金属材料学：机械制造结构钢

1、School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 1 第三章第三章 机械制造结构钢机械制造结构钢 机械制造结构钢：用于制造各种机械零件： 如：轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构 应用汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞 机及火箭等 工作条件：承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力等； 一般要求：足够高的强度、塑性、韧性和疲劳强度等； 分类（按工艺和用途）：调质钢、低碳马氏体钢、超高 强度结构钢、渗碳钢、渗氮钢、弹簧钢、轴承钢和易削 钢等； 属特殊钢（年产量）：占总钢产量的3-5%. School of Materi

2、als Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 2 第一节 结构钢的强度与脆性 中碳回火索氏体钢 低碳马氏体钢 中碳低合金马氏体钢 b:1400-2000MPa 微碳马氏体时效钢 b:1900-2300MPa 形变马氏体时效钢 b:2400-3200MPa 高碳冷拉钢丝 b:3000-4000MPa b:1400-2000MPa School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 3 碳与钢的强度和塑性碳与钢的强度和塑性 School of Materials Science

3、 and Engineering S. H. U. 2021-6-22 4 韧性指标 延伸率 断面收缩率 冲击韧性 韧脆转化温度 断裂韧性 2 1 a K i IC School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 5 第二节第二节 结构钢的淬透性结构钢的淬透性 合金元素与淬透性合金元素与淬透性 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 6 淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225- 63)。 School of Materials

4、 Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 7 淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 8 利用淬透性曲线比较钢的淬透性 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 9 合金元素与淬透性合金元素与淬透性 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 10 (a)完全淬透;

5、 (b)淬透较大厚度; (c)淬透较小厚 度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 11 第三节 调质钢 淬火+高温回火用钢 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 12 调质钢 组织特点:相基体上分布有极细小的颗粒状碳化 特; 回火屈氏体或回火索氏体体,其主要区别在于基 体相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大程 度; 根据片间距的不同，分片状珠光体；细片状珠光 体（又称索氏体）；极细片

6、状珠光体（又称屈氏 体）。 回火屈氏体实际是极细片状珠光体，指的是片间 距，0.1m，显微镜下观察呈黑色。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 调质钢的基本特征：调质钢的基本特征： 具有中等含碳量的结构钢具有中等含碳量的结构钢 经过加热淬火成马氏体，并在经过加热淬火成马氏体，并在500650 之间高温回火之间高温回火 具有强度、塑性及韧性良好配合的钢。具有强度、塑性及韧性良好配合的钢。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 14 调质钢强

7、度取决于相的强度和碳化物的弥散强化 作用; 相固溶强化元素:硅、锰、镍等； 阻碍相再结晶元素：铬、钼、钨、钒等； 阻碍碳化特聚集长大元素：铬、钼、钨和钒、铌， 其中铌的效果不可忽视。 回火脆性： 高温回火脆性（可塑回火脆性）；快冷消除。 低温回火脆性，加硅、铝推迟，避免250-350回 火，降低磷、锡、锑等杂质元素 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 调质钢的合金化主要原则：调质钢的合金化主要原则： 保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚 的马氏体层，并使马氏体保持细

8、的隐晶组织。的马氏体层，并使马氏体保持细的隐晶组织。 钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能。钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能。 调质钢化学成分调质钢化学成分 含碳量一般在含碳量一般在0.30.5%之间；之间； 主加合金元素主加合金元素(wt%)： Si：0.6-1.4；Mn：0.8-1.8；Cr：0.8-1.7；Ni ：1.0-4.5 重要的调质钢，一般都含有多种合金元素重要的调质钢，一般都含有多种合金元素 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 对调质钢的淬透性的要求：对调质钢的淬透性的要求： 调质零件上马氏体层的厚度

9、应根据零件在工作时经受应力的类型及调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及 大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。 例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到最大的张应力，随着离例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到最大的张应力，随着离 表面的距离增大，应力逐渐减低，所以只要求在淬火后轴的表面的距离增大，应力逐渐减低，所以只要求在淬火后轴的1/2半径处达半径处达 到到80马氏体即可。马氏体即可。 例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截面上受到大的剪切力或例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截面上受到大的剪切力或 拉

10、力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。拉力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。 回火温度与调质钢综合机械性能的关系回火温度与调质钢综合机械性能的关系 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 调质钢的高温回火脆性调质钢的高温回火脆性 回火脆性与冷却速度关系：回火脆性与冷却速度关系： 回火脆性与回火保温时间的关系回火脆性与回火保温时间的关系 回火脆性与钢种的关系回火脆性与钢种的关系 碳素钢不敏感；锰钢或铬钢敏感；硅锰钢、铬锰钢回碳素钢不敏感；锰钢或铬钢敏感；硅锰钢、铬锰钢回 火脆化倾向性更大；火脆化倾向性更大； 钼是降低结构钢高

11、温回火脆性的元素；钼是降低结构钢高温回火脆性的元素； 避免或减轻回火脆性的措施：避免或减轻回火脆性的措施： a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火； b.尽可能缩短在回火脆温度内的回火时间；尽可能缩短在回火脆温度内的回火时间； c.回火后用快冷的工艺方法；回火后用快冷的工艺方法； d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量； e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到对已感受回火脆的钢，用重新加热到650后快冷的方法后快冷的方法 来恢复。来恢复。 School of Materials Scien

12、ce and Engineering S. H. U. 调质钢的组织调质钢的组织 调质钢经淬火和高温回火后的金相组织是回火索氏体。调质钢经淬火和高温回火后的金相组织是回火索氏体。 调质钢的热处理特点：调质钢的热处理特点： 预备热处理：预备热处理： 为了便于切削加工、改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织为了便于切削加工、改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织 和带状组织，需要进行预备热处理正火。和带状组织，需要进行预备热处理正火。 最后热处理最后热处理 淬火：将钢件加热至淬火：将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的线以上进行淬火，淬火温度由钢的 成分来决定，成分来决定， 淬火介质根据钢件

13、尺寸大小和钢的淬透性加以选择。淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。 回火，根据所要求的性能来决定回火温度，回火，根据所要求的性能来决定回火温度， 因此回火是使调因此回火是使调 质钢的性能定型化的重要工序。质钢的性能定型化的重要工序。 高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 19 调质钢回火温度与性能调质钢回火温度与性能 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2

14、021-6-22 20 熔炼 锻造 退火 调质处理 成品 非调质 调质钢 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 21 非调质钢 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 第二节第二节 弹簧钢弹簧钢 弹簧是一种使用很广泛的机械零件。其主要作用在于储弹簧是一种使用很广泛的机械零件。其主要作用在于储 存能量和减轻震动。存能量和减轻震动。 弹簧钢应有如下的要求：弹簧钢应有如下的要求： 1 要具有高的强度极限：要具有高的强度极限： 特别是弹性极限特别是弹

15、性极限e，还要求有高的屈强比，还要求有高的屈强比s/b，以提高，以提高 强度的利用率。强度的利用率。 2 要具有高的疲劳极限：要具有高的疲劳极限： 一般说来，强度极限越高，疲劳极限也相应地增高。一般说来，强度极限越高，疲劳极限也相应地增高。 疲劳性能对于联结的表面状态很敏感。疲劳性能对于联结的表面状态很敏感。 3 要具有较好的工艺性能：要具有较好的工艺性能： 具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。 弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。 School of Materials

16、 Science and Engineering S. H. U. 弹簧钢的成分及热处理特点弹簧钢的成分及热处理特点 弹簧钢的化学成分：弹簧钢的化学成分： 碳含量：碳含量：0.460.75%；锰含量：；锰含量：0.50.8%；硅含量：；硅含量： 0.150.37%。 典型钢种典型钢种 加加Mn 加加Si 6565Mn60Si2Mn 加加Cr,V5050CrV 热处理特点热处理特点 弹簧钢的热处理一般为淬火中温回火。见图弹簧钢的热处理一般为淬火中温回火。见图 组织为回火屈氏体组织为回火屈氏体 School of Materials Science and Engineering S. H. U.

17、 2021-6-22 24 弹簧钢的热处理工艺弹簧钢的热处理工艺 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 第三节第三节 轴承钢轴承钢 轴承钢的性能要求：轴承钢的性能要求： 1. 高的淬硬性和必要的淬透性；高的淬硬性和必要的淬透性； 2. 轴承要有高的耐磨性；轴承要有高的耐磨性； 3. 高的接触疲劳性能；高的接触疲劳性能； 4. 高的弹性极限和一定的冲击韧性；高的弹性极限和一定的冲击韧性； 5. 尺寸要精确而经久稳定；尺寸要精确而经久稳定； 6. 一定的抗腐蚀能力；一定的抗腐蚀能力； 7. 为满足大生产的需要，轴承钢具有良好的工艺

18、性能。为满足大生产的需要，轴承钢具有良好的工艺性能。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 轴承钢的成分轴承钢的成分 轴承钢中沿用最久的是高碳铬轴承钢，如轴承钢中沿用最久的是高碳铬轴承钢，如GCr15GCr15钢。钢。 、碳：选用过共析的碳含量。、碳：选用过共析的碳含量。 、铬：滚动轴承钢中的铬含量范围为、铬：滚动轴承钢中的铬含量范围为0.400.40至至1.65%1.65%。 、硅、锰：硅、锰可以提高淬透性，节约铬的使用。、硅、锰：硅、锰可以提高淬透性，节约铬的使用。 、磷、硫：严格的限制。、磷、硫：严格的限制。 、氧、氮：

19、尽量降低轴承钢中气体含量。、氧、氮：尽量降低轴承钢中气体含量。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 铬轴承钢的热处理铬轴承钢的热处理 轴承零件一般要经过球化退火（预先处理轴承零件一般要经过球化退火（预先处理） 淬火淬火低温回火（最终热处理）低温回火（最终热处理） 显微组织是回火马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物显微组织是回火马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物 淬火组织硬度为淬火组织硬度为HRC6466；回火组织硬度为；回火组织硬度为HRC62 64 School of Materials Science and Engine

20、ering S. H. U. 第四节第四节 渗碳钢渗碳钢 有有不少机器零件（如齿轮），在工作时零件整体受到周期不少机器零件（如齿轮），在工作时零件整体受到周期 性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件表面之间还有性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件表面之间还有 相对的摩擦，并有高的接触应力。相对的摩擦，并有高的接触应力。 这些零件对材料的机械性能要求：这些零件对材料的机械性能要求： 1、材料具有高的屈服强度、高的弯曲疲劳性能；、材料具有高的屈服强度、高的弯曲疲劳性能； 2、材料表面具有高的接触疲劳强度和高的耐磨性。、材料表面具有高的接触疲劳强度和高的耐磨性。 利用低碳结构钢进行渗碳，使

21、零件从表面到中心具有从利用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从 高碳高碳(0.81.1%C)到低碳到低碳(0.100.25%C)连续过渡的化学连续过渡的化学 成分。成分。 零件表面层具有高强度、高耐磨性；零件表面层具有高强度、高耐磨性； 零件心部具有适当的强度和较好的韧性。零件心部具有适当的强度和较好的韧性。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 一一、根据心部要求分析渗碳钢种的合金化问题、根据心部要求分析渗碳钢种的合金化问题 ： 1、选择渗碳钢首先要确定钢的含碳量、选择渗碳钢首先要确定钢的含碳量 渗碳钢的含碳量影响零

22、件的心部强度，采用较低渗碳钢的含碳量影响零件的心部强度，采用较低(0.10 0.25%C)的碳含量的碳含量 而心部具有足够的硬度和良好的冲击韧性。而心部具有足够的硬度和良好的冲击韧性。 2、选择渗碳钢时必须考虑渗碳钢的淬透性、选择渗碳钢时必须考虑渗碳钢的淬透性 渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下：渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下： (1)15、20； (2)20Cr、20MnV; (3)18CrMnTi、20CrMn (4)12CrNi3A、22CrMnMo 其中一些钢的淬透性曲线见图其中一些钢的淬透性曲线见图 。 School of Materials Science and Engineer

23、ing S. H. U. 二二.根据渗碳工艺分析渗碳钢种的合金化问题根据渗碳工艺分析渗碳钢种的合金化问题 一般地讲，碳化物形成元素对渗碳的作用：一般地讲，碳化物形成元素对渗碳的作用： 、增大钢表面的吸收碳原子的能力；、增大钢表面的吸收碳原子的能力； 、增大渗碳层中的碳浓度；、增大渗碳层中的碳浓度； 、阻碍碳原子在奥氏体中的扩散。、阻碍碳原子在奥氏体中的扩散。 前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不 利于渗碳层的加厚。利于渗碳层的加厚。 总的效果是铬、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳总的效果是铬、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗

24、碳 层的厚度。层的厚度。 非碳化物形成元素对渗碳的作用：非碳化物形成元素对渗碳的作用： 总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的 加厚；加厚； 锰是加速渗碳有效的元素，它不过分地增多渗碳层中的碳锰是加速渗碳有效的元素，它不过分地增多渗碳层中的碳 含量，不会在渗碳层中产生多量的大块碳化物。含量，不会在渗碳层中产生多量的大块碳化物。 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 2021-6-22 31 合金元素与表面碳浓度合金元素与表面碳浓度 合金元素对渗层表面含碳量和渗碳层厚

25、度的影响合金元素对渗层表面含碳量和渗碳层厚度的影响 School of Materials Science and Engineering S. H. U. 渗碳渗碳零件的渗碳过程大都是在零件的渗碳过程大都是在910930温度进温度进 行的行的。 钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解 度决定的。如超过碳在奥氏体中的极限溶解度，在表面层中就度决定的。如超过碳在奥氏体中的极限溶解度，在表面层中就 会出现碳化物。会出现碳化物。 渗碳扩散层的厚度决定于：渗碳扩散层的厚度决定于： 、碳在奥氏体中的极限溶解度；、碳在奥氏体中的极限溶解度；