《机械工程材料》教案(8)

【作业】略

第四章 碳钢

课 题：第一节 钢铁材料的生产过程（2课时）

教学要求：1、掌握高炉炼铁、现代工业炼钢方法，知道中国是第一产钢大国； 2、明确生铁和钢在组成上差别。

教学重点：高炉炼铁、现代工业炼钢方法，生铁和钢在组成上差别。 教学难点：炼铁、炼钢的原理。 教学过程：

【新课导入】纯铁是一种塑性很好的金属，既不能制刀枪，也不能铸铁锅、犁锄。但当纯铁中加入一定量的碳后，就变成了现代工业的骨骼——钢铁材料了。钢铁材料是机械制造、建筑、交通运输、国防及其他各部门应用最广泛的金属材料。当今世界，钢铁产量占世界金属总产量的95％，钢铁的品种和使用量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标志。

【板书】第一节 钢铁材料的生产过程

钢铁材料：钢和生铁的总称。生产过程是：

一、炼铁

【讲解】在铁矿石中，铁多以氧化物的形式存在。铁矿石中除铁的氧化物外，还含有其他的氧化物（如SiO2、MnO、AI2O3等）称为脉石。

炼铁的任务，就是把铁矿石的铁从氧化物中还原出来，并将脉石分离，从而获得生铁。现代工业炼铁是在高炉中进行的，高炉（见图4-1）是两端较小，中间较大的圆形竖炉。炉壳用钢板焊成，内切耐火砖。

一般炼铁厂的高炉有30~40米高，我国目前最大的高炉113米高,有效容积4063 米3，能装炉料1800吨,一昼夜可出铁水800~1000吨。

【板书】1、高炉炼铁炉料 作用

（1）铁矿石 提供铁元素。 磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿等。

（教师结合介绍开采、贫矿，进口铁矿石等问题） （2）燃料 既提供炼铁的热量， 焦炭 又提供还原剂CO。 （3）熔剂 造渣 石灰石

2、炼铁的原理

Fe2O3 +3CO=2Fe+3CO2 （还原）

3、生铁 由Fe 、C、Si、Mn、P、S 等组成的混合物。 【材料史话】

人类在使用钢铁的历史上曾发生过许多惨痛事故。如1938年4月13

日早晨，在摄氏0℃的气温下，比利时境内的一座钢铁大桥突然发出巨大

声响，大桥自动崩裂成几段坠入河中，造成了巨大的经济损失。事故发生

后，材料专家研究发现：造成钢铁大桥自动崩裂的原因竟是钢铁中含磷量

过高产生冷脆性所致。

后来，材料专家研究又发现，钢铁材料中含硫量高将会产生热脆性。 钢铁材料中硫和磷都是有害元素。怎样除去生铁中的硫和磷就是炼钢 的问题了。

31

【板书】二、炼钢

1、炼钢目的 降碳、除硫磷、调硅锰。

2、炼钢方法 【材料史话】 中国古代“炒钢”术 中国是世界上最早掌握炼钢技术的国家。中国古代工匠先后发明了 “块炼铁渗碳钢”、“ 百炼钢”、“ 炒钢”等炼钢工艺，其中以炒钢术最为 先进。 炒钢——就是把生铁加热到熔融或半熔融状态下，在熔炉中不断

地搅拌，利用空气中的氧气把生铁中较高的碳氧化反应掉，从而获得含碳

量较低质量较高的钢。

【板书】 平炉炼钢法 转炉炼钢法 电炉炼钢法

1864年，法国 1952年，奥地利林茨 1899年，法国埃鲁发明。

马丁发明。 和多纳维茨发明。 用于高级优质合金钢、 300吨/7小时 120吨的转炉：160~220吨/小时。 特殊钢的冶炼

3、炼钢过程

氧化 Fe+O2=2FeO

脱氧 FeO + Si =2Fe+ S O2 【新闻联接】

中国钢铁工业发展概况

中国钢铁工业经过一百年的发展，钢产量居世界首位，已经占到全世界

钢产量的30%，并且比第二、三、四名钢产量的总和还要多。2005年中国共 有八家钢铁公司的钢产量超1000万吨。 时间 1898年 1943年 1949年 1957年 1958年 1971年

15.85 产量（吨） 1万 92.3万 535万 1080万 2000万 万

时间 1979年 1996年 2003年 2005年 2006年 2008年

产量（吨） 3000万 1亿 2.22亿 3.49亿 4.18亿 5.32亿

三、生铁与钢比较

生铁 钢 相同点： 都是铁碳合金。 不同点：

含碳量 ＞2.11％ ＜2.11％ 含硫、磷 多 少 【小结】学习内容

一、炼铁 二、炼钢

三、生铁与钢比较 学习重点

高炉炼铁、现代工业炼钢方法，生铁和钢在组成上差别。

【作业】略

32

课 题：第二节 碳钢的分类（1课时）

教学要求：掌握碳钢的概念，熟练掌握碳钢的四种分类。 教学重点：碳钢的四种分类。 教学过程：

【复习】1、钢与生铁组成上有什么相同点和不同点？

2、钢和生铁总称为钢铁材料，请问冶炼生铁主要设备是什么？现代工业炼钢的方法有哪些？哪一种炼钢速度最快？哪一种炼钢质量最好？

【新课导入】对钢而言，有碳钢、合金钢之分，今天将先开始学习碳钢的知识。

【板书】碳钢：含碳量小于2．11%并含有少量其他元素的铁碳合金称为碳钢（非合金钢） 一、按钢的含碳量分类

低碳钢 含碳量≤0.25%。

中碳钢 含碳量0.25%-0.60%。 高碳钢 含碳量≥0.60%。 【交流与讨论】 1．应用所学Fe—Fe3C相图知识，完成以下填充： 低碳钢：强度、硬度_______，塑性、韧性________； 中碳钢：强度、硬度_______，塑性、韧性________； 高碳钢：强度、硬度_______，塑性、韧性________。 2．含碳量为1.3%、0.45%、0.60%、0.15%、0.30% 0.80%、0.08%的钢材，属于低碳钢的是_____________， 中碳钢的是___________，高碳钢的是_____________。 【板书】二、按钢的质量分类（依据S、P含量分）

普通钢 S≤0.050% P≤0.045%； 如Ｑ235-A.F 优质钢 S≤0.035% P≤0.035%； 如 45 T10 高级优质钢 S≤0.030% P≤0.030% 如 T10A

【问题】“高碳钢的质量优于中碳钢，中碳钢的质量优于低碳钢。”这句子话对吗？为什么？ 【板书】三、按钢的用途分类

结构钢 C＜0.70％ 制造机械零件和工程结构件。

（工程结构：指建筑、桥梁、船舶、锅炉等）

工具钢 C＞0.70％ 制造刀具、模具、量具等。

（刀具应为金属切削刀具。刀具大多为机用的，但也有手工的。） 【问题】炼钢过程是先氧化后脱氧？请问为什么要进行脱氧？ 【板书】四、按钢的脱氧程度分类

镇静钢 （Z） 脱氧完全 如10Z或10（Z也可不写） 沸腾钢 （F） 脱氧不完全 如10F

半镇静钢 （b） 脱氧介于两者之间 如10b

【小结】学习内容

一、碳钢

二、碳钢四种分类： 学习重点

碳钢的四种分类。

【作业】略

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课 题：第三节 常用碳钢（1课时） 教学要求：1、明确碳钢材料的优点；

2、熟练掌握普通碳素结构钢的牌号、成分、性能和用途。 教学重点：普通碳素结构钢的牌号、性能和用途：。 教学难点：普通碳素结构钢的牌号。 教学过程：

【复习】1、低碳钢的拉伸曲线中，屈服现象发生在哪一阶段？屈服现象是什么意思？做好的机械零件在使用中出现屈服现象意味着什么？发生屈服现象的应力叫什么？（教师画出低碳钢的拉伸曲线）

2、请说出“普通钢”、“ 结构钢”的含义。 3、什么叫碳钢？

【新课导入】碳钢是目前应用最为广泛的金属材料。对工农业生产、交通运输、国防乃至日常生活来说，碳钢是最基本、最重要的材料，这是因为碳钢具有下面的优点： 【板书】碳钢的优点：具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜。 【讲解】实际生产中使用的碳钢材料种类很多，常用的有以下四类：

【板书】一、普通碳素结构钢（C：0.06%~0.38%，硫、磷含量较高，一般不需要热处理。） 1、牌号（先指导学生阅读教材相关内容，然后师生共同完成以下内容） Q + 数字──质量等级 + 脱氧程度 屈服点 屈服点 （A B C D）（F b Z TZ） 数 值 差 → 好

Ｑ215-B. b 表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢。 Ｑ235-A.F 表示σs为235MPa的A级沸腾钢。 【练习】说出牌号Ｑ195-A. z，Ｑ235-D. Br 含义。 【板书】2、性能、用途

牌号 Ｑ195、Ｑ215 Ｑ235 Ｑ255 Ｑ275 含碳量 低碳钢 中碳钢

性能 塑性、韧性和焊接性能好，有一定的 强度、硬度较高，塑

强度和硬度。 性、韧性良好。

用途 用于制造受力小的零件。 广泛用于一般要求的零件 用于制造承受中等载荷

如铁钉、铁丝、白铁皮、 和加工时需要冷弯、铆接、 的零件。如自行车、三 黑铁皮、轻负荷的冲压 焊接及工程结构件。如螺 轮车上的心轴、农机零 件和焊接件。 钉、螺母、建筑结构、桥 件等。

梁、钢结构课桌椅等。

【小结】学习内容

普通碳素结构钢 一、牌号

Q + 数字──质量等级 + 脱氧程度 如Ｑ235-A.F 二、性能、用途 学习重点

普通碳素结构钢的牌号和典型用途。

【作业】略

34

课 题：第三节 常用碳钢（1课时）

教学要求：熟练掌握优质碳素结构钢的牌号、性能和用途。 教学重点：优质碳素结构钢的牌号和典型用途。

教学难点：根据优质碳素结构钢的牌号换算出含碳量。 教学过程：

【复习】1、普通碳素结构钢的牌号是如何表示的？说出牌号Ｑ235-C. b含义。

2、请说出“优质钢”和“结构钢”的含义。

【新课导入】碳钢中常用的结构钢除普通碳素结构钢还有优质碳素结构钢，本节课讨论： 【板书】二、优质碳素结构钢（S≤0.035% P≤0.035%，用于质量要求高的机械零件。）

1、牌号（指导学生阅读教材相关内容，共同完成以下内容。）

二位数字──表示平均含碳量的万分之几。

牌号 08 20 45 65 80 含碳量 0.08% 0.20% 0.45% 0.65% 0.80% 60表示平均含碳量为0.60%的优质碳素结构钢。

65 Mn表示平均含碳量为0.65%的较高含锰量的优质碳素结构钢。 【交流与讨论】

1、普通碳素结构钢、优质碳素结构钢的牌号表示各有什么特点？（普通碳素结构钢的牌号着重表示屈服点和质量等级，而优质碳素结构钢的牌号着重于表示含碳量。） 2．表4-2中，从08到85钢哪些是低碳钢、中碳钢、高碳钢？ 【板书】2、性能、用途

牌号 性能 用途

08~25 塑性、韧性好，焊接性能好， 08、10钢称为冷冲压钢。主要用于制造 （低碳钢） 强度、硬度低。 深冷冲压件和焊接件。如汽车驾驶室、

油箱、压力容器等。（引导观察图示）

15、20、25钢称为渗碳钢。

a、制造渗碳件。链条，小齿轮。

b、制作冷冲压件和焊接件，如风扇叶 片、法兰盘等。

30~55 具有较高的强度、硬度，塑性、 广泛用于受力较大的零件，如机床 （中碳钢） 韧性良好。 主轴、发动机曲轴、连杆等。

60~85 具有较高的强度、硬度和弹性， 主要用于制造弹性零件和耐磨件， （高碳钢） 但塑性较低，焊接性能不好，切削 如弹簧、板簧、弹簧垫圈、弹簧片、钢

加工性差。 轨、钢丝绳等。

【小结】学习内容

优质碳素结构钢 一、牌号

二位数字──表示平均含碳量的万分之几。 二、性能、用途 学习重点

优质碳素结构钢的牌号和典型用途。

【作业】略

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