工程材料 課程講稿授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）： 第七章 工業(yè)用鋼授課方式（請打）理論課R 討論課 實驗課 習(xí)題課 其他課時安排6學(xué)時教學(xué)要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：了解常存元素和雜質(zhì)對鋼性能的影響；掌握碳鋼、合金鋼的分類、編號及性能特點，合金元素的作用；掌握合金結(jié)構(gòu)鋼，合金工具鋼，特殊性能鋼的用途、性能要求、成分特點、常用鋼種和熱處理。教學(xué)重點、難點及關(guān)鍵知識點：教學(xué)重點： 碳鋼、合金鋼的分類、編號及性能特點，合金元素的作用，合金結(jié)構(gòu)鋼，合金工具鋼，特殊性能鋼的用途、性能要求、成分特點、常用鋼種和熱處理。難點：合金元素的作用，合金結(jié)構(gòu)鋼，合金工具鋼，特殊性能鋼的用途、性能要求、成分特點和熱處理。方法及手段1以講授為主，并結(jié)合生活、生產(chǎn)用鋼的實例和CAI課件。2請學(xué)生觀察、研究一臺車床或一輛汽車，分析金屬材料的應(yīng)用情況。加深對課程內(nèi)容的理解。 3請學(xué)生瀏覽相關(guān)網(wǎng)站，收集金屬材料應(yīng)用有關(guān)資料，了解新的金屬材料研究情況，拓寬知識面。 教學(xué)基本內(nèi)容（教學(xué)過程）改進設(shè)想第七章 工業(yè)用鋼第一節(jié) 概述提示：鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼（簡稱碳鋼）和合金鋼兩大類。一、碳鋼的牌號和應(yīng)用 1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：主要保證力學(xué)性能，在牌號上直接體現(xiàn)“屈”的漢語拼音第一個字母Q 數(shù)字牌號屈服強度例： Q275 該鋼的最低的屈服強度為275MPa Q數(shù)字-A(B，C，D)F(b) A，B，C，D 鋼的含硫、磷量依次降低，質(zhì)量變好， F 表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn)定鋼 工程材料 課程講稿常用碳素結(jié)構(gòu)鋼： Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性較好，有一定的強度，通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等，可用于做橋梁、建筑物等構(gòu)件，也可用做普通螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取?Q235C、Q235D 可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 強度較高，可軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。熱處理：這類鋼常在熱軋狀態(tài)下使用，不再進行熱處理。但對某些零件，也可以進行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等處理，以提高其使用性能。 2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，需要熱處理獲得需要的性能 牌號含義：用兩位數(shù)字表示含碳量的萬分數(shù)常用牌號：08 08F 10 10F 塑性韌性好，冷成型性和焊接性能好，可冷軋成薄板，用于儀器儀表外殼、汽車車身等。 30 40 45 50 綜合性能好，用于軸類零件，如曲軸、連桿等。60 65 彈性極限高，主要用于彈簧類零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼使用前一般都要經(jīng)過熱處理。3碳素工具鋼要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，需要熱處理獲得需要的性能牌號含義：T 數(shù)字(A) 數(shù)字表示含碳量的千分數(shù)例：T9表示碳質(zhì)量分數(shù)為0.9%（即千分之九）的碳素工具鋼常用碳素工具鋼： T7、T8 硬度較高、韌性較高，可制造沖頭、鑿子、錘子等工具。 T9、T10、T11 硬度高，韌性適中，可制造鉆頭、刨刀、絲錐、手鋸條等刃具及冷作模具等。 T12、T13 硬度很高，韌性較低，可制作銼刀、刮刀等刃具及量規(guī)、樣套等量具。碳素工具鋼使用前都要進行熱處理。二、碳鋼的優(yōu)缺點1優(yōu)點：可熱處理強化，冶煉工藝簡單，壓力加工和機械加工性能好，價格低廉。2不足： 碳鋼淬透性低，不適宜形狀復(fù)雜和尺寸大的工件。只能水冷，易變形開裂，性能不均。工程材料 課程講稿 強度和屈強比低。回火穩(wěn)定性差。 不能滿足特殊性能的要求。耐熱、耐蝕、抗氧化、耐磨、紅硬性等。提示：碳鋼不能完全滿足科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展要求。 為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素。所獲得的鋼種，稱為合金鋼。 三、合金鋼1按合金元素含量多少合金鋼分為： 低合金鋼（合金元素總量低于5%）、 中合金鋼（合金元素總量為5%10%） 高合金鋼（合金元素總量高于10%）。 合金元素平均質(zhì)量的百分數(shù)平均碳的質(zhì)量的萬分數(shù)2按用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼 3合金鋼的牌號（1）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號：數(shù)字 + 合金元素符號 + 數(shù)字45Mn2 40Cr幾個特殊情況：軸承鋼，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，高級優(yōu)質(zhì)鋼（2）合金工具鋼和特殊性能鋼的牌號：數(shù)字 + 合金元素符號 + 數(shù)字含碳量的千分數(shù)合金元素平均質(zhì)量的百分數(shù)說明：Wc1%時，不標(biāo)數(shù)字；高速鋼例外。四、常存元素和雜質(zhì)對鋼性能的影響1錳有益元素；脫氧劑； Mn+SMnS(降低S的有害作用) 熱加工性能 固溶強化：使性能更優(yōu)；2硅有益元素 脫氧脆性 固溶強化3硫有害元素 9850C（Fe+FeS）熱脆 加入MnMnS4磷有害元素 Fe3P 室溫下 17%)， A (WNi 9%)（二）常用不銹鋼1馬氏體型不銹鋼機械性能好，耐蝕性一般。1Cr13、2Cr13、3Cr13，用于汽輪機葉片、測量工具、不銹軸承、彈簧，4Cr13、9Cr18手術(shù)器具及刀具。2鐵素體型不銹鋼強度低、塑性好、耐硝酸等。1Cr17、1Cr25、1Cr28用于化工設(shè)備、食品工業(yè)。3奧氏體型不銹鋼（用量最多，占6570； ）高塑性、高的低溫韌性、高的加工硬化能力、焊接性能好、無磁性及高的耐腐蝕性好。1Cr18Ni9Ti、 0Cr18Ni9Ti化工行業(yè)居多，酸（硝酸、有機酸）、堿、鹽工業(yè)中的機械零件。工程材料 課程講稿4奧氏體和鐵素體雙相不銹鋼典型鋼號 0Cr26Ni5Mo2 等。這類鋼是在18-8型鋼的基礎(chǔ)上，提高鉻含量或加入其它鐵素體形成元素，其晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞傾向較小，強度、韌性和焊接性能較好，而且節(jié)約Ni，因此得到了廣泛的應(yīng)用。（三）熱處理及強化方法1馬氏體不銹鋼淬火+回火獲得馬氏體。2F不銹鋼退火和正火態(tài)使用，可利用形變強化。3A不銹鋼固溶處理和穩(wěn)定化處理提高耐蝕性，可利用形變強化。固溶處理：加熱至A體區(qū)快冷（水冷）二、耐熱鋼 （一）耐熱性的概念耐熱鋼是指在高溫下具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強性的特殊鋼。 1抗氧化性 抗氧化性是指金屬在高溫下的抗氧化能力，其在很大程度上取決于金屬氧化膜的結(jié)構(gòu)和性能。提高鋼的抗氧化性的最有效的方法是加入Cr、Si、Al等元素，它們能形成致密的、高熔點的并牢固覆蓋于鋼表面的氧化膜(Cr2O3、 Al2O3。) 2熱強性 熱強性是指鋼在高溫下的強度。在高溫下鋼的強度較低，當(dāng)受一定應(yīng)力作用時，發(fā)生變形量隨時間而逐漸增大的現(xiàn)象-蠕變。金屬在高溫下強度降低，主要是擴散加快和晶界強度下降的結(jié)果。提高高溫強度的途徑有：（1）固溶強化：加入W、Mo、 Nb、Ti、V等元素強化基體；提高再結(jié)晶溫度。（2）彌散強化：加入Nb、V、Ti等元素形成碳化物,在晶內(nèi)彌散析出，阻礙位錯的滑移，提高塑變抗力。（3) 采用粗晶鋼，減少晶界。（二）常用的耐熱鋼1鐵素體型耐熱鋼常用鋼種有0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。這類鋼的主要合金元素是Cr，Cr擴大鐵素體區(qū)，通過退火，可得到鐵素體組織。強度不高，但耐高溫氧化。用于油噴嘴、爐用部件、燃燒室等。工程材料 課程講稿2奧氏體型耐熱鋼 常用鋼種有1Cr18Ni9Ti、 2Cr21Ni12N、 2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo等。鋼中含有較多的奧氏體穩(wěn)定化元素Ni，經(jīng)固溶處理后組織為奧氏體。其化學(xué)穩(wěn)定性和熱強性都比鐵素體型和馬氏體型耐熱鋼強，工作溫度可達7500C8200C。用于制造一些比較重要的零件，如燃氣輪機輪盤和葉片、排氣閥、爐用部件等。這類鋼一般進行固溶處理，也可通過固溶處理加時效提高其強度。 3馬氏體型耐熱鋼 常用鋼種為1Cr13、2Cr13、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。這類鋼含有大量的Cr，抗氧化性及熱強性均高，淬透性好。經(jīng)淬火后得到馬氏體，高溫回火后組織為回火索氏體。用于制造6000C以下受力較大的零件，如汽輪機葉片、內(nèi)燃機進氣閥、轉(zhuǎn)子、輪盤及緊固件等。 4沉淀硬化型耐熱鋼 鋼種有0Cr17Ni7Al、0Cr17Ni4Cu4Nb，經(jīng)固溶處理加時效后抗拉強度可超過1000MPa，是耐熱鋼中強度最高的一類鋼。用于高溫彈簧、膜片、波紋管、燃氣透平壓縮機葉片、燃氣透平發(fā)動機部件等。三、耐磨鋼（高錳鋼）在強烈沖擊載荷和嚴重磨損條件下工作的要求具有良好韌性和耐磨性的鋼。1.成分特點：高碳WC 1.01.3 ，高錳WMn 1114 2.性能特點：有強烈的加工硬化，機加工困難，只能鑄造成型。但鑄態(tài)硬而脆。需作水韌處理。水韌處理：將高錳鋼加熱到10000C11000C，保溫，使碳化物全部溶入A中，然后快速水冷，獲得均勻的A組織。（不需回火）強化原理：A組織塑性好，硬度低，但受到強烈沖擊、嚴重摩擦和強大的壓縮力時，表層A發(fā)生塑變產(chǎn)生強烈的加工硬化，而且還有馬氏體產(chǎn)生，硬化效果非常強烈?？蛇_5256HRC，使耐磨性顯著提高，而心部仍保持良好塑性，韌性的A狀態(tài)。3.常見鋼號： ZGMn13、ZGMn12Cr2、4.應(yīng)用：坦克、拖拉機履帶板,挖掘機鏟斗,防彈板,保險箱鋼板等。作業(yè)和思考題：課后習(xí)題13、16課后小結(jié)及教學(xué)后記：本課教育評注（課堂設(shè)計理念，實際教學(xué)效果）鋼 號鋼 種合金元素的主要作用熱處理特點使用狀態(tài)下組織Q345低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Mn:強化F，增加P量，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度熱軋空冷F+P65Mn彈簧鋼Mn:提高淬透性，強化F淬火+中溫回火T回ZGMn13耐磨鋼Mn:獲得單相A組織水韌處理表:M+碳化物 心:A20Cr滲碳鋼Cr:提高淬透性，強化F滲碳+淬火+低溫回火表: M回+顆粒狀碳化物+A心: M回+F40Cr調(diào)質(zhì)鋼Cr:提高淬透性，強化F調(diào)質(zhì)處理S回9SiCr低合金工具鋼Cr:提高淬透性淬火+低溫回火M回+顆粒狀碳化物+A (少量)GCr15滾動軸承鋼Cr:提高淬透性，耐磨性、耐蝕性淬火+低溫回火M回+