第八章调制钢

第八章调制钢1第1页，共33页，2023年，2月20日，星期三主要内容调质钢弹簧钢滚动轴承钢渗碳钢氮化钢第2页，共33页，2023年，2月20日，星期三基本要求：

了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要求、化学成分特点和热处理特点；掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。重点与难点：各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、强韧化机制及热处理特点。

教学要求Chapter5机械制造结构钢第3页，共33页，2023年，2月20日，星期三

一、应用背景机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。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。

5.0引言Chapter5机械制造结构钢第4页，共33页，2023年，2月20日，星期三拨叉变速齿轮变速箱5.0引言Chapter5机械制造结构钢第5页，共33页，2023年，2月20日，星期三齿轮曲轴汽车万向节连杆3.0引言Chapter3机械制造结构钢第6页，共33页，2023年，2月20日，星期三弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧3.0引言板弹簧Chapter3机械制造结构钢第7页，共33页，2023年，2月20日，星期三滚珠滚珠轴承5.0引言Chapter3机械制造结构钢第8页，共33页，2023年，2月20日，星期三履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿5.0引言Chapter3机械制造结构钢第9页，共33页，2023年，2月20日，星期三3.0引言Chapter3机器零件用合金结构钢

二、机械制造结构钢的服役条件主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50℃~+100℃范围之间。机器零件要求结构紧凑、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。5.0引言Chapter5机械制造结构钢第10页，共33页，2023年，2月20日，星期三

三、机器零件用钢对力学性能要求要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；要求有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。5.0引言Chapter5机械制造结构钢第11页，共33页，2023年，2月20日，星期三对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。

机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。

5.0引言Chapter3机械制造结构钢第12页，共33页，2023年，2月20日，星期三调质钢1．调质钢的基本特点：①具有中等的碳含量；②热处理工艺为：淬火＋500～650℃高温回火；③具有良好的强度、塑性及韧性配合。2.调质钢的合金化及热处理的主要原则：①保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层；②钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能。第13页，共33页，2023年，2月20日，星期三3.调质钢的化学成分：①碳含量一般在0.3～0.5%之间；②主加合金元素：

③辅加合金元素：

④重要的调质钢一般都含有多种合金元素。

钢合金元素SiMnCrNi含量范围(wt%)

0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlBMin.(wt%)

Max.

0.1

0.50.05

0.20.6

1.20.05

0.10.5

1.2<0.004

－第14页，共33页，2023年，2月20日，星期三4.调质钢的组织：调质钢经淬火＋高温回火后的金相组织是回火索氏体（多边形铁素体＋粒状碳化物）。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期三二、对调质钢淬透性的要求：调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。例如：某些轴类零件，它们承受弯曲应力，表面受到最大的张应力，随着离表面距离的增大，应力逐渐减小，所以只要求在淬火后轴的1/2半径处达到80％马氏体即可。典型的钢种40，40Cr，42CrMo的淬透性曲线见图7-1-2。图7-1-2典型的钢种40,40Cr,42CrMo的淬透性曲线

(括号内是淬火加热温度)第16页，共33页，2023年，2月20日，星期三三、调质钢的合金元素与机械性能1.调质钢的硬度马氏体经高温回火后的金相组织是回火索氏体（多边形的铁素体＋粒状碳化物）。回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用，并可用下式表示：H=HF＋αS式中：H为钢高温回火后的硬度；HF为铁素体的硬度；α为碳化物的强化系数；S为碳化物颗粒的总表面积。上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。

第17页，共33页，2023年，2月20日，星期三例1：高温回火后Si、Mn、Ni等元素固溶在铁素体中，提高了调质后的硬度。见图7-1-3。图7-1-3Si对调质钢回火后硬度的影响第18页，共33页，2023年，2月20日，星期三例2：Cr、Mo、W、V等元素阻止渗碳体在高温回火时的长大，增加了碳化物颗粒的总表面积，使钢在高温回火后，保持较高的硬度。见图7-1-4。图7-1-4Cr、Mo等对调质钢回火后硬度的影响第19页，共33页，2023年，2月20日，星期三2.回火温度与调质钢综合机械性能的关系：当调质钢淬火成马氏体，在450～650℃温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。见图7-1-5：图7-1-540Cr钢淬火并回火后的机械性能变化趋势第20页，共33页，2023年，2月20日，星期三3.调质钢在高温回火后的韧性(1)调质工艺与钢的韧性对同一化学成分的钢，淬火后经不同温度的回火，可以得到一系列不同等级的强度值。钢调质后的强度越高，其常温的冲击韧性越低。见图7-1-6。图7-1-6含0.45%碳的Cr-Mo-V钢，处理到不同强度后的冲击韧性

第21页，共33页，2023年，2月20日，星期三(2)合金元素与调质钢的韧性碳：是降低调质钢冲击韧性的元素，见图7-1-7：图7-1-7碳与调质钢的冲击韧性第22页，共33页，2023年，2月20日，星期三碳：在保证钢调质后的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透性的低碳合金钢。磷：对钢的冲击韧性危害甚大。它提高脆性转化温度，降低冲击值，因此在高级优质钢中的含磷量限制在≤0.035%，为了进一步改善钢的韧性，甚至应把含磷量降低到0.02%以下。锰：调质钢中加入<2%的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但含锰量超过2％后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧性恶化。镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。第23页，共33页，2023年，2月20日，星期三(3)调质钢的高温回火脆性①回火脆性与冷却速度关系：某些调质钢在高温回火并以不同速度冷却后，缓慢冷却试样的冲击韧性明显低于快速冷却的试样，见下表7-1：表7-1-1一种Cr-Ni钢经650℃回火并以不同速度冷却后的冲击值处理条件

冷却方式

室温冲击值

（J/cm2）

40CrNi钢820℃淬火650℃回火

炉冷

9.6

40CrNi钢820℃淬火650℃回火

空冷

24

40CrNi钢820℃淬火650℃回火

油冷

61

40CrNi钢820℃淬火650℃回火

水冷

76

第24页，共33页，2023年，2月20日，星期三②回火脆性与回火保温时间的关系:高温回火脆化现象还表现在钢的脆性转化温度的升高。在高温回火温度范围内保温时间与发生回火脆化程度的关系如图7-1-8所示。图7-1-8高温回火保温时间与回火脆化程度示意图第25页，共33页，2023年，2月20日，星期三图中，曲线上的温度表示着冲击试验时钢的脆性转化温度，这个温度越高，表明钢感受的回火脆化的程度越严重；每条曲线代表在不同温度保温产生脆化程度所需的时间，在500～550℃之间回火发生得最快；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高。在600℃以上温度回火，虽然在回火温度内没有回火脆性现象，但回火以后缓慢冷却，也会产生脆化，而回火以后快速冷却，则可避免回火脆性。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期三③避免或减轻回火脆性的措施：a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；

b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；

c.回火后用快冷的工艺方法；

d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；

e.对已感受回火脆性的钢，用重新加热到650℃后快冷的方法来恢复。第27页，共33页，2023年，2月20日，星期三四、未淬透的调质钢的性能比较：

以上讨论的都是钢淬透成全马氏体组织，经调质后的机械性能。如果钢在淬火时没有淬透，工件在调质后的性能将有很大的不同。淬透成全马氏体的钢与未淬透的钢提高调节回火温度的高低可达到两者具有相同的硬度或相同的抗拉强度，但是这两者的屈服强度、断面收缩率、冲击韧性、疲劳强度等因原始金相组织的不同而有明显的差别。见图7-1-9和图7-1-10：第28页，共33页，2023年，2月20日，星期三图7-1-9金相组织与调质钢的疲劳强度第29页，共33页，2023年，2月20日，星期三图7-1-10金相组织对钢的冲击韧性的影响第30页，共33页，2023年，2月20日，星期三五、调质钢的热处理特点：1.预备热处理：为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进行预备热处理。合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火。而合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织则为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由HB380～550降至HB207～240，可以顺利地进行切削加工。正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度，并调整好硬度，便于机械加工。第31页，共33页，2023年，2月20日，星期三①淬火：将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。②回火：根据所要求的性能来决定回火温度，因此回火是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。③表面处理：某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。如对耐磨性要求更高，可用氮化钢在调质后进行氮化处理。2.最后热处理:第32页，共33页，2023年，2月20日，星期