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工程材料 课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）： 第七章 工业用钢授课方式（请打）理论课R 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排6学时教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：了解常存元素和杂质对钢性能的影响；掌握碳钢、合金钢的分类、编号及性能特点，合金元素的作用；掌握合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢的用途、性能要求、成分特点、常用钢种和热处理。教学重点、难点及关键知识点：教学重点： 碳钢、合金钢的分类、编号及性能特点，合金元素的作用，合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢的用途、性能要求、成分特点、常用钢种和热处理。难点：合金元素的作用，合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢的用途、性能要求、成分特点和热处理。方法及手段1以讲授为主，并结合生活、生产用钢的实例和CAI课件。2请学生观察、研究一台车床或一辆汽车，分析金属材料的应用情况。加深对课程内容的理解。 3请学生浏览相关网站，收集金属材料应用有关资料，了解新的金属材料研究情况，拓宽知识面。 教学基本内容（教学过程）改进设想第七章 工业用钢第一节 概述提示：钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。一、碳钢的牌号和应用 1普通碳素结构钢要求：主要保证力学性能，在牌号上直接体现“屈”的汉语拼音第一个字母Q 数字牌号屈服强度例： Q275 该钢的最低的屈服强度为275MPa Q数字-A(B，C，D)F(b) A，B，C，D 钢的含硫、磷量依次降低，质量变好， F 表示沸腾钢，b表示半镇定钢 工程材料 课程讲稿常用碳素结构钢： Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。 Q235C、Q235D 可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。热处理：这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。 2优质碳素结构钢 要求：保证化学成分和力学性能，需要热处理获得需要的性能 牌号含义：用两位数字表示含碳量的万分数常用牌号：08 08F 10 10F 塑性韧性好，冷成型性和焊接性能好，可冷轧成薄板，用于仪器仪表外壳、汽车车身等。 30 40 45 50 综合性能好，用于轴类零件，如曲轴、连杆等。60 65 弹性极限高，主要用于弹簧类零件。优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。3碳素工具钢要求：保证化学成分和力学性能，需要热处理获得需要的性能牌号含义：T 数字(A) 数字表示含碳量的千分数例：T9表示碳质量分数为0.9%（即千分之九）的碳素工具钢常用碳素工具钢： T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11 硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。 T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。二、碳钢的优缺点1优点：可热处理强化，冶炼工艺简单，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。2不足： 碳钢淬透性低，不适宜形状复杂和尺寸大的工件。只能水冷，易变形开裂，性能不均。工程材料 课程讲稿 强度和屈强比低。回火稳定性差。 不能满足特殊性能的要求。耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。提示：碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。 三、合金钢1按合金元素含量多少合金钢分为： 低合金钢（合金元素总量低于5%）、 中合金钢（合金元素总量为5%10%） 高合金钢（合金元素总量高于10%）。 合金元素平均质量的百分数平均碳的质量的万分数2按用途分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 3合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：数字 + 合金元素符号 + 数字45Mn2 40Cr几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢，高级优质钢（2）合金工具钢和特殊性能钢的牌号：数字 + 合金元素符号 + 数字含碳量的千分数合金元素平均质量的百分数说明：Wc1%时，不标数字；高速钢例外。四、常存元素和杂质对钢性能的影响1锰有益元素；脱氧剂； Mn+SMnS(降低S的有害作用) 热加工性能 固溶强化：使性能更优；2硅有益元素 脱氧脆性 固溶强化3硫有害元素 9850C（Fe+FeS）热脆 加入MnMnS4磷有害元素 Fe3P 室温下 17%)， A (WNi 9%)（二）常用不锈钢1马氏体型不锈钢机械性能好，耐蚀性一般。1Cr13、2Cr13、3Cr13，用于汽轮机叶片、测量工具、不锈轴承、弹簧，4Cr13、9Cr18手术器具及刀具。2铁素体型不锈钢强度低、塑性好、耐硝酸等。1Cr17、1Cr25、1Cr28用于化工设备、食品工业。3奥氏体型不锈钢（用量最多，占6570； ）高塑性、高的低温韧性、高的加工硬化能力、焊接性能好、无磁性及高的耐腐蚀性好。1Cr18Ni9Ti、 0Cr18Ni9Ti化工行业居多，酸（硝酸、有机酸）、碱、盐工业中的机械零件。工程材料 课程讲稿4奥氏体和铁素体双相不锈钢典型钢号 0Cr26Ni5Mo2 等。这类钢是在18-8型钢的基础上，提高铬含量或加入其它铁素体形成元素，其晶间腐蚀和应力腐蚀破坏倾向较小，强度、韧性和焊接性能较好，而且节约Ni，因此得到了广泛的应用。（三）热处理及强化方法1马氏体不锈钢淬火+回火获得马氏体。2F不锈钢退火和正火态使用，可利用形变强化。3A不锈钢固溶处理和稳定化处理提高耐蚀性，可利用形变强化。固溶处理：加热至A体区快冷（水冷）二、耐热钢 （一）耐热性的概念耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。 1抗氧化性 抗氧化性是指金属在高温下的抗氧化能力，其在很大程度上取决于金属氧化膜的结构和性能。提高钢的抗氧化性的最有效的方法是加入Cr、Si、Al等元素，它们能形成致密的、高熔点的并牢固覆盖于钢表面的氧化膜(Cr2O3、 Al2O3。) 2热强性 热强性是指钢在高温下的强度。在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，发生变形量随时间而逐渐增大的现象-蠕变。金属在高温下强度降低，主要是扩散加快和晶界强度下降的结果。提高高温强度的途径有：（1）固溶强化：加入W、Mo、 Nb、Ti、V等元素强化基体；提高再结晶温度。（2）弥散强化：加入Nb、V、Ti等元素形成碳化物,在晶内弥散析出，阻碍位错的滑移，提高塑变抗力。（3) 采用粗晶钢，减少晶界。（二）常用的耐热钢1铁素体型耐热钢常用钢种有0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。这类钢的主要合金元素是Cr，Cr扩大铁素体区，通过退火，可得到铁素体组织。强度不高，但耐高温氧化。用于油喷嘴、炉用部件、燃烧室等。工程材料 课程讲稿2奥氏体型耐热钢 常用钢种有1Cr18Ni9Ti、 2Cr21Ni12N、 2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo等。钢中含有较多的奥氏体稳定化元素Ni，经固溶处理后组织为奥氏体。其化学稳定性和热强性都比铁素体型和马氏体型耐热钢强，工作温度可达7500C8200C。用于制造一些比较重要的零件，如燃气轮机轮盘和叶片、排气阀、炉用部件等。这类钢一般进行固溶处理，也可通过固溶处理加时效提高其强度。 3马氏体型耐热钢 常用钢种为1Cr13、2Cr13、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。这类钢含有大量的Cr，抗氧化性及热强性均高，淬透性好。经淬火后得到马氏体，高温回火后组织为回火索氏体。用于制造6000C以下受力较大的零件，如汽轮机叶片、内燃机进气阀、转子、轮盘及紧固件等。 4沉淀硬化型耐热钢 钢种有0Cr17Ni7Al、0Cr17Ni4Cu4Nb，经固溶处理加时效后抗拉强度可超过1000MPa，是耐热钢中强度最高的一类钢。用于高温弹簧、膜片、波纹管、燃气透平压缩机叶片、燃气透平发动机部件等。三、耐磨钢（高锰钢）在强烈冲击载荷和严重磨损条件下工作的要求具有良好韧性和耐磨性的钢。1.成分特点：高碳WC 1.01.3 ，高锰WMn 1114 2.性能特点：有强烈的加工硬化，机加工困难，只能铸造成型。但铸态硬而脆。需作水韧处理。水韧处理：将高锰钢加热到10000C11000C，保温，使碳化物全部溶入A中，然后快速水冷，获得均匀的A组织。（不需回火）强化原理：A组织塑性好，硬度低，但受到强烈冲击、严重摩擦和强大的压缩力时，表层A发生塑变产生强烈的加工硬化，而且还有马氏体产生，硬化效果非常强烈。可达5256HRC，使耐磨性显著提高，而心部仍保持良好塑性，韧性的A状态。3.常见钢号： ZGMn13、ZGMn12Cr2、4.应用：坦克、拖拉机履带板,挖掘机铲斗,防弹板,保险箱钢板等。作业和思考题：课后习题13、16课后小结及教学后记：本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果）钢 号钢 种合金元素的主要作用热处理特点使用状态下组织Q345低合金高强度结构钢Mn:强化F，增加P量，降低冷脆转变温度热轧空冷F+P65Mn弹簧钢Mn:提高淬透性，强化F淬火+中温回火T回ZGMn13耐磨钢Mn:获得单相A组织水韧处理表:M+碳化物 心:A20Cr渗碳钢Cr:提高淬透性，强化F渗碳+淬火+低温回火表: M回+颗粒状碳化物+A心: M回+F40Cr调质钢Cr:提高淬透性，强化F调质处理S回9SiCr低合金工具钢Cr:提高淬透性淬火+低温回火M回+颗粒状碳化物+A (少量)GCr15滚动轴承钢Cr:提高淬透性，耐磨性、耐蚀性淬火+低温回火M回+