机械工程材料6-1

1、制造过程制造过程 材料材料冷热加工冷热加工零件零件装配装配整台机器整台机器设计过程设计过程 受力分析受力分析计算应力计算应力提出材料性能指标提出材料性能指标选材选材设计者必须掌握各种材料的知识，才能合理选择材料，设计者必须掌握各种材料的知识，才能合理选择材料，成为一名优秀的设计大师，否则，只能成为一名优秀的设计大师，否则，只能“纸上谈兵纸上谈兵”掌握材料知识的重要性掌握材料知识的重要性合金化特点合金化特点性能特点性能特点热处理热处理应用应用从四个方面从四个方面掌握材料知识掌握材料知识6-1合金结构钢合金结构钢第六章第六章 合金钢合金钢又称又称普低钢，普低钢，是普通碳钢加上少量合金元素形成的。是

2、普通碳钢加上少量合金元素形成的。1、合金元素合金元素以以 Mn为主（国外以为主（国外以Cr、Ni为主），为主），最高锰含量可最高锰含量可达达1.8%，并辅以少量的，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。等元素。合金合金元素的主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强元素的主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度和韧性得到改善。度和韧性得到改善。一、低合金结构钢一、低合金结构钢2 、常加入少量的常加入少量的P、Cu元素以提高钢的耐大气腐蚀能力。元素以提高钢的耐大气腐蚀能力。6-1合金结构钢合金结构钢低合金结构钢合金化特点：低合金结构钢合金化特点：6-1合金结构钢合金结构钢3、部

3、分钢中加入少量、部分钢中加入少量稀土元素稀土元素，以减少钢中有害杂，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，提高钢的工质的影响，改善夹杂物的形状和分布，提高钢的工艺性能和力学性能。艺性能和力学性能。4、碳含量一般、碳含量一般低于低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性。成型性和低温韧性。5、对、对S、P含量要求不太高含量要求不太高，可使用平炉或转炉生产，可使用平炉或转炉生产，十分经济。十分经济。6-1合金结构钢合金结构钢常见牌号及其用途常见牌号及其用途15MnTi 中压锅炉中压锅炉14MnMoV（Re） 高压锅炉高压锅炉16Mn 中低压力容器中低压力

4、容器12Mn 锅炉锅炉14MnVTiRe 铁路、大型巨轮用钢铁路、大型巨轮用钢Q345Q4606-1合金结构钢合金结构钢二、易切削钢二、易切削钢易切削钢性能特点易切削钢性能特点 易切削钢具有良好的切削加工性能，但力学性能相对较易切削钢具有良好的切削加工性能，但力学性能相对较低，一般不进行热处理。适合于批量大，但对性能要求不高低，一般不进行热处理。适合于批量大，但对性能要求不高的零件。的零件。 易切削钢易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，通过相应的工艺使其具有金元素，通过相应的工艺使其具有良好的切削加工性能。良好的切削加工性能。（一）性

5、能要求（一）性能要求6-1合金结构钢合金结构钢（二）对合金化和组织的要求（二）对合金化和组织的要求 适量适量C、Mn力学性能和切削性能力学性能和切削性能。 加入加入S、Pb、Ca等元素等元素提高切削性能提高切削性能。 S+MnMnS易切夹杂物。易切夹杂物。 常温下常温下Pb在钢中不固溶而呈单相在钢中不固溶而呈单相Pb微粒均匀分布。微粒均匀分布。（三）常用的易切削结构钢（三）常用的易切削结构钢编号编号Y12、Y15、Y20、Y30、Y40、Y40Mn C强度提高强度提高6-1合金结构钢合金结构钢三、三、 渗碳钢渗碳钢（一）渗碳钢的化学成分（一）渗碳钢的化学成分 渗碳钢广泛用于承受较强烈的冲击和磨

6、损的场合，如齿轮、渗碳钢广泛用于承受较强烈的冲击和磨损的场合，如齿轮、凸轮、活塞销等零件。凸轮、活塞销等零件。2、主加元素、主加元素Mn和和Cr 2% 提高淬透性、固溶强化。提高淬透性、固溶强化。1、含碳量、含碳量 0.10%0.25 % 心部心部低碳低碳M 回回综合力学性能好。综合力学性能好。3、辅加元素、辅加元素W、Mo、V、Ti防止渗碳时晶粒长大。防止渗碳时晶粒长大。4、Ni 4.5%提高淬透性、提高强度和韧性。提高淬透性、提高强度和韧性。6-1合金结构钢合金结构钢（二）热处理特点（二）热处理特点渗碳渗碳+淬火淬火+低温（低温（180200）回火）回火9009201%1.2%碳势碳势表面

7、表面碳浓碳浓度度温度温度碳势碳势时间时间油油冷冷缓冷缓冷油油冷冷1802006-1合金结构钢合金结构钢（三）常用的合金渗碳钢（三）常用的合金渗碳钢1、低淬透性钢、低淬透性钢 15Cr、20Cr、15Mn、20Mn2、中淬透性钢、中淬透性钢 20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A特点：特点：合金元素总量合金元素总量4%，淬透性和力学性能较高。，淬透性和力学性能较高。应用：应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如齿轮、承受中等冲击载荷的耐磨零件，如齿轮、联轴节、齿轮轴、花键套轴等。联轴节、齿轮轴、花键套轴等。特点：特点：价格低、淬透性低、心部强度低价格低、淬透性低、心部强度

8、低。 应用：应用：凸轮轴、活塞销、小齿轮。凸轮轴、活塞销、小齿轮。3、高淬透性钢、高淬透性钢 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A特点：特点：合金元素总量合金元素总量7.5%，淬透性高。，淬透性高。应用：应用：重载和强烈磨损的大型零件，如大型齿轮、曲轴等。重载和强烈磨损的大型零件，如大型齿轮、曲轴等。渗渗碳碳前前缓缓冷冷炉炉渗渗碳碳后后6-1合金结构钢合金结构钢 例例 以以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。热处理方法的选定和工艺的安排。 技术要求：技术要求： 渗碳层厚度渗碳层厚度

9、1.21.6mm， 表面碳浓度为表面碳浓度为1.0%， 齿顶硬度齿顶硬度5860HRC， 心部硬度心部硬度3045HRC。锻造锻造正火正火加工齿轮加工齿轮渗碳渗碳预冷淬火、低温回火预冷淬火、低温回火喷丸喷丸磨齿（精磨）磨齿（精磨） 1 1、工艺路线、工艺路线6-1合金结构钢合金结构钢2 2、热处理的作用、热处理的作用为了改善锻造状态的不正常组织，为了改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工。以利于切削加工。 20CrMnTi钢的渗碳温度为钢的渗碳温度为920左右，经查手册得左右，经查手册得知渗碳层厚知渗碳层厚1.21.6mm时所需渗碳时间为时所需渗碳时间为68h。 （2 2）渗碳）渗碳（3 3

10、）淬火及低温回火）淬火及低温回火 自渗碳温度预冷到自渗碳温度预冷到870880直接油淬，再经直接油淬，再经200低温回低温回火火23h。表面层由于碳含量较高，淬火低温回火后基本上为回。表面层由于碳含量较高，淬火低温回火后基本上为回火马氏体组织，具有很高的硬度和耐磨性，心部为低碳回火马火马氏体组织，具有很高的硬度和耐磨性，心部为低碳回火马氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性 。（1 1）正火）正火空冷空冷950970 温度温度6-1合金结构钢合金结构钢温度温度/时间时间/t/t950970正火正火空冷空冷920 68h气体渗碳气体渗碳预冷预冷870880油

11、冷油冷20023h回火回火6-1合金结构钢合金结构钢四、调质钢四、调质钢调质钢调质钢 是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。钢调质后的性能钢调质后的性能 ： 具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。合力学性能。 应用应用 在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆和连杆螺栓及在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。曲轴、汽车半轴、机床主轴等。 6-1合金结构钢合金结构钢(一一) 化学成分化学成分 WC=0.25%0.5%在相

12、同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度在相同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度也越高，但塑性和韧性降低。也越高，但塑性和韧性降低。碳含量过低使硬碳含量过低使硬度不足，过高使韧性不足。度不足，过高使韧性不足。所以调质钢的含碳所以调质钢的含碳量在中碳范围。量在中碳范围。1.调质钢的含碳量调质钢的含碳量主加元素：主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等等 提高淬透性提高淬透性 提高强度提高强度辅加元素：辅加元素：W、Mo等等 防止第二类回火脆性防止第二类回火脆性2.调质钢的合金化调质钢的合金化6-1合金结构钢合金结构钢(二二) 热处理特点热处理特点下料下料 锻造锻造预备热处理预备热处理机加工机加工（调质）（

13、调质）（表面局部淬火）（表面局部淬火）精加工精加工成品成品(1)(1)退火退火 （合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火（合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火(2)(2)正火正火 （碳素钢或合金元素少的钢）（碳素钢或合金元素少的钢）(3)(3)（正火（正火+ +）高温回火高温回火（650700）（合金钢）（合金钢）(4)(4)调质调质（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工，（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工， 加工后不再进行热处理）加工后不再进行热处理） 2.预备热处理预备热处理处理后硬度为处理后硬度为180200HBS，便于机加工。，便于机加工。1.生产工艺路线生产工艺路线6-1合

14、金结构钢合金结构钢调质：调质：淬火淬火+ +高温回火高温回火组织：组织：回火索氏体（回火索氏体（回火回火S）性能：性能：强度、塑性和韧性强度、塑性和韧性 均较高；均较高； 缺口敏感性小；缺口敏感性小； 接触疲劳强度、接触疲劳强度、 耐磨性较低。耐磨性较低。回火回火S3.调质处理调质处理6-1合金结构钢合金结构钢加热加热: 在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量）在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量） 中加热到单相奥氏体（中加热到单相奥氏体（830880 ）保温。）保温。冷却：冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。(1)(1)淬火淬火6-1合金结构钢合金结构钢回

15、火是控制其力学性能的关键，一般采用回火是控制其力学性能的关键，一般采用 500600 回火。回火后采用水冷、油冷回火。回火后采用水冷、油冷（防止第二类回火脆性）或空冷。（防止第二类回火脆性）或空冷。(2)(2)回火回火6-1合金结构钢合金结构钢(3)表面局部淬火表面局部淬火感应淬火部位感应淬火部位对许多零件通过调质对许多零件通过调质处理能满足强韧性要处理能满足强韧性要求，但局部对耐磨性求，但局部对耐磨性要求高，满足不了耐要求高，满足不了耐磨性要求。对局部进磨性要求。对局部进行感应淬火。行感应淬火。6-1合金结构钢合金结构钢(三三)常用调质钢及性能特点常用调质钢及性能特点1.碳素钢碳素钢 淬透性

16、差淬透性差尺寸尺寸 强度低强度低负荷较小的零件负荷较小的零件 2.合金钢合金钢 提高淬透性提高淬透性用于不同尺寸用于不同尺寸 提高强度提高强度用于较高应力用于较高应力(1)Mn钢、钢、Mn-B钢钢强化作用大，但韧性和塑性较差，退火后硬度偏高。强化作用大，但韧性和塑性较差，退火后硬度偏高。 (2) Cr钢、钢、Cr-Mo钢、钢、Cr-Mn钢、钢、Cr-V钢钢Cr提高淬透性，强度有所提高，对塑性、韧性影响不大；、提高淬透性，强度有所提高，对塑性、韧性影响不大；、 Mo、V不仅能增加淬透性，也能细化组织，防止第二类回火脆性，提高不仅能增加淬透性，也能细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和韧性；塑性

17、和韧性； 如如42CrMo、35CrMo、 40CrV钢钢 (3)Cr-Ni钢、钢、Cr-Ni-Mo钢钢钢中同时加入钢中同时加入Cr、Ni两种元素，可获得更好的力两种元素，可获得更好的力学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好的淬透性，但的淬透性，但Cr-Ni钢有回火脆性。钢有回火脆性。6-1合金结构钢合金结构钢(四四)典型零件应用举例典型零件应用举例1 汽缸体汽缸体 2 活塞活塞 3 进气阀进气阀 4 排气阀排气阀 5 连杆连杆 6 曲轴曲轴 7 凸轮凸轮 8 顶杆顶杆 9 齿轮齿轮 10 齿轮齿轮内燃机关键零件内燃机关键零件曲轴、连杆、连杆螺栓曲

18、轴、连杆、连杆螺栓齿轮、凸轮轴等齿轮、凸轮轴等6-1合金结构钢合金结构钢1.曲轴曲轴作用：作用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的机械功，汇集所有气缸内燃烧气体所做的机械功，以旋转的形式输出。以旋转的形式输出。(1)(1)曲轴的功用、工作条件及失效形式曲轴的功用、工作条件及失效形式 . 很大的交变弯曲应力和扭转应力。很大的交变弯曲应力和扭转应力。 . 应力集中严重。应力集中严重。 . 轴颈处还承受摩擦力。轴颈处还承受摩擦力。 磨损、断裂磨损、断裂6-1合金结构钢合金结构钢球铁、球铁、 45(2)(2)材料材料40Cr、45Mn2、50Mn235CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA下料下料锻造

19、锻造调质调质机加工机加工感应淬火（或化学感应淬火（或化学热处理）热处理）（滚压）（滚压） 精加工精加工(3)(3)加工路线加工路线v 调质安排在锻造和机加工之间；调质安排在锻造和机加工之间；v 机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理 （渗氮），提高耐磨性；（渗氮），提高耐磨性；v 对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲 劳断裂。劳断裂。应力大小不同可以选用不应力大小不同可以选用不同材料：同材料： 满足性能要求；满足性能要求； 最经济最经济6-1合金结构钢合金结构钢2.连杆和连杆螺栓连杆和连杆螺栓轴瓦轴瓦巴氏合金巴氏合金连杆连杆连杆连杆螺栓螺栓爆排进压爆排进压连杆：大压小拉连杆：大压小拉受力分析：受力分析：性能要求：性能要求： a.强度和刚度。强度和刚度。 b.尽量减轻连杆质量。尽量减轻连杆质量。 c.大端及小端轴承可靠，