3.2 合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理（课件）-《机械基础》同步精品课堂（高教版·第2版）

《机械基础》高教版（第2版） 同步精品课程——中职专业课 第三章 工程材料 合金钢、铸钢、铸铁和钢的热处理 知识目标 了解合金钢的分类方法。 了解铸铁的分类、牌号、性能和应用。 能力目标 了解钢的热处理的目的、分类和应用。 情感目标 结合机械基础课程内容特点，认识到加入工匠精神、职业道德、节能减排是当下亟需解决的问题，培养学生关注国家时事，让自己成为国家栋梁之材。 学习目标 第三章 工程材料 导入情景 01 材料是人类用以制造各种有用器件的物质，也是人类生产和生活所必需的物质基础。汽车、轮船、火箭及日常使用的工具都是由各种不同的材料制成的(图)。 (a)高速列车 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 合金钢是指在碳钢的基础上加入其他合金元素形成的钢。 合金钢 常用的合金元素有硅Si、锰 Mn、 钨W、钼Mo、铬Cr、镍Ni 等，加入合金元素的种类、数量不同，则钢的性能、用途也有所 不同。 其中加入钼、铬、镍可以提高钢的强度和韧性，而钨元素是提高热硬性及耐磨性的主要 元素。 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 合金钢的分类方法很多，最常用的是按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。 (1)合金结构钢合金结构钢主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广、用量最多的钢种，一般分为两大类；工程用合金结构钢和机械制造用合金结构钢 (图)。 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 1)工程用合金结构钢 制造承受载荷的工程结构所用的钢称为工程用合金结构钢，也称 为建筑结构钢。常用的有低合金高强度结构钢、低合金耐候钢和低合金专用钢等。 01 低合金高强度结构钢是最常用的一种，是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素而成。 其牌号含义与碳素结构钢相同，如Q355B、Q390D、Q420B、Q460C 等。 02 可见低合金高强度结 构钢的强度显著高于相同碳量的碳素结构钢，并具有较好的塑性、韧性以及良好的焊接性和耐 大气腐蚀性，用这类钢制作大型构件不仅安全可靠，而且减轻自重、节约钢材。因此，广泛用于 在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容 器等。 03 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 2)机械制造用合金结构钢 这类钢是在优质或高级优质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。 01 大多需经过热处理后才能使用，按其用途和热处理特点可分为 合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。 02 前三类钢的牌号用两位数字+化学元 素符号+数字表示，前面的两位数字表示钢中碳的平均质量分数的万分数，后面的数字表示 钢中合金元素的平均质量分数的百分数。 03 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。   类别     牌号     wc(%)   Rm /MPa R . 或 Rp0.2 /MPa   A (%)   Z (%)   Ku /J 退火或 高温回 火硬度 /HBW     应用举例 合金 渗碳 钢 20 C 0.18～0.24 835 540 10 40 47 179 齿轮、链轮、小轴、活塞销等 20CrMnTi 0.17～0.23 1080 850 10 45 55 217 汽车、拖拉机上的变速箱齿轮   合金 调质 钢   35SiMn   0.32～0.40   885   735   15   45   47   229 除低温(<-20 ℃)韧性稍差外， 可全面代替40Cr   40Cr   0.37～0.44   980   785   9   45   47   207 作重要调质件，如轴类、链轮、连 杆螺栓、进气阀和重要齿轮等 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。   类别     牌号     w. (%)   Rm /MPa RL或 R₁o2 /MPa   A (%)   Z (%)   Ku /J 退火或 高温回 火硬度 /HBW     应用举例   合金 调质 钢   40MnB   0.37～0.44   980   785   10   45   47   207 代替直径小于50 mm的40Cr 作重要螺栓和轴类件等   38CrMoAl   0.35～0.42   980   835   14   50   71   229 作渗氮零件，如精密机床主轴 高压阀门、缸套等   合金 弹簧 钢 65Mn 0.62～0.70 980 785 8 30 — — 截面<25 mm的各种螺旋弹簧 板弹簧 60Si2Mn 0.56～0.64 1570 1375 5 20       55CrMnA   0.52～0.60   1225   1080   9   20     车辆、拖拉机上用直径<50 mm 的圆弹簧和板弹簧 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。 ① 合金渗碳钢指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，其碳的质量分数wc一般 为0.10%～0.25%,主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，如汽车、 拖拉机、重型机床中的齿轮，内燃机的凸轮轴等。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。 ② 合金调质钢指经过调质处理后使用的中碳合金结构钢，其碳的质量分数wc一般为 0.25%～0.50%,用于受力复杂、要求综合力学性能好的重要零件，如精密机床的主轴、汽车的 后桥半轴、发动机的曲轴、连杆、高强度螺栓、锻床的锤杆等。40Cr 钢是最常用的合金调质钢， 其强度比40钢高20%。 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。 ③ 合金弹簧钢 合金弹簧钢是弹性好且用于制造弹簧或弹性元件的合金钢，其碳的质量 分 数wc 一般为0.50%～0.70%。具有高的弹性极限和屈服强度，还具有较高的疲劳强度和足 够的塑性、韧性。主要用于制造机械及仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机和火车上的板弹簧和螺 旋弹簧等。60Si2Mn是最常用的合金弹簧钢。 新知学习 02 二、钢铁材料 2.合金钢 常用的合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能及应用见表。 ④ 滚动轴承钢滚动轴承钢是一种高碳低铬钢，具有高的接触疲劳强度、高而均匀的硬 度和耐磨性及一定的韧性和耐蚀性能，用于制造滚动轴承的套圈和滚动体等，也可用于制作精 密量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油泵等精密零件，如针阀体、柱塞、柱塞套等。中、小尺寸轴 承零件可选用G8Cr15 、GCr15,大尺寸轴承零件可选用GCr15SiMn 、GCr15SiMo 、GCrl8Mo制 造，牌号前面的G 为“滚”字的汉语拼音字首。 新知学习 02 二、钢铁材料 (2)合金工具钢 工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等，按其化学成分可分为非合金 工具钢、合金工模具钢和高速工具钢三类。 1)合金工模具钢包括量具刃具钢、冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。其牌 号表示方法与机械制造用合金结构钢大致相同，也是用数字+合金元素符号+数字表示， 差别是前面的数字表示钢中碳的平均质量分数的千分数，且钢中平均wc≥1% 时不标此数 字。如9Mn2V表示平均wc=0.9%、平均WMn=2%、平 均wy<1.5%(V 表示钒);Cr06表示平均 wc>1.0%、平均wa=0.6%。 新知学习 02 二、钢铁材料 量具刃具钢的wc 为 0.80%～1.50%,以保证高的硬度和耐磨性。加入的合金元素有Cr、Si、Mn、W等。 量具刃具钢主要用于制造低速切削刃具(如木工工具、钳工工具、钻 头、铣刀和拉刀等)及测量工具(如卡尺、千分尺、量块和样板等)。 9SiCr是应 用广泛的刃具钢，用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等；高精 度量具(如量块)可采用Cr2、CrWMn 等制造 01 02 03 ① 量具刃具钢 新知学习 02 二、钢铁材料 量具与刃具 新知学习 02 二、钢铁材料 高含碳量是为了获得高硬度和 高耐磨性。加入的合金元素有Cr、Mo、W、V等。 具钢冷作模具用于冷态金属的加工，如冷冲模、冷挤压模和剪切模等均属冷作 模具，工作温度低于300℃。冷作模具钢的wc 为1.0%～2.0%。 最常用的冷作模具钢为Cr12、Cr12MoV, 常用 于大型冷作模具。尺寸较小的冷作模具可选用低合金冷作模具钢CrWMn 等。 01 02 03 ② 冷作模 新知学习 02 二、钢铁材料 大型冷作模具(汽车冲压模具) 新知学习 02 二、钢铁材料 若含碳量过高，则塑性、韧性不足，含碳量过低，则硬度、耐磨性不足。 具钢热作模具用于热态金属的加工，如热锻模、压铸模和热挤压模等均属热 作模具，型腔表面工作温度达600℃。热作模具钢的wc为0.3%～0.6%(中碳)。 加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、 W、Si等。5CrMnMo 和 5CrNiMo 是最常用的热作模具钢，具有较高的强度、韧性和耐磨性，优 良的淬透性和良好的耐热疲劳性，5CrMnMo常用来制造中小型热锻模具。 01 02 03 ③ 热作模 新知学习 02 二、钢铁材料 大中型热锻模具(曲轴锻模) 新知学习 02 二、钢铁材料 ④ 塑料模具钢塑料模具钢是制造塑料模具用的钢种，常用的有3Cr2Mo.3Cr2MnNiMo. 主要用于制造形状复杂、精密、大型的塑料模具，如图所示。 新知学习 02 二、钢铁材料 常用的高速钢有 W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V2等，用于制造切削速度高且形状较复杂的刃具，如铣刀、铰刀、拉刀、 滚刀、麻花钻等 高速工具钢是用于制造高速切削刃具的钢种，简称高速钢，俗称锋 钢或白钢，含有较多碳、钨、钼、铬、钒，具有高硬度、高耐磨性和高耐热性。 除制造刃具外，高速工具钢还广泛应用于冷作模具和热作 模具。 01 02 03 2)高速工具钢 新知学习 02 二、钢铁材料 高速钢刃具 新知学习 02 二、钢铁材料 (3)特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种，如不锈钢、耐热钢、低温钢及耐磨钢。 1)不锈钢在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能的钢称为不锈钢。用于 制造要求耐腐蚀的零件或工具，如化工管道、阀门、泵、压力容器、反应堆包壳管和回路管 道、手术刀和滚动轴承等。常用的不锈钢有12Cr13(S41010) 、20Cr13(S42020) 、30Cr13 (S42030) 、06Cr13Al(S11348) 、10Cr17(S11710) 、06Cr19Ni10(S30408) 、06Cr17Ni12Mo2 (S31608) 等。 新知学习 02 二、钢铁材料 (3)特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种，如不锈钢、耐热钢、低温钢及耐磨钢。 2)耐热钢在高温下具有高热稳定性和热强度的特殊钢称为耐热钢，根据性能特点分为 抗氧化钢和热强钢。它们主要用于制造工业加热炉、高压锅炉、汽轮机、内燃机、航空发动机、 热交换器等在高温下工作的构件和零件。如14Cr11MoV可在500℃以下工作，最宜制造汽轮 机的叶片；42Cr9Si2用于制造使用温度低于750 ℃的发动机排气阀。 新知学习 02 二、钢铁材料 (3)特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种，如不锈钢、耐热钢、低温钢及耐磨钢。 3)低温钢用于工作温度在0℃以下的零件和结构件的钢种称为低温钢。 4)耐磨钢用于制造高耐磨零件及构件的钢种称为耐磨钢。如ZGMn13 (铸钢)耐磨性 特别好，并可在冲击与压力条件下工作，用于制作坦克、拖拉机、挖掘机的履带板，破碎机的牙 板，铁路道岔等。 新知学习 02 二、钢铁材料 3.铸钢 铸钢是可将熔炼好的钢液直接铸成零件或毛坯的钢种。与铸铁相比，铸钢的力学性能，特 别是抗拉强度、塑性、韧性较高，但铸造性较铸铁差。 因此，铸钢一般应用于较重要、形状复杂 而且要求具有较高综合力学性能的结构件，如机架、缸体、齿轮、连杆等。 铸钢的牌号是用字母“ZG” 加两组数字组成。其中，“ZG” 是“铸钢”两字汉语拼音首字母；第一组数字表示屈服强度值(MPa); 第二组数字表示抗拉强度值(MPa), 如ZG200-400。 铸造状态使用的合金钢，又称为合金铸钢。 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 铸铁是碳的质量分数wc 大于2.11%的铁碳合金的总称，铸铁还含有硅、锰、硫、磷等元素。 与钢相比，铸铁抗拉强度、塑性、韧性较低，但却具有优良的铸造性能、耐磨性、减摩性、减振性 和可加工性，而且生产工艺简单、加工成本低，因此应用广泛。 铸铁不能进行锻造、轧制等压力 加工，只能用铸造等工艺方法加工成形 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 图所示为铸铁零件 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 (1)灰铸铁指碳主要以片状石墨形态存在的铸铁，其断口呈灰色，简称灰铁。灰铸铁的 牌号由字母HT+数字组成。其中，“HT”是“灰铁”两字汉语拼音首字母，其后的数字表示最 小抗拉强度(MPa) 。如 HT100表示最小抗拉强度为100 MPa的灰铸铁。 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 (2)可锻铸铁指碳主要以团絮状石墨形态存在的铸铁，俗称玛钢。将白口铸铁进行退 火处理使渗碳体分解，可形成团絮状石墨。可锻铸铁的牌号是由字母KTH( 或KTZ)+ 两组 数字组成。其中，“KT” 是“可铁”两字汉语拼音首字母；第三个字母代表类别，“H” 表示“黑 心”,“Z”表示“珠光体”;其后的两组数字分别表示最小抗拉强度(MPa) 和最小伸长率。如 KTH300-06表示最小抗拉强度为300 MPa、最小伸长率为6%的黑心可锻铸铁。 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 (3)球墨铸铁指碳主要以球状石墨形态存在的铸铁，简称球铁。为了使石墨呈球 形，浇注前需向液态铸铁中加入一定量的球化剂。球墨铸铁的牌号用字母QT+ 两组数字表 示。其中，“QT” 是“球铁”两字汉语拼音首字母；其后的两组数字分别表示最小抗拉强度 (MPa) 和最小伸长率。如QT500-7 表示最小抗拉强度为500 MPa、最小伸长率为7%的球墨 铸铁。 新知学习 02 二、钢铁材料 4.铸铁 (4)蠕墨铸铁蠕墨铸铁是指石墨以蠕虫状形态存在的铸铁。蠕墨铸铁的牌号用字母 RuT+ 数字表示。其中，“RuT” 是“蠕铁”两字汉语拼音字母；其后的数字表示最小抗拉强度 (MPa) 。 如 RuT350表示最小抗拉强度为350 MPa的蠕墨铸铁。 新知学习 02 三、钢的热处理 热处理是在固态下通过加热、保温和冷却的方法，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。 普通热处理 表面热处理 新知学习 02 三、钢的热处理 1.普通热处理 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，包括退火、正火、淬火和回火四种。 (1)退火退火是将钢加热到适当的温度(如45钢为820～840 ℃),保温一定时间 后，以十分缓慢的速度进行冷却(炉冷、坑冷、灰冷)的一种工艺方法。其目的是改善组织，细 化晶粒，降低硬度，改善切削加工性。最常用的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退 火等。 新知学习 02 三、钢的热处理 1.普通热处理 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，包括退火、正火、淬火和回火四种。 (2)正火正火是将钢加热到适当的温度(如45钢为840～870℃),保温后从炉中取出 在空气中冷却的一种工艺方法。正火的目的是对普通结构件细化组织，适当提高硬度和强度， 作为最终热处理；对低、中碳钢作为预备热处理，改善切削加工性，并做组织准备。 新知学习 02 三、钢的热处理 1.普通热处理 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，包括退火、正火、淬火和回火四种。 (3)淬火淬火是将钢加热到适当的温度(如45钢的淬火温度为820～860℃),保温一 定时间后快速冷却(一般为油冷或水冷)的一种工艺方法。常用的淬火介质除水、油外还有碱、 盐类水溶液。淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性会明显下降。此外， 工件淬火后内部有较大的应力，容易产生变形、开裂等缺陷(图3-13a),为防止变形、开裂，淬 火后应及时回火。 新知学习 02 三、钢的热处理 1.普通热处理 普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，包括退火、正火、淬火和回火四种。 (4)回火回火是将淬火钢重新加热至727 ℃以下的某一温度，保温一定时间后冷却至 室温的一种工艺方法。回火的目的是降低淬火钢的脆性，减小或消除内应力，使组织趋于稳定 并获得所需要的力学性能。根据回火温度的不同分为低温回火、中温回火和高温回火三种， 图3-13所示是几种需要回火的零件。 新知学习 02 三、钢的热处理 需要回火的零件 新知学习 02 三、钢的热处理 2.表面热处理 (1)表面淬火钢的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，使工件 表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的组织的热处理工艺。表面淬火主要 有火焰淬火、感应淬火、激光淬火等。 (2)表面化学热处理将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某 些元素渗入工件表层，从而使其表面具有与心部不同性能的热处理方式称为表面化学热处理。 主要特点是改变工件表层的化学成分和组织，使工件表层不仅与心部组织不同，而且成分也不 同。最常用的方法是渗碳、渗氮和碳氮共渗。 01 02 课堂小结 03 小试牛刀 1.钢的整体热处理主要有哪几种？ A. 退火、回火、正火、淬火 B. 渗碳、氮化、氰化、碳氮共渗 C. 喷丸、滚压、抛光、研磨 D. 焊接、铸造、锻造、挤压 答案：A 解析：钢的整体热处理主要包括退火、回火、正火和淬火，这些过程可以改变钢的内部组织结构，从而改善其性能。 小试牛刀 2.将淬火后的钢件，再加热到500~650°C，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为？ A. 正火 B. 去应力退火 C. 球化退火 D. 高温回火 答案：D 解析：这种热处理工艺称为高温回火，其目的是消除淬火后的内应力，减少硬度，提高韧性。 小试牛刀 3.下列材料中适宜制作冷冲压工件的是哪种钢？ A. 45 B. 65Mn C. 08 D. Q190 答案：C 解析：08钢由于其良好的塑性和较低的强度，适宜用于制作冷冲压工件。 小试牛刀 4.38CrMoAl钢属于哪种合金钢？ A. 调质钢 B. 渗碳钢 C. 弹簧钢 D. 模具钢 答案：A 解析：38CrMoAl钢是一种合金调质钢，具有良好的综合机械性能。 小试牛刀 5.零件在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数称为？ A. 疲劳极限 B. 疲劳寿命 C. 疲劳强度 D. 循环极限 答案：B 解析：疲劳寿命是指零件在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力或应变的循环次数。 小试牛刀 6.测定淬火钢的硬度，一般常选用哪种硬度计来测试？ A. 布氏硬度计 B. 洛氏硬度计 C. 维氏硬度计 答案：B 解析：洛氏硬度计适用于测定淬火钢的硬度，因为它可以测量高硬度材料的表面硬度。 小试牛刀 7.做疲劳试验时，试样承受的载荷为？ A. 静载荷 B. 冲击载荷 C. 循环载荷 答案：C 解析：疲劳试验是模拟实际工况中的循环载荷条件，以评估材料的疲劳性能。 小试牛刀 8.金属材料抵抗永久变形和断裂的能力，称为？ A. 硬度 B. 塑性 C. 强度 答案：C 解析：强度是指金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。 作业布置 04 1.简述表面热处理。 2.简述普通热处理。 3.牌号HT300表示什么含义？ 感谢观看 $$