8 合金钢

课题：合金钢

教材分析：

本课题选自李世维主编、高等教育出版社出版的中等职业教育国家规划教材《机械基础》（机械类）第4章“机械工程材料”中“§4-1 钢铁材料”的内容。机械工程材料包括金属材料和非金属材料，金属材料中在工程和零件制造中应用最广泛的是碳钢及在碳钢基础上发展起来用途更广泛的合金钢，本节课内容主要介绍的是合金钢。通过这节课的学习，学习理论联系实际的学习方法，从生活中寻找教学模型，由使用性能去反推选择材料，以及合金元素的作用，灵活学习无需死记硬背。

学情分析：

中职生文化基础差、学习能力较弱、学习的主动性不强，这是一个不争的事实，也是一个普遍的现实问题，但他们对新事物有较强的好奇心，善于联想，从这一现状出发，教学中应以调动学生学习积极性为出发点，以生活中的实例为教学模型，扩散思维，归纳总结来组织教学，让学生在发现问题，解释问题的思索中提高对本课程的学习兴趣，不断积累专业知识，并能活学活用，理论联系实践。教学目标：

1. 知识目标

（1）了解合金钢的化学成分；

（2）掌握合金钢的分类方法；

（3）熟练掌握典型合金钢的牌号、成分、性能和应用。

2. 能力目标

培养学生理论联系实际的能力，从生活中，从身边去挖掘教学模型，学以致用。

3. 情感目标

培养学生口头表达能力，如何去欣赏别人的优点，如何去肯定别人，从而培养团队意识，合作意识。

教学重点：典型合金钢的牌号、成分、性能和应用。

教学难点：典型合金钢的牌号、成分、性能和应用。

课时安排：4课时

教学手段：利用多媒体辅助教学

教学方法：情景教学、启发引导、讲练结合

学法指导：教法与学法室相辅相成的，教法直接影响学生对知识点掌握和能力的提高，而学法指导是学生智力发展目标得以实现的重要途径。在讲清合金钢牌号的意义和合金含量与性能的关系的基础上，列举生活中的各种模型，讨论其性能特点和使用的性能，从而归纳总结典型合金钢的牌号、性能及应用。通过启发式教学，引导学生分析、讨论、解决问题，探索生活的秘密，激发学习兴趣，提升综合能力。

教学过程：

（一）新课导入

分析上节课碳钢的主要内容。

设疑：碳钢中碳含量对力学性能的影响？碳钢的化学稳定性如何？能不能更进一步改善碳钢的性能？

讨论：碳钢的防锈措施。引出新课。

（二）新课讲授：

二、合金钢

碳钢应用广泛，性能不能满足工程结构、高速加工工具、耐蚀、耐热要求。于是人们尝试改善碳钢。合金钢应运而生。

定义：合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢；

合金元素就是合金钢中加入的其他元素。

常用的合金元素：硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）及稀土元素（Re）。

1. 合金钢的种类和牌号

（1）按用途可分为：

1）合金结构钢：用于制造重要的机械零件和工程结构。

2）合金工具钢：用于制造重要的刃具、量具和模具。

3）特殊性能钢：具有特殊的物理、化学性能的钢。

（2）按合金元素的含量可分为：

1）低合金钢：合金元素的总含量＜5%。

2）中合金钢：合金元素的总含量为5%～10%。

3）高合金钢：合金元素的总含量＞10%。

（3）合金钢的牌号

（1）合金结构钢：用两位数字+ 元素符号+ 数字表示。

1）当合金元素的含量小于1.5%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量。2）当合金元素的含量大于1.5%、2.5%、3.5%时，则在元素符号后标出2、3、4。

3）若为高级优质钢，则在钢号后加“A”。

（2）合金工具钢：用一位数字+ 元素符号+ 数字表示。

1）当含碳量大于或等于1.0%时不予标出。

2）合金工具钢一般都为高级优质钢，其牌号后不再标“A”。

（3）特殊专用钢：在钢号前冠以表示钢的用途的拼音声母，不标含碳量。

GCr15SiMn，滚珠轴承钢，其中Cr的含量为1.5%。

（4）质量等级：合金钢至少是优质钢。

2. 合金结构钢

（1）工程结构用钢（普通低合金结构钢）：在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的合金结构钢。

用途：主要用于制造各种工程结构件。

特点：主加元素为锰（0.8%～1.8%），合金元素总量一般不超过3%。

典型材料：16Mn。

（2）机械制造用钢

1）合金渗碳钢：指经过渗碳后淬火，再低温回火处理的合金结构钢。

①碳含量在0.1%～0.25%之间。

②零件的表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有高的强度和韧性。

③适合截面在30mm以下的高强度渗碳零件。

④20CrMrTi是目前应用最广的合金渗碳钢。

⑤适于高速、重载、受冲击的重要零件，如传动轴、高速齿轮等。

2）合金调质钢：指经过调质处理（淬火后高温回火）后的合金结构钢。

①碳含量在0.25%～0.50%之间。

②具有高硬度和高韧性的良好的综合力学性能。

③40Cr是目前应用最广的合金调质钢。

④适于重载、受冲击的零件，如机床主轴、曲柄、连杆等。

3）合金弹簧钢：指经过淬火后中温回火的合金结构钢。

①碳含量在0.45%～0.75%之间。

②具有高的弹性极限、高疲劳强度、足够的塑性和韧性、良好的表面质量。

③是制造各种弹簧的专用合金结构钢。

④60Si2Mn是目前应用最广的合金弹簧钢。

⑤适于弹性件或耐磨件，如弹簧、板簧等。

3. 滚珠轴承钢：是制造各种滚动轴承的滚动体和内、外套圈的专用钢。

1）碳含量在0.95%～1.15%之间，铬含量在0.6%～1.65%之间。

2）具有高而均匀的硬度和耐磨性、高疲劳强度、足够的韧性和淬透性，以及一定的耐蚀性。

3）其化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近，也常用它制造刃具、量具、冷冲模具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。

4）GCr15和GCr15SiMn是目前应用最广的滚珠轴承钢。

4. 合金工具钢

主要用于制造重要的刃具、量具和模具，因而对应的就有了合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢。

（1）合金刃具钢：是指用于制造各种刃具和成形刀具的钢。

1）低合金刃具钢：是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素形成的一类钢。

特点：硬度、耐磨性、强度、淬透性以及红硬性（250℃）均比碳素工具钢好。用途：主要用于制造形状较复杂的低速切削工具（如丝锥、板牙、绞刀等）。典型：9CrSi和CrWMn是目前常用的低合金刃具钢。

2）高速钢：是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢。

特点：具有高的硬度、红硬性（650℃）、耐磨性和淬透性，但使用前必须经过

正确锻造和热处理。

用途：主要用于制造切削速度较高的刃具（车刀、钻头等）和形状复杂、负荷较重的成形刀具（铣刀、拉刀等）。

典型：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2是目前常用的高速钢。

（2）合金模具钢：是指用于制造冲压、热锻、压铸等成形模具的钢。

1）冷变形模具钢：用于制造使金属在冷态下变形的模具。如冷冲模、冷压模等。

特点：具有高的硬度、耐磨性和淬透性，强度韧性好，变形小。

用途：主要用于制造尺寸大、变形小的冷模具。

典型：Cr12和Cr12MoV是目前常用的冷变形模具钢。

2）热变形模具钢：用于制造使金属在高温下变形的模具。如热锻模、压铸模等。

特点：高温下强度韧性高，耐磨性及抗热疲劳性好。

用途：主要用于制造尺寸大的热锻模和热挤压模。

典型：5CrNiMo和3Cr2W8是目前常用的热变形模具钢。

（3）合金量具钢：是指用于制造测量工具的钢。如千分尺。

特点：具有高的硬度、耐磨性以及高的尺寸稳定性。

用途：主要用于制造测量工具。

典型：CrWMn和GCr15是目前常用的合金量具钢。

5. 特殊性能钢

（1）不锈耐酸钢（简称不锈钢）：是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢。

典型：Cr13型不锈钢（1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13）耐蚀器具、零件0Cr18Ni9、1Cr18Ni9 ，耐强蚀设备

（2）耐热钢：是指在高温下具有良好的抗氧化能力并有一定强度的钢。

钢的耐热性是高温抗氧化性和高温强度（热强性）的总称。耐热钢通常分为抗氧化钢和热强钢

①抗氧化钢：又称不起皮钢。

特点：高温下具有较好的抗氧化能力并有一定的强度。

应用：这类钢主要用于制造长期工作在高温下的零件，如各种加热炉底板、渗碳箱等。

典型：常用的抗氧化钢有4Cr9Si2、1Cr13SiAl等。

②热强钢

特点：在高温下有良好的抗氧化能力并具有较高的高温强度。

典型：常用的热强钢有15CrMo、4Cr14Ni4WMo等。

应用：15CrMo是典型的锅炉用钢，可以制造在300℃～500℃下长期工作的零件；4Cr14Ni4WMo可以制造在600℃以下工作的零件，如汽轮机叶片，大型发电机排气阀等。

（3）耐磨钢：指具有高耐磨性的高锰钢。

主要化学成分：碳含量1.0%～1.3%，锰含量11%～14%，

典型：ZMn13（这种钢基本上都是铸造成型的）

应用：主要用于制造铁路道岔、拖拉机履带、挖土机铲齿等。

（三）课堂小结

本节课我们讲了合金钢分类，牌号，重点介绍合金钢的类型，牌号、成分、性能特点和主要用途。根据成分分析性能，根据性能知晓用途，从而正确选择材料，这是我们学习这一章的目标也是学习的方法。

作业：分析下列牌号的含义：20SiMnTi、40Cr、65Mn、CrWMn、Cr12、2Cr13、W6Mo5Cr4V2、ZMn13。