工程材料学机器零件用钢精.ppt
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1、工程材料学机器零件用钢第1页，本讲稿共53页 一一.力学性能要求：力学性能要求：高强度（高硬度），高疲劳强度（低抗疲劳断裂能高强度（高硬度），高疲劳强度（低抗疲劳断裂能力，一定的循环应力作用下力，一定的循环应力作用下N N次不发生断裂，保持足次不发生断裂，保持足够的韧性），弹性极限（材料产生最大弹性形变所够的韧性），弹性极限（材料产生最大弹性形变所能承受的最大应力）能承受的最大应力）钢中得到钢中得到MM（量多）是获得这些性能的基本保证，（量多）是获得这些性能的基本保证，MM量多量多实验证明：实验证明：s s 疲劳强度，冲击韧度，塑脆疲劳强度，冲击韧度，塑脆 TkTk综合力学性能提高综合力学性能
2、提高 见见 图图图图3-13-13-13-1 图图图图3-23-23-23-2 图图图图3-33-33-33-3第2页，本讲稿共53页1.提高淬透性：（构件钢就不用考虑这点，也不用特意提高淬提高淬透性：（构件钢就不用考虑这点，也不用特意提高淬 透性的透性的MeMe）低低高高 Ni Ni，Si Si，CrCr，MoMo，MnMn，B B2.2.提高回火稳定性：提高回火稳定性：Si Si，CrCr，MoMo，WW，V V，Ti Ti等推迟或延续等推迟或延续 回火进行回火进行 T T回回高强度同时（保温），高韧性高强度同时（保温），高韧性 T T回相同回相同合金钢可获得高强度（比碳钢）合金钢可获得高
3、强度（比碳钢）3.3.细化晶粒：细化晶粒：Ti Ti，V V（零件用钢加入）（零件用钢加入）4.4.固溶强化：强化固溶强化：强化 使弹性极限提高使弹性极限提高5.5.防止第二类回火脆性：防止第二类回火脆性：MoMo，WW（调质钢，高（调质钢，高T T回）回）6.6.改善钢的被切削性能：改善钢的被切削性能：S,RES,RE易断屑；润滑作用易断屑；润滑作用第3页，本讲稿共53页 根据零件使用条件（服役）来选择：根据零件使用条件（服役）来选择：要求高耐磨，心部高韧性（冲击）要求高耐磨，心部高韧性（冲击）低低C C，低合金钢，渗，低合金钢，渗C+C+淬火淬火+低温回火低温回火 渗渗C C钢钢综合力学性
4、能高（强韧性）综合力学性能高（强韧性）中中C C，中，中C C合金钢，淬火合金钢，淬火+高高温回火温回火调质钢调质钢高弹性极限和疲劳抗力高弹性极限和疲劳抗力 中高中高C C，中高，中高C C合金钢，合金钢，淬火淬火+中温回火中温回火弹簧钢弹簧钢高硬，高耐磨，高接触疲劳抗力高硬，高耐磨，高接触疲劳抗力高高C C合金钢，球化退火合金钢，球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火轴承钢轴承钢第4页，本讲稿共53页用途用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈
5、的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。荷，特别是冲击载荷。（图）（图）第5页，本讲稿共53页性能要求性能要求(1)(1)表面渗碳层硬度高表面渗碳层硬度高 以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。力，同时具有适当的塑性和韧性。(2)(2)心部具有高的韧性和足够高的强度心部具有高的韧性和足够高的强度 心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。(3)(3)有良
6、好的热处理工艺性能有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（在高的渗碳温度（900 900 950 950）下，奥氏体晶粒不易长大，并）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。有良好的淬透性。第6页，本讲稿共53页1.低低C C：Wc=0.10-0.25%Wc=0.10-0.25%保证零件心部有足够高的韧性保证零件心部有足够高的韧性 2.2.加入提高淬透性的合金元素：加入提高淬透性的合金元素：CrCr，NiNi，MnMn，B B，WW提高心提高心 部淬透性，获得低部淬透性，获得低CMCM第7页，本讲稿共53页3.3.细化晶粒：强细化晶粒：强Ti Ti，V,V,中中CemWCemW，MoMo等，
7、形成稳定的合金等，形成稳定的合金CemCem阻碍长大阻碍长大4.4.改善渗改善渗C C的性能：的性能：Cem Cem形成元素：使表层形成元素：使表层CC，心部，心部CC，陡，陡，C C扩散受阻扩散受阻 非非CemCem形成元素：形成元素：NiNi表层表层CC，心部，心部CC，平缓，加速，平缓，加速C C扩散扩散 但但Si Si使表层加入使表层加入C C困难，使渗困难，使渗C C速度降低，所以渗速度降低，所以渗C C钢中不加钢中不加Si Si第8页，本讲稿共53页MeMe元素在钢中的作用并不单一，而是多重性：元素在钢中的作用并不单一，而是多重性：Cr Cr提高淬透性，细化晶粒，提高渗提高淬透性，
8、细化晶粒，提高渗C C的浓度，的浓度，与与NiNi作用改善渗作用改善渗C C分布分布NiNi，CrCr为主要元素为主要元素+其它辅助的元素（其它辅助的元素（Ti Ti，V V，WW，MoMo，B B）第9页，本讲稿共53页uu常用钢种及牌号常用钢种及牌号常用钢种及牌号常用钢种及牌号合金渗合金渗C C钢按其淬透性分为三类：钢按其淬透性分为三类：低淬透性渗低淬透性渗C C钢：钢：典型钢种典型钢种20Cr20Cr，这类钢淬透，这类钢淬透，心部强度，心部强度 适用冲击力较小的表面耐磨件，小齿轮，小轴等适用冲击力较小的表面耐磨件，小齿轮，小轴等中淬透性渗中淬透性渗C C钢钢：典型钢种：典型钢种20CrM
9、nTi20CrMnTi，这类钢淬透，这类钢淬透，良好的，良好的机械性能和工艺性能，渗机械性能和工艺性能，渗C C过度层比较均匀，热处理变形过度层比较均匀，热处理变形小。用于制造承受高速中载，要求抗冲击和表面耐磨的零件。小。用于制造承受高速中载，要求抗冲击和表面耐磨的零件。汽车，拖拉机上的重要零件，齿轮。为了节约汽车，拖拉机上的重要零件，齿轮。为了节约CrCr，我国采用，我国采用20MnVB20MnVB，但这个钢不稳定，变形大。，但这个钢不稳定，变形大。第10页，本讲稿共53页 高淬透性渗高淬透性渗C C钢钢：典型钢种18Cr2NiWA和20Cr2Ni4A 这类钢含有较多的Cr，Ni，淬透性很高
10、，具有良好的韧性，特别是低温冲击韧性。适用制造大截面，高载荷的重要耐磨件，如飞机，坦克中的重要齿轮，曲轴 常用渗碳钢的牌号、成分、性能及用途 第11页，本讲稿共53页热处理和组织性能热处理和组织性能热处理和组织性能热处理和组织性能 1.1.热处理工艺：热处理工艺：渗渗C+C+淬火淬火+低温回火，过硬，要采用预先热处低温回火，过硬，要采用预先热处理，改善钢的切削加工性，正火理，改善钢的切削加工性，正火(+)改善带改善带状组织（轧制时）状组织（轧制时）2.2.渗渗C C：900-950900-950 10h 10h 对渗对渗C C（900-950 900-950 10h 10h）时易过热钢，渗）时
11、易过热钢，渗C C后正火处理，清除粗大组织，然后进行淬火；后正火处理，清除粗大组织，然后进行淬火；淬火工艺因淬火工艺因C C钢而异，查热处理手册。钢而异，查热处理手册。如图如图如图如图第12页，本讲稿共53页 3.3.组织性能组织性能 热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马回火马氏体氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为少量残余奥氏体组织，硬度为60 HRC60 HRC62 62 HRCHRC 心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关：心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关：完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40 HRC4
12、0 HRC48 HRC48 HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为度为25 HRC25 HRC40 HRC40 HRC 心部韧性一般都高于心部韧性一般都高于700 kJ/m2700 kJ/m2第13页，本讲稿共53页第三节第三节 调质钢调质钢 调质钢：调质钢：调质钢：调质钢：是指经调质后使用的钢。是指经调质后使用的钢。用途：用途：用途：用途：调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、床齿轮、主轴、汽
13、车发动机曲轴、连杆、螺栓等。螺栓等。图图 第14页，本讲稿共53页 一一 性能要求性能要求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。（对截面受力均匀的零件，完全淬透；对透性的要求不一样。（对截面受力均匀的零件，完全淬透；对截面受力不均匀的截面，如弯曲应力的传动轴，表面淬透，要截面受力不均匀的截面，
14、如弯曲应力的传动轴，表面淬透，要求表面较好性能，心部可低一些）。求表面较好性能，心部可低一些）。要求得到回火索氏体组织：要求得到回火索氏体组织：第15页，本讲稿共53页二二二二 成分特点成分特点成分特点成分特点1.1.1.1.中中中中C C C C Wc=0.3-0.5%(0.40Wc=0.3-0.5%(0.40居多居多)2.Me2.Me2.Me2.Me的作用的作用的作用的作用 第16页，本讲稿共53页按淬透性高低可分为三类：按淬透性高低可分为三类：按淬透性高低可分为三类：按淬透性高低可分为三类：表表表表 1.1.1.1.低淬透性调质钢：低淬透性调质钢：低淬透性调质钢：低淬透性调质钢：最典型的
15、钢种是最典型的钢种是40Cr40Cr，油淬临界直径为，油淬临界直径为30 30 mmmm40 mm40 mm，用于制造一般尺寸的重要零件，用于制造一般尺寸的重要零件2.2.2.2.中淬透性调质钢：中淬透性调质钢：中淬透性调质钢：中淬透性调质钢：35CrMo,35CrMo,油淬临界直径为油淬临界直径为40 mm40 mm60 60 mmmm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性回火脆性3.3.3.3.高淬透性调质钢：高淬透性调质钢：高淬透性调质钢：高淬透性调质钢：如如40CrNiMo40CrNiMo钢，油淬临界直径为钢，油淬临界直径为60 m
16、m60 mm100 mm100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。用于制造大的淬透性，还可消除第二类回火脆性。用于制造大截面，重载荷零件截面，重载荷零件第17页，本讲稿共53页合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500 500
17、650 650 回火。通过选择回火温度，可以获得所要求回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。油冷），有利于韧性的提高。图图 四四四四 热处理和组织性能热处理和组织性能热处理和组织性能热处理和组织性能第18页，本讲稿共53页合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺栓、合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺栓、连杆等。连杆等。表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马
18、氏体，表面硬度表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，表面硬度可达可达55 HRC55 HRC58 HRC58 HRC。心部组织是回火索氏体。心部组织是回火索氏体。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa,800 MPa,冲击韧性在冲击韧性在800 800 kJ/m2kJ/m2，心部硬度可达，心部硬度可达22 HRC22 HRC25 HRC25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。性能显著降低。第19页，本讲稿共53页第四节第四节第四节第四节 弹簧钢（专用结构钢）弹簧钢（专用结构钢）弹簧钢（专用结构钢）弹簧钢（专用
19、结构钢）合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。各种弹簧和弹性元件。各种弹簧和弹性元件。各种弹簧和弹性元件。一一一一 组织、性能要求组织、性能要求组织、性能要求组织、性能要求 弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和震动和冲击，弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和震动和冲击，或依靠弹性储能来起驱动作用或依靠弹性储能来起驱动作用第20页，本讲稿共53页1.1.1.1.性能要求：性能要求：性能要求：性能要求：a.a.a.a.高的弹性极限高的弹性极限 e e，尤其是高的屈强
20、比，尤其是高的屈强比 s/s/b b以保证弹簧有足够高以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力的弹性变形能力和较大的承载能力b.b.b.b.高的疲劳强度高的疲劳强度 r r 防止在震动和高变应力作用下产生疲劳防止在震动和高变应力作用下产生疲劳断裂；零件表面的脱断裂；零件表面的脱C C，会使，会使 r r ，（表面达到高，（表面达到高C C）c.c.c.c.足够高的塑性和韧性足够高的塑性和韧性以免受冲击时脆断以免受冲击时脆断d.d.d.d.良好的工艺性良好的工艺性利于成型，不易脱利于成型，不易脱C C，过热敏感性小，过热敏感性小e.e.e.e.耐热性，耐蚀性耐热性，耐蚀性在此环境下工作，
21、阀门弹簧在此环境下工作，阀门弹簧第21页，本讲稿共53页2.2.2.2.组织要求组织要求组织要求组织要求 要想满足以上性能要求，一般弹簧钢得到要想满足以上性能要求，一般弹簧钢得到 回火托氏体组织回火托氏体组织实验证明：实验证明：实验证明：实验证明：回火托氏体组织是获得高的弹性极限回火托氏体组织是获得高的弹性极限e e，高的，高的s s 的最佳组织的最佳组织如图如图如图如图 第22页，本讲稿共53页二二二二 成分特点成分特点成分特点成分特点1.1.中、高碳中、高碳 高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳 的质量分数一般为的质量分数一般为0.50%0.
22、50%0.70%0.70%。碳含量过高时，塑性、。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。韧性降低，疲劳抗力也下降。2.2.加入加入Si Si，MnMn提高淬透性：强化基体；提高回火稳定性；提高淬透性：强化基体；提高回火稳定性；Si Si 易使表面脱易使表面脱C C；MnMn使钢易过热；使钢易过热；3.3.重要用途的弹簧钢还必须加入重要用途的弹簧钢还必须加入CrCr、V V、WW等元素防止脱等元素防止脱C C，过热，改善过热，改善Si Si，MnMn的不利影响，进一步提高强度和淬透的不利影响，进一步提高强度和淬透 性，性，Si-CrSi-Cr弹簧钢不易脱弹簧钢不易脱C C，本身形成，本身
23、形成Cr-VCr-V，V V晶粒细小，耐晶粒细小，耐 冲击性好，强度小。冲击性好，强度小。此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧 钢均为优质钢或高级优质钢。钢均为优质钢或高级优质钢。第23页，本讲稿共53页见表见表见表见表合金弹簧钢大致分两类：合金弹簧钢大致分两类：1.1.1.1.以以Si Si，MnMn为主要为主要MeMe的弹簧钢：代表钢种的弹簧钢：代表钢种65Mn65Mn，60Si2Mn60Si2Mn，价格便宜，淬透性，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，明显优于碳素弹簧钢，Si Si、MnMn的复合合金化，性能比只用的复合
24、合金化，性能比只用MnMn的好得多。这类的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。2.2.2.2.含含CrCr，WW，V V等合金元素的弹簧钢：等合金元素的弹簧钢：50CrVA50CrVA，含，含CrCr、V V、WW等元素的等元素的弹簧钢。弹簧钢。CrCr、V V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350 350 400 400 温度下承受重载的较大弹簧。温度下承受重载的较大弹簧。三
25、钢种和牌号三钢种和牌号三钢种和牌号三钢种和牌号 第24页，本讲稿共53页四四四四.加工、热处理与性能加工、热处理与性能加工、热处理与性能加工、热处理与性能 弹簧按加工热处理可分两类弹簧按加工热处理可分两类弹簧按加工热处理可分两类弹簧按加工热处理可分两类1.1.1.1.热成型弹簧：热成型弹簧：热成型弹簧：热成型弹簧：用热扎钢丝或钢板制成，然后淬火用热扎钢丝或钢板制成，然后淬火+中中回火（回火（450-550450-550）获得回火屈氏体，具有很高）获得回火屈氏体，具有很高s s ，e e并有一定的塑、韧性并有一定的塑、韧性 适用于制作较大型弹适用于制作较大型弹簧簧2.2.2.2.冷成型弹簧：冷成
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