3-2 钢铁材料（上）（课件）《机械基础》上好课（高教版·第三版）

《机械基础》（高教版)第三版 上好课—中职专业课 模块三 机械工程材料 3-2 钢铁材料（上） 教学目标 知识目标 1.记住钢和铸铁的定义及划分界限（碳的质量分数2.11%）； 2.记住非合金钢按碳含量、按质量等级、按用途的分类方法及对应牌号含义； 3.掌握非合金钢牌号的表示规则，能正确解读Q235AF、45、T10等牌号含义； 4.记住常用非合金钢的性能特点和典型用途。 能力目标 1.能根据牌号准确判断钢材的类别、碳含量和质量等级； 2.能根据零件的工作条件，初步分析应选用哪类非合金钢； 3.能正确区分碳素结构钢、优质碳素结构钢和非合金工具钢的用途差异。 情感目标 1.感受钢铁材料在日常生活与工业生产中的广泛应用，激发学习兴趣； 2.培养“根据性能要求合理选材”的工程意识； 3.养成联系实际、学以致用的学习习惯。 1.7.2013 ‹#› 教学引入 钢轨：坚硬耐磨的承载者 钢轨是铁路轨道的核心部件，日复一日承受列车的巨大碾压与冲击，却始终保持结构稳定、表面抗磨损，极少碎裂，展现出铁碳合金优异的韧性与高强度结合的特性。 铸铁井盖：易脆易裂的构件 马路上的铸铁井盖同样由铁碳构成，却常因车辆反复碾压、撞击出现开裂甚至破碎，成为道路安全隐患，表现出与钢轨截然不同的脆性物理特征。 同样是铁碳合金，为何性能差异显著？这背后的关键影响因素究竟是什么？ 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 教学引入 铁丝：柔软易折的直观体验 细细的铁丝可徒手弯折，但反复弯折同一位置会因金属内部结构疲劳而断裂，无法恢复原状。 弹簧：坚韧耐冲的力学表现 弹簧能承受反复拉伸、压缩与冲击，外力作用后总能试图恢复初始形状，展现出极强的弹性与抗冲击能力。 同样是铁和碳组成的材料，为何性能差异巨大？这背后藏着金属微观结构怎样的秘密？ 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 教学引入 普通金属螺栓：易断易变形 日常用于紧固连接的普通螺栓，在受力过大时，往往会出现拧断、弯折或塑性变形的情况。它的硬度较低，韧性尚可，但缺乏抵抗高强度切削和磨损的能力。 高速钢钻头：削铁如泥的利刃 小小的高速钢钻头，却能在坚硬的钢材表面高速旋转、切削，甚至“啃食”金属。它拥有极高的硬度、红硬性和耐磨性，能承受剧烈的摩擦和高温而不软化。 同样是铁和碳组成的材料，为什么有的可以做铁轨、有的可以做弹簧、有的可以做钻头？ 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：钢铁材料概述 核心定义：铁碳合金的统称 钢铁材料以铁为主要元素，其中碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，是现代工业发展最广泛的基础性材料。 国家标准分类：按化学成分划分 根据GB/T 13304标准，钢铁材料科学地分为三大类：非合金钢、低合金钢和合金钢。这种分类方法对材料的选材和工艺评定具有重要意义。 知识讲授：炼铁与炼钢原理简介 01. 炼铁原理：从矿石到生铁 在高炉中，铁矿石通过还原剂的连续氧化还原反应，得到含碳量较高的生铁（C > 2.11%）。此时的生铁质地坚硬、性脆，无法直接进行压力加工，需要进一步冶炼。 02. 炼钢原理：降碳与合金化 通过氧化反应将生铁中的碳含量降至2.11%以下得到钢。同时，将硅、锰等有益元素调整到合适范围，并去除硫、磷等有害杂质，最终获得性能优良的钢。 知识讲授：非合金钢（碳素钢）的定义 01. 核心定义：非合金钢（碳素钢） 碳的质量分数小于2.11%，且在冶炼过程中，不含有“特意加入”的合金元素的钢。它是钢铁材料中最基础、应用最广泛的一类。 02. 关键区分：向合金钢的演变 若在非合金钢的基础上，有目的地加入铬、镍、锰、硅等合金元素，以改善钢的力学性能或特殊性能，则得到的钢称为“合金钢”。 知识讲授：非合金钢的分类 非合金钢的分类（一）按碳的质量分数 01. 低碳钢：塑性优异，易于加工 碳的质量分数 w(C) ≤ 0.25%。这类钢材强度和硬度较低，但塑性和韧性好，易于冷加工，常用于制造桥梁、建筑结构及容器等。 02. 中碳钢：性能均衡，应用广泛 碳的质量分数 w(C) = 0.25%~0.60%。这类钢材强度和硬度适中，综合力学性能好，主要用于制造螺栓、螺母、齿轮等受力零件。 03. 高碳钢：硬度极高，耐磨损冲击 碳的质量分数 w(C) > 0.60%。这类钢材硬度和强度很高，耐磨性好，但塑性和韧性较低，主要用于制造刀具、量具、模具及弹簧等。 非合金钢的分类（二）按主要质量等级 01. 普通质量非合金钢 钢在生产过程中，不特别控制质量要求的一类非合金钢。一般不作为焊接结构生产，主要用于对性能要求不高的结构。 02. 优质非合金钢 较优质的非合金钢，硫、磷含量比普通质量非合金钢低，生产过程中需严格控制质量，广泛用于制造重要的机械零件。 03. 特殊质量非合金钢 生产过程中需特别严格控制质量和性能的非合金钢。比如，轴承钢、弹簧钢等，用于关键、重要的工程应用。 非合金钢的分类（三）按用途 01. 碳素结构钢 碳的质量分数一般小于0.7%，具有良好的强度和韧性。主要用于制造各类工程构件（如桥梁、建筑结构）及受力不大的机械零件，是工业中应用最广泛的钢种。 02. 非合金工具钢（碳素工具钢） 碳的质量分数一般大于0.7%，经热处理后硬度高、耐磨性好。主要用于制造各种刀具、量具、模具及刃具等，满足高硬度和高耐磨性的使用要求。 非合金钢的分类（四）按脱氧方法 01. 沸腾钢 脱氧不完全，钢液中残留的一氧化碳等气体在浇注时会在钢锭内部产生沸腾现象，故称为沸腾钢。偏析较大，内部组织致密性较差。 02. 镇静钢 脱氧充分，钢液中气体含量低，浇注时钢水镇静，无沸腾现象。组织致密，成分均匀，质量较好，是目前应用最广泛的钢种。 03. 特殊镇静钢 比镇静钢脱氧更彻底，非金属夹杂物含量更低，纯度更高，质量最好。主要用于对韧性、冷脆性等有特殊要求的重要结构。 非合金钢牌号的表示方法 01. 国家标准原则（GB/T 221-2008） 国家标准对钢材牌号的表示方法，严格遵循“汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字”三者相结合的原则，构建了规范、统一且易于识别的钢材牌号体系。 02. 核心学习重点：四大关键钢种 碳素结构钢：牌号由屈服强度字母Q、屈服强度值、质量等级和脱氧方法组成。 优质碳素结构钢：牌号用两位数字表示平均含碳量的万分之几。 碳素工具钢：牌号以字母T开头，后跟数字表示平均含碳量的千分之几。 铸钢：牌号以ZG开头，后跟两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度。 知识讲授：[例3-1、例3-2] [例3-1] 说明牌号Q235AF和Q275B的含义。 •Q235AF：屈服强度≥235MPa，A级沸腾碳素结构钢。 •Q275B：屈服强度≥275MPa，B级半镇静碳素结构钢。 [例3-2] 说明牌号08F、45和40Mn的含义。 •08F：平均碳的质量分数为0.08%的优质碳素结构钢，沸腾钢。 •45：平均碳质量分数0.45%的优质碳素结构钢。 •40Mn：碳0.40%且锰含量较高的优质碳素结构钢。 知识讲授： [例3-3、例3-4] [例3-3] 说明牌号T10、T12A的含义。 •T10：平均碳的质量分数为1.0%的非合金工具钢。 •T12A：平均碳的质量分数为1.2%的高级优质非合金工具钢。 [例3-4] 说明牌号Y40Mn、ZG200-400的含义。 •Y40Mn：平均碳的质量分数为0.40%的易切削钢。 •ZG200-400：屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥400MPa的铸钢。 知识讲授：碳素结构钢牌号解读 01. 牌号核心构成要素 由“屈服强度字母Q + 屈服强度值 + 质量等级 + 脱氧方法”四部分组成。其中质量等级分为A、B、C、D、E五级，脱氧方法代号有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。 02. 典型示例：Q235AF 此牌号代表屈服强度≥235MPa，质量等级为A级的沸腾碳素结构钢，是工程结构中应用最广泛的钢种之一。 知识讲授：优质碳素结构钢牌号解读 核心规则：数字即含量 牌号由两位数字构成，这两位数字代表了钢中平均碳含量的万分之几。这种表示方法直观、简洁，能快速判断钢的含碳量和用途。 典型示例：牌号“45”的含义解析 数字“45”表示钢的平均碳含量为0.45%。这是机械制造中应用最广泛的钢种之一，常作为力学性能、切削和热处理等重要零件。 知识讲授：非合金工具钢牌号解读 01. 牌号构成四要素 以字母“T”（碳的拼音字头）起首，后跟两位数字，数字代表平均含碳量的千分之几。“A”代表高级优质，另有专门用途的钢号符号标注。 02. 典型示例：T10牌号解析 T10表示平均碳的质量分数为1.0%的非合金工具钢，是量具和冲模用的常用钢种牌号。 常用非合金钢的性能和用途 （一）碳素结构钢 核心性能：易冶炼、低成本、产量大 碳素结构钢属于普通质量非合金钢，其冶炼工艺成熟简单，生产成本低，是钢铁工业中用量最大、应用最普遍的一类钢材，具有极其广泛的用途。 典型用途：工程结构与通用零件 用于制造钢结构用型钢（角钢、槽钢、工字钢等），广泛用于制造桥梁、船舶、建筑结构等；也用于生产螺栓、螺母、铆钉等受力较小的机械结构零件。 （二）优质碳素结构钢 核心性能：纯净度高，质量稳定 含硫、磷等杂质少，质量控制严格，性能稳定，是制造各类机械、重要零件的优质结构材料。 典型用途：关键受力零件的制造 可通过淬火、回火等热处理工艺显著改善力学性能。广泛用于制造齿轮、连杆、轴类等要求较高强度和复杂应力的重要机械零件。 （三）非合金工具钢 核心性能：高碳加持，极致硬韧 属于特殊质量非合金钢，严格控制硫、磷等杂质含量，碳的质量分数均在0.7%以上，经热处理后具备高硬度、高耐磨性，且具有一定的强度和韧性。 工业用途：制造各类刀具、量具与模具 广泛应用于制作要求高耐磨性和高硬度的手动或机动刀具（如车刀、锉刀、丝锥）、量具（如卡尺、量规）以及冷作模具（如冲头、拉丝模），是机械制造和加工行业不可或缺的基础材料。 （四）其他专用优质非合金钢 01. 锅炉用钢：耐高温与韧性的双重考验 专门用于制造锅炉件（如锅筒、集箱等）的非合金钢，核心要求是具备高的高温强度和韧性，以及优良的抗腐蚀性。牌号如GB 713标准中的“Q”代表的锅炉用钢。 02. 易切削钢：提升机械加工效率的利器 在钢中加入硫、磷、铅、钙等易切削元素，显著改善钢的切削加工性能，减少刀具磨损，提高加工效率。国标牌号为Y12等，“Y”是易切削的代号。 （五）工程用铸造碳钢 核心性能特点 适用于形状复杂、难以用锻压等其他方法加工的重型机械零件。铸钢的质量主要取决于铸造工艺和热处理工艺，能满足复杂的力学性能要求。 ZG200-400 属于低强度铸钢，塑性、韧性和焊接性好，常用于制造受力不大、要求高韧性的零件，如机座、变速箱外壳等。 ZG340-640 属于中高强度铸钢，强度和韧性都较高。常用于制造齿轮、棘轮、起重运输机械的零件及高压缸体等。 知识讲授：低合金钢与合金钢的引入 01. 工业发展驱动性能升级 随着工业生产和科技进步，大型重型构件、高速重载及航空航天等领域对钢材性能提出了更高要求，传统的非合金钢已无法满足，从而催生了低合金钢与合金钢的广泛应用。 02. 材料迭代的必然选择 在非合金钢的基础上，为满足现代工业对更高强度、更高耐磨性和更好的物理化学性能的需求，有意识地加入合金元素，从而获得更优异的钢种。 知识讲授：合金钢 知识讲授：合金元素及其作用 01. 核心定义：钢材的“性能药方” 为了改善钢的组织结构、提升力学性能或赋予其特殊物理化学特性（如耐腐蚀性、耐热性），在炼钢工艺中特意加入的化学元素，是决定特种钢用途的关键成分。 02. 工业常用关键合金元素 •基础强化元素：硅(Si)、锰(Mn) —— 提升钢材的强度、硬度与淬透性，是最常用的基础合金元素。 •特种改性元素：铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V) —— 赋予钢耐热、耐磨等特殊工业性能。 知识讲授：合金钢的定义与分类 核心定义：低合金钢 合金元素总质量分数小于5%的钢称为低合金钢。这类钢材在强度、韧性等方面优于非合金钢，是工业制造中应用最广泛的钢种之一。 主要分类：按性能与特性划分 根据质量等级、核心性能及使用场景，主要分为低合金高强度结构钢、合金结构钢、合金工具钢等类别。不同类别的钢在工程结构、机械零件、工具制造等领域发挥着关键作用。 低合金钢的分类 （一）按主要质量等级分类 1. 普通质量低合金钢：生产过程中不需要特别控制质量要求，作一般用途的低合金钢，包括一般用途低合金结构钢、低合金钢筋等。 2. 优质低合金钢：除普通质量低合金钢和特殊质量低合金钢以外的低合金钢，包括可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、汽车用低合金钢等。 3. 特殊质量低合金钢：生产过程中需要特别严格控制质量和性能（特别是严格控制硫、磷等杂质的含量和纯洁度）的低合金钢，包括核能用低合金钢、低温用低合金钢等。 （二）按主要性能或使用特性分类 低合金钢按主要性能或使用特性可分为：可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋用钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢等。 知识讲授：低合金钢的分类 （一）按主要质量等级分类 1. 普通质量低合金钢：生产过程中不需要特别控制质量要求，作一般用途的低合金钢，包括一般用途低合金结构钢、低合金钢筋等。 2. 优质低合金钢：除普通质量低合金钢和特殊质量低合金钢以外的低合金钢，包括可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、汽车用低合金钢等。 3. 特殊质量低合金钢：生产过程中需要特别严格控制质量和性能（特别是严格控制硫、磷等杂质的含量和纯洁度）的低合金钢，包括核能用低合金钢、低温用低合金钢等。 （二）按主要性能或使用特性分类 低合金钢按主要性能或使用特性可分为：可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋用钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢等。 知识讲授：合金钢的分类 （一）按主要质量等级分类 1. 优质合金钢：生产过程中需要特别控制质量和性能，但生产控制和质量要求不如特殊质量合金钢严格的合金钢，包括一般工程结构用合金钢、合金钢筋、耐腐蚀钢等。 2. 特殊质量合金钢：生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢，包括压力容器用钢、合金结构钢、合金弹簧钢、不锈钢、耐热钢、合金工具钢、高速工具钢、经热处理的合金钢筋钢、轴承钢、无磁钢及永磁钢等。 知识讲授：合金钢的分类 （二）按主要性能或使用特性分类 1. 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。 2. 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。 3. 轴承钢：如高碳铬轴承钢和不锈钢轴承钢等。 4. 工具钢：包括合金工具钢和高速工具钢。 5. 不锈、耐蚀和耐热钢：如不锈钢、抗氧化钢和热强钢。 6. 特殊物理性能钢：如软磁钢、永磁钢和无磁钢等。 7. 其他合金钢：如焊接用合金钢等。 【小提示】为便于生产、使用和研究，习惯上常将合金钢按合金元素总含量分为低合金钢（合金元素总含量＜5%）、中合金钢（合金元素总含量5%～10%）和高合金钢（合金元素总含量＞10%）。 低合金钢与合金钢的牌号表示方法 知识讲授：[例3-5、例3-6、例3-7] [例3-5] 合金结构钢牌号解读 20Mn2:碳 0.20%，锰 2%。 35SiMn2MoVA:碳 0.35%，硅、锰均为 2%，钼、钒含量均小于1.5%，高级优质。 [例3-6] 合金工具钢与高速工具钢 CrWMn:碳含量≥1.0%，铬、钨、锰含量均小于1.5%。 W18Cr4V:碳含量未标出，钨 18%，铬 4%，钒小于1.5%。 [例3-7] 轴承钢与不锈钢牌号解析 GCr15:高碳铬轴承钢，铬含量1.5%。 06Cr19Ni10:不锈钢，碳含量0.06%，铬19%，镍10%。 知识点背诵 一、钢与铸铁的划分界限是碳的质量分数2.11%，钢的碳含量≤2.11%，铸铁的碳含量＞2.11%。 二、非合金钢牌号识读： 碳素结构钢为Q+强度+质量等级+脱氧方法（如Q235AF）；优质碳素结构钢为两位数字表示万分之几（如45）；非合金工具钢为T+数字表示千分之几（如T10）。 三、合金钢牌号识读： 合金结构钢为两位数字万分之几+合金元素符号数字（如20Mn2）；轴承钢加G前缀（如GCr15）；高速工具钢开头不标碳含量（如W18Cr4V）。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动 降低正弦量计算门槛，提升效率 问题 Q235AF和T10分别是什么钢？牌号中的字母和数字各代表什么含义？ 结论 Q235AF是碳素结构钢，Q表示屈服强度"屈"字首字母，235表示下屈服强度≥235MPa，A表示质量等级为A级，F表示沸腾钢。T10是非合金工具钢（碳素工具钢），T表示"碳"字首字母（或工具钢代号），10表示平均碳含量为千分之十，即1.0%。 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.下列牌号中，属于优质碳素结构钢的是（ 　） A．Q235B B．T8A C．45 D．ZG200-400 正确答案：C 45是优质碳素结构钢，平均碳含量为0.45%。Q235B为碳素结构钢，T8A为非合金工具钢，ZG200-400为铸造碳钢。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.非合金钢中，硫元素的存在会导致钢产生（　 ） A．冷脆性 B．热脆性 C．氢脆性 D．时效脆性 正确答案：B 硫是炼钢时由原材料带入钢中的有害元素，会引起热脆性；磷会引起冷脆性。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.牌号40Mn中，Mn表示（ 　） A．锰的含量为40% B．锰的含量为0.40% C．锰的质量分数较高 D．锰的质量分数较低 正确答案：C 优质碳素结构钢中，锰含量较高时加"Mn"，40Mn表示平均碳含量为0.40%，锰的质量分数较高的优质碳素结构钢。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 某零件形状复杂、强度要求较高，采用铸铁无法满足使用要求。请分析应选用哪类非合金钢进行铸造，并说明该类钢的碳含量范围及碳含量过高的危害。 课后练习 （1）应选用工程用铸造碳钢。 （2）碳含量范围为0.20%～0.60%。 （3）碳含量过高的危害：塑性、韧性会变差，铸造时会产生裂纹。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1.背诵：钢与铸铁的碳含量分界点2.11%；非合金钢五类牌号规则；合金钢五类牌号规则。 2.解读以下牌号含义：Q275D、20、T8A、Y12、ZG340-640、20Mn2、9SiCr、W18Cr4V、GCr15、06Cr19Ni10。 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $