第三章机械制造结构钢

第三章

机械制造结构钢

（机器零件用钢）包括：

调质钢、弹簧钢、轴承钢、渗碳用钢、氮化用钢、低碳马氏体钢、超高强度钢、低淬透性钢、耐磨钢、易切削钢等。

应用：广泛应用于汽车、机车、矿山等机械制造工业，用来制造轴类、齿轮类、连接件等零部件。

受力比工程结构钢复杂：承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、振动、摩擦等单一或多种力的共同作用。

使用环境与工程构件钢相似：在-50℃～100℃范围内，同时受大气、水、其他介质的腐蚀。

制造工艺繁多：热加工：锻造、焊接、热处理、轧制、挤压、拉拔。冷加工：车、铣、刨、磨。

良好的综合力学性能，即强度和塑性的结合。第一节结构钢的强度和脆性机械零件的主要失效形式：变形和断裂零件的强度设计：

弹性设计：σP

塑性设计：σs

或σ0.2

在许用应力和σP

或σs

之间引入一个安全系数P38，为减轻重量的高强度的追求使钢的强度有很大提高零件韧性设计：是为了避免发生突然事故，强调强度和韧性的配合

韧性的指标：冲击韧性，韧－脆转化温度，断裂韧性（断裂韧度），P38第二节结构钢的淬透性→淬透的钢可获得高强度和高屈强比Figure3－1，淬硬钢与未完全淬硬钢的s/σb,退火钢的更低→淬透的钢可获得最高的断裂韧性KIC，最高的疲劳强度和冲击韧性，最低的韧－脆转化温度Figure3－2，M－martensite，LB－lowerbanite，UB－upperbanite，Figure3－3→钢中合金元素提高淬透性的能力：（弱→强）

Ni，Si，Cr，Mo，Mn，B

→合金元素必须溶解于γ才具有提高提高淬透性的能力第三节调质钢

（轴类钢）一、调质钢的工作条件及性能要求多种力共同作用，受力复杂车床车刀对所加工工件的作用力，工件对车刀的反作用力由车床主轴传动提供，车床传递扭矩并承受剪切应力等作用，受力复杂。铣床的轴也是如此。有些机器的轴还承受交变载荷，承受冲击等。

汽车主轴既传递扭矩又承受弯矩，所受力是交变应力，其最常见的失效形式是疲劳断裂。当汽车启动和急刹车换档时，还受到一定的冲击载荷的作用。性能要求：既强又韧，即具有良好的综合力学性能。第三节调质钢（轴类钢）二、调质钢组织及力学性能特点热处理：淬火+高温回火使用状态的组织：中碳回火索氏体组织特点：（1）细小的多边形铁素体基体上均匀弥散分布的C化物颗粒，保证高强度。P43，readtogether（2）组织均匀性好，减少应力集中和局部裂纹的形成，良好的塑性和韧性。力学性能特点：高强高韧，即优良的综合力学性能第三节调质钢（轴类钢）三、调质钢化学成分

①中C（C0.3—0.5%）

C素调质钢：尺寸不大，性能要求不太高的轴或零件

合金调质钢：主加元素：Mn、Cr、Si、Ni、B等，提高淬透性，并固溶强化基体（铁素体）

辅加元素：Mo、W、V、Ti，细化晶粒，提高回火稳定性，W，Mo抑制回火脆性，（C化物不易聚集长大）第三节调质钢（轴类钢）四、调质钢的热处理

1、预备热处理：

目的，改善切削加工性及改善因锻、轧不适当而造成的晶粒粗大及带状组织。对珠光体型钢：(低合金，正火后组织为珠光体+铁素体）AC3以上一次正火或退火，细化晶粒，减轻组织中的带状程度。

对马氏体型钢（正火后组织为马氏体）先在AC3以上进行淬火，以细化晶粒，减轻组织中的带状程度。然后再在AC1以下进行高温回火使其组织变为粒状珠光体，以↓硬度，改善切削加工性能。

第三节调质钢（轴类钢）2、最终热处理

a淬火+高温回火（调质处理，）（回火温度500—659℃），回火索氏体，高强、高韧、高塑性、（适用于大能量冲击低周疲劳零件），（表面要耐磨时，进行表面处理）

b淬火+低温回火（200—250℃）→回火马氏体

c淬火+中温回火（450℃左右）→回火屈氏体（很高强度，适当韧性、塑性）（适合小能量多次冲击，发挥强度潜力）第三节调质钢（轴类钢）五、常用调质钢

根据淬透性高低，分为三大类：低淬透性调质钢、中淬透性调质钢、高淬透性调质钢

记住：4540Cr

钢（应用最广）调质钢性能指标：

σs

700～1000Mpaσb

800～1000Mpaδ:10%～15%αk:60～120J/cm2TK:≤—40℃第四节低温回火状态下使用的结构钢组织为中、低碳（低合金），低温回火马氏体。与调质钢相比，充分发挥C在↑强度方面的潜力。强度主要来自C在过饱和α相中的固溶强化及弥散的与基体共格的ε碳化物。研究表明钢中的碳含量在0。2－0。5％范围，低温回火后钢的抗拉强度与钢中的含碳量呈直线关系增加。p45合金元素的作用：1、主要是↑淬透性，保证零件截面上获得马氏体（Ni，Mn，Cr，Mo等）；2、↓或消除低温回火脆性（Si）低温回火脆性：

p45，readtogether，产生的原因，figure3－12低碳马氏体结构钢低碳马氏体结构钢的组织：位错板条马氏体＋板条相界残余奥氏体薄膜＋板条内部细小分散碳化物，可实现强、韧、塑性的最佳配合。性能特征σS

σb，δ，ψ等均与中碳调质钢相当有些情况下，强度和韧性配合要求特别高的零件，如大马力高速柴油机曲轴，用低碳中合金钢比中碳合金调质钢的效果更好。σs：1000～1200MPaσb：1200～1400MPa低合金超高强度结构钢σb≥1500MPa中碳：WC＝0.27～0.45%，保证高的强度是以调质钢为基础发展起来的，主要用于制作比强度高的航天器的部件，如飞机的起落架，飞机机身大梁等。合金元素在低合金超高强度钢中的作用①提高钢的淬透性；②增加回火稳定性；③改善机械性能，提高回火马氏体的韧性和塑性。

低温回火（<300℃）时，在碳含量相同的情况下，合金元素对强度的影响较少，但可提高回火马氏体的韧性和塑性。典型低合金超高强度钢①30CrMnSiNi2A

30CrMnSiNi2A是使用最广泛的一种低合金超高强度钢，它是在调质钢30CrMnSi的基础上加1.4～1.8%Ni而得到的。②40CrNiMo

40CrNiMo(美国的4340)，就是调质钢，当调质热处理工艺改为淬火＋低温回火，就可作为低合金超高强度钢使用。该钢种经淬火+低温回火后，其性能σb≥1900Mpa,δ≥10%。

第五节高合金超强度结构钢发展背景：中碳低合金结构钢虽然有很高的强度，但是较高碳的存在使其有先天的不足：①随着σb↑，塑性↓；②C含量高，有脱C倾向；③C的存在，使钢在热处理后变形较大；④C的存在，使焊接性能差等高合金超高强度结构钢：无碳马氏体时效WC≤0.03％（马氏体时效钢）高合金超强度结构钢→Ni为主，控制加入量，18Ni，20Ni，25Ni（马氏体时效钢）→加Co，提高Ms，减少γ

→加Ti，Al，Mo，Nb等，形成金属间化合物沉淀相，如Ni3Al，Ni3Ti，Ni3Mo及拉维斯相Fe2Mo等，强化合金马氏体表3－3，图3－14严格控制C、N和杂质元素，p48～4918Ni马氏体时效钢，三个强度等级，Ti含量不同，p49高合金超强度结构钢马氏体时效钢的热处理及性能热处理：固溶处理＋淬火＋时效Figure3－15，800C完全固溶？马氏体时效钢高强度的来源：p49冶炼工艺对马氏体时效钢力学性能的影响：P50，表3－4第六节轴承钢滚动轴承的构成：一般由内套圈、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚锥或滚针）和保持架等部分组成。轴承钢主要用来制造：轴承的内外套圈及滚动体。滚动轴承的内外套圈及滚动体都是在交变的接触应力下工作的，最大接触应力可达3000～5000MN/m2。轴承是在动力传递过程中起固定支撑作用的部件主轴接电动机接工作部件轴承自行车轴承钢的性能要求一、性能要求：1、足够高的抗压强度和很高的抗接触疲劳能力；2、高硬度和高耐磨性

滚轴钢化学成份1、Wc=0.95—1.15%(太低，无足够C化物耐磨不够；太高，C化物分布不均，且易形成网状C化物)2、主加元素：Cr①均匀细小分布的C化物,②固溶，↑淬透性，③提高耐腐蚀性

Cr过高，残A量↑尺寸稳定性↓，且↑C

化物不均匀性，↓钢韧性及疲劳强度加Si、Mn等提高淬透性杂质控制：钢的质量必须很高，P，S，O，N等杂质都必须很低滚轴钢组织要求严格控制非金属夹杂物；p51，种类，来源，危害改善碳化物的不均匀性及消除，p51－52（网状、带状和液析、粗大碳化物颗粒）可通过长时间高温退火、控制轧制等方法消除碳化物不均匀性滚轴钢使用状态的组织：低温回火M＋细小均匀的碳化物颗粒＋少量残A（γ)轴承钢的热处理及常用钢种轴承钢经正常的工艺规范进行热变形（如热轧、热锻）后，得到的是细片珠光体组织，硬度较高，难于进行机加工，故需进行球化退火，降低硬度，改善其切削加工性，同时还能获得均匀细粒状的珠光体，为最终热处理做好组织上的准备。最终热处理：淬火＋低温回火预备处理：球化退火（80%马氏体+10%残A+10％C化物）常用钢种：GCr15，C0.95—1.15%Cr1.3—1.65%左右

W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2高速钢），做高温轴承6－5－4－2高速钢马氏体＋碳化物颗粒，碳化物颗粒沿原奥氏体晶界分布6－5－4－2高速钢return第七节渗碳钢和氮化钢渗碳钢：主要用于制作齿轮，齿轮钢性能要求：心部有高的屈服强度、高的弯曲疲劳性能等表面有高的接触疲劳强度和高的耐磨性1、齿面上啮合点到齿根上，承受大小不同的、脉动的弯曲应力。齿根应力最大，可使齿轮产生弯曲疲劳破坏，即断齿。2、接触传递动力，接触疲劳破坏3、两齿面相对运动，摩擦力4、冲击作用→强韧性齿轮的齿根断裂齿面磨损渗碳钢用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从高碳(0.8～1.1%C)到低碳(0.10～0.25%C)连续过渡的化学成分。零件表面层具有高强度、高耐磨性;零件心部具有适当的强度和较好的韧性。可用渗C钢，低C钢（合金）钢渗C后进行淬火+低温回火，实现渗C钢成分

1、心部：低C，或低C低合金C0.1—0.25％，

表面：高CWC>0.8

2、淬透性为使心部也得到强化，必须提高其淬透性，使在淬火时全部形成低碳马氏体，进行一定的合金化，加入Cr,Mn,Ni,B等元素。若在淬火时非马氏体组织多（eg,F,P），会大大降低渗碳件的弯曲疲劳性能，强度。3、表层C化物形态：希望以弥散细小的粒状C化物形式存在，Cr最好，W，

Mo,V等强C化物形成元素及非C化物形成元素使C化物呈Si长条，网状分布。

4、合金元素对渗C钢工艺性能的影响表层C浓度，渗C速度，渗C层厚度，p53figure3－17P53，readtogether①渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C；②渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内渗碳钢热处理：

低C（低合金）+渗C工艺+淬火+低温回火

心部：低C回火马氏体，高强，高韧

表面：高C回火马氏体，高硬，高耐磨性能：渗碳钢渗碳结构钢按照钢的淬透性分级：低淬性：15、20；活塞销一定淬透性：20Cr、20MnV;齿轮、小轴中淬性：18CrMnTi、20CrMn；抗冲击和耐磨的齿轮高淬透性：12CrNi3A、20Cr2Ni4A

大型齿轮（飞机、坦克齿轮）氮化钢经过氮化处理钢的优点：表面形成（Fe4N）和相（Fe3－2N）膜①氮化处理可明显提高零件疲劳强度和耐磨性

Figure3－18合金元素对N化厚度和硬度的影响②氮化表面具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力很强；

③氮化处理后零件的变形量很小；

氮化处理的缺点：生产周期长，成本高。氮化钢中的合金元素氮化钢的成分：调质钢成分氮化钢热处理：先进行调质处理，再进行氮化处理（510～570C）回火索氏体，有良好的综合机械性能，并且由于回火索氏体组织很稳定，保证保证零件使用过程中尺寸稳定性表面渗入氮原子后体积膨胀，在表面产生残余压应力，能抵消外力作用的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。氮化处理后的性能表面硬度：

要求高耐磨性的零件，表面硬度高达HV900～1000；

仅要求高疲劳强度的零件，表面硬度可以为HV500～800。

心部硬度：

由于在氮化处理前零件经受调质处理，零件硬度为HV200～300，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部还具有良好的综合机械性能。

第八节其他机械制造结构钢弹簧钢弹簧的工作条件与性能要求：

弹簧作用：吸收冲击能量，缓和振动和冲击，比如：汽车拖拉机上的弹簧弹簧处于不断吸收和释放能量的过程，处于交变载荷下工作，失效形式：疲劳断裂或由于塑性变形而失去弹簧作用性能要求：足够的弹性变形能力①高的弹性极限，高的屈强比（σs/σb）；②高的疲劳极限，长期在冲击或交变应作用下不产生疲劳破坏③足够的韧性，满足成形需要弹簧钢弹簧钢的特点及常用钢种

1、化学成份

碳素弹簧钢：C：0.6—.09%

合金弹簧钢：C：0.5—0.7%→主加元素，MnSi↑淬透性，固溶强化，Si不能单独加入→辅加元素CrWVMo等，↑淬透性，细化晶粒，防止钢过热和脱C

2、最终热处理：淬火+中温回火→屈氏体组织，高弹性极限和疲劳极限

3、较高的冶金质量要求，夹杂物引起应力集中

4、高的表面质量，表面脱碳、裂纹、斑疤，夹杂等，引起应力集中，降低疲劳极限

弹簧钢常用弹簧钢