金属材料学课件(ppt)

1、河北工业大学金属材料学课件(ppt)（优选）河北工业大学金属材料学课件1、具有良好的力学性能（强调强度与韧性配合） 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求。 一、机器零件用钢的性能要求4.1 概述强度设计在弹性范围内工作，根据比例极限p计算允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度s或0.2计算4.1 概述一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。因此对机械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。使用态：淬火态+回火 即强化态2.具有良好的冷热加工工艺性能 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。韧性设计低温冲击韧性韧-脆转化温度断裂韧性要求钢材的韧脆转变温度比实际

2、工作低反映钢材脆断趋势材料抵抗裂纹突然扩展能力 基本概念 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。 钢的淬透性 钢的淬硬性 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。 4.2结构钢的淬透性 钢的顶端淬火试验 生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。 临界淬火直径高强螺栓柴油机连杆齿轮 淬透的钢回火后可获得高的强度和屈

3、强比，高的断裂韧性KIC值，冲击韧性值以及低的FATT50（）。 淬透后的钢性能优越 研究钢的淬透性的重要意义退火钢b=690MPa淬火钢b=1700MPa高的断裂韧性KIC值低的FATT50（断口面积转化温度）M的FATT50最低B 的FATT50要高于MP的FATT50最高 淬透层深度视零件的工作条件而定 零件类型 工作条件淬透程度的差异螺栓、销钉等全截面受力 淬透轴类零件等表面应力大，中心应力小。 不淬透（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的 淬火介质以减小淬火应力。（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致， 可选用淬

4、透性大的钢。（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用 低淬透性钢。 淬透性的应用 合金元素对淬透性的影响 钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为： BMnMoCrSiNi，其中C元素也能增加淬透性，而且它决定了钢的淬硬性。 增大淬透性，以合金元素完全溶于奥氏体中为前提，若以碳化物形式存在，则情况相反。 合金元素增加淬透性的能力 （1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如CrNiMoV 等。 （2） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素加入，如40Cr 。 合金元素增加淬透性的多元少量原则显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。三、机械零件用钢的合金化特点主加元素B，Mn,Mo

5、,Cr,Si,Ni （由强到弱） 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。合金元素在机器零件用钢中的其他作用1）回火稳定性：韧；2）d：强韧3）固溶强化：强；4）防止第二类回火脆性：韧最佳范围 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。完全淬透时，强度塑性，韧性。四、含碳量的选择和回火温度的确定1、低碳钢（20,20Cr，18CrMnTi,18Cr2Ni4WA)回火温度对低碳合金钢机械性能的影响淬火组织：

6、M板+A 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo调质钢的热处理 预先热处理：主要目的是保证零件的切削加工性能，依据其碳含量和合金元素的种类、数量不同，可进行正火、退火处理甚至正火高温回火处理。 对于中碳钢加热到Ac3以上正火 对于合金含量少的加热到Ac3以上完全退火d、带状程度 对于合金含量高的正火(有M) +高温回火硬度最终热处理： 通常: 淬火高温回火 500650 特殊(要求强度高):中温回火 400450 低温回火 200250下料锻造预备热处理机加工(粗加工)调质机加工(半精

7、加工)表面淬火或氮化精加工。 40Cr正火组织45钢850淬火（水）45钢 850 C淬火620 C回火四、调质零件用钢的发展动向 低碳马氏体钢 高密度位错的板条M 如：石油钻机提升系统的吊环、吊卡等中碳微合金化非调质钢：在中碳钢（wc =0.30%0.50%）中加入微量V、Ti、Nb等强化物形成元素。作用？ 按用途分两大类：直接切削（控轧控冷）和锻造（控锻控冷）。 优点：简化工序、节约能源、成本 高强度化:1300MPa级高强度螺栓(耐沿迟断裂)3.3 弹簧钢 一、组织性能要求 弹簧功能储能减振弹簧类型板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等板簧弯曲载荷螺簧扭转应力疲劳破坏弹性减退高的弹性极限、屈强比

8、:保证吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；高疲劳强度；有足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂 ； 其他要求:淬透性、冶金质量、表面质量；良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等 ；过热敏感性小，不易脱碳 典型的螺旋弹簧及板簧a)压缩螺簧 b)拉伸螺簧 c)扭转螺簧 d)单板簧 e)多板弓形簧 f)椭圆板簧二、化学成分 碳：wc0.6%-0.9%（碳素弹簧钢） wc0.45%-0.70%（合金弹簧钢） 较高的碳含量可保证高的弹性极限和疲劳极限合金元素：主加Si、Mn、Cr等，辅加Mo、W、V等 铬和锰主要是提高淬透性，硅提高弹性极限，钒提高淬透性和细化晶粒。 硅、锰复合：高的弹

9、性极限，屈强比可达到0.80.9；硅、锰淬透性，硅有效回稳性；两者复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小 常用的硅锰系弹簧钢有60Si2Mn 、 55SiMnVB、 铬钒系60Si2CrVA、 50CrV等。基本工艺方式热成形弹簧冷成形弹簧大型弹簧 热成形后+淬、回火小型弹簧冷变形或热处理强化+冷成形+低温退火（时效）三、常用弹簧钢及热处理思考题： 大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形? 小型弹簧成形后为什么进行低温退火?1、热成型弹簧弹簧截面尺寸较大（10-15mm)扁钢或圆钢下料热成型淬火+中温回火表面喷丸处理加热压弯或卷绕60Si2Mn 870淬火，420-450 回火，组

10、织：T回40-45HRC(42HRC弹性极限好）提高-1，可降低表面粗糙度2、冷成型弹簧截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成形（如冷卷、冷轧），如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。 铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝拔丝完全奥氏体化铅浴等温处理拉拔卷簧低温退火片状T碎化细片状P或者T880-950拉拔较大的内应力和脆性 冷拉弹簧拔丝再结晶退火冷拔拉拔卷簧低温退火到尺寸600-680定型处理60Si2Mn钢原始组织,30.7HRC60Si2Mn钢870淬火（油），62HRC 60Si2Mn钢870淬火（油），450回火1h, 42HRC3.4 表面强化态钢 零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作

11、 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 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。 典型零件有齿轮、凸轮、链条等1、渗碳钢的成份及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、 B主加淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒 影响渗碳层性能: 表层碳量(硬度)、碳化物形态、表层浓度梯度和渗层深度等。一、合金渗碳钢Cr 、 Mo 、W 、Ti 、V、 Mn （K形成元素）使表层碳含量增多；降低层

12、深和渗速；Si、Ni、Co、Al等（非K形成元素）使表层碳含量减少；增加层深和渗速。 例如： 使碳浓度梯度平缓；d；渗碳性能； 对表层K形态有不同影响， Cr使碳化物呈粒状， W、Mo、V（强K形成元素）和Si（非K形成元素） 使碳化物呈条网状。 渗层含碳量：通常0.80.9，过高促使 碳化物沿晶析出，脆性增加；过低则硬度不足。 心部含碳量：接近0.20.25，过高淬火后 心部脆性增加， 过低易使表面硬化层剥落。心部强度渗层厚度表层强度外应力距离表面碳浓度太高渗层太浅 渗碳零件受力与渗层厚度的关系 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。 2、常用渗碳钢低载荷

13、零件活塞销等低淬透性（15，20）中低载荷零件高速中载荷零件高载荷零件齿轮、小轴齿轮、轴大型齿轮、轴一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油机凸轮轴按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类 20Cr钢（低）：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可直接淬火。20CrMnTi（高）钢特点: Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm； 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，可直接淬火，变形也比较小。但有块状TiN。 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。3、常用渗碳钢的热处理 18Cr2Ni4

14、WA、20Cr2Ni4A：高淬透性 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。 18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢，也可作为渗碳钢。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 件，如航空发动机齿轮等。 工艺：预处理：正火F+细P 心部韧性好 渗碳：900950原子扩散快/细晶粒钢d小渗碳后的热处理工艺有直接淬火一次淬火二次淬火？。细晶粒钢可用直接淬火。 20CrMnTi： 3.5 滚动轴承钢一、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、锥、 针）及保持器组成。工作条件高负荷最大接触应力可高达30005000MPa高转

15、速循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度 精度要求高磨损、麻点燥音失效形式 接触疲劳破坏，麻点、剥落性能要求 高而均匀的硬度和耐磨性足够淬透性和淬硬性，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性能要求 二、轴承钢的化学成分与冶金质量 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；低气体含量：O、H、N低P、S 含量0.02%，带状、缩松、偏析 危害程度依次递减：A12O3、球状不变形夹杂物、铝硅酸盐。接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯

16、净、组织均匀组织均匀 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（直接从钢液中结晶出碳化物） 需经高温扩散退火，不允许液析严重； 带状K 轧制时二次碳化物偏析需经高温扩散退火； 网状K冷却时在晶界析出正火合金化 高碳1%，加入Cr、Si、Mn等。如GCr15、GCr15SiMn。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。 为提高-1，可设计M中含0.45%C，K体积分数约5%。钢中总含碳量应化学成分 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

17、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 要求消除AR 淬火后立即进行冷处理,而 后立即低温回火。GCr15 850 C淬火一般白区占1/3,黑区占2/3，合格如果白区多，M针长，说明淬火温度越高GCr15 880 C淬火GCr15钢12005分加热淬火 分析零件工作条件 确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据 考虑工艺措施考察经济性和生产成本选择材料注意 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选择材料的基本思路及方法1、齿轮类

18、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(退火) 粗加工 调质处理 半精加工 高频淬火+ 回火 磨削典型零件材料选择与工艺分析汽拖齿轮 汽车、拖拉机上的变速箱齿轮、主被动齿轮属于重载荷齿轮，常承受一定程度的冲击载荷。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。 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。2、轴类零件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