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冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案1课程名称汽车机械基础学时2教师课题第三节常用金属材料课型新授课学习目标能够说出汽车上常用的材料种类；理解常用金属材料在汽车各零件上的应用学习重点常用金属的分类和编号的方法，钢的牌号；金属材料的各性能；汽车用金属材料的种类学习难点金属材料的各性能；汽车用钢的种类教学方法讲授法，案例教学法、对比法教学手段多媒体PPT、板书教学活动流程一、组织教学二、复习旧知钢的热处理种类钢的表面热处理包括什么？三、新授课第三节常用金属材料一、钢的分类与钢中的合金元素（alloyelement）1工业用钢分类与牌号(1)我国现行钢分类与牌号的特点•有统一国标，钢号直观、实用，并靠近国际标准。(2)钢的分类•按Wc：低碳钢（≤0.25%）；中碳钢（0.25～0.60%）;高碳钢（≥0.60%）。•按冶金质量：普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。•按脱氧程度：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。•按用途、成分、性能和热处理特点（最实用）。(3)钢的牌号•要求：会识别、（图纸上）一看就明白。•基本类型：两类①主要以力学性能表示：如Q235－A·F（常简写成Q235，不保证化学成分）。②主要以化学成分表示：碳与合金元素含量。例1.45Wc=0.45%的优质钢。点名，记考勤（2分钟）教师提问引导学生回答复习（3分钟）（10分钟）指出钢的牌号所查资料的名称，鼓励学生课下自己查找冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案2例2.08FWc=0.08%的沸腾钢。例3.40CrWc=0.40%及Wcr=1%。2结构钢（structuralsteel）用于结构件①工程结构：如建筑物珩架、桥梁、车辆等。②机器零件：如齿轮、螺栓、轴等。1）碳素结构钢（carbonstructuralsteel）•保证力学性能：一般用途；以型材（棒、板、型钢）供应。•组织状态：轧后空冷、F+P；不再热处理。设计时注意尺寸效应。•典型牌号：Q235。2）低合金高强度钢（HSLA）•添加少量合金元素（Nb、V等）起各种强化作用。•用于重要工程结构（桥梁、压力容器等），能减轻自重、降低成本等。•典型牌号：Q295、Q420等。3）优质碳素结构钢•Ws、Wp≤0.035%•性能特点：①随Wc升高，强度和硬度提高，塑、韧性有所下降。②零件制造中若经过热处理，可大幅度提高性能(强度)。•应用:08～25(15Mn)：低碳钢，塑性好，可焊性好，直接冲压成形或作焊接件。15～25：低碳钢，可作渗碳用钢。30～55：中碳钢，经调质处理做较重要的机器零件。≥60：中高碳钢，淬火＋中高温回火，一般弹簧及较高强度零件。4）合金结构钢（alloystructuralsteel）(1)合金渗碳钢•用途及性能特点：用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零件(如换档齿轮等)。经渗碳及淬、回火后，表硬内韧。•合金化原则：①低碳(≤0.25%)，保证渗碳及热处理后表、里的良好配合。②加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。③加V、Ti、W等，阻止渗碳时晶粒长大。热处理特点：一般渗碳后预冷、直接淬火＋低温回火(≥55HRC)。•常用钢种：低淬透性15(20)、20Cr；中淬透性20CrMnMo、20MnTiB；高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。(2)合金调质钢（20分钟）对比讲解各种结构钢冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案3•用途及性能特点：高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴）具有良好的综合力学性能。•合金化原则：①中碳（0.30～0.5%），保证热处理后足够强度，又不致太脆。②加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均一的性能。③细化晶粒元素（V、W、Mo等）。④加Mo，消除回火脆性。•热处理：调质即淬火+高温回火（500～650℃）。•常用典型钢种：低淬透性:45、40Cr、40MnB；中淬透性:35CrMo、30CrMnSi；高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。(3)合金弹簧钢•用途、性能：承受较大负荷的弹簧；高的σe、σ-1及σs/σb。•合金化：①中、高碳（0.45～0.9%）；②加Si→σe↑及（σs/σb）↑；③加Mn、Si、或Cr→淬透性↑；④加Mo、W、V细化晶粒（重要弹簧）。•热处理：淬火＋中温回火，回火屈氏体42～48HRC。•常用钢种：65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。5）其它结构钢⑴易切削钢：加S、Pb、Ca、P等（减摩、易断屑等），提高切削加工性，强度次要。⑵铸钢（铸钢件）：•特点：直接铸造成零件的结构钢，用于形状复杂、性能要求较高的场合。重型机械，矿山、工程机械等。•成分：低、中碳。•热处理：进行正火、退火，重要件进行淬火、回火。3滚动轴承钢、工具钢、不锈钢和耐热钢（1）滚动轴承钢（rollingbearingsteel）•用途、性能：轴承零件；高抗压强度、疲劳强度、高硬度与耐磨性。•合金化：①高碳（0.95～1.15%），0.4～1.65%Cr，以及特殊要求的成分。②S、P要求严，冶金质量高。（20分钟）冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案4•热处理：球化退火（预先热处理）及淬火、低温回火，60～64HRC。•典型钢种：GCr15（中小型轴承）;G20Cr2Ni4（大型渗碳轴承）;9Cr18（不锈轴承）。（2）工具钢（toolsteel）⑴刃具钢•用途、性能：较高切削的刀具；高硬度、高耐磨性及高热硬性。•合金化（高速钢）：①高碳（ωc0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。②较多W与Mo（10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。③4%Cr，淬透性。④加V，提高硬度、耐磨性。•热处理：预先热处理；1200-1300℃高温淬火+3次560℃回火,回火马氏体+碳化物,62～66HRC。•典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。⑵模具钢1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。•用途、性能：各种冷冲压、冷成型模具；高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。•合金化：①高碳Wc0.6～0.7%；②淬透性元素：主加Cr，另Mn、Si；③Mo、V细化晶粒;Cr、Mo、W、V提高耐磨性。•热处理：淬火+低温回火，≥58HRC，细小马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。•典型钢种：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15、Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。2)热作模具钢：中碳合金钢•用途、性能：锻模、热挤压模、热弯模等；耐热性、高温强度，耐热疲劳，高淬透性。•合金化：①中碳（0.3～0.6%）,保证强度、韧性等。②Cr、W、Si（抗热疲劳）；Mo、W、V（高温强度）；Cr、Mo、W等多元（淬透性）。•热处理：淬火、中温回火（高于工作温度），35～50HRC，回火屈氏体、回火马氏体。•典型钢种：冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案545、40Cr(很少用)；5CrNiMo、5CrMnMo；3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。⑶量具钢：高碳（低合金）钢•用途、性能：各种量具（卡尺、块规等）；高硬度、高耐磨性，高尺寸稳定性。•合金化：高碳（0.8%）；Cr、Mn、Si等（淬透性）；Cr、W等（耐磨性）。•热处理：淬火+（冷处理）+多次回火，使残余奥氏体转变及稳定尺寸。•典型钢种：9SiCr、CrWMn、GCr15或渗碳钢，硬质合金。（3）不锈钢和耐热钢⑴不锈钢（StainlessSteel）•用途、性能：腐蚀环境中的工作零件；耐蚀性及附加力学性能（强度、硬度）等。•合金化：①加Cr（≥12～13%）提高电极电位、钝化能力，使耐蚀性↑↑。②加足够Ni或Cr，呈单相奥氏体或单相铁素体状态。③加Ti、Nb等与碳形成稳定晶内碳化物，使晶间腐蚀↓。④可加Mn、N代Ni→奥氏体不锈钢。热处理：A不锈钢：固溶处理(高温快冷)；F不锈钢：退火处理；M不锈钢：淬火、回火。•典型钢种：A不锈钢：1Cr18Ni9Ti；F不锈钢：1Cr17；M不锈钢：3Cr13，9Cr18。⑵耐热钢（heatresistantsteel）•用途、性能：高温下工作零件（如锅炉管道）；高温强度、抗氧化性等。•合金化：①低、中碳；②Cr、Ni、Si、Mo等固溶强化；③Cr、Si、Al等抗氧化；④V、W、Mo形成稳定碳化物弥散强化。•热处理（视用途而定）和典型钢种。二铸铁（castiron）•ωc2.11%，有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。(1)铸铁的主要类型及其特点⑴碳的形态与铸铁类型（15分钟）冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案6•一定条件下：Fe3C（亚稳态）→3Fe+G（稳定态）•碳呈化合态的Fe3CⅠ和共晶莱氏体；极脆，称白口铸铁（断口白壳），应用很有限。•碳呈游离态的石墨，（G）具有多种形态，铸造性能优良，应用广泛。⑵各类铸铁的特点1)共性：①成分：高碳、高硅（易形成G）及杂质S、P较宽（成本低廉、易浇注）。②组织：钢基（F、F+P、P等）+G。③性能：G的存在，具有多重性影响。分析基点：G作为空洞或裂纹看待。•割裂基体，承载面积↓→σb↓↓，δ↓↓，αk↓↓。G本身应力集中→铸铁易脆断。G是裂纹萌生及扩展通道→抗压不抗拉，宜作承压件。G存在→加工性能好（铸造、切削加工）；减震减摩；较小缺口敏感性。2)各类铸铁的特点①灰铸铁:直接结晶获得、成分亚共晶。•特点：片G应力集中、割裂基体严重；铸造性能最好。•应用：承压或受力不大的形状复杂件或薄壁件（如箱体等）。•典型牌号：HT200。②可锻铸铁:铁水→白口铁→石墨化退火→Fe3C分解为团絮状G。•特点：性能优于灰铸铁（但并不可锻），工艺复杂。•应用：一定承载能力的结构件。•典型牌号：KTH350—10。③球墨铸铁（球铁）：直接结晶、球化处理（加稀土镁球化剂）。•特点：高碳高硅（接近共晶成分）、杂质少；强度和塑性改善，基体作用加强，性能在铸铁中最好。•应用：冲击负荷不大时可代钢（如柴油机曲轴）。•典型牌号：QT450—10。④蠕墨铸铁：直接结晶获得（G形态介于片状与球状之间），力学性能明显优于灰铸铁、劣于球铁，加工性能等优于球铁。RuT300等。（2）铸铁的热处理•石墨化退火：生产可锻铸铁，消除铸件薄壁处白口。•去应力退火：用于各种铸件。举例讲解冀中职业学院机电工程系教案第7,8教案7•正火、淬火回火：主要用于球铁（提高基体强度）。三有色金属其合金（non-ferrousalloy）（1）铝及铝合金•纯铝：导电导热、抗大气腐蚀；太软。(1)铝合金及其特点①比强度高（高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。②突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。③良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。(2)铝合金分类①变形铝合金：•不可时效强化的铝合金：防锈铝（F以左），单相固溶体，强度低、压力加工性能好；用其优良的耐蚀性能。牌号标记LF。•可时效强化的变形铝合金：硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD）。固溶时效提高性能。②铸造铝合金：具有共晶转变的合金，铸造性能良好。•提高性能方法：变质细化粗铸态组织；时效硬化。•牌号：ZAL—或ZL—(3)铝合金的热处理：•退火：消除应力退火（200～300℃）；再结晶退火（350～415℃）。•固溶时效硬化：～500℃水冷+人工时效（≤200℃）或自然时效（4≥天）。（2）铜及铜合金(1)铜和铜合金的特点①较好的理化性能导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。②良好的加工性易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。③某些特有性能优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等），高的σe和σ-1（铍青铜，弹性元件）。④色泽美观(2)铜合金黄铜(Cu-Zn)、白铜(Cu-Ni)、青铜(其它,主要为Cu-Sn)。1)黄铜主要Cu—Zn合金•类别：普通黄铜(Cu—Zn)；特殊黄铜(加工黄铜、铸造黄铜)，是在Cu-Zn基础上再加Ni、Pb、Al等，较高强度和