4.4 低合金钢和合金钢（课件）《机械基础》（机工版·第2版）同步精品课堂

4.4 低合金钢和合金钢 《机械基础》（机工版） 同步精品课堂—中职专业课 1 学习目标 01 03 02 能说出低合金钢的定义、主要合金元素及其对性能的影响。 能区分合金钢的常见分类（如合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢），并举例说明各类的典型用途 能看懂低合金钢和合金钢的简单牌号。 新知学习 情景导入 同学们，咱们平时看到的汽车车架、桥梁钢架，为啥能又结实又轻便？工地用的高强度螺栓，怎么做到又硬又不容易断？其实秘密就在钢材里加了“小料”——像锰、硅、铬这些元素。普通碳钢有时候扛不住大压力或极端环境，而加了合金元素的低合金钢、合金钢就不一样了。它们有的耐磨损，有的抗高温，有的还能防锈。今天咱们就来认识这些“升级版”钢材，看看它们怎么分类、牌号代表啥意思，以及在工厂里都有哪些大用处，以后干活碰到它们就不会陌生啦！ 新知学习 低合金钢和合金钢是为了改善钢的性能，在碳素钢的基础上有目的地加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)钒(V)、钛(Ti)及稀土元素(Re)等。合金元素通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间相互作用来影响钢的组织和转变过程，从而提高钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能和获得某些特殊性能。 新知学习 一、低合金钢 新知学习 低合金钢是在碳素结构钢的基础上加人少量(一般总质量分数≤3%)的合金元素而得到的。由于合金元素的强化作用，低合金钢不仅具有较高的屈服强度、良好的塑性和冲击韧性，还具有良好的焊接性。用低合金钢制造金属结构件可减轻重量，节约钢材。 低合金钢中使用最多的是低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首字母0、规定的最小上屈服强度数值、交货状态代号、质量等级符号(B、C、D、E、F)四部分按顺序组成，交货状态为热轧时，代号为AR或WAR(可省略)，交货状态为正火或正火轧制时，代号为N。 新知学习 一、低合金钢 新知学习 例如，Q390B表示最小上屈服强度为390MPa，交货状态为热轧，质量等级为B级的低合金高强度结构钢。 低合金高强度结构钢一般在热轧或正火状态下使用，价格与碳素结构钢相近，但却比碳素结构钢具有更高的强度、冲击韧性、耐蚀性及良好的焊接性。因此，低合金高强度结构钢广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油输气管线、建筑钢结构等。GB/T 1591-2018为低合金高强度结构钢现行标准，常用牌号有Q355、Q390、Q420Q460、Q500、Q550、Q620、0690 八种。 新知学习 一、低合金钢 新知学习 合金钢是在碳素钢中有目的地加人一些合金元素而形成的钢。合金元素的加入细化了晶粒，提高了钢的综合力学性能和热硬性、淬透性。 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 1)合金结构钢。主要用于制造重要的机械零件和工程结构件。 2)合金工具钢。主要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。 新知学习 二、合金钢 新知学习 2.合金钢的牌号及用途 合金结构钢的牌号用两位数字加元素符号加数字表示。前面的两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面的数字表示该元素的平均质量分数。当合金元素的质量分数小于1.5%时，牌号中只标明元素符号，不标明含量。例如，60Si2Mn表示碳的平均质量分数为0.6%，硅的质量分数为2%，锰的质量分数小于 1.5%。 新知学习 二、合金钢 新知学习 合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，其区别在于合金工具钢用一位数字表示平均碳的质量分数的千分数，当碳的质量分数大于或等于1.0%时，则不予标出。例如9SiCr的平均碳质量分数为0.9%，Si、Cr 的质量分数都小于1.5%;Cr12MoV 表示碳的质量分数大于1.00%，铬的质量分数约为12%，钼和钒的质量分数都小于1.5%的合金工具钢。 新知学习 二、合金钢 新知学习 新知学习 二、合金钢 新知学习 除此之外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如GCr15为滚动轴承钢,“G”为滚的汉语拼音字首。在滚动轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。例如，GCr15SiMn表示铬的质量分数为1.5%，硅、锰的质量分数小于1.5%的滚动轴承钢。 提示：合金钢按冶金质量又分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢三类。高级优质钢在牌号后面标注字母“A”，如 38CrMOAIA;特级优质钢在牌号后面标注字母“E”。 (1)合金结构钢 合金结构钢按用途可分为工程结构用钢和机械制造用钢，前者主要用于建筑、桥梁、船舶、锅炉等;后者主要用于制造机械设备上的结构零件，在生产中应用较广，是在优质或高级优质碳素结构钢的基础上加入合金元素制成的合金结构钢，主要包括合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。 新知学习 二、合金钢 新知学习 1)合金渗碳钢。合金渗碳钢就是用于制造渗碳零件的合金钢，其碳的质量分数一般为0.1%~0.25%，加人的主要合金元素是铬、镍、锰、硼等，经过渗碳处理后，再进行淬火和低温回火处理，可达到表面具有高硬度、高耐性，心部具有一定强度和足够的冲击韧性的要求。其常用牌号有20CrMnTi、12CrNi2。 2)合金调质钢。合金调质钢是指经过调质处理(火+高温回火)的合金结构钢。其碳的质量分数为0.25%~0.50%，主加元素为锰、铬、硅、镍、硼等。这种钢经调质处理后具有良好的综合力学性能，主要用于在重载、受冲击条件下工作的零件。40Cr是合金调质钢中最常用的一种。 新知学习 二、合金钢 新知学习 3)合金弹簧钢。 合金弹簧钢是用于制造各种弹簧的专用结构钢，其碳的质量分数一般为 0.45%~0.70%，加入的主要元素有锰、硅、饹等，有些弹簧钢还加入了钼、钨、钒等元素。合金弹簧钢经淬火后 进行中温回火处理，可获得高的弹性 极限、高疲劳强度、足够的塑性和冲 击韧性。60Si2Mn是合金弹钢中最常 用的一种。 新知学习 二、合金钢 新知学习 4)滚动轴承钢。 滚动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，常用高碳铬轴承钢材料，其碳的质量分数为0.75%~1.05%，铬的质量分数为1.30%~1.95%。滚动轴承钢按冶金质量分为优质钢、高级优质钢(牌号后加“A”)和特级优质钢(牌号后加“E”)三种，常用牌号有GCr15、GCr15SiMn，前者用于小型轴承，后者用于大型轴承。滚动轴承钢在淬火后进行低温回火，具有高的硬度和耐性，高的疲劳强度足够的冲击韧性。 由于滚动轴承钢的化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近，故在生产中常用它制造刃具、冲模、量具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。 新知学习 二、合金钢 新知学习 (2)合金工具钢 合金工具钢是用来制造各种刃具、模具、量具的钢，与之对应，合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。 1)合金刃具钢。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速工具钢。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(质量分数一般为3%~5%)形成的一类钢。这类钢中常加入铬、锰、硅等元素，其硬度、耐磨性、强度、淬透性均比碳素工具钢好。常用的低合金刃具钢有9SiCr(9CrSi)和CrWMn，主要用于制造形状复杂的低速工具(如丝锥、板牙、铰刀等)。 新知学习 二、合金钢 新知学习 高速工具钢是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢。经过适当热处理后，高速工具钢具有高的硬度、热硬性和耐磨性，当温度高达600℃时，仍能保持其高硬度和高耐磨性。常用的高速工具钢有钨系高速工具钢和钨钼系高速工具钢，典型牌号有W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2。高速工具钢主要用于制造切削速度较高的刃具(车刀、钻头)和形状复杂的刀具(铣刀、拉刀等)。因为其刃口锋利，又称为锋钢。 新知学习 二、合金钢 新知学习 2)合金模具钢。合金模具钢是指用于制造冲压、热锻、压铸等成形模具的钢。根据工作条件不同，合金模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冲、冷压等。小型冷作模具 可采用9Mn2V、CrWMn，大型冷作模具一般采用Cr12、Cr12MoV等制造热作模具钢用来制造使金属在高温下变形的模具，如热锻模、压铸型等。热作模具钢在高温下应保持足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性和导热性。目前常采用5CrMnMo和5CrNiMo制作热锻模，采用3Cr2W8制作热挤压模和热铸模。 新知学习 二、合金钢 新知学习 3)合金量具钢。合金量具钢是用来制造量具的钢，如千分尺、游标卡尺等。它们的工作部分要求高硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性，一般采用微变形合金工具钢制造，如CrWMn、CCr15 等。 新知学习 二、合金钢 新知学习 (3)特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理性能、化学性能的钢。特殊性能钢的种类很多，机械制造中常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢。 新知学习 二、合金钢 新知学习 1)不锈钢。不锈钢是指在腐蚀介质中具有高的缓蚀能力的钢。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢。 铬不锈钢可抗大气、海水、蒸汽等的锈蚀，常用的不锈钢牌号有12Cr13、20Cr1330Cr13、40Cr13，钢中铬的质量分数约为13%，碳的质量分数为0.1%~0.4%。 铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质(硝酸、磷酸、有机酸及碱性水溶液等)中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道及容器等，常用牌号有06Cr19Ni10、022Cr18Ti。 新知学习 二、合金钢 新知学习 2)耐热钢。耐热钢是指在高温下不发生氧化反应并具有较高强度的钢，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，常用牌号有15CrMo、42Cr9Si206Cr13A1等。 3)耐磨钢。耐磨钢习惯上是指在强烈冲击载荷下发生冲击硬化，从而获得高的耐磨性的高锰钢，常用的牌号为Mn13。由于这种钢基本上都是铸造成形的，因而常将牌号写成ZGMn13(铸造高锰钢)。高锰钢主要用于制造铁路道岔、拖拉机带和挖土机铲齿等。 新知学习 二、合金钢 新知学习 随堂练习 （1）解释牌号“Q355”的含义，并说明其属于哪类钢材。 （2）不锈钢为什么具有耐腐蚀性？常用在哪些场合？ 课堂练习 答案：B 解析：铬能使钢表面形成致密的氧化膜（钝化膜），阻止内部金属腐蚀，是不锈钢耐蚀性的关键元素。 1.合金元素铬（Cr）在不锈钢中主要作用是（ ） A. 提高强度 B. 提高耐腐蚀性 C. 降低硬度 D. 改善焊接性 课堂练习 答案：B 解析：Cr12是合金工具钢，适合制造模具；20CrMnTi是合金结构钢，Q355和16Mn是低合金钢。 2.下列属于合金工具钢的是（ ） A. 用于制造齿轮的20CrMnTi B. 用于制造模具的Cr12 C. 用于制造桥梁的Q355 D. 用于制造锅炉的16Mn 课堂练习 答案：B 解析：锰（Mn）是低合金钢中常见元素，能显著提高钢的强度和韧性，同时改善钢的加工性能。 3.低合金钢“16Mn”中，“Mn”的主要作用是（ ） A. 提高耐腐蚀性 B. 提高强度和韧性 C. 降低硬度 D. 改善切削性 课堂练习 答案：B 解析：两者的核心区别是合金元素总含量：低合金钢＜5%，合金钢≥5%（部分分类为≥10%，但职高阶段以5%为界）。 4.合金钢与低合金钢的主要区别是（ ） A. 是否含碳 B. 合金元素总含量 C. 是否用于结构件 D. 是否耐腐蚀 课堂练习 答案：B 解析：20CrMnTi是合金结构钢，经渗碳淬火后表面耐磨、心部坚韧，适合制造齿轮等承受冲击的零件。 5.下列哪种钢常用于制造汽车变速箱齿轮？（ ） A. W18Cr4V B. 20CrMnTi C. Q235 D. 1Cr18Ni9 课堂练习 答案：C 解析：高速钢是合金工具钢，用于制造刀具；不锈钢（耐蚀）、耐热钢（耐高温）、耐磨钢（抗磨损）均属于特殊性能钢。 6.特殊性能钢不包括（ ） A. 不锈钢 B. 耐热钢 C. 高速钢 D. 耐磨钢 课堂练习 答案：A 解析：合金钢牌号中，元素符号代表所含合金元素，“W”是钨的符号，钨能提高钢的红硬性（耐高温）。 7.牌号“W18Cr4V”中，“W”代表的元素是（ ） A. 钨 B. 钛 C. 铬 D. 钒 课堂练习 答案：B 解析：低合金钢强度高于普通碳钢，能减少结构重量，且合金元素少、成本比合金钢低，适合大型工程结构。 8.低合金钢广泛应用于建筑、桥梁等领域，主要因为其（ ） A. 耐腐蚀性极强 B. 强度高且成本适中 C. 硬度极高 D. 加工难度低 课堂小结 感谢观看 $$