第5讲 工程材料的分类及其应用（教案）《金属加工与实训—基础常识与技能训练》同步精品课堂（高教版）

《金属加工与实训》学科教学设计（教案） 授课课题 非合金钢、低合金钢、合金钢及其应用 授课教师 XXXX 授课年级 职高二年级 授课学时 6学时 授课学期 职高二年级 第一学期 教材分析 《金属加工与实训》选自高等教育出版社，王英杰主编，为中等职业教育课程改革国家规划新教材。最新版教材使知识与技能通俗化、职业化和科普化；突出实践性，贴近生产过程，突出典型案例介绍，使学生初步建立感性认识，为后续相关课程的学习奠定基础。 学情分析 学生为职高二年级，经过一年的学习，对本专业的基础知识已经有一定的认识了，对新鲜事物的追求和学习能力很强，需要在本阶段抓住其好奇心和积极学习的心理。采用多练习、少讲授，多训练、少演示的方法提高对课程学习的兴趣。 教学目标 思政目标 1.熟悉安全生产、文明生产的有关知识，做到安全文明生产。 2.培养吃苦耐劳的精神品质，树立大国工匠精神。 3.初步建立选材的感性认识，如弹簧需要选用什么材料、一般构件需要选用什么材料。 知识目标 1.掌握常用非合金钢、合金钢的牌号及用途。 2.掌握常用非合金钢、低合进钢和合金钢的分类、牌号含义。 3.掌握中国标志性建筑物“鸟巢”“超高电压塔架”分别是什么材料制造的。 技能目标 1.通过学习工程材料的分类，能准确说出日常生活中工程材料的名称及牌号。 2.通过学习能对不同性能合金钢进行正确选用，例如制造弹簧、刃具分别是选用的是什么材料。 教学重点 1.掌握非合金钢、碳素钢、低碳钢、中碳钢及高碳钢各自的概念及用途。 2.掌握合金钢的分类方法及牌号编制方法。 教学难点 1.掌握非合金钢的分类方法及常用牌号的用途。 2.掌握合金钢的分类方法、牌号编制方法及常用牌号的用途。 教法 教授法+演示法+现场参观法 学法 练习法+训练法 教具（教学手段） 采用材料、多媒体教学课件 教学过程（教学活动设计） 教学环节 教学内容 设计意图 课前准备 对教材进行深入研究，提前备好课，准备好教学用课件及电子教案、图片、视频资源等。 提前知晓本次课的任务 新课导入 通过复习及简短的教学视频或图片引入本次课。 提高学习兴趣 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 新课教学 常用工程材料 工程材料是指在生活、生产和科技领域中，用于制造结构件、机器、工具和功能部件的各类材料的统称。 工程材料按其特性，可分为金属材料和非金属材料。 工程材料按其组成特点，可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料四大类。 工程材料按其使用性能，可分为结构材料与功能材料两大类。 结构材料是作为承力结构的材料，主要利用的是结构材料的力学性能。 功能材料主要利用的是其光、电、磁、热、声等特殊功能性能。 从工程材料应用的领域来分，可分为信息材料、能源材料、建筑材料、机械工程材料、生物材料、航空航天材料等。 第一节 非合金钢、低合金钢和合金钢 钢材按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。 非合金钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数一般在2.11%以下并含有少量其他元素的钢铁材料。 为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蚀、抗氧化、耐磨、热硬性、高淬透性等），在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。 含有一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。 合金元素含量较少的钢称为低合金钢。 一、非合金钢的分类、牌号及用途 1.非合金钢的分类 （1）按碳的质量分数分类。非合金钢按碳的质量分数大小分类，可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 低碳钢是指碳的质量分数wC<0.25%的铁碳合金。 中碳钢是指碳的质量分数wC=0.25%～0.60%的铁碳合金。 高碳钢是指碳的质量分数wC>0.60%的铁碳合金。 （2）按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。非合金钢按主要质量等级分为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。 普通质量非合金钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的非合金钢。 优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢。 特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的非合金钢。 （3）按用途分类。非合金钢按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢。 碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般都小于0.70%。此类钢常用于制造齿轮、轴、螺母、弹簧等机械零件，用于制作桥梁、船舶、建筑等工程结构件。 碳素工具钢主要用于制造工具，如制作刃具、模具、量具等，其碳的质量分数一般都大于0.70%。 （4）非合金钢的其他分类方法。非合金钢还可以从其它角度进行分类，如按专业分类，可分为锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等；按冶炼方法进行分类，可分为转炉钢和电炉钢等。 2.非合金钢的牌号及用途 （1）普通质量非合金钢中使用最多是碳素结构钢。 例如，Ｑ235-A·F表示屈服强度大于235Mpa（板材厚度小于16mm时），质量为A级的沸腾碳素结构钢。 碳素结构钢常用于制作薄板、焊接钢管、线材、铁钉、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件、屋面板、烟囱、中板、型钢、钢筋、钢管、铆钉、螺栓、连杆、小轴、法兰盘、机壳、桥梁与建筑结构件、焊接结构件等。 （2）优质非合金钢中使用最多是优质碳素结构钢。 08钢、10钢和15钢属于冷冲压钢，塑性好，强度低，焊接性能好，主要用于制作薄板，用于制造冷冲压零件和焊接件。 图2-1 线材料 图2-2 型钢 20钢和25钢属于渗碳钢，塑性和韧性较高，冷冲压性能和焊接性能好，可以制造各种受力不大但要求高韧性的零件，如焊接容器与焊接件、螺钉、杆件、轴套、冷冲压件等。 30钢、35钢、40钢、45钢、50钢、55钢属于调质钢，经过调质处理（淬火加高温回火）后具有良好的综合力学性能。主要用于制作要求强度、塑性、韧性都较高的零件，如齿轮、套筒、轴类等零件。这类钢在机械制造中应用很广，特别是40钢和45钢应用最广。 60钢、65钢、70钢、75钢、80钢、85钢属于弹簧钢，经热处理后可获得较高的弹性极限，主要用于制造尺寸较小的弹簧、弹性零件及耐磨零件，如机车车辆及汽车上的螺旋弹簧、板弹簧、气门弹簧、弹簧发条等。 （3）其它专用优质非合金钢。专用优质非合金钢在优质碳素结构钢基础上发展起来的专门用途的钢，如易切削结构钢、锅炉用钢、焊接用钢丝、矿用钢、钢轨钢、桥梁钢等，这些专用钢在钢号的首部或尾部用专用符号标明其用途。 例如，25MnK即表示在25Mn钢的基础上发展起来的矿用钢，钢中平均碳的质量分数为0.25%，锰的质量分数较高。 例如，Y12钢表示其平均碳的质量分数为0.12%的易切削钢。 例如，20g钢、22g钢、16Mng钢等是锅炉用钢。 例如，H08MnA中，H表示焊接用钢，08表示碳的质量分数为0.08%，Mn表示锰的质量分数为1%，A表示优质焊接用钢。 例如，ZG200－400表示屈服强度大于200Mpa，抗拉强度大于400Mpa的一般工程用铸造碳钢。 （4）特殊质量非合金钢中使用最多是碳素工具钢。 例如，T8表示平均碳的质量分数为0.80%的碳素工具钢。 3.非合金钢思维导图 二、低合金钢的分类、牌号及用途 1.低合金钢的分类 低合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。 （1）按主要质量等级分类。低合金钢按主要质量等级可分为：普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。 （2）按主要性能及使用特性分类。低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金专业用钢。 2.低合金钢的牌号及用途 例如，Q390A表示屈服强度≥390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。 例如，Q295HP表示焊接气瓶用钢、Q345R表示压力容器用钢、Q390g表示锅炉用钢、Q420q表示桥梁用钢、06TiL表示汽车用低合金钢、20MnSi表示低合金钢筋钢、20MnK表示矿用低合金钢等。 例如，Q355NHC表示屈服强度大于355Mpa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。此类耐候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。 三、合金钢的分类、牌号及用途 1.合金钢的分类 （1）按主要质量等级分类。合金钢按主要质量等级可分为：优质合金钢和特殊质量合金钢。 （2）按主要性能及使用特性分类。合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢等；其它，如铁道用合金钢等。 2．合金钢的牌号及用途 （1）合金钢的牌号 例如，60Si2Mn表示W(C)=0.60%、W(Si)=2%、W(Mn)＜1.5%的合金结构钢；09Mn2表示W(C)=0.09%、W(Mn)=2%的合金结构钢。 例如，9Mn2V表示W(C)=0.9%，W(Mn)=2%、W(V)＜1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中W(C)≥1.0%、W(Cr)＜1.5%、W(W)＜1.5%、W(Mn)＜1.5%的合金工具钢；高速工具钢牌号不标出碳的质量分数值，如W18Cr4V钢。 例如，GCr15SiMn表示滚动轴承钢。 不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当W(C)≥0.04%时，推荐取两位小数；在W(C)≤0.03%时，推荐取3位小数。例如，10Cr17Mn9Ni4N钢、022Cr17Ni7N钢等。 （2）合金钢的用途 ①耐磨钢常用于制造坦克和拖拉机的履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿、破碎机牙板、铁路道岔等。常用的耐磨钢牌号有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4和ZGMn13-5等。耐磨钢的加工工艺路线是： 耐磨钢→铸造→铸件→水韧处理→耐磨零件→检验→投入使用。 ②合金渗碳钢用于制造渗碳零件的，如部分重要零件如轴、活塞销、汽车用齿轮等，要求表面具有高硬度（55~65HRC）和高耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性要求。 常用的合金渗碳钢牌号有：20Cr钢、20CrMnTi钢、20CrMnMo钢、20MnVB钢等。合金渗碳钢的加工工艺路线是： 下料→锻造→预备热处理→机械加工(粗加工、半精加工)→渗碳→机械加工(精加工)→淬火、低温回火→磨削→检验→入库。 ③合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如机床主轴、发动机轴、车轴、连杆及传动齿轮等。 常用合金调质钢的牌号有：40B钢、40Cr钢、40MnB钢、40CrNi钢、40CrMnMo钢等。合金调质钢的加工工艺路线是： 下料→锻造→预备热处理(正火或退火)→机械加工(粗加工、半精加工)→调质→机械加工(精加工)→表面淬火或渗氮→磨削→检验→入库。 ④合金弹簧钢可用来制造截面积较大、屈服强度较高的重要弹簧。 常用合金弹簧钢牌号有：55Si2Mn、60Si2Mn、55SiMnVB、60Mn、55CrVA等。 弹簧根据加工工艺的不同可分为：冷成形弹簧和热成形弹簧。 冷成形弹簧的加工工艺路线是：下料→卷簧成形→去应力退火→试验→验收→入库。 热成形弹簧的加工工艺路线是：下料→加热→卷簧成形→淬火→中温回火→试验→验收→入库。 ⑤滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承中的钢球、钢柱、钢针及套圈（内圈和外圈），也可用来制造高耐磨性的量具、模具、低合金刃具等。 最常用的滚动轴承钢是GCr15钢、GCr9钢、GCr15SiMn钢。 滚动轴承钢的加工工艺路线是：下料→锻造→预备热处理(球化退火)→机械加工→淬火→低温回火→机械加工(精加工)→低温回火→检验→入库。 ⑥合金工具钢用于制作重要的刃具、量具、耐冲击工具和模具。 常用的制作刃具、量具的合金工具钢有：9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V钢等。 常用的制作耐冲击工具的合金工具钢有：4CrW2Si钢、5CrW2Si钢、6CrW2Si钢等。 常用的制作冷作模具的合金工具钢有：Cr12MoV钢、Cr12钢、9Mn2V钢、CrWMn钢等。 常用的制作热作模具的合金工具钢有：5CrNiMo钢、5CrMnMo钢、3Cr2W8V钢、8Cr3钢等。 常用的高速工具钢有：W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢、W9Mo3Cr4V钢、W18Cr4V2Co8钢等。 ⑦不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分数最大不超过1.2%的钢。 常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。 ⑧耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。 钢的耐热性包括钢在高温下具有抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。 高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力。 热强性是指钢在高温下对机械载荷作用的抗力。 例如，26Cr18Mn12Si2N钢、22Cr20Mn10Ni2Si2N等钢用于制造各种加热炉内结构件、渗碳炉构件、加热炉传送带料盘、燃气轮机的燃烧室等。 ⑨特殊物理性能钢是指具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理性能的钢。它包括永磁钢、软磁钢、无磁钢、高电阻钢及其合金。 永磁钢（硬磁钢）是指钢材被磁化后，除去外磁场后仍然具有较高剩磁的钢材。永磁钢主要用于制造无线电及通讯器材里的永久磁铁装置以及仪表中的马蹄形磁铁。 软磁钢(硅钢片)是指钢材容易被反复磁化，并在外磁场除去后磁性基本消失的钢材。软磁钢常用于制作电动机的转子与定子、变压器（图2-15）、继电器等。 无磁钢是指在电磁场作用下，不引起磁感或不被磁化的钢材。无磁钢常用于制作电机绑扎钢丝绳和护环，变压器的盖板，电动仪表壳体与指针等。 3.合金钢思维导图 常用工程材料的分类 常用工程材料的思维导图 金属材料思维导图 钢的分类 非合金钢的分类 非合金钢的分类 非合金钢的牌号及用途 非合金钢思维导图 低合金钢 合金钢的分类 合金钢的分类 合金钢的用途 合金钢的用途 合金钢的用途 合金钢的用途 合金钢思维导图 课堂总结 结合生产实际说出日常生活中见到钢铁材料有哪些？ 复习与巩固 作业布置 1.一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨？ 课堂考核 课堂纪律+课堂练习+课后检测 板书设计 采用多媒体课件，大大提高教学效果，在板书方面采用条款式进行板书，再例题讲解时重点板书。 教学后记（反思） 本次课主要介绍钢铁材料的分类、性能及应用范围等内容。学习过程中，第一，要了解各类钢铁材料的定义和分类，为后续章节的学习奠定基础；第二，要了解各类钢铁材料的性能特点；第三，了解各类钢铁材料的应用范围，尤其要建立典型零件与典型钢铁材料的对应关系，初步建立选材的感性经验，如弹簧零件选择弹簧钢、轴与齿轮类零件一般选择中碳钢或调质钢、滚动轴承选择轴承钢等，这样学习可以做到触类旁通，快速将书本知识转化为个人工作经验。 ( - 28 - ) 学科网（北京）股份有限公司 $$