第章机器零件用钢

1、第3章 机器制造结构钢 1、了解机械制造结构钢的服役条件，理解主要失效形式、性能要求和合金化特点，掌握强韧化机理；2、理解调质钢、非调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、低碳马氏体钢、合金渗碳钢、氮化钢、耐磨钢的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；3、理解零件材料选择的基本原则和思路并简单运用。机械制造结构钢的强度和脆性；各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；零件材料选择的基本原则和思路。 各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；运用理论知识选择零件材料。5多媒体+讲授，案例根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。3.1

2、概 述一、机器零件用钢的性能要求 1、具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。2、具有良好的力学性能不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。二、机器零件用钢合金化特点 主加元素：Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：淬透性和力学性能。辅加元素：Mo、W、V等 过热敏感性，回脆，淬透性。最佳范围：获得最佳性能称为极限合金化理论，结构钢常用范围为：1.2%Si, 2%Mn，12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。或是单独加入，或是复合加入。三、零件材料和工艺选择途

3、径1、对于要求良好综合力学性能，零件选低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。为耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类为代表.回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温回火。为耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。材料的途径为：2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢。农业机械较多.3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹簧钢。4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火。如轴承钢。 辨证思维：由于不同机器零件

4、的服役条件和失效方式不同，主要的设计依据和失效判据也不同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理工艺。应该明确：一般情况下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件；某一零件用某一材料制造，其热处理工艺方法也可能是多种的。 3.2 调质钢基本情况：整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏。主要性能指标-1、Rm、AK、KIC等。总体上要求良好的综合力学性能。主要应用：主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。1、淬透性原则 淬透性相同的

5、同类调质钢，可互相代用。0.250.45%C的合金钢经调质后室温性能变化屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化结构钢抗拉强度与硬度的关系结构钢是否淬透对屈强比的影响。2、合金化及常用钢含碳量在0.250.45%。常用合金元素作用：Mn：淬透性，但过热倾向，回脆倾向；Cr：淬透性，回稳性，但回脆倾向；Ni:基体韧度， Ni-Cr复合淬透性，回脆 ；Mo：淬透性,回稳性，细晶,回脆倾向；V：有效细晶，(淬透性) ，过热敏感性。在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。DC为油淬临界直径：低淬透性合金钢: DC 40CrNi 40Cr；回脆性40CrNiMo 40CrNi 40Cr回稳性

6、40CrNiMo 40CrNi 40Cr；塑韧性40CrNi 40Cr 40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？3、调质钢强韧化工艺的发展 正确认识性能指标：AK是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲条件下工作的，很难正确反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量。由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回火态好。零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时，强度应高些。以达最佳配合。综合强化工艺：如复合热处理，即热处理强化、表面处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高了50倍。冷变形：如滚压、喷丸等冷变形方

7、法的效果也比较好, 能提高零件寿命。锻造余热淬火：既能节约能源、简化工序，又能细化组织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆，已普遍采用锻造余热淬火工艺。3.3 非调质机械结构钢一、 微合金元素对强韧化的贡献。非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。主要强化作用：细化组织和相间沉淀。微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素，V是主要的。多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等主要贡献是细化组织。复合微合金化非调质钢典型成分牌号CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03 Mo

8、30(俄)0.300.551.00.600.20.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11 MoNC33HFB(日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日)0.35 0.400.15 0.351.30 1.600.05 0.1545VNbN(中)0.440.140.790.100.110.02N二、 获得最佳强韧化的工艺因素 相间沉淀析出示意图三、组织因素对强韧性贡献的大小 间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量一般认为可提高150400 MPa，甚至可达到600 MPa。细化组织强化量大约在50 300 MPa，脆化矢量为- 0.66/ MPa。

9、其它强化机制都不同程度地降低韧度。C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别为0.72/ MPa、1.97/ MPa；Mn和Cr元素的脆化矢量为零；Si为0.53/ MPa。铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶量有限。所以固溶强化相对是较小的。在强化机制上，不同的成分和工艺是不同的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。Mn对非调质钢韧度的影响 V、Ti、Nb对 强度的影响四 非调质钢的优化设计通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高强度和韧度的目的。+CU为冲击韧性，Rm为抗拉强度，D是珠光体片间距，fp是珠光体体积分数，dr为奥氏体晶粒大小， Rmp是析出强化增量。3.4 弹簧钢一、弹簧的服

10、役条件及性能要求 弹簧功能储能减振弹簧类型：板簧，螺簧，压簧、拉簧和扭簧等典型的螺旋弹簧及板簧其他要求: 冶金质量、表面质量。思考题：为什么弹簧要求有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳等缺陷?二、常用弹簧钢及强化工艺 合金化：含碳量在0.601.05,低合金弹簧钢在0.400.74C。+ Si、Mn、Cr、V等合金元素。Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高弹性极限，V提高淬透性和细化晶粒。 常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等。60Si2Mn： Si、Mn复合,强化F,e， s/b可达到0.80.9；Si / Mn 淬透性，Ms不过分,开裂倾向小; Si有效回稳性

11、, 但脱C倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小。常用螺旋弹簧钢有50CrVA等，50CrVA： Cr 、V均回稳性, 韧性好；V细化晶粒,过热敏感性; 含Si少,脱C敏感性, 热处理不易脱C;常用于受应力高的螺旋弹簧及60HRC；高接触疲劳强度以免过早失效保证材质、组织；一定韧度承受冲击，以免碎裂；尺寸稳定性好保证精度；一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。关键因素：化学成分、冶金质量和加工工艺。二、轴承钢的冶金质量和合金化接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀。冶金质量要求：纯净夹杂物要少：主要有各种氧化物（如A12O3）和硅酸盐等；危害程度依次递减：A12O3、球状不变形

12、夹杂、铝硅酸盐。氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响组织均匀：碳化物细小均布。主要有三类K：K液析 结晶时枝晶偏析而存在高温扩散退火，不允许液析严重；带状K 轧制时二次碳化物偏析高温扩散退火；网状K冷却时在晶界析出正火。GCr15钢 淬火回火态 （回火隐晶马氏体碳化物）网状碳化物 带状碳化物 碳化物液析三、高碳铬轴承钢的热处理工艺特点是简单而要求高。热处理特点：球化退火为最终淬火作组织准备淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响，一般采用保护气氛加热或真空加热160保温3h或更长回火，硬度6266HRC，如要求消除AR 淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。合金化：高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GC

13、rl5、GCrl5SiMn。组织特点：经合适的热处理，应得到组织：细小均匀的奥氏体晶粒度58级；M中含0.50.6%C；隐晶M基体上分布细小均匀的粒状K，体积分数约78%， 一般可有少量AR。负荷较小时,为提高-1，可设计M中约含0.45%C，K体积分数约5%。钢中总含碳量应。左 回火温度对GCr15钢力学性能的影响右 轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响 1- GCr15，850淬火；2-Cr15SiMn，830淬火1- GCr15，850淬火2-Cr15SiMn，830淬火思考题：轴承钢在淬火热处理后,硬度检验时不允许有明显的软点,为什么?如出现软点,可能有哪些因素造成的?3.6 低碳马

14、氏体钢没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢。低碳结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位错板条M 强度、韧度和塑性的最佳配合。基本性能：抗拉强度b ，11501500MPa ；屈服强度s , 9501250 MPa ；40% ；伸长率，10% ；冲击韧度AK6J 。 这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，常规的力学性能甚至优于调质钢。1 成分、工艺特点成分特点：0.150.25%C，以保证淬火后获得板M+ Cr、Mo、Si、Mn、V等 淬透性等性能15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的工艺特点：高温加热较长t保温高速冷却；零件断面尺寸，心部可能淬不透，综合性能应根据零件的尺寸大小来选择相

15、应淬透性的钢。2、低碳马氏体结构钢及应用应用：在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等制造工业中得到了广泛的应用实例：石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢 材料 工艺 重量kg b /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 5020SiMn2MoV 淬火 29 1600 110120局限性：工作温度200;强化后难以进行冷加工焊接等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严格的零件慎用.吊卡实物外形3.7 3.9 表面强化态钢（渗碳、渗氮、淬火）这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧性配合以满足要求。典型零件有齿

16、轮、凸轮等。 零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作 磨损和接触疲劳是主要失效形式 表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韧性 渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬火钢等各种类型的齿轮3.7 合金渗碳钢 1、渗碳钢的合金化一般含碳量在0.120.25，保证得到强韧性好的板条M；常用合金化元素，Mn、Cr、Ni主要淬透性， Ti、V、W、Mo细化晶粒 渗碳层性能：表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响表 合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响合金元素碳扩散系数表层碳量渗

17、层深度浓度梯度淬透性晶粒长大倾向含量范围质量分数 %Ti、V变陡不定 0.12 0.30WMoCr变陡0.41.20.20.6 2Mn影响小平缓 2Ni平缓影响小 4Si平缓影响小PMBP片比P球耐磨性高10%左右。P片越细，耐磨性越好。钢若具有A和B组织，其耐磨性要优于相同硬度的具有P和M组织的钢，换句话说，硬度较低的A和B组织可以比硬度较高的P和M具有相当的耐磨性能。碳化物细小均匀分布，耐磨性。在硬度相当的情况下，碳化物量越多则相对耐磨性越。一般来说，晶粒细化会伴随着耐磨性的改善。性能：不同成分的钢经热处理达到相近硬度时其耐磨性是不同的。不同碳含量的碳钢，在低温回火马氏体状态下，耐磨性随硬

18、度增加而明显提高。在一定硬度范围内相对耐磨系数随硬度增加而明显提高，但有时硬度过高耐磨性反而下降，如图所示 另外，材料表层的夹杂、空间、微裂纹、锻造央层等缺陷也将使磨损加剧。材料表面结构设计的不合理，如过大的界面变化、过小的圆角半径。表面加工质量以及各种热加工缺陷，如网状、带状组织、脱碳，氧化等，都是对耐磨性不利的。3.10.2 高锰铸钢一、高锰铸钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰。铸件使用。常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力学性能差，耐磨性低，不宜直接使用。经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏 体，软而韧。二、高锰钢的热处理1

19、、水韧处理加热T应Acm，一般为1050 1100，在一定保温时间下，K全部溶入A中。2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/41/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生裂纹；3、铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小于60；4、水韧处理后不宜再进行250350的回火处理，也不宜在250350以上温度环境中使用。三、高锰钢的耐磨性及应用耐磨机理：大形变在A基体中产生大量层错、形变孪晶、和马氏体而硬化。表面硬度从原来200HB左右可到500HB以上，硬化深度可达1020mm，而心部仍保

20、持A，所以能承受较大冲击载荷而不破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展 “前赴后继”。在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往往不一定好。应用：广泛应用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的零件，如各式碎石机的衬板、颚板、磨球，挖掘机斗齿、坦克的履带板等。思考题，保险箱?高锰钢经水韧处理能得到全部A，而缓冷却得到大量M。为什么?3.11 零件材料选择基本原则一、选择材料的基本原则1、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力；2、材料的工艺性能 加工工艺性能良好；3、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系；4、其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能性

21、、环境协调性等。二、零件的加工工艺路线基本上可分为三类：（1）性能要求不高的零件一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简单：毛坯正火（退火机械加工零件。如直接用型材加工，则不需要进行热处理。（2）性能要求较高的零件合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线：毛坯 预先热处理机械粗加工最终热处理（淬火回火或渗碳淬火等)精加工。（3）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线 为：毛坯 预先热处理 机械粗加工 热处理 半精加工 氮化处理 精加工 去应力退火 零件。 三、选择材料的基本思路及方法 注意：要合理引用手册上材料的力学性能数据；尽量选用简化加工工艺的材料；零件材料选择要考虑零件的综合成本

22、。四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。机床齿轮：载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火。一般工艺路线为：备料 锻造 正火 粗加工 调质处理 半精加工 高频淬火+ 回火 磨削。汽拖齿轮：汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，进行渗碳热处理。一般工艺路线为：备料锻造 正火 粗加工 渗碳+淬火+回火 喷丸 磨削。重载齿轮：航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿

23、轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。工艺路线较复杂：备料 模锻 正火+高温回火 机械加工 渗碳 高温回火 机械加工 淬火+回火 精加工 检验。2、轴类零件轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响精度和使用寿命。各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径可达1m以上。服役条件主要共同点： 传递扭矩，交变性，有时会承受弯曲、拉压负荷； 都有轴承支承，轴颈处受磨损，需要较高的硬度，耐磨性好； 大多数承受一定的冲击和过载。主要失效方式：断裂、疲劳断裂和过量磨损。轴类零件主要是按强度来选材的，并考虑一定韧度和耐磨性。目前常用轴的材料及工艺如下：（1）轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢，整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。（2）中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，