金属材料学第3章机械制造结构钢

1、2022-7-7了解机器零件用钢的强韧化机制；了解机器零件用钢的强韧化机制； 渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；和热处理特点； 掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及用途用途。 本章教学本章教学基本基本要求要求第第3章章 机器零件用钢机器零件用钢machinery constructional steel2022-7-7本章内容 3.1概述概述 3.2调质钢调质钢 3.3非调质机械结构钢非调质机械结构钢 3.4弹簧钢弹簧钢 3

2、.5滚动轴承钢滚动轴承钢 3.7 合金渗碳钢合金渗碳钢 3.8 氮化钢氮化钢 3.9 低淬透性钢低淬透性钢 3.10 耐磨钢耐磨钢 3.11 零件材料选择基本原则与思路零件材料选择基本原则与思路2022-7-7 一、应用背景一、应用背景： 机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用于制造各种机械零件的钢种于制造各种机械零件的钢种。 机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，如各种齿轮零件、轴（杆）类零发展起来的，如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛

3、应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。飞机及火箭等装置上。 3.1概述概述2022-7-7拨叉拨叉变速齿轮变速齿轮变速箱变速箱2022-7-7齿轮齿轮曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节连杆连杆2022-7-7弹簧弹簧离合器弹簧离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧板弹簧板弹簧拉力弹簧拉力弹簧2022-7-7滚珠轴承滚珠轴承滚珠轴承滚珠轴承调心球轴承调心球轴承 2022-7-7履带履带铁轨分道叉铁轨分道叉破碎机颚板破碎机颚板挖掘机斗齿挖掘机斗齿2022-7-7 受载情况受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切

4、、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种载荷的交互作用。载荷的交互作用。 服役环境服役环境：大气、水和润滑油，温度在：大气、水和润滑油，温度在-50-50100100。 要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等公差配合等。 由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同用钢有所不同。二、机器零件用钢的服役条件二、机器零件用钢的服役条件2022-7-7良好的强度和韧性良好的强度和韧性 以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性以保证机器零

5、件体积小、结构紧凑及安全性好；好； 良好的疲劳性能与耐磨性等良好的疲劳性能与耐磨性等 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的的使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。三、机器零件用钢对力学性能要求三、机器零件用钢对力学性能要求2022-7-7 机器零件用钢制造工艺繁多机器零件用钢制造工艺繁多： 热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热处理。处理。 冷加工：车、铣、刨、磨冷加工：车、铣、刨、

6、磨等等。等等。 通常机器零件的制造工艺流程为：通常机器零件的制造工艺流程为： 其中以其中以切削加工性能切削加工性能和和热处理工艺性能热处理工艺性能为机器零件用钢为机器零件用钢的主要工艺性能；的主要工艺性能；型材型材改锻改锻预先热处理预先热处理粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工四四、机器零件对工艺性能的要求、机器零件对工艺性能的要求2022-7-7 五、机器零件用钢合金化特点五、机器零件用钢合金化特点 主加主加元素元素 Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：主要作用：淬透性和力学性能。淬透性和力学性能。辅加辅加元素元素 Mo、W、V等等 过热敏感性，过热敏感性，回脆，回脆，淬透性。淬透性

7、。最佳最佳范围范围 获得最佳性能获得最佳性能称为称为极限合金化理论极限合金化理论 结构钢常用范围为：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。或是单独加入，或是复合加入。2022-7-7六、机器零件用结构钢的强度与韧性性性能能指指标标 机器零件用结构钢均承受拉、压、扭机器零件用结构钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力。等交变应力，大部分是整体受力。其主要失效形式是其主要失效形式是疲劳破坏疲劳破坏， 主要性能指标主要性能指标- -1、Rm、AK、KIC等。等。 总体上

8、要求良好的综合力学性能。总体上要求良好的综合力学性能。2022-7-7七、零件材料和工艺选择途径七、零件材料和工艺选择途径9选择采用淬火选择采用淬火+高温回火。回火索氏体型，高温回火。回火索氏体型，为为耐磨性，可进行渗氮处理或高耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。热淬火等表面硬化工艺方法。 1 1、对于要求良好综合力学性能，、对于要求良好综合力学性能，轴类零件为典型轴类零件为典型:中碳钢中碳钢2022-7-7 2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。中碳钢，可选择采用低温回火工艺。如性。中碳钢，可选择采用低温回火工艺。如低合金

9、中碳马氏体钢。农业机械应用较多。低合金中碳马氏体钢。农业机械应用较多。 3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又、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，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。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、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，淬劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火火+低温回火。如轴承钢。低温回火。如轴承钢。 2022-7-7本章内容 3.1概述概述3.2调质钢调质钢3.3非调质机械结构钢非调质机械结构钢 3.4弹簧钢弹簧钢 3.5滚动轴承钢滚动

10、轴承钢 3.7 合金渗碳钢合金渗碳钢 3.8 氮化钢氮化钢 3.9 低淬透性钢低淬透性钢 3.10 耐磨钢耐磨钢 3.11 零件材料选择基本原则与思路零件材料选择基本原则与思路2022-7-73.2 调质钢调质钢hadened and tempered steel 淬火高温回火淬火高温回火后使用后使用的中碳钢或中碳合金钢为的中碳钢或中碳合金钢为调质钢，是机械制造业中调质钢，是机械制造业中用量最大的钢种。用量最大的钢种。调质件（螺杆）调质件（螺杆）2022-7-7 汽车半轴汽车半轴 a)一端法兰式一端法兰式; b)二端花键式二端花键式; c)变截面台阶式变截面台阶式 M7150A砂轮主轴砂轮主轴

11、汽汽 拖用连杆拖用连杆2022-7-7T615K镗床镗杆镗床镗杆S7332 螺纹磨床丝杠螺纹磨床丝杠2022-7-7 优质碳素结构钢优质碳素结构钢（G/T6991999）：）： 08F钢汽车外壳、仪器仪表外壳（碳量万分制） 1025冷冲压件和焊接件，（渗碳钢） 3555齿轮、轴类零件（调质钢） 6070弹簧钢、钢丝绳 优质合金钢是在上述成分基础上添加一元或多元合金构成。 补充说明补充说明2022-7-7图图3-1 含含0.250.45%C的合金钢的合金钢经调质后室温性能变化经调质后室温性能变化图图3-2屈服强度相同的碳钢和合金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断面收缩率变化 3

12、.2.1 3.2.1 调质钢淬透性原则调质钢淬透性原则0.25-0.45%的合金钢经调质的合金钢经调质后室温性能大致相同，强度差后室温性能大致相同，强度差异异10%10%，但，但断面收缩率差异断面收缩率差异较大较大。2022-7-7淬火高温回火淬火高温回火淬火：淬火：Ac3以上，油淬。以上，油淬。回火：回火：500-650，获得，获得回火索氏体，但应注意第回火索氏体，但应注意第二类回火脆性。二类回火脆性。 有时为了获得高强度，调质钢也有时为了获得高强度，调质钢也可进行可进行低温（低温（200-250200-250） 回火回火，适当牺牲塑性、韧性，获得回火马适当牺牲塑性、韧性，获得回火马氏体。氏

13、体。A3A15 0 0 -650图图3-3高温回火工艺高温回火工艺淬透性原则：淬透性原则： 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用淬透性相同的同类调质钢，可互相代用2022-7-7调质钢组织特点调质钢组织特点调质后得到回火索氏体，其特点调质后得到回火索氏体，其特点是：是：1.铁素体基体上均匀分布的粒状铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，起碳化物，起弥散强化弥散强化，溶入基体，溶入基体的碳与合金元素起的碳与合金元素起固溶强化固溶强化，这，这样保证了高强度；样保证了高强度； 2. 均匀分布的均匀分布的细小细小粒状碳化物，粒状碳化物，保证良好的塑性、韧性；保证良好的塑性、韧性； 3. 由淬火马氏体转变来的

14、索氏体，由淬火马氏体转变来的索氏体，晶粒细小，使得晶粒细小，使得韧脆转变温度低。韧脆转变温度低。 以上组织特点使调质钢具有以上组织特点使调质钢具有强度、塑性和韧性的良好综合性强度、塑性和韧性的良好综合性能能图图3-4 45#3-4 45#调质处理后调质处理后的回火索氏体的回火索氏体2022-7-7 3.2.2 3.2.2、合金化及常用钢、合金化及常用钢 含碳量在含碳量在0.250.45%。常用合金元素作用：。常用合金元素作用：Mn：淬透性，但淬透性，但过热倾向，过热倾向，回脆倾向；回脆倾向； Cr：淬透性，淬透性，回稳性，但回稳性，但回脆倾向；回脆倾向； Ni:基体韧度，基体韧度， Ni-Cr

15、复合复合淬透性，淬透性，回脆回脆 ； Mo：淬透性，淬透性，回稳性，细晶，回稳性，细晶，回脆倾向；回脆倾向； V：有效细晶，：有效细晶，(淬透性淬透性) ，过热敏感性。过热敏感性。2022-7-7 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其临界淬透直径分别为2530mm、4060mm、60100mm。图图3-5不同合金化对钢淬透性的影响（不同合金化对钢淬透性的影响（DC为油淬临界直径）为油淬临界直径）低淬透性钢Dc 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo思考：以思考：以Mn代代Ni

16、，在性能上有什么差别？，在性能上有什么差别？2022-7-7 3.2.3 3.2.3、调质钢强韧化工艺的发展、调质钢强韧化工艺的发展正确正确认识认识性能性能指标指标 Rm、ReL、A、Z是综合力学性能，是综合力学性能，但有些重要零件应以但有些重要零件应以AK 、 -1、KIC来来衡量。衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回火态好能也不一定都是高温回火态好。零件。零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜高些塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时，；冲击能量较小时，强度应高些。以达最佳配合。强度应高些。以达最佳

17、配合。低碳马氏体钢和非调质钢的设计理念低碳马氏体钢和非调质钢的设计理念2022-7-7综合综合强化强化工艺工艺 如复合热处理，即热处理强化、表面如复合热处理，即热处理强化、表面处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高了命提高了5050倍倍冷变冷变形形锻造锻造余热余热淬火淬火 如滚压、喷丸等如滚压、喷丸等冷变形冷变形方法的效果也比方法的效果也比较好较好, , 能提高零件寿命能提高零件寿命 既能节约能源、简化工序，又能细化组既能节约能源、简化工序，又能细化组织，提高零件的强韧性。如柴油机连

18、杆，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已普遍采用锻造余热淬火工艺2022-7-73.3 非调质钢非调质钢 non hardened and tempered steel3.3.1、 微合金元素对强韧化的贡献微合金元素对强韧化的贡献 非调质钢组织：主要是非调质钢组织：主要是F+P+弥散析出弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素：微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素，等元素， V是主要的。是主要的。 多元适量，复合加入：多元适量，复合加入：Nb-V-N和和Ti-V等等 主要贡献是细化组织。主要贡献是细化组织

19、。2022-7-7牌号牌号CSiMnCrVNbTi其他其他27MnSiVS6(德德)0.260.701.500.100.02S1000(法法)0.470.361.550.140.120.0650.03 Mo30(俄俄)0.300.551.00.600.20.171524MoV(美美)0.220.351.540.110.11 MoNC33HFB(日日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日日)0.35 0.400.15 0.351.30 1.600.05 0.1545VNbN(中中)0.440.140.790.100.110.02N表表3.1复合微合金化非调质钢典型成

20、分复合微合金化非调质钢典型成分2022-7-7 图图3-6Mn对非调质钢韧度的影响对非调质钢韧度的影响 图3-7 V、Ti、Nb对对 强度的影响强度的影响2022-7-7 3.3.23.3.2、 获得最佳强韧化的工艺因素获得最佳强韧化的工艺因素 相间相间析出析出沉淀强化沉淀强化细化组织细化组织工艺参数工艺参数是关键是关键 细化组织和沉细化组织和沉淀析出要协调淀析出要协调控制轧制控制轧制控制冷却控制冷却 决定各种强化机制的效果决定各种强化机制的效果2022-7-7 3.3.3、 组织因素对强韧性贡献的大小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间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量

21、一般认为可提高一般认为可提高150400 MPa，甚至可达，甚至可达到到600 MPa。 细化组织强化量大约在细化组织强化量大约在50 300 MPa，脆化矢量为脆化矢量为- 0.66/ MPa。 其它强化机制都不同程度地降低韧度其它强化机制都不同程度地降低韧度2022-7-7 3.4 弹簧钢弹簧钢spring steel 3.4.1、弹簧的服役条件及性能要求、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能弹簧功能储能减振储能减振弹簧类型弹簧类型板簧，螺簧；板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等压簧、拉簧和扭簧等2022-7-7 典型的螺旋弹簧及板簧典型的螺旋弹簧及板簧压缩螺簧压缩螺簧拉伸螺簧拉伸螺簧扭转螺簧扭转

22、螺簧单板弹簧单板弹簧椭圆板簧椭圆板簧叠形板簧叠形板簧2022-7-7汽车板簧汽车板簧2022-7-7火车弹簧火车弹簧轿车弹簧轿车弹簧2022-7-7板簧板簧弯曲载荷弯曲载荷螺簧螺簧扭转应力扭转应力疲劳破坏疲劳破坏弹性减退弹性减退 高的弹性极限高的弹性极限e e、屈强比、屈强比s s/ /b b弹性弹性； 高的高的疲劳强度疲劳强度- -1 避免早期疲劳破坏；避免早期疲劳破坏； 有足够的塑性和韧性有足够的塑性和韧性 不产生脆性断裂；不产生脆性断裂； 足够的淬透性足够的淬透性 保证保证e和整体强度和整体强度 其他要求其他要求: : 冶金质量、表面质量冶金质量、表面质量2022-7-7思考题：思考题：

23、 为什么弹簧要求有好的为什么弹簧要求有好的表面质量表面质量，如表面不允许有如表面不允许有裂纹裂纹、折迭折迭、严重脱碳等严重脱碳等缺陷缺陷? ?2022-7-73.4.2、常用弹簧钢及强化工艺、常用弹簧钢及强化工艺 合金化：合金化： 含碳量在含碳量在0.601.05, ,低合金弹簧钢在低合金弹簧钢在0.400.74C。 + Si、Mn、Cr、V等合金元素。等合金元素。 Cr和和Mn主主要是提高淬透性，要是提高淬透性， Si提高弹性极限，提高弹性极限， V提高提高淬透性和细化晶粒。淬透性和细化晶粒。2022-7-7热处理热处理工艺工艺淬火和淬火和中温回火中温回火 回火回火屈氏体屈氏体 具有一定的冲

24、击韧度，较高的弹性极具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和最高的疲劳强度限、屈强比和最高的疲劳强度回火温度回火温度: 弹性参数和韧性参数之间的弹性参数和韧性参数之间的 平衡或最佳配合。平衡或最佳配合。2022-7-7图3-9 55Si2Mn钢疲劳极限随回火温度的变化AcmA1Ms3 5 0 -5002022-7-7 60Si2Mn: Si、Mn复合复合,强化强化F,e e， s/b可达到可达到0.80.9； Si / Mn 淬透性，淬透性，Ms不过分不过分, ,开裂倾向小开裂倾向小; ; Si有效有效回稳性回稳性, 但但脱脱C倾向倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰复合，脱

25、碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小钢为小.常用硅锰板簧钢有常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等等2022-7-7常用螺旋弹簧钢有常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。等。 50CrVA : Cr 、V均均回稳性回稳性, , 韧性好韧性好； V 细化晶粒细化晶粒, 过热敏感性过热敏感性; ; 含含Si少少, ,脱脱C敏感性敏感性, , 热处理不易脱热处理不易脱C; ; 常用于受应力高的螺旋弹簧及常用于受应力高的螺旋弹簧及10mm) 表面喷丸目的是使其表面强化并形成残余应力，减少表面缺陷的不良影响，提高疲劳强度。大型热卷弹簧大型热卷弹簧图图3-10 653-10 65钢淬火中温回火组织钢淬火

26、中温回火组织2022-7-7 板簧最适合形变强化板簧最适合形变强化: : 滚压滚压、喷丸等冷变形强化强化都能有效地提喷丸等冷变形强化强化都能有效地提高高板簧使用寿命，如结合高温形变热处理则更好板簧使用寿命，如结合高温形变热处理则更好板簧喷丸作用举例板簧喷丸作用举例: 疲劳强度疲劳强度(MPa) 板厚板厚/mm 未喷丸未喷丸 喷丸喷丸 应力喷丸应力喷丸 13 390 470 800 11 350 700 8502022-7-73.5滚动轴承钢roller bearing steel圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承自动调心球轴承自动调心球轴承2022-7-7滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承

27、大型轴承大型轴承2022-7-7 3.5.1、滚动轴承钢的工作特点及性能要求、滚动轴承钢的工作特点及性能要求 滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、锥、 针）及保持器组成。针）及保持器组成。图图3-11滚珠轴承不同部位的钢球受力情况滚珠轴承不同部位的钢球受力情况2022-7-7工工作作条条件件高负荷高负荷最大接触应力可高达最大接触应力可高达30005000MPa高转速高转速 循环周次高达每分钟数万次；循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度高灵敏度 精度要求高精度要求高磨损、麻点磨损、麻点噪音噪音2022-7-7性性能能要要求求 高而均匀高而均匀的硬度和耐磨性的

28、硬度和耐磨性足够足够淬透性和淬硬性，淬透性和淬硬性，60HRC； 高高接触疲劳强度接触疲劳强度以免过早失效以免过早失效保证材质、组织；保证材质、组织； 一定一定韧度韧度承受冲击，以免碎裂；承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定尺寸稳定性好性好保证精度；保证精度； 一定耐蚀性一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。大气、润滑油腐蚀。关键因素关键因素 化学成分、冶金质量和加工工艺化学成分、冶金质量和加工工艺2022-7-7 3.5.2、轴承钢的冶金质量和合金化、轴承钢的冶金质量和合金化10冶金冶金质量质量要求要求 纯净纯净夹杂物要少：主要有各种夹杂物要少：主要有各种氧化物（如氧化物（如A12O3）和硅酸盐等；）和硅酸

29、盐等； 危害程度依次递减：危害程度依次递减：A12O3 球球状不变形夹杂状不变形夹杂铝硅酸盐。铝硅酸盐。接触面小接触面小应力集中大应力集中大易产生裂纹易产生裂纹材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀2022-7-7 图3-12氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响2022-7-7轴承钢轴承钢合金合金化化1.01.10 不标不标碳碳。在钢号前冠以在钢号前冠以“G”（滚），（滚），Cr的含量用千分之几表示，的含量用千分之几表示， 如如 GCr15，GCrl5SiMn、G20CrNiMo、95Cr18。Cr含量含量 ?组织组织特点特点 经合适的热处理，应得到组织：经合

30、适的热处理，应得到组织：M中含中含0.50.6%C；隐晶；隐晶M基体上分布基体上分布细小均匀的粒状细小均匀的粒状K，体积分数约，体积分数约78%， 一般可有少量一般可有少量AR。 负荷较小时负荷较小时,为提高为提高-1-1，可设计，可设计M中中约约含含0.45%C0.45%C，K体积分数约体积分数约5%5%。钢中总钢中总含碳量应含碳量应2022-7-7图图3-13 3-13 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系2022-7-7图图3-14 3-14 GCr15轴承钢中未溶轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系量与疲劳寿命间的关系2022-7-7组组织

31、织均均匀匀 碳化物细小均布。主要有三类碳化物细小均布。主要有三类K： K液析液析 结晶时枝晶偏析而存在结晶时枝晶偏析而存在高温扩散退火，不允许液析严重；高温扩散退火，不允许液析严重； 带状带状K 轧制时二次碳化物偏析轧制时二次碳化物偏析高温扩散退火；高温扩散退火； 网状网状K冷却时在晶界析出冷却时在晶界析出正火正火2022-7-7 图图 3-16 网状碳化物网状碳化物 500 图图3-15 碳化物液析碳化物液析 500 2022-7-7 图图3-17 带状碳化物带状碳化物 500 2022-7-7 3.5.3、高碳铬轴承钢的热处理、高碳铬轴承钢的热处理 工艺特点是简单而要求高。工艺特点是简单而

32、要求高。热热处处理理特特点点 球化退火球化退火为最终淬火作组织准备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一般采用保护气氛加热或真空加热160保温保温3h或更长回火，硬度或更长回火，硬度6266HRC 如要求消除如要求消除AR 淬火后立即冷处理淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。而后立即低温回火。2022-7-7 图图3-3-1919回火回火温度对温度对GCr15钢钢力学性力学性能的影能的影响响AcmA1Ms150-2502022-7-7 图图3-20 轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响轴承钢深冷处理温度对残留奥

33、氏体量的影响 1- GCr15，850淬火；淬火；2-Cr15SiMn，830淬火淬火1- GCr15，850淬火淬火2-Cr15SiMn，830淬火淬火2022-7-7思考题思考题: : 轴承钢在淬火热处理后轴承钢在淬火热处理后, ,硬硬度检验时不允许有明显的软点度检验时不允许有明显的软点, ,为什么为什么? ? 如出现软点如出现软点, ,可能有哪些因可能有哪些因素造成的素造成的? ?2022-7-7例题：例题：GCr15轴承钢及热处理轴承钢及热处理锻（轧）球化退火（780810连续冷却和等温转变）机械加工淬火（830860） 低温回火（160）（或-70冷处理低温回火）磨加工附加低温时效（

34、120150，13次）最佳组织最佳组织：回火马氏体碳化物残余奥氏体组织，硬度6266HRC 。2022-7-7球化退火球化退火目的：为得到粒状，分布均匀的珠光体，为淬火目的：为得到粒状，分布均匀的珠光体，为淬火做组织准备，连续冷却效果好。做组织准备，连续冷却效果好。图图3-21 GCr15钢的球化退化工艺钢的球化退化工艺a）普通球化退火）普通球化退火b）等温球化退化）等温球化退化2022-7-7图图3-22 GCr15正常锻后空冷组织正常锻后空冷组织图图3-24 GCr15球化退火组织球化退火组织图图3-23 GCr15非正常锻后空冷组织非正常锻后空冷组织2022-7-72022-7-7 Gr

35、15正常的淬火、正常的淬火、回火组织：回火组织： 黑区黑区为为 回火回火隐针马隐针马氏体氏体 亮区亮区为为 回火细小的回火细小的针状马氏体少量残针状马氏体少量残余奥氏体余奥氏体 白色小颗粒白色小颗粒为碳化为碳化物物图图3-26 GCr15 850淬火，淬火，160回火回火2022-7-7本章内容 3.1概述概述 3.2调质钢调质钢 3.3 非调质机械结构钢非调质机械结构钢 3.4 弹簧钢弹簧钢 3.5滚动轴承钢滚动轴承钢 3.7合金渗碳钢合金渗碳钢 3.8 氮化钢氮化钢 3.10 耐磨钢耐磨钢 3.11 零件材料选择基本原则与思路零件材料选择基本原则与思路2022-7-73.7 合金渗碳钢合金

36、渗碳钢 Alloy carburizing steel 零件在滑动、滚动、接触零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作应力、摩擦等工况下工作 磨损和接触疲劳磨损和接触疲劳是主要失效形式是主要失效形式 表面应具有高硬度、高接表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性，触疲劳抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韧性而心部有一定塑韧性 渗碳钢、渗氮渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬钢、感应加热淬火钢等火钢等 这类这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通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

37、要求。典型零件有齿轮、凸轮等性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等2022-7-7各种类型的齿轮各种类型的齿轮2022-7-73.7.1 合金渗碳钢合金渗碳钢的合金化的合金化一般含碳量在一般含碳量在0.120.25 保证得到强韧保证得到强韧性好的板条性好的板条M常用合金常用合金化元素化元素 Mn、Cr、Ni主要主要淬透性淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒细化晶粒 渗碳层性能渗碳层性能: : 表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，。原则上，渗碳层深度渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。应大于零件的最大切

38、应力深度。0.8-1.05%C0.8-1.05%C表层表层2022-7-7心部强度心部强度渗层厚度渗层厚度表层强度表层强度外应力外应力强强度度距离距离表面碳浓度太高表面碳浓度太高渗层太浅渗层太浅 图图3-28 渗碳零件受力与渗层厚度的关系渗碳零件受力与渗层厚度的关系2022-7-7图图3-27合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响 2022-7-7合金合金元素元素碳扩散碳扩散系数系数表层表层碳量碳量渗层渗层深度深度浓度浓度梯度梯度淬透性淬透性晶粒长晶粒长大倾向大倾向含量范围含量范围质量分数质量分数 %TiV变陡变陡不定不定 0.12 0.30W

39、MoCr 变陡变陡0.41.20.20.6 2Mn影响小影响小平缓平缓 2Ni平缓平缓影响小影响小 4Si平缓平缓影响小影响小 0.8 表表3.2 3.2 合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响2022-7-7 3.7. 3.7.2 2、常用合金渗碳钢及热处理、常用合金渗碳钢及热处理 按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。 20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可钢可20CrMnTi钢特点钢特点: Cr、Mn复合，淬透性好，复合，淬透性好，D油油约约40mm； 较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧

40、度较好；较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好； 渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。淬火，变形也比较小。 广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。2022-7-7 渗碳后的热处理工艺有直接淬火渗碳后的热处理工艺有直接淬火一次淬火一次淬火二二次淬火次淬火 . 细晶粒钢可用直接淬火细晶粒钢可用直接淬火. 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢：高淬透性渗碳钢 由于合金元素多，所以工艺可变

41、程度大，获得由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得 的组织性能也较复杂。的组织性能也较复杂。 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA可作为可作为调质钢，低碳马氏体钢，调质钢，低碳马氏体钢， 也可作为渗碳钢也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主。渗碳和淬火工艺较复杂。主 要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要 件，如航空发动机齿轮等。件，如航空发动机齿轮等。2022-7-7高温回火淬火加热马氏体等温淬火高温回火（未淬透心部S回，淬透M回，表层M回+K+A）低温回火（消除应力）。淬火后高温回火的目的是：消除残余奥氏体。淬火后高温回火的目的是：消除残余

42、奥氏体。Acm810 A1700 Ms310610850520-560150图3-29 18Cr2Ni4W钢渗碳后马氏体等温淬火热处理工艺18Cr2Ni4W工艺流程：2022-7-7Acm780 A1 710 Ms295图3-30 20Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后热处理工艺20Cr2Ni4A工艺流程： 下料锻造正火（SF）插齿、滚齿渗碳高温回火淬火冷处理低温回火 (表层M回碳化物) 磨齿2022-7-7作业题1.在飞机制造厂中，常用18Cr2Ni4WA钢制造发动机变速箱齿轮。为减少淬火后残余应力和齿轮尺寸的变化，控制心部硬度不致过高，以保证获得必需的冲击韧性，采用如下工艺：将渗碳后的齿轮加热到8

43、50左右，保温后淬入200220的第一热浴中，保温10min左右，取出后立即置于550570的第二热浴中，保持12小时，取出空冷至室温。问：此时钢表、里的组织是什么？已知：该钢的Ms310，表面渗碳后的Ms80左右。2.轧制钢板的轧辊尺寸很大，其轴承在工作时受很大的轧制钢板的轧辊尺寸很大，其轴承在工作时受很大的冲击作用，请从以下材料中选择合适的材料制造该轴承，冲击作用，请从以下材料中选择合适的材料制造该轴承，并且说明热处理工艺及使用状态组织并且说明热处理工艺及使用状态组织.GCr15，W18Cr4V，20Cr2Ni4， 40CrNiMo，T10，0Cr8Ni9，20，Cr12MoV，65Mn

44、2022-7-73.8氮化钢氮化钢 服役条件：服役条件：有些零件工作时载荷不大，基本上无冲击力；有些零件工作时载荷不大，基本上无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻， 同时也受到交变的疲劳应力。同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重要的要求是能保持高的精度。这一类零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢进行渗氮处理。常采用氮化钢进行渗氮处理。2022-7-7 常用钢常用钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢 。 国内外广泛使用的氮化钢是国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得钢，获得 最高氮化层硬度，达到最高氮化层硬度，

45、达到9001000HV。仅要求高。仅要求高 疲劳强度的零件，可采用不含铝的疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化型氮化 钢，如钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的等，其氮化层的 硬度控制在硬度控制在500800HV。 工艺工艺：氮化前，要经过：氮化前，要经过调质热处理调质热处理以得到稳以得到稳 定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性 能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好 的氮化层作组织准备。的氮化层作组织准备。2022-7-7 精密机床主轴：中碳铬钼铝钢38CrMoAl ，表面

46、硬度高，耐磨性好，咬死和擦伤倾向小，疲劳性能高、缺口敏感性低、耐蚀性高。12图3-31合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响（550氮化24h）2022-7-7 38CrMoAl 氮化方法有气体氮化和离子氮化。500565，形成（Fe4N）、（Fe3-2N）相，合金氮化物，共格关系，弥散强化。 不含铝时氮化层脆，容易剥落。氮的渗入提高了表面残余压应力，提高疲劳性能。2022-7-7思考题思考题: 某精密镗床主轴用某精密镗床主轴用38CrMoAlA38CrMoAlA钢钢制制, ,某重型齿轮铣床主轴用某重型齿轮铣床主轴用20CrMnTi20CrMnTi制造制造, ,某普通车床主轴用某普通车床主轴用4

47、0Cr40Cr钢制造钢制造. .试分析比较说明它们试分析比较说明它们各自应采用什么样的热处理工艺各自应采用什么样的热处理工艺及最终的组织和性能特点及最终的组织和性能特点. .2022-7-73.9低淬透性钢低淬透性钢surface hardening steel感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：有： 不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍然保持较高的塑性和韧度；然保持较高的塑性和韧度； 表面局部加热，零件的淬火变形小；表面局部加热，零件的淬火变形小； 加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象；加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现

48、象； 在表面形成残余压应力，提高疲劳强度在表面形成残余压应力，提高疲劳强度。 与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性耐磨性和疲劳抗力不如渗碳工艺。和疲劳抗力不如渗碳工艺。 2022-7-7概念概念是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低专门用于中、小模数（专门用于中、小模数（m=38）的齿轮）的齿轮应用应用特点特点得到沿着轮廓分布硬化层得到沿着轮廓分布硬化层 “仿形硬化仿形硬化” 感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质

49、钢和低淬透性钢。这里介绍钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢低淬透性钢2022-7-7 硬化层分布硬化层分布(右为仿形硬化右为仿形硬化) 降低钢淬透性措施降低钢淬透性措施:Mn、Si; 加入加入Ti 国家标准有国家标准有55 Ti 、 60 Ti 、 70 Ti等等.2022-7-7本章内容 3.1概述概述 3.2调质钢调质钢 3.3非调质机械结构钢非调质机械结构钢 3.4弹簧钢弹簧钢 3.5滚动轴承钢滚动轴承钢 3.7 合金渗碳钢合金渗碳钢 3.8 氮化钢氮化钢 3.9 低淬透性钢低淬透性钢 3.10耐磨钢耐磨钢 3.5零件材料选择基本原则与思路零件材料选择基本原则与思路2022-7-73.1

50、0耐磨钢abrasion-resistant steel 磨损有磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、接触疲劳磨损等。磨粒磨损占50，粘着占15，腐蚀磨损8。部分结构钢、工具钢和合金铸铁、高锰钢和低合金耐磨钢可采用。 这里介绍高锰钢。2022-7-73.10.1钢的耐磨性钢的耐磨性及其影响因素及其影响因素 钢的耐磨性是指在一定工作条件下抵抗磨损的能力。影响钢耐磨性的因素主要是磨损工矿和摩擦副材质。 内在因素：化学成分、组织、性能。不同基体的耐磨性按铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体顺序递增。图图3-32钢铁材料基体组织与耐磨性的一般关系钢铁材料基体组织与耐磨性的一般关系2022-7-7相对耐磨系数随硬度增

51、加而增加，但相对耐磨系数随硬度增加而增加，但T10超过超过HV800T10图图3-33不同材料淬火回火后硬度和相对耐磨系数关系不同材料淬火回火后硬度和相对耐磨系数关系2022-7-73.10.2 高锰耐磨钢高锰耐磨钢 一、高锰铸钢的化学成分及性能一、高锰铸钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰。铸态使用。特点：高碳、高锰。铸态使用。 常用高锰铸钢为常用高锰铸钢为ZGMn13型。型。 铸态组织一般是铸态组织一般是 奥氏体、珠光体、马氏体和碳奥氏体、珠光体、马氏体和碳化物化物复合组织，不宜直接使用。复合组织，不宜直接使用。 经过水韧经过水韧 处理（即固溶处理）后的显微组织是处理（即固溶处理）后的显微

52、组织是单相奥氏体，软而韧。单相奥氏体，软而韧。 ZGMn13、ZGMn13Cr2、ZGMn13Mo、ZGMn13RE2022-7-7二、高锰钢的热处理二、高锰钢的热处理 1、水韧处理加热、水韧处理加热T应应Acm，一般为，一般为1050 1100，在一定保温时间下，在一定保温时间下，K全部溶入全部溶入A中中 2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的、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，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺，而且铸件尺寸往往又较大，所以要寸往往又较大，所以要缓慢缓慢加热，以避免产生加热，以避免产生裂纹；裂纹；2022-7-7 3、铸件出炉至入水时间应尽量

53、缩短，以、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。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水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小，水冷后水温应小 于于60； ？ ？ 4、水韧处理后不宜再进行、水韧处理后不宜再进行250350的回的回 火处理，也不宜在火处理，也不宜在250350以上温度环境中以上温度环境中 使用。使用。 ？ ？2022-7-7 三、高锰钢的耐磨性及应用三、高锰钢的耐磨性及应用耐耐磨磨机机理理 形变硬化和诱发相变形变硬化和诱发相变:A基体中产生基体中产生大量层错大量层错、形变孪晶形变孪晶、和和马氏体马氏体。 表面硬度表面硬度: 2

54、00HB左右可左右可到到500HB以上，硬化深度可达以上，硬化深度可达1020mm，而心部，而心部仍保持仍保持A，所以能承受较大冲击载荷而，所以能承受较大冲击载荷而不破裂。表层逐渐被磨损，而硬化层不不破裂。表层逐渐被磨损，而硬化层不断地向内发展断地向内发展 “前赴后继前赴后继”。 在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往往不一定好。往不一定好。2022-7-7应应用用 广泛应用于承受大冲击载荷、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，各式碎石机的衬板、颚板、磨球，挖掘机斗齿、坦克的履带板等。挖掘

55、机斗齿、坦克的履带板等。 保险箱保险箱 ? ?思思考考题题 高锰钢经水韧处理能得到全部高锰钢经水韧处理能得到全部A，而缓冷却得到大量而缓冷却得到大量M。为什么为什么? ?2022-7-73.11.1选择材料的基本原则选择材料的基本原则1 1、材料使用性能要求、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力最大限度发挥材料潜力 2 2、材料的工艺性能、材料的工艺性能 加工工艺性能良好加工工艺性能良好3 3、经济性、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等源情况等, ,零件的总成本与零件寿命的关系零件的总成本与零件寿命的关系4 4、其它因素、其它因素 材料毛坯的选

56、择、生产设备的可能材料毛坯的选择、生产设备的可能 性、环境协调性等性、环境协调性等2022-7-7 一、零件的加工工艺路线一、零件的加工工艺路线 基本上可分为三类：基本上可分为三类： （1 1）性能要求不高的零件）性能要求不高的零件 一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简 单：毛坯单：毛坯正火（退火）正火（退火）机械加工机械加工零件。如零件。如直接用型材加工，则不需要进行热处理。直接用型材加工，则不需要进行热处理。 （2 2）性能要求较高的零件）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：合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线： 毛坯毛坯 预先

57、热处理预先热处理机械粗加工机械粗加工最终热处理最终热处理 （淬火回火或渗碳淬火等（淬火回火或渗碳淬火等)精加工。精加工。3.11.2选择材料的基本思路与方法选择材料的基本思路与方法2022-7-7 （3 3）要求高的精密零件）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线 为：毛坯为：毛坯 预先热处理预先热处理 机械粗加工机械粗加工 热处理热处理 半精加工半精加工 氮化处理氮化处理 精加工精加工 去应力退火去应力退火 零件。零件。 2022-7-7 二、选择材料的基本思路及方法二、选择材料的基本思路及方法 分析零件分析零件工作条件工作条件 确定主要失效抗

58、力指标确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据作为选材的基本依据 考虑工考虑工艺措施艺措施考察经济性考察经济性和生产成本和生产成本选择材料选择材料注注意意 要合理引用手册上材料的力学性能数据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零件材料选择要考虑零件的综合成本2022-7-7 3.11.3典型零件材料选择与工艺分析典型零件材料选择与工艺分析 1 1、齿轮类零件、齿轮类零件 不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所不同机械的齿轮，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。以在选择材料和热

59、处理工艺上也有很大不同。机机床床齿齿轮轮 载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，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，如转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，等钢， 热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火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：一般工艺路线为： 备料备料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质处理调质处理 半精加工半精加工 高频淬火高频淬火+ + 回火回火 磨削磨削2022-7-7汽汽拖拖齿齿轮轮 汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿汽车、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，如轮。一

60、般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，等，进行渗碳热处理。进行渗碳热处理。一般工艺路线为：一般工艺路线为： 备料备料锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +回火回火 喷丸喷丸 磨削磨削2022-7-7重重载载齿齿轮轮 航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。等钢。工艺路线较复杂：工艺路线较复杂： 备料备料 模锻模锻 正火正火+ +高温回火高温回火 机械加工机械加工 渗碳渗碳 高温回火高温回火 机械加工