的研究對象。由于金屬材料是最主要的工程材料，且在通常情況下均屬于固體晶體材料，故本章的討論重點為金屬晶體材料的結構，主要包括結合鍵、晶體結構理論和晶體缺陷理論。2.重點和難點（1）重點：原子間的結合鍵；晶體結構理論；晶體缺陷理論；鑄態(tài)組織與冶金缺陷。（2）難點：金屬鍵的結合方式；晶體與非晶體的區(qū)別；金屬的幾種典型晶體結構；晶體缺陷的主要種類與作用。3.教學方法（1）采用“講授+多媒體動畫”的方式，使同學們深刻理解金屬間的結合方式，掌握典型的金屬晶體結構。（2）采用“講授+案例教學”的方式，以生產實際問題引入教學內容，使同學們掌握晶體缺陷的理論。4.學生學習預期成果（1）掌握晶體結構的基本知識；掌握幾種典型晶體結構的原子排列方式，并掌握其配位數(shù)和致密度的計算方法；了解晶體缺陷的主要形式及其作用。（2）具備根據(jù)原子排列方式初步判斷其晶體結構的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握金屬晶體材料的結構，主要包括結合鍵、晶體結構理論和晶體缺陷理論的知識，對課程目標1起到了支撐作用。第三單元材料的凝固與結晶（學時數(shù)：6學時）1.課程主要內容在一定的條件下，物質的三態(tài)可以相互轉化。凝固是指物體從液態(tài)轉化為固態(tài)的過程。由于材料和冷卻條件不同，凝固后得到的固態(tài)物質可能是晶體，也可能是非晶體。如果凝固后的固態(tài)物質是晶體，這種凝固過程就是結晶。本章主要講授純金屬結晶、合金的結晶與相圖、鑄態(tài)組織與冶金缺陷。2.重點和難點（1）重點：純金屬的結晶過程；合金的結晶與相圖分析；鑄態(tài)金屬的組織與冶金缺陷。（2）難點：純金屬結晶的條件；結晶晶粒大小及控制方法；合金相的結構；二元合金相圖的建立及幾種典型的相圖；杠桿定律；鑄態(tài)組織形成的原因。3.教學方法（1）采用“講授+視頻動畫”的方式，使同學們直觀的認識金屬的結晶過程，以及相圖的建立過程。（2）采用“講授+案例教學”的方式，使同學們掌握典型相圖的分析、計算以及鑄態(tài)組織的冶金缺陷。（3）采用“思政案例”的引入，通過介紹“超級鋼之父-王國棟院士”的人物生平，激發(fā)同學們的創(chuàng)新精神和民族自豪感。4.學生學習預期成果（1）掌握純金屬的結晶過程、二元合金的相圖的基本概念；了解鑄態(tài)金屬的顯微組織及典型冶金缺陷。（2）具備識別純金屬和二元合金液相區(qū)、固相區(qū)和兩相區(qū)的能力；具備根據(jù)相圖計算組織組成物相對含量，以及相組成物相對含量的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握金屬結晶過程的分析能力，具備計算組織組成物和相組成物相對含量的能力，結合課程思政元素的引入，對課程目標1、3起到支撐作用。第四單元材料的變形斷裂與強化機制（學時數(shù)：4學時）1.課程主要內容金屬材料重要的特性之一是具有良好的塑性，塑性為金屬零件的成形加工提供了經濟而有效的途徑，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等塑性加工。金屬經塑性變形后，不僅改變了外形和尺寸，內部組織和結構也發(fā)生了變化，進而其性能也發(fā)生變化，故塑性變形也是改善金屬材料性能的一個重要手段。本章將重點討論材料在力的作用下發(fā)生變形和斷裂的規(guī)律及影響因素。2.重點和難點（1）重點：單晶體的塑性變形；多晶體的塑性變形；冷塑性變形對金屬組織性能的影響；金屬的熱塑性變形；金屬強化理論；材料的斷裂。（2）難點：滑移系與滑移方向的概念；晶粒大小對塑性變形的影響；冷塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化；金屬熱加工的概念及應用；金屬的強化機制；材料的理論斷裂強度模型。3.教學方法（1）采用“講授+多媒體動畫”的方式，使同學們掌握晶體的塑性變形過程，引出塑性變形對其組織性能的影響，進而理解金屬的強化理論和斷裂機制。（2）采用“案例教學”的方式，使同學們深刻理解冷塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化，以及金屬熱加工的概念及應用。4.學生學習預期成果（1）理解晶體塑性變形的概念，掌握金屬在冷、熱塑性變形中組織和性能的變化；理解晶體強化的機制。（2）具備分析冷變形后的金屬在加熱過程中組織性能變化的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握材料的變形和強化機制，具備分析冷、熱變形金屬對材料組織性能影響的能力。對課程目標1起到支撐作用。第五單元鐵碳合金相圖及應用（學時數(shù)：12學時）1.課程主要內容鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應用最為廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。普通碳鋼和鑄鐵都屬于鐵碳合金范疇，合金鋼與合金鑄鐵則是在碳鋼和鑄鐵中加入合金元素形成的。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制定及工藝廢品原因的分析都有重要的指導意義。2.重點和難點（1）重點：純鐵和鐵碳合金中的相；鐵碳合金相圖分析；鐵碳合金成分、組織與性能的關系。（2）難點：鐵碳合金中相的結構；鐵碳合金相圖上重要的點、線和區(qū)域；典型的相變過程分析；組織組成物和相組成物的計算方法。3.教學方法（1）采用“案例教學”的方式，通過介紹鐵碳合金相圖在工程實際中的應用，使同學們對鐵碳相圖的記憶更加深刻。（2）采用“講授+前沿介紹”的方式，介紹鋼鐵材料在相變等領域的前沿研究，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和探究精神。4.學生學習預期成果（1）掌握鐵碳合金中的相，鐵碳合金上重要的點、線和區(qū)域；理解鐵碳合金成分、組織與性能的關系。（2）具備使用杠桿定律計算組織組成物和相組成物的能力；初步具備默畫鐵碳合金相圖的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌鐵碳合金成分、組織與性能的關系，具備分析和計算鐵碳合金相圖的能力，握對課程目標1起到支撐作用。第六單元鋼的熱處理（學時數(shù)：10學時）1.課程主要內容熱處理是指將金屬或合金在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的一種工藝。熱處理不僅可以強化金屬材料，充分發(fā)揮其內部潛力，提高或改善工件的使用性能和可加工性，而且是提高加工質量，延長工件使用壽命的重要手段。本章主要講授鋼在加熱和冷卻時的組織轉變，鋼的退火、正火、淬火與回火，以及鋼的表面熱處理、熱處理的新工藝和新技術。2.重點和難點（1）重點：鋼的加熱及組織轉變；鋼的冷卻及組織轉變；鋼熱處理的主要方式；鋼的表面熱處理。（2）難點：鋼的相變溫度；鋼奧氏體化的過程及影響因素，奧氏體晶粒大小的控制；過冷奧氏體的等溫轉變；過冷奧氏體的轉變產物及組織與性能；過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變；鋼的退火、正火、淬火與回火；鋼的淬透性和淬硬性。3.教學方法（1）采用“案例教學”的方式，首先提出工程中的實際問題，引導學生用鋼的熱處理相關知識解決問題，加深學生對熱處理知識的印象，明確學習目的。（2）采用“前沿分享”的方式，介紹鋼鐵材料在熱處理領域的研究前沿，激發(fā)學生的學習興趣。4.學生學習預期成果（1）掌握鋼的加熱和冷卻過程中的組織轉變；理解鋼的主要熱處理方式，掌握鋼奧氏體化的過程及影響因素，奧氏體晶粒大小的控制方法；理解過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變。（2）具備根據(jù)要求，初步制定材料相應的熱處理工藝的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握鋼在加熱和冷卻時的組織轉變，鋼的退火、正火、淬火與回火，以及鋼的表面熱處理、熱處理的新工藝和新技術，對課程目標2起到支撐作用。第七單元鋼鐵材料（學時數(shù)：10學時）1.課程主要內容鋼鐵材料是工業(yè)上鋼和鑄鐵的總稱，兩者均是鐵碳合金，工程上一般以碳的質量分數(shù)為2%左右為兩者的界限。鋼根據(jù)其中是否含有合金元素可以分為非合金鋼和合金鋼兩大類。碳鋼具有性能較好、容易加工、成本低廉的特點，是工程上應用最廣、使用量最大的重要金屬材料，但碳鋼存在著淬透性不高等缺點，某些工況下難以應用。合金鋼因其有意加入的合金元素的作用，克服了碳鋼的不足，但也造成了成本升高，工藝性能惡化等缺點。鑄鐵雖然綜合力學性能較鋼差，但具有優(yōu)異的鑄造性、可加工性，也是一種重要的金屬材料。2.重點和難點（1）重點：鋼中的雜質元素及其對性能的影響；合金元素在鋼中的主要作用；鋼的分類與牌號；典型鋼種的成分和性能特點；鑄鐵。（2）難點：硅和錳對鋼的影響；硫和磷對鋼的影響；氣體元素對鋼的影響；合金元素對鐵碳相圖的影響；典型鋼種的成分和性能特點；鑄鐵的石墨化、典型鑄鐵的性能特點。3.教學方法（1）采用“講授+思政案例”的方式，通過介紹我國自主研發(fā)的高性能鋼鐵材料在我國大國工程及世界重要工程的應用，激發(fā)學生的家國情懷和民族自豪感。（2）采用“案例教學”的方式，引入不同鋼鐵材料在不同領域的應用，使學生掌握各類鋼鐵材料的應用場景。4.學生學習預期成果（1）掌握鋼中的雜質元素及其對鋼性能的影響；理解合金元素在鋼中的主要作用；掌握鋼的分類與牌號，并理解典型鋼種的成分和性能特點；理解鑄鐵的組織與性能特點。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握鋼鐵材料的分類與牌號，具備初步選用鋼鐵材料的能力，對課程目標2、3起到支撐作用。第八單元有色金屬及其合金（學時數(shù)：10學時）1.課程主要內容通常，人們將鐵及其合金成為黑色金屬，將除此之外的其他金屬稱為有色金屬。有色金屬具有很多優(yōu)良特性，如密度小、比強度高、導電性和導熱性優(yōu)良等，是飛機、汽車、船舶制造、電氣和儀表工業(yè)、高溫零件和真空元件制造等領域必不可少的材料。本章介紹工程山廣泛應用的鋁、銅、鈦、鎂和鋅及其合金。2.重點和難點（1）重點：鋁及鋁合金；銅及銅合金；鎂及鎂合金；鈦及鈦合金；鋅及鋅合金。（2）難點：各種有色金屬及其合金成分、性能特點，及熱處理工藝。3.教學方法（1）采用“講授+多媒體動畫”的方式，使學生掌握有色金屬材料的組織性能特點以及應用場景。4.學生學習預期成果（1）各種有色金屬及其合金成分、性能特點，及熱處理工藝。（2）具備根據(jù)實際需求，初步選用有色金屬及其合金的能力。5.支撐課程目標通過本單元的學習，使同學們掌握鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、鋅及鋅合金的組織性能特點，并具備根據(jù)實際需求選用有色金屬及其合金的能力，對課程目標2起到支撐作用。（二）課程基本教學內容對課程目標的支撐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材料的性能講授法、思政案例、多媒體動畫課程目標1、341第二單元材料的結構講授法、多媒體動畫、案例教學課程目標141第三單元材料的凝固與結晶講授法、視頻動畫、案例教學、思政案例課程目標1、341第四單元材料的變形斷裂與強化機制講授法、多媒體動畫、案例教學課程目標141第五單元鐵碳合金相圖及應用講授法、案例教學、前沿介紹課程目標2、381.25第六單元鋼的熱處理案例教學、前沿分享課程目標281.13第七單元鋼鐵材料講授法、案例教學、思政案例課程目標2、361第八單元有色金屬及其合金講授法、多媒體動畫課程目標221合計401.08五、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30%作業(yè)（百分制）30本門課程5次作業(yè)，主要考核各章節(jié)教學重點和難點內容，作業(yè)評分的具體標準為提交時效性和準確率；目標分值=0.3*作業(yè)平均成績*時效系數(shù)；其中，時效系數(shù)=（1-延遲提交作業(yè)天數(shù)*0.1），時效系數(shù)最低值為0.5。實驗（百分制）30按照實驗操作、實驗報告質量評分課堂表現(xiàn)（百分制）40參與課堂互動、投票、問答、討論等課程活動獲得相應分數(shù)，主要考核學生對基礎知識的掌握程度和課堂聽課狀態(tài)。期末考試70%知識40主要考核學生對所學重點、難點的掌握程度內容及占比為：材料的性能（15%）；材料的結構（10%）；材料的凝固與結晶（10%）；材料的變形斷裂與強化機制（10%）；鐵碳合金相圖及應用（20%）；鋼的熱處理（20%）；鋼鐵材料（10%）；有色金屬及其合金（5%）?？荚囶}型為填空（20分）、判斷（10分）、選擇（20分）、簡答（20分）、綜合（30分）。能力30綜合應用20創(chuàng)新10（二）課程考