金屬材料焊接工藝 第3版 教案 11 低合金鋼的概述

授課教案首頁學年第學期機械工程學院材料技術系（部）焊接技術及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學√課內(nèi)實踐□理實一體□習題復習□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號11授課日期月日月日月日月日授課班級教學內(nèi)容：第三章低合金鋼的焊接1、低合金鋼的概述教學目標：知識目標：1、了解低合金鋼的種類2、了解低合金鋼的性能能力目標：掌握低合金鋼的分類及特征素質(zhì)目標：1、培養(yǎng)學生良好的操作習慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學生理解合金元素對合金結(jié)構鋼性能的作用。授課地點：教室教學媒體：投影儀設備及材料：其它資源：學習效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．什么是高強度鋼？如何分類？每一小類的特征和用途分別是什么？2、什么是專用鋼？如何分類？每一小類的特征和用途分別是什么？課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應與授課計劃一致；2.授課形式在相應的選項打“√”。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學組織1．復習引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學內(nèi)容用于機械零件和各種工程結(jié)構的鋼統(tǒng)稱為結(jié)構鋼。最早使用的結(jié)構鋼是碳素結(jié)構鋼。合金結(jié)構鋼是在碳素結(jié)構鋼基礎上添加一定量的合金元素達到所需性能要求的鋼材。能力知識點一合金結(jié)構鋼的分類與用途合金結(jié)構鋼有根據(jù)用途進行分類，也有根據(jù)化學成分、合金系統(tǒng)和組織狀態(tài)來分的。用于焊接結(jié)構的大多是低合金鋼，綜合考慮其性能和用途后，一般分為兩大類：高強度鋼和專用鋼。高強度鋼主要應用的是其力學性能，合金元素的加入是為了在獲得高強度的同時保證有足夠的塑性和韌性；專用鋼主要應用的是其特殊性能，例如耐高溫、耐低溫和耐腐蝕等，合金元素的加入是為了獲得通常所需的力學性能外，主要是滿足結(jié)構的特殊性能需要。1．高強度鋼簡稱高強鋼，凡是屈服點σs≥295MPa、抗拉強度σb≥390MPa的鋼，均稱為高強鋼。主要應用于常規(guī)條件下承受靜載荷和動載荷的機械零件和工程結(jié)構，例如壓力容器、動力設備、運輸機械、橋梁和管道等。按鋼的屈服點和熱處理狀態(tài)不同，一般分為熱軋及正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼。把鋼錠加熱到1300℃左右，經(jīng)熱軋成板材，然后空冷即成為熱軋鋼；鋼板軋制和冷卻后，經(jīng)900℃正火即成為正火鋼；鋼板經(jīng)900℃加熱后水淬，再經(jīng)600℃回火處理即成為調(diào)質(zhì)鋼。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段近年來這類鋼又開發(fā)出具有很大發(fā)展前途的新鋼種，如微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼（CF鋼）、抗層狀撕裂鋼（Z向鋼）和焊接大熱輸入鋼等，主要用在嚴寒地區(qū)輸油管線、海上采油平臺、大型壓力容器、大型水輪機蝸殼和大跨度全焊接橋梁等工程中。（1）熱軋及正火鋼屈服點為295～490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬于非熱處理強化鋼，包括微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼和抗層狀撕裂鋼，盡管采用了不同的冶煉和控軋技術，但從本質(zhì)上講它們都屬于正火鋼。這類鋼廣泛應用于常溫下工作的各種焊接結(jié)構，如壓力容器、動力設備、工程機械、橋梁、建筑結(jié)構和管線等。（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼屈服點為490～980MPa，在調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強化鋼。其特點是含碳量較低（碳的質(zhì)量分數(shù)一般低于0.22%）、合金元素總量低于5%，既有高的強度，又有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接，焊后也不需進行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼在焊接結(jié)構中也得到越來越廣泛的應用，主要用于大型機械工程、壓力容器及艦船等。（3）中碳調(diào)質(zhì)鋼屈服點一般在880～1176MPa或以上，鋼中含碳量比低碳調(diào)質(zhì)鋼高（碳的質(zhì)量分數(shù)為0.25%～0.5%），也屬于熱處理強化鋼。其淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高很多，具有很高的強度和硬度，但韌性較低，給焊接帶來很大的困難，因此一般是在退火狀態(tài)下焊接，焊后再進行整體熱處理來達到所要求的強度和硬度。這類鋼主要用于強度要求很高的產(chǎn)品或部件，如飛機起落架、火箭發(fā)動機殼體等。2．專用鋼專用鋼是指專門用于在特定條件下工作的機械零件和工程結(jié)構的鋼。按用途不同分為珠光體耐熱鋼、低溫鋼和低合金耐蝕鋼。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段（1）珠光體耐熱鋼具有較好的高溫強度和高溫抗氧化性，其最高工作溫度為500～600℃，可用于在這一溫度下工作的動力設備和化工設備等。它是以Cr、Mo為基礎的低中合金鋼。隨著使用溫度的提高，鋼中往往還加入W、V、Nb、B等合金元素。（2）低溫鋼具有良好的低溫韌性，其工作溫度為-40～-196℃，可用于各種低溫容器（液化石油氣≤-45℃、液化天然氣≤-162℃）、嚴寒地區(qū)的工程結(jié)構（橋梁、管道等）和露天礦山機械等。這類鋼中大部分含有Ni，一般在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，和普通低合金鋼的區(qū)別在于除具有滿足要求的的強度外，還必須具有足夠的低溫韌性。（3）低合金耐蝕鋼除具有一般的力學性能外，還必須滿足耐腐蝕性能的特殊要求，主要用于在大氣、海水、石油化工等腐蝕性介質(zhì)中工作的各種零件和結(jié)構。由于所處介質(zhì)不同，耐蝕鋼的成分和類型也不同，應用最多的是耐大氣和海水腐蝕用鋼。能力知識點2合金結(jié)構鋼的成分與性能1．合金元素的作用碳是最能提高鋼材強度的元素，但易于引起淬硬和焊接裂紋，所以在保證強度的前提下，碳的含量越少越好。低合金鋼中加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，對合金結(jié)構鋼的組織和性能的影響很復雜。各種合金元素對結(jié)構鋼抗拉強度和屈服點的影響如圖3-1所示圖圖3-1各種合金元素對結(jié)構鋼抗拉強度和屈服點的影響a）對抗拉強度的影響b)對屈服點的影響填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段Mn的固溶強化作用很明顯，當wMn≤1.7%時，可提高韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度（屈服點提高約50%、脆性轉(zhuǎn)變溫度約下降20℃），如Q345（16Mn）為典型的固溶強化鋼，其屈服點為345MPa、脆性轉(zhuǎn)變溫度低于-40℃；Si的固溶強化作用也很顯著，但會降低塑性和韌性，因此一般鋼中wSi≤0.6%；Ni是惟一既能起固溶強化作用同時又能提高韌性且大幅度降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的合金元素，在低溫鋼中最常用。Cr能提高鋼的耐熱性、耐蝕性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；Mo可提高鋼的熱強性，一般認為wMo=0.25%～0.50%時，既可以強化金屬又能改善韌性，當wMo＞0.5%時韌性開始惡化。Cr和Mo都是提高鋼的淬透性的元素，使其裂紋敏感性增加，因此在低合金結(jié)構鋼中的含量應加以控制。V、Ti、Nb是強烈形成碳化物的元素，Al、V、Ti、Nb還可形成氮化物，可產(chǎn)生明顯的沉淀強化作用，在固溶強化的基礎上屈服點可提高50～100MPa，并能保持韌性。V、Ti、Nb均是微量加入，故稱為微合金化。B元素也是微合金化的元素，它可以細化晶粒從而改善韌性。2．合金結(jié)構鋼的性能合金結(jié)構鋼具有較高的強度和良好的塑性、韌性，采用不同的合金成分和熱處理方法可獲得具有不同綜合性能的低中合金結(jié)構鋼。熱軋及正火條件下，合金元素對鋼的塑性和韌性的影