【精品课件】机械制造结构钢.ppt
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1、第三章第三章 机械制造结构钢机械制造结构钢第一节第一节 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性第二节结构钢的淬透性第二节结构钢的淬透性第三节第三节 调质钢调质钢第四节第四节 低温回火状态下使用的结构钢低温回火状态下使用的结构钢第五节第五节 高合金高强度结构钢高合金高强度结构钢第六节第六节 轴承钢轴承钢第七节第七节 渗碳钢和渗氮钢渗碳钢和渗氮钢 第八节第八节 其它机械制造结构钢其它机械制造结构钢2021/9/232021/9/231 1 对于在弹性范围内工作的零件,根据比例极限对于在弹性范围内工作的零件,根据比例极限p p计算,计算,并同时引入安全系数。并同时引入安全系数。第一节第一节 结构钢的强
2、度和脆性结构钢的强度和脆性q 强度设计强度设计弹性设计弹性设计 对于允许少量塑性变形的零件,根据屈服强度对于允许少量塑性变形的零件,根据屈服强度s s或或0.20.2计算,并同时引入安全系数。计算,并同时引入安全系数。塑性设计塑性设计2021/9/232021/9/232 2q 韧性设计(避免脆断)韧性设计(避免脆断)韧性设计主要考虑三大指标:韧性设计主要考虑三大指标:(1(1)低温冲击韧性;)低温冲击韧性;(2 2)韧)韧-脆转化温度;脆转化温度;(3 3)断裂韧性。)断裂韧性。合金结构钢曲轴合金结构钢曲轴合金结构钢曲轴合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴单缸汽车曲轴2021/9/232021/9/2
3、33 3q 基本概念基本概念 钢钢的的淬淬透透性性是是指指钢钢在在淬淬火火时时获获得得马马氏氏体体的的能能力力。其其大大小小通通常常用用规规定定条条件件下下淬淬火火获获得得淬淬透透层层的的深深度度(又又称称有有效淬硬深度)的距离作为效淬硬深度)的距离作为淬透层深度淬透层深度。钢的淬透性钢的淬透性 钢的淬硬性钢的淬硬性钢的淬硬性钢的淬硬性 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,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。淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。第二节第二节 结构钢的淬透性结构钢的淬透性2021/9/232021/9/234 4 钢的顶端淬火试验钢
4、的顶端淬火试验2021/9/232021/9/235 52021/9/232021/9/236 6 生生产产中中也也常常用用临临界界淬淬火火直直径径表表示示钢钢的的淬淬透透性性。所所谓谓临临界界淬淬火火直直径径,是是指指圆圆棒棒试试样样在在某某介介质质中中淬淬火火时时所所能能得得到到的的最最大大淬淬透透直直径径(即即心心部部被被淬淬成成半半马马氏氏体体的的最最大大直直径径),用用D Do o表表示示。在在相相同同冷冷却却条条件件下下,D Do o越越大大,钢的淬透性越好。钢的淬透性越好。临界淬火直径临界淬火直径临界淬火直径临界淬火直径高强螺栓高强螺栓柴油机连杆柴油机连杆齿轮齿轮2021/9/2
5、32021/9/237 7 淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比,高的断裂韧淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比,高的断裂韧性性KICKIC值,冲击韧性值以及低的值,冲击韧性值以及低的FATTFATT5050()。)。淬透后的钢性能优越淬透后的钢性能优越q 研究钢的淬透性的重要意义研究钢的淬透性的重要意义2021/9/232021/9/238 8 淬透层深度视零件的工作条件而定淬透层深度视零件的工作条件而定 零件类型零件类型零件类型零件类型 工作条件工作条件工作条件工作条件淬透程度的差异淬透程度的差异淬透程度的差异淬透程度的差异螺栓、销钉等螺栓、销钉等螺栓、销钉等螺栓、销钉等全截面受力全截面受
6、力全截面受力全截面受力 淬透淬透淬透淬透轴类零件等轴类零件等轴类零件等轴类零件等表面应力大,中表面应力大,中表面应力大,中表面应力大,中心应力小。心应力小。心应力小。心应力小。不淬透不淬透不淬透不淬透网带式淬火炉网带式淬火炉2021/9/232021/9/239 9 淬透性相当的调质钢,可相互代用(教材淬透性相当的调质钢,可相互代用(教材P43P43)2021/9/232021/9/231010(1 1)淬透性大的工件易淬透,组织和性能均匀一致;淬透性大的工件易淬透,组织和性能均匀一致;(2 2)淬火性大的工件在淬火时,可选用冷却能力较小的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
7、以减小淬火应力。淬火介质以减小淬火应力。(3 3)对受力大而复杂的工件,为确保组织性能均匀一致,对受力大而复杂的工件,为确保组织性能均匀一致,可选用淬透性大的钢。可选用淬透性大的钢。(4 4)当要求工件表面硬度高,而心部韧性好时,可选用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。低淬透性钢。淬透性的应用淬透性的应用2021/9/232021/9/231111q 合金元素对淬透性的影响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:钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为:B BMnMnMoMoCrCrSiSiNiNi,其中,其中C C元素也能增加淬透性,元素也能增加
8、淬透性,而且它决定了钢的淬硬性。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,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。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合金元素增加淬透性的能力2021/9/232021/9/231212 (1 1)强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加,如强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加,如CrCrNiNiMoMoV V 等。等。(2 2)对淬透性要求不高的合金,可采用单一合金元素对淬透性要求不高的合金,可采用单一合金元素加入,如加入,如40Cr 40Cr。合金元素增加淬透性的多元少量原
9、则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。显然,合金钢的淬透性一般大于碳钢。2021/9/232021/9/231313第三节第三节 调调 质质 钢钢 1 1)调质钢)调质钢 (淬火高温回火)(淬火高温回火)2 2)弹簧钢)弹簧钢 (淬火中温回火)(淬火中温回火)3 3)轴承钢)轴承钢 (淬火低温回火)(淬火低温回火)4 4)超高强度钢)超高强度钢 (淬火低温回火)(淬火低温回火)5 5)渗碳(氮)钢)渗碳(氮)钢 (化学热处理)(化学热处理)6 6)易削钢)易削钢 (一般供应或正火状态)(一般供应或正火状态)q 钢种分类钢种分类(根据热处理原理)根据热处理原理)20
10、21/9/232021/9/231414 淬火得到的马氏体组织经高温回火后,得到在淬火得到的马氏体组织经高温回火后,得到在相相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物,即回火屈氏体或基体上分布有极细小的颗粒状碳化物,即回火屈氏体或回火索氏体组织。回火索氏体组织。q 调质钢的组织调质钢的组织 根据不同合金元素和回火工艺的差异,组织上区别根据不同合金元素和回火工艺的差异,组织上区别主要是基体主要是基体相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大的程度。的程度。2021/9/232021/9/231515q 合金元素对调质钢的影响合金元素对调质钢的影响 发展历程举例发展历程举例4
11、0 40Mn 40CrMn 40CrMnSi 40 40Cr 40CrNi 40CrNiMo 低淬透性低淬透性中淬透性中淬透性高淬透性高淬透性 前提前提 调质钢的强度取决于调质钢的强度取决于相的强度相的强度碳化物的弥散强化作用碳化物的弥散强化作用2021/9/232021/9/231616 SiSi、MnMn、NiNi:溶于溶于相起固溶强化作用;其中相起固溶强化作用;其中MnMn、NiNi可降低韧可降低韧-脆转化温度,而脆转化温度,而SiSi则升高韧则升高韧-脆转化温度。脆转化温度。C C元素(元素(0.30.30.50.5):保证有足量碳化物存在,以保证有足量碳化物存在,以获得比较高的强度。
12、获得比较高的强度。CrCr、MoMo、W W、V V:阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和相再结晶。相再结晶。P P元素:类似元素:类似SiSi,升高韧,升高韧-脆转化温度,降低冲击韧性。脆转化温度,降低冲击韧性。2021/9/232021/9/231717 在高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧在高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧-脆转变温度。脆转变温度。冷却速度越慢,室温冲击韧性越低,韧冷却速度越慢,室温冲击韧性越低,韧-脆转化温度越高,脆转化温度越高,这成为高温回火脆性。这成为高温回火脆性。q 合金调质钢的高温回火脆性合金调质钢的高温回火脆性 Cr-NiCr-N
13、i调质钢经调质钢经650650回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性冷却方式冷却方式炉冷炉冷 空冷空冷 油冷油冷水冷水冷室温冲击值室温冲击值/J/J9.49.423.523.5 59.859.874.674.6 高温回火脆性举例(一)高温回火脆性举例(一)2021/9/232021/9/231818 高温回火脆性举例(二)高温回火脆性举例(二)2021/9/232021/9/231919 高温回火脆性的原因及解决办法高温回火脆性的原因及解决办法主要原因主要原因:钢中的杂质元素:钢中的杂质元素P P、SnSn等,在原奥氏体晶界的等,在原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆
14、化。平衡偏聚引起晶界脆化。措施:措施:(1 1)在回火最高温度保温后快冷,可消除脆化倾向。在回火最高温度保温后快冷,可消除脆化倾向。(2 2)通过添加)通过添加ReRe、MoMo、W W、TiTi等可降低高温回火脆性,等可降低高温回火脆性,这对长期在这对长期在450450550550范围工作的部件尤为重要。范围工作的部件尤为重要。2021/9/232021/9/232020第四节第四节 低温回火状态下使用的结构钢低温回火状态下使用的结构钢 淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱和和相中的相中的固溶强化固溶强化,-F-Fe2.4Ce2.4C与基体
15、共格产生的与基体共格产生的沉淀强沉淀强化化及马氏体相变的及马氏体相变的冷作强化冷作强化。q 低温回火钢的显微组织及力学性能低温回火钢的显微组织及力学性能 其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体相中相中的碳。碳含量越高,马氏体强度越高,但韧性下降。的碳。碳含量越高,马氏体强度越高,但韧性下降。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性,保证得到合金元素的主要作用是提高钢的淬透性,保证得到马氏体组织。马氏体组织。2021/9/232021/9/232121 W(C)0.3%,W(C)0.3%,淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状马氏
16、体,具有高的强度和良好的韧性。马氏体,具有高的强度和良好的韧性。q 低碳马氏体结构钢低碳马氏体结构钢 由于低碳钢的淬透性较小,一般采用低碳低合金钢。加由于低碳钢的淬透性较小,一般采用低碳低合金钢。加入入NiNi等元素,可改善室温和低温韧性和断裂韧性,具有高等元素,可改善室温和低温韧性和断裂韧性,具有高强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。2021/9/232021/9/232222 这类钢属于中碳钢,这类钢属于中碳钢,W(C)W(C)0.270.2745%,45%,在此范围内,在此范围内,C C含量越高,合金强度越高。含量越高,合金强度越高。加入一定量的合金元素,
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