金属材料学第3章机械制造结构钢

2023/2/3□了解机器零件用钢的强韧化机制；□渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；□掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及用途。本章教学基本要求第3章机器零件用钢

machineryconstructionalsteel2023/2/3本章内容3.1

概述3.2调质钢3.3非调质机械结构钢3.4弹簧钢3.5滚动轴承钢3.7合金渗碳钢3.8氮化钢3.9低淬透性钢3.10耐磨钢3.11零件材料选择基本原则与思路2023/2/3

一、应用背景：

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。

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）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。

3.1概述2023/2/3拨叉变速齿轮变速箱2023/2/3齿轮曲轴汽车万向节连杆2023/2/3弹簧离合器弹簧蝶形弹簧板弹簧拉力弹簧2023/2/3滚珠轴承滚珠轴承调心球轴承2023/2/3履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿2023/2/3

受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种载荷的交互作用。服役环境：大气、水和润滑油，温度在-50～100℃。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。

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。二、机器零件用钢的服役条件2023/2/3良好的强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；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充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的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2023/2/3

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、热处理。冷加工：车、铣、刨、磨…等等。

通常机器零件的制造工艺流程为：

其中以切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要工艺性能；型材改锻预先热处理粗加工最终热处理精加工四、机器零件对工艺性能的要求2023/2/3

五、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，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W。或是单独加入，或是复合加入。2023/2/3六、机器零件用结构钢的强度与韧性性能指标

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。其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。总体上要求良好的综合力学性能。

强度设计：细晶强化、固溶强化、沉淀强化和位错强化韧度设计：冲击韧性、韧脆转变温度、断裂韧性。根据服役条件合理选择含碳量和热处理工艺；材料不是唯一的，热处理也是多种多样的。2023/2/3七、零件材料和工艺选择途径9选择采用淬火+高温回火。回火索氏体型，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。1、对于要求良好综合力学性能，轴类零件为典型:中碳钢2023/2/32、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。

2023/2/3本章内容3.1

概述3.2

调质钢

3.3非调质机械结构钢3.4弹簧钢3.5滚动轴承钢3.7合金渗碳钢3.8氮化钢3.9低淬透性钢3.10耐磨钢3.11零件材料选择基本原则与思路2023/2/33.2调质钢

hadenedandtemperedsteel

淬火＋高温回火后使用的中碳钢或中碳合金钢为调质钢，是机械制造业中用量最大的钢种。调质件（螺杆）2023/2/3

汽车半轴

a)一端法兰式;

b)二端花键式;

c)变截面台阶式

M7150A砂轮主轴汽\拖用连杆2023/2/3T615K镗床镗杆S7332螺纹磨床丝杠2023/2/3优质碳素结构钢（G/T699—1999）：08F钢――汽车外壳、仪器仪表外壳（碳量万分制）10－25――冷冲压件和焊接件，（渗碳钢）35－55――齿轮、轴类零件（调质钢）60－70――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2023/2/3图3-1含0.25－0.45%C的合金钢经调质后室温性能变化图3-2屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化3.2.1调质钢淬透性原则0.25-0.45%的合金钢经调质后室温性能大致相同，强度差异±10%，但断面收缩率差异较大。2023/2/3淬火＋高温回火淬火：Ac3以上，油淬。回火：500-650℃，获得回火索氏体，但应注意第二类回火脆性。

有时为了获得高强度，调质钢也可进行低温（200-250℃）回火，适当牺牲塑性、韧性，获得回火马氏体。A3A1500-650℃图3-3高温回火工艺淬透性原则：淬透性相同的同类调质钢，可互相代用2023/2/3调质钢组织特点调质后得到回火索氏体，其特点是：1.铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，起弥散强化，溶入基体的碳与合金元素起固溶强化，这样保证了高强度；

2.均匀分布的细小粒状碳化物，保证良好的塑性、韧性；

3.由淬火马氏体转变来的索氏体，晶粒细小，使得韧脆转变温度低。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能图3-445#调质处理后的回火索氏体2023/2/33.2.2、合金化及常用钢

含碳量在0.25~0.45%。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。2023/2/340Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其临界淬透直径分别为25－30mm、40－60mm、60－100mm。图3-5不同合金化对钢淬透性的影响（DC为油淬临界直径）低淬透性钢Dc<30~40mm中淬透性钢Dc=40~60mm高淬透性钢Dc≥60~100mm40Mn2(20~30)4040Cr(25~30)40B(10~20)40MnMoB(40~70)40MnB(20~30)40MnVB(30~40)40Mn2V(30)42SiMn(30)40CrMn(60)40CrMnMo(100)42CrSi(约40)35CrMo(25~40)37CrNi3(约200)40CrNiMo(60~100)40CrNi(40~60)30CrMnSi(40~50)42CrMo(30~45)2023/2/3

分析比较：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回稳性塑韧性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？2023/2/33.2.3、调质钢强韧化工艺的发展正确认识性能指标Rm、ReL、A、Z是综合力学性能，但有些重要零件应以AK、

σ-1、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。低碳马氏体钢和非调质钢的设计理念2023/2/3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。如汽车转向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高了50倍冷变形锻造余热淬火

如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比较好,能提高零件寿命

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2023/2/33.3非调质钢

nonhardenedandtemperedsteel

3.3.1、微合金元素对强韧化的贡献

非调质钢组织：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。2023/2/3牌号CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03Mo30ΧΓΦΤ(俄)0.300.551.00.60≤0.2≤0.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11MoNC33HFB(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表3.1复合微合金化非调质钢典型成分2023/2/3

图3-6Mn对非调质钢韧度的影响

图3-7V、Ti、Nb对强度的影响2023/2/3

3.3.2、获得最佳强韧化的工艺因素相间析出沉淀强化细化组织工艺参数是关键

细化组织和沉淀析出要协调控制轧制控制冷却

决定各种强化机制的效果2023/2/3

3.3.3、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150~400MPa，甚至可达到600MPa。细化组织强化量大约在50~300MPa，脆化矢量为-0.66℃/MPa。其它强化机制都不同程度地降低韧度2023/2/3

3.4弹簧钢springsteel

3.4.1、弹簧的服役条件及性能要求

弹簧功能储能减振弹簧类型板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等2023/2/3

典型的螺旋弹簧及板簧压缩螺簧拉伸螺簧扭转螺簧单板弹簧椭圆板簧叠形板簧2023/2/3汽车板簧2023/2/3火车弹簧轿车弹簧2023/2/3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σe、屈强比σs/σb→弹性↑；高的疲劳强度σ-1→避免早期疲劳破坏；有足够的塑性和韧性→

不产生脆性断裂；

足够的淬透性→保证σe和整体强度

其他要求:冶金质量、表面质量2023/2/3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?2023/2/33.4.2、常用弹簧钢及强化工艺

合金化：

含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在0.40~0.74％C。

+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。2023/2/3热处理工艺淬火和中温回火

回火屈氏体

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回火温度:弹性参数和韧性参数之间的平衡或最佳配合。2023/2/3图3-860Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系图3-955Si2Mn钢疲劳极限随回火温度的变化AcmA1Ms350-500℃2023/2/3

60Si2Mn:①Si、Mn复合,强化F,→↑σe，σs/σb可达到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;

③

Si有效↑回稳性,但↑脱C倾向;

④

Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小.常用硅锰板簧钢有60Si2Mn、55Si2Mn等2023/2/3常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回稳性,韧性好；

②

V细化晶粒,↓过热敏感性;

③

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<300℃工作的阀门弹簧.2023/2/3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2023/2/3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?2023/2/3热成型弹簧工艺：

热成型→淬火+中温回火→喷丸使用状态下的组织：T回用于大截面弹簧(>φ10mm)

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。大型热卷弹簧图3-1065钢淬火中温回火组织2023/2/3

板簧最适合形变强化:

滚压、喷丸等冷变形强化强化都能有效地提高板簧使用寿命，如结合高温形变热处理则更好板簧喷丸作用举例:

疲劳强度(MPa)

板厚/mm未喷丸喷丸应力喷丸

13390470800113507008502023/2/33.5滚动轴承钢rollerbearingsteel圆柱滚子轴承自动调心球轴承2023/2/3滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承2023/2/3

3.5.1、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。图3-11滚珠轴承不同部位的钢球受力情况2023/2/3工作条件高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa高转速→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→噪音2023/2/3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2023/2/3

3.5.2、轴承钢的冶金质量和合金化10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→球状不变形夹杂→铝硅酸盐。接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀2023/2/3

图3-12氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响2023/2/3轴承钢合金化1.0～1.10％不标碳。在钢号前冠以“G”（滚），Cr的含量用千分之几表示，如GCr15，GCrl5SiMn、G20CrNiMo、95Cr18。Cr含量?组织特点

经合适的热处理，应得到组织：M中含0.5~0.6%C；隐晶M基体上分布细小均匀的粒状K，体积分数约7~8%，一般可有少量AR。负荷较小时,为提高σ-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↓2023/2/3图3-13高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系2023/2/3图3-14GCr15轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系2023/2/3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2023/2/3

图3-16网状碳化物500×

图3-15碳化物液析500×

2023/2/3

图3-17带状碳化物500×

2023/2/3

3.5.3、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62~66HRC

如要求消除AR→淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。2023/2/3

图3-19回火温度对GCr15钢力学性能的影响AcmA1Ms150-250℃2023/2/3

图3-20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2023/2/3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?2023/2/3例题：GCr15轴承钢及热处理锻（轧）→球化退火（780－810℃连续冷却和等温转变）→机械加工→淬火（830－860℃）＋低温回火（160℃）（或-70℃冷处理＋低温回火）→磨加工＋附加低温时效（120－150℃，1－3次））最佳组织：回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体组织，硬度62－66HRC。2023/2/3球化退火目的：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。图3-21GCr15钢的球化退化工艺

a）普通球化退火b）等温球化退化2023/2/3图3-22GCr15正常锻后空冷组织图3-24GCr15球化退火组织图3-23GCr15非正常锻后空冷组织2023/2/3图3.25GCr15钢淬火温度对冲击韧性和接触疲劳寿命的影响（试验条件：退火组织中碳化物颗粒平均尺寸为0.4μm，接触压力为5000MPa）830-860℃合适2023/2/3

Gr15正常的淬火、回火组织：

黑区为回火隐针马氏体

亮区为回火细小的针状马氏体＋少量残余奥氏体

白色小颗粒为碳化物图3-26GCr15850℃淬火，160℃回火2023/2/3本章内容3.1

概述

3.2

调质钢3.3非调质机械结构钢3.4弹簧钢3.5滚动轴承钢3.7合金渗碳钢3.8氮化钢3.10耐磨钢3.11零件材料选择基本原则与思路2023/2/33.7合金渗碳钢

Alloycarburizingsteel

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

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、凸轮等2023/2/3各种类型的齿轮2023/2/33.7.1合金渗碳钢的合金化一般含碳量在0.12~0.25％

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。0.8-1.05%C表层2023/2/3心部强度渗层厚度表层强度外应力强度距离表面碳浓度太高渗层太浅

图3-28渗碳零件受力与渗层厚度的关系2023/2/3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

2023/2/3合金元素碳扩散系数表层碳量渗层深度浓度梯度淬透性晶粒长大倾向含量范围质量分数%TiV↓↓↑↑↓变陡不定①↓↓<0.12<0.30WMoCr↓↑↓

↑↑变陡↑↓0.4~1.20.2~0.6<2Mn影响小↓↑平缓↑↑~2Ni↑↓↓平缓↑影响小~4Si↑↓↓平缓↑影响小<0.8

表3.2合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响2023/2/33.7.2、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。

20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可20CrMnTi钢特点:①Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm；②较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；③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。

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。2023/2/3

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.

18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢由于合金元素多，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。2023/2/3→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。Acm810

℃A1700℃Ms310℃610℃850℃520-560℃150℃图3-2918Cr2Ni4W钢渗碳后马氏体等温淬火热处理工艺18Cr2Ni4W工艺流程：2023/2/3Acm780

℃A1710℃Ms295℃图3-3020Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后热处理工艺20Cr2Ni4A工艺流程：下料→锻造→正火（S＋F）→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＋γ’)→磨齿2023/2/3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850℃左右，保温后淬入200－220℃的第一热浴中，保温10min左右，取出后立即置于550－570℃的第二热浴中，保持1－2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Ms＝310℃，表面渗碳后的Ms＝80℃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.GCr15，W18Cr4V，20Cr2Ni4，40CrNiMo，T10，0Cr8Ni9，20，Cr12MoV，65Mn

2023/2/33.8氮化钢

服役条件：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，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。常采用氮化钢进行渗氮处理。2023/2/3

常用钢：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38CrMoAl钢，获得最高氮化层硬度，达到900~1000HV。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的硬度控制在500~800HV。

工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳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，同时也为获得好的氮化层作组织准备。2023/2/3精密机床主轴：中碳铬钼铝钢38CrMoAl

，表面硬度高，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）2023/2/338CrMoAl氮化方法有气体氮化和离子氮化。500－565℃，形成γ’（Fe4N）、ε（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。2023/2/3思考题:

某精密镗床主轴用38CrMoAlA钢制,某重型齿轮铣床主轴用20CrMnTi制造,某普通车床主轴用40Cr钢制造.试分析比较说明它们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.2023/2/33.9低淬透性钢surfacehardeningsteel感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：

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；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；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荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性和疲劳抗力不如渗碳工艺。

2023/2/3概念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（m=3~8）的齿轮应用特点得到沿着轮廓分布硬化层→“仿形硬化”

感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢2023/2/3

硬化层分布(右为仿形硬化)

降低钢淬透性措施:↓Mn、Si;

加入Ti

国家标准有55Ti、

60Ti、

70Ti等.2023/2/3本章内容

3.1

概述3.2调质钢3.3非调质机械结构钢3.4弹簧钢3.5滚动轴承钢3.7合金渗碳钢3.8氮化钢3.9低淬透性钢3.10

耐磨钢3.5

零件材料选择基本原则与思路2023/2/33.10耐磨钢abrasion-resistantsteel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。2023/2/33.10.1钢的耐磨性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3-32钢铁材料基体组织与耐磨性的一般关系2023/2/3注意：不同成分的钢经热处理达到相近硬度耐磨性不同相对耐磨系数随硬度增加而增加，但T10超过HV800↓T10图3-33不同材料淬火回火后硬度和相对耐磨系数关系2023/2/33.10.2高锰耐磨钢

一、高锰铸钢的化学成分及性能特点：高碳、高锰。铸态使用。常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体和碳化物复合组织，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。ZGMn13、ZGMn13Cr2、ZGMn13Mo、ZGMn13RE2023/2/3二、高锰钢的热处理1、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1/4~1/5，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；2023/2/33、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250~350℃的回火处理，也不宜在250~350℃以上温度环境中使用。？

？2023/2/3

三、高锰钢的耐磨性及应用耐磨机理

形变硬化和诱发相变:A基体中产生大量层错、形变孪晶、ε和α马氏体。表面硬度:200HB左右可↑到500HB以上，硬化深度可达10~20mm，而心部仍保持A，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。2023/2/3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。保险箱?思考题

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?2023/2/33.11.1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、环境协调性等3.11零件材料选择基本原则与思路2023/2/3

一、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。3.11.2选择材料的基本思路与方法2023/2/3

（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。

2023/2/3

二、选择材料的基本思路及方法

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2023/2/33.11.3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2023/2/3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2023/2/3重载齿轮