合金元素在钢中的主要作用.docx

1、合金元素在钢中的主要作用 51 合金元素在钢中的主要作用教学过程一、复习提问：碳素钢的性能特点二、新课教学：合金元素在钢中的主要作用（强化铁素体、形成合金碳化物、细化晶粒、提高钢的淬透性、提高钢的回火稳定性）三、课后小结：合金钢与碳素钢的区别四、作业安排：练习册P23，一、1、2；二、1、2、4；三、6五、板书设计（见下页）：六、教学后记：51 合金元素在钢中的主要作用1、定义：为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或几种合金元素的钢。2、含碳量：2.11%。3、常用元素： Cr铬、Ni镍、Mo钼、W钨、V钒、Ti钛、Al铝、B硼、Nb铌、Nd钕。4、合金元素的影响：可以得到所需的力学性能，

2、用于重要零件；特殊物理（熔点、磁性）、化学（耐热、耐腐蚀）性能；特殊工艺性能（焊接、热处理）；使C曲线右移，淬透性提高。一、强化铁素体（除铅外）：1、存在形式： 大多数合金元素溶于-Fe，形成合金铁素体。2、作用：由于晶格畸变，产生固溶强化，强度、硬度、塑性，韧性。3、对韧性的影响：Si1.0%、Mn1.5%，F韧性不下降，超过此量，则F韧性下降。Cr2%、Ni5%，明显强化F，提高F韧性。 二、形成合金碳化物：1、存在形形式（合金元素与碳亲和力不同）：（1）非碳化物形成元素：镍、钴、铜、硅、铝、硼，不形成碳化物，溶于F和A，形成合金F和合金A。（2）弱碳化物形成元素：Mn锰，与碳亲和力弱，大

3、部分溶于F或A，少部分溶于Cm，形成合金渗碳体。（3）中碳化物形成元素：Cr铬、Mo钼、W钨，和碳亲和力强，形成合金渗碳体，硬度提高，明显提高低合金钢强度，组织比Cm稳定。（4）强碳化物形成元素：V钒、Nb铌、Ti钛，与碳形成特殊碳化物，比合金Cm有更高的熔点、硬度和耐磨性，组织更稳定。2、作用：碳化物种类、性能、在钢中分布状态，直接影响钢的性能、热处理相变。如果碳化物以弥散状分布，则强度、硬度、耐磨性，对工具钢有重要意义。三、细化晶粒（除Mn外）：1、元素作用：Mn使晶粒长大倾向增大，即过热。其他元素加热时抑制A长大，降低长大速度V、Nb、Ti形成的碳化物，铝在钢中形成的AlN、Al2O3细

4、小质点，相当于孕育剂，增加形核率。2、结果：细化晶粒，使强度、韧性。使晶粒细化。四、提高钢的淬透性(除钴外)：1、作用：合金元素溶于A，使过冷A稳定性增强，推迟珠光体转变，使C曲线右移，V临、淬透性。2、结果：淬透性好，可采用冷却能力较低的介质，防变形、开裂，保持尺寸和形状精度。在同样淬火条件下，合金钢淬硬层较深，大截面零件组织均匀，综合力学性能提高。3、常用元素：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B。4、特例：微量的B（0.0005%0.003%）可明显提高淬透性。五、提高钢的稳定性：1、回火稳定性：钢在回火时，抵抗软化、抵抗硬度下降的能力。2、产生原因：合金元素阻碍M分解，且碳化物不易析出，即

5、使析出也不易长大，保持较大弥散度，硬度下降慢。52 合金钢的分类和牌号教学过程一、复习提问：合金元素在钢中的主要作用二、新课教学：合金钢的分类合金钢的牌号三、课后小结：牌号识读四、作业安排：练习册P23，一、3；二、3、5；五、板书设计（见下页）：六、教学后记：52 合金钢的分类和牌号一、合金钢的分类：1、按用途分：1.1合金结构钢： 低合金高强度结构钢低合金结构钢： 低合金耐候钢合金渗碳钢： 低合金专业用钢合金调质钢：合金弹簧钢： 热成形弹簧钢、冷成形弹簧钢。滚动轴承钢：1.2合金工具钢：刀具、模具、量具。合金刀具钢：低合金刀具钢、高速钢合金模具钢：冷作模具钢、热作模具钢合金量具钢 1.3特

6、殊性能钢：不锈钢：铬不锈钢、镍不锈钢、铬锰不锈钢耐热钢：抗氧化钢、热强钢耐磨钢2、按合金元素总含量分类：低合金钢：合金元素总量5%中合金钢：合金元素总量5%10%高合金钢：合金元素总量10%3、按质量分类（S、P含量）：3.1优质钢：S、P0.035%3.2高级优质钢: S、P0.025%3.3特级优质钢: S0.015%，P0.025%二、合金钢牌号：1、合金结构钢：1.1原则：两位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量） 优质“A”，特级“E”两位数字表示平含碳量的万分数。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。1.2举例

7、：40Cr-合金调质钢，平均含碳量为0.4%，主要合金元素为Cr，含量1.5%。16Mn-低合金结构钢，平均含碳量为0.16%，主要合金元素为Mn，含量1.5%。（区别15Mn：较高含锰量碳素结构钢，含碳量为0.15%Mn0.71%，Mn前数字为5的倍数，无其他合金元素符号）。60Si2Mn-合金弹簧钢，平均含碳量为0.6%，主要合金元素Si含量1.52.5%，Mn含量1.5%。20Cr2Ni4A-合金渗碳钢，平均含碳量为0.2%，主要合金元素Cr 含量1.52.5%，Ni含量3.54.5%，优质钢。2、合金工具钢：2.1原则：一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量） 优质“A”

8、，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。2.2举例：9Mn2V-合金刀具钢，平均含碳量为0.9%，Mn1.52.5%，V1.5%。Cr12MoV-冷模具钢，平均含碳量1%，Cr12%，Mo、V1.5%。3、高速钢 ：C1.0%，但不标注。W18Cr4V：高速钢，C0.70.8%,W18%，Cr4%，V1.5%。W6Mo5Cr4V2：高速钢，C0.80.9%，W6%，Mo5%，Cr4%，V2%。4、特殊性能钢：4.1原则：与工具钢相同。一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字

9、（合金含量） 优质“A”，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。0.03%C0.1%，用“0”，C0.03%，用“00”表示。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。4.2举例：2Cr13：不锈钢，平均含碳量0.2%，Cr13%0Cr19Ni9：不锈钢，0.03%C0.1%，Cr19%，Ni9%。1Cr18Ni9：不锈钢，C=0.1%，Cr18%，Ni9%。5、特殊专用钢一些特殊专用钢为表示其用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。(1)滚动轴承钢前面标 “G”，

10、如GCr15。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素仍用百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5，硅、锰含量均小于1.5的滚动轴承钢。(2)易切钢也是在牌号前冠以拼音字母 “Y”，如Y15表示含碳量为0.15的易切钢。 原则：G+主要合金元素符号+数字（合金含量） 含碳量一般1%，不标注。G在首位，表示滚动轴承钢，铬后数字为含铬量的千分之几。举例：GCr15：轴承钢，C1%，Cr1.5%。GCr15SiMn:轴承钢，C1%，Cr1.5%，Si、Mn1.5%6、高级优质合金钢在牌号的最后标上“A”。如38CrMoAlA表示含碳量为0.38高级优质合金结构钢。 5

11、3 合金结构钢 教学过程一、复习提问：合金钢的分类、牌号二、新课教学：低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调制钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢三、课后小结：合金结构钢性能对比四、作业安排：练习册P23，一、4；二、4；三、四、1-5五、板书设计（见下页）：六、教学后记：53 合金结构钢合金结构钢用于各类工程结构件和制造各种机器零件的钢。按用途分类：1、低合金结构钢：用于工程结构，如桥梁、船舶、建筑。 低合金高强度结构钢 低合金耐候钢低合金专业用钢 2、机械制造用钢：用于机械零件，通常是优质或高级优质合金结构钢，按用途和热处理分类： 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢(工具钢)一、低合金结构钢：

12、1、化学成份：含碳量低（0.1%0.25%）,合金总量3%，少量Mn为主加元素，辅加Cu、Ti、V、Si、Nb。2、热处理状态：一般热轧退火或正火状态下使用。3、性能特点：强度高，塑性好，焊接性好，冷变形性好，耐腐蚀。（一）低合金高强度结构钢：1、主加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti。2、合金元素作用：Mn、Si强化铁素体，提高强度，V、Nb、Ti细化晶粒，提高韧性。3力学性能：比碳素钢强度高，良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性。4、用途：桥梁、船舶、锅炉、压力容器、起重机械。5、牌号：6、例：Q295，表示s为约295MPa，优良的韧性和塑性。（二）低合金耐候钢(焊接结构用耐候钢、高耐候结

13、构钢)：1、主加合金元素：Cu、P、Cr、Ni、Mo、Ti、V。2、合金元素作用：Cu、P、Cr在金属表面形成保护层，提高钢材耐腐蚀性，V、Ni、Ti细化晶粒，提高韧性。3力学性能：3.1焊接结构耐候钢焊接性能良好,用于桥梁、建筑要求耐候结构件。3.2高耐候结构钢耐候性好，适用车辆、建筑、塔架等耐候件。4、 牌号：09CuPCrNi-A，含碳量0.03%。（三）低合金专业钢：1、来源：在低合金高强度结构钢的基础上，调整化学成分，用于专门用途。2、用途：低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、汽车用低合金钢等。二、合金渗碳钢（20CrMnTi）：1、化学成分：C=0.10.25%，保证心部足

14、够的塑性和韧性；加入Cr、Ni、Mn、Si、B提高淬透性，Ti、V细化晶粒。2、热处理：渗碳+淬火+低温回火（外硬内韧）。3、用途：截面径向尺寸小于30mm高强度渗碳零件，齿轮、凸轮、活塞销。4、常用牌号、力学性能：用来制造既要有优良的耐磨性和耐疲劳性、又能承受冲击载荷作用的零件，三、合金调质钢（40Cr）：1、化学成分：C=0.250.5%，高强度+良好塑性、韧性，中碳合金钢（C韧性差，C硬度不足）；加入Cr、Ni、Mn、Si、B提高淬透性，强化铁素体，提高韧性；Mo、W、Ti、V碳化物形成元素，细化晶粒，提高回火稳定性。2、热处理：调质（淬火+高温回火）（表面要求高的可+表面淬火或化学热处

15、理）。3、组织：回火索氏体，有较好的综合力学性能。4、用途：齿轮、花键轴、主轴、连杆等重要件、受力复杂零件。5、常用牌号、力学性能：表5-3四、合金弹簧钢（60Si2Mn）：1、化学成分：C=0.450.7%，C过高，塑性韧性降低，疲劳极限下降；加入Si、Mn提高弹性极限和淬透性，Si钢脱碳、Mn过热；Cr、W、V细化晶粒，提高淬透性，提高高温强度和韧性（回火稳定性）。2、热处理：2.1热成形弹簧钢：用于大型弹簧或形状复杂弹簧热成形后淬火+中温回火，组织为回火托氏体，HRC4045；热处理后，表面喷丸，产生硬化层，形成残余压应力，提高弹簧抗疲劳能力，寿命。2.2冷成形弹簧钢：用于小型弹簧，冷拉

16、弹簧钢丝冷绕成形。冷成形（冷拉或铅浴淬火）过程中具备良好性能，只须250300去应力退火，消除应力和使弹簧定型。3、常用牌号、力学性能：表5-4五、合金轴承钢（GCr15）：1、工作条件：承受高而集中的交变应力，在滚动体和套圈间产生强烈磨擦，要求高硬度和耐磨性、高的弹性极限、接触疲劳强度、韧性和耐蚀性。2、应用：主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针），也可用来制造各种工具和耐磨零件。 3、化学成分：C=0.951.15%，含碳量高，保证硬度和耐磨性。 加入Cr、Mn、Si、B使淬透性，且在热处理后形成细小分布的碳化物。 严格限制S、P和非金属夹杂物的含量，保证力学性能和使

17、用寿命。一般都是高级优质钢。4、热处理：预备热处理：球化退火，组织为球状珠光体，降低锻造后钢的硬度，改善切削性能，为淬火作好组织准备。最终热处理：淬火加低温回火，组织为极细的马氏体和细小分布的碳化物，提高轴承的硬度和耐磨性。5、用途：GCr15用于中小型滚动轴承，GCrSiMn用于较大滚动轴承。滚动轴承的化学成分和主要性能与低合金工具钢接近，可制造刀具、冷冲模、量具和耐磨零件。6、常用牌号、力学性能和应用见表5-5六、超高强度钢（航空产品）：1、化学成分：合金调质钢+多种合金元素。2、性能：s1300Nmm2，b1400Nmm2。3、用途：高强度、高抗氧化性、抗热疲劳性，用于超音速飞机构件。4

18、、常用牌号：35Si2MnMoVA、40SiMnCrWMoRe（铼）。54 合金工具钢 教学过程一、复习提问：合金结构钢的分类、牌号二、新课教学：合金刃具钢、合金模具钢三、课后小结：合金工具钢性能对比四、作业安排：练习册P23，一、；二、；四、6、7五、板书设计（见下页）：六、教学后记：54 合金工具钢与碳素工具钢相比，合金工具钢淬透性好，耐磨性好，热硬性高，热处理变形小，按用途分刃具钢、模具钢、量具钢。一、合金刃具钢：合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。 1、含碳量：0.81.4%2、高硬度：60HRC以上3、高耐磨

19、性：与硬度、钢中碳化物性质、数量、大小、形状分布有关。4、高热硬性：高温下仍保持高硬度。5、足够的强度和韧性：防止脆性断裂，防止崩刀。6、分类：低合金刃具钢和高速钢。（一）低合金刃具钢（9SiCr）：1、化学成分：碳素钢中加Cr、Mn、Si，提高钢的强度及淬透性；W、V提高钢的硬度和耐磨性，防止过热和保持晶粒细小。2、热处理：预备热处理为球化退火； 最终热处理为淬火（油淬）+低温回火。3、用途：刀刃细薄的低速切削刀具，如丝锥、板牙、铰刀。4、微变形钢（CrWMn）：热处理后变形小，用于精密低速刀具，如长铰刀、拉刀。5、常用牌号见表78。（二）高速钢（W18Cr4V）：1、化学成分：C0.71.

20、5%（高的含碳量），保证形成足够碳化物，提高硬度、耐磨性。 W、Mo提高红硬性，热硬性可达600，切削时长期保持刀口锋利，又称锋钢。 Cr提高淬透性V显著提高钢的硬度、耐磨性、热硬性,细化晶粒。2、热处理：高速钢铸态组织中莱氏体（A+Cm）粗大，碳化物分布不均，应正确铸造和热处理。退火：高速钢锻件硬度高，为便于切削加工，应球化退火，获得球状P，HBS255285。淬火+回火：见下图，决定其寿命。 T 1280800850500600 550570t1、预热 2、分级淬火 3、三次回火（1、保证W、Mo、V、Cr溶于A，2、加热温度高获得红硬性；）（3、MM回）从工艺曲线可知，高速钢淬火、回火特

21、点：（1）淬火加热时，为避免变形开裂，要预热。（2）淬火加热温度高，一般在12501300，保证W、Mo、V等元素尽可能溶入奥氏体，提高热硬性，W、V加热到1000以上，奥氏体中溶解量才显著增加。（3）淬火后，在560三次回火。因为高速钢淬火状态约有2030%残余奥氏体，一次回火难以全部消除，三次回火后减至最低值（一次回火后，约剩15%，二次回火后约剩35%，三次回火后剩12%）。后一次回火可以消除前一次由AM的内应力。回火后组织M回+碳化物+A残余（少量），HRC6366。3、用途：切削速度较高的刀具（车刀、铣刀、钻头），形状复杂、载荷较大的成形刀具（齿轮铣刀、拉刀），冷挤压模和耐磨零件。4

22、、常用牌号表5-7二、合金模具钢：用于制作模具的钢称为模具钢1、冷作模具钢：（1）性能：高硬度（HRC5862），高耐磨性，足够强度和冲出韧性。（2）用途：冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。 工作时受力较轻的冷冲模具钢用9Mn2V。形状复杂、高精度冷模具钢用CrWMn（GCr15）。承受重负荷、截面较大、形状复杂，要求高耐磨性、高淬透性用高碳高铬钢制造，如Cr12MoV。2、热作模具钢：（1）性能：工作时承受很大冲击力，要求高强度、高韧性，一定的耐磨性。具有高的耐回火性、抗热疲劳能力、高淬透性、高导热性。（2）含碳量：0.30.6%（中碳钢）。（

23、3）用途：锤锻模要求韧性较高、不强调热硬性，用5CrMnMo、5CrNiMo。压铸模、热挤压模要求热强度、热硬性高，用3Cr2W8V、4Cr5MoVSi。（4）最终热处理：调质或淬火+中温回火，保证韧性和强度。三、合金量具钢：1、化学成分：C0.91.5%，加入Cr、W、Mn。2、最终热处理：淬火+低温回火，HRC60以上。3、冷处理：为稳定尺寸，淬火后进行-70-80冷处理，使残余奥氏体转变，再进行长时间低温回火。4、时效处理：在精磨或研磨前，在120150保温2436h，消除内应力。5、分类：精度低、形状简单，用碳素工具钢T10A、T12A。样板、卡板，用60Mn、65Mn。高精度、形状复

24、杂量具用CrWMn。高精度量规和量块用热处理变形小的Cr12、9Mn2V。55 特殊性能钢 教学过程一、复习提问：合金工具钢的分类、牌号二、新课教学：不锈钢、耐热钢、耐磨钢性能、牌号及热处理三、课后小结：特殊性能钢性能对比四、作业安排：练习册P23，一、；二、；三、；四、；五、五、板书设计（见下页）：六、教学后记：55 特殊性能钢1、定义：具有特殊化学、物理性能的钢称为特殊性能钢。如不锈钢、耐热钢、耐磨钢。一、不锈钢：1、金属的腐蚀：定义：金属受周围介质作用而引起损坏的过程称为腐蚀。分类：化学腐蚀、电化学腐蚀。（1）化学腐蚀：金属和周围介质发生化学反应使金属损坏，主要是高温氧气、常温干燥气体（

25、O2、SO2、CO2、H2、Cl2）及电解质液体（汽油、润滑油）的化学作用，在金属表面生成相应的化合物，如氧化物、硫化物、氯化物等，使金属表面损坏。（2）电化学腐蚀：金属与电解质溶液构成微电池而引起的腐蚀，电极电位低的金属易被腐蚀。不同材料接触在一起，有电解质液电流。同一材料，组织不同，电位不同，有电解质液电流。（3）防腐方法：a、钢中加入合金元素，钢表面形成稳定、致密且与基体牢固结合的钝化膜，如加入Cr、Si、Al生成Cr2O3、SiO2、Al2O3。b、加入大量合金元素，提高钢基体电位，提高抵抗电化学腐蚀能力，当Cr12.5%时，钢电位跃增，见右图。c、加入合金元素，钢在室温以 0.2单相

26、组织存在，以免形成微电池。 如固溶处理，形成单相F或A。 -0.6 6 12 24 Cr%2、常用不锈钢：定义：不锈钢主要是指在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称，能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢而在一些化学介质（如酸类）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。 分类：常用不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等。按金相组织特点分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等。 （1）奥氏体不锈钢 含碳量：很低（0.15），含铬量为18，镍为9属性：这种不锈钢习惯上称为188型不锈钢，属于镍铬不锈钢。常用牌号：1Cr18Ni9、0Cr18

27、Ni9N等。 （2）马氏体不锈钢 含碳量：为0.101.20，淬火后能得到马氏体属性：铬不锈钢。热处理：淬火、回火后使用。特点：马氏体不锈钢的耐蚀性、塑性和焊接性都不如奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢，但由于它具有较好的力学性能与一般的耐蚀性相结合，故应用广泛。注意：马氏体不锈钢锻造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在冲压后也需进行退火，以消除硬化、提高塑性，便于进一步加工。 （3）铁素体不锈钢 含碳量：0.12，含铬量在11.5030之间属性：铬不锈钢。 铬是缩小奥氏体相区的元素，可使这类钢获得单相铁素体组织。 抗大气与耐酸能力强，具有良好的高温抗氧化性，特别是抗应力腐蚀性较好，但力学性能不

28、如马氏体不锈钢，塑性不及奥氏体不锈钢。 （4）铬不锈钢：a、为达到耐腐蚀目的，钢中的Cr13%。b、含C低的1Cr13、2Cr13，抗大气、海水、蒸汽等介质，用于蒸汽水管附件和水压机阀。c、3Cr13、3Cr13Mo，经淬火+低温回火，得到马氏体组织，HRC50，用于弹簧、手术刀、医疗机械及要求高强度的零件。d、7Cr17、8Cr17，经淬火+低温回火，HRC5456，用于手术刀片，滚珠轴承。（5）铬镍不锈钢（1Cr18Ni9、0Cr19Ni9）：a、热处理后呈单相A，无磁性，耐蚀，塑性、韧性较Cr13好。b、一般含Cr18%，加入910%Ni。c、用于强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸、碱水溶液

29、）工作环境，如贮槽、管道、容器。注：不锈钢：在空气和弱腐蚀介质中能抵抗腐蚀的钢。耐酸钢：在酸、盐溶液等强腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢。二、耐热钢：分为抗氧化钢、热强钢、汽阀钢。耐热钢在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度，能较好适应高温条件的特殊性能钢。分为抗氧化钢、热强钢、汽阀钢。钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个指标。在高温下具有抗高温介质腐蚀能力的钢称为抗氧化钢；在高温下仍具有足够力学性能的钢称为热强钢。耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称。常用的抗氧化钢有4Cr9Si2、0Cr13Al等。典型的热强钢是4Cr14Ni14W2Mo。 1、抗氧化钢：（1）定义：在高温下有较好的抗氧化能力，且具有一定强度。（2）合金元素：Cr、Si、Al，形成致密、高熔点、稳定的氧化膜，如4Cr9Si2、1Cr13SiAl。（3）用途：长期高温下工作，但强度要求不高，加热炉构件、渗碳炉构件。2、热强钢：（1）定义：在高温下有较好的抗氧化能力，且具有高温高强度。（2）合金元素：Cr、W、Mo难熔合金，提高高温稳定性，Ti、V形成稳定碳化物、氮化物，阻止变形，如1Cr11MoV、1Cr12WMoV用于蒸汽叶片和紧固件。3、汽阀钢：4Cr9Si2，600以下工件，如汽轮机叶片、发动机排气阀