工程材料学机器零件用钢教案资料.ppt
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1、工程材料学机器零件用钢 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，低合金钢，渗钢，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，淬合金钢，淬火火+高温回火高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，球合金钢，球化退火化退火+淬火淬火+
2、低温回火低温回火轴承钢轴承钢用途用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，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。这类内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承零件在工作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。受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。（图）（图）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。抗力，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
3、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。不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。(3)(3)有良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）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。大，并有良好的淬透性。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，Mn
4、Mn，B B，WW提高心提高心 部淬透性，获得低部淬透性，获得低CMCM3.3.细化晶粒：强细化晶粒：强Ti Ti，V,V,中中CemWCemW，MoMo等，形成稳定的合金等，形成稳定的合金CemCem阻阻碍长大碍长大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 S
5、iMeMe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，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）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
6、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20CrMnTi20CrMnTi，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。高淬透性渗高淬透性渗C C钢钢
7、：典型钢种18Cr2NiWA和20Cr2Ni4A 这类钢含有较多的Cr，Ni，淬透性很高，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 uu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，正火处理，改善钢的切削加工性，正火(+)改改善带状组织（轧制时）善带状组织（轧制时）2.2.渗渗C C：900-950900-950 10h 10h 对渗对渗C C
8、（900-950 900-950 10h 10h）时易过热钢，渗）时易过热钢，渗C C后正火处理，清除粗大组织，然后进行淬后正火处理，清除粗大组织，然后进行淬火；淬火工艺因火；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 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+回回火马氏体火马氏体+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 60 HRCHRC62 HRC62 HRC 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
9、淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40 HRC40 HRC48 HRC48 HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为和少量铁素体，硬度为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拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动零件，如机床齿轮、主
10、轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。机曲轴、连杆、螺栓等。图图 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。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，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，对淬透性的要求不一样。（对截面受力均匀的零件，完全淬对淬透性的要求不一样。（对截面受力均匀的零件，完全淬透；对截面受力不均匀的截面，如弯曲应力的传动轴，表面透；对截面受力不均匀的截面，如弯曲应力的传
11、动轴，表面淬透，要求表面较好性能，心部可低一些）。淬透，要求表面较好性能，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：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 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：最典型的钢种是最典型的钢种是40Cr40Cr，油淬临界直，油淬
12、临界直径为径为30 mm30 mm40 mm40 mm，用于制造一般尺寸的重，用于制造一般尺寸的重要零件要零件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 mm60 mm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性止第二类回火脆性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 mm60 mm100 mm100 mm，铬镍钢中加入适当
13、的钼，不，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。但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。用于制造大截面，重载荷零件用于制造大截面，重载荷零件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。大时甚至可以空冷，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500 500 650 650 回火。通过选择回火温度，可以获得回火。通过选择回火温度，可以获
14、得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷所要求的性能。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。（水冷或油冷），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合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺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。栓、连杆等。表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加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，表面组织为回火马氏体，表面热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，表面硬度可达硬度可达55 HRC55 HRC58
15、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,冲击韧冲击韧性在性在800 kJ/m2800 kJ/m2，心部硬度可达，心部硬度可达22 HRC22 HRC25 HRC25 HRC。若截。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。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（专用结构钢）合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用合金弹簧钢是一种
16、专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。于制造各种弹簧和弹性元件。于制造各种弹簧和弹性元件。于制造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冲击，或依靠弹性储能来起驱动作用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，尤其是高的屈强比，尤其是高的屈强比 s/s/b b以保证弹簧以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力b.b.b.b.高
17、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；零件表面的脱疲劳断裂；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，阀门弹簧在此环境下工作，阀门弹簧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
18、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回火托氏体组织是获得高的弹性极限极限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 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%0.50%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
19、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
20、均为优质钢或高级优质钢。钢均为优质钢或高级优质钢。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，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si Si、MnMn的复合合金化，的复合合金化，性能比只用性能比只用MnMn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。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：5
21、0CrVA50CrVA，含，含CrCr、V V、WW等元等元素的弹簧钢。素的弹簧钢。CrCr、V V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，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。三钢种和牌号三钢种和牌号三钢种和牌号三钢种和牌号 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
22、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，然后淬用热扎钢丝或钢板制成，然后淬火火+中回火（中回火（450-550450-550）获得回火屈氏体，具）获得回火屈氏体，具有很高有很高ss ，ee并有一定的塑、韧性并有一定的塑、韧性 适用于适用于制作较大型弹簧制作较大型弹簧2.2.2.2.冷成型弹簧：冷成型弹簧：冷成型弹簧：冷成型弹簧：小尺寸弹簧用冷拔弹簧丝（片）小尺寸弹簧用冷拔弹簧丝（片）卷成，具有三种制造方法：卷成，具有三种制造方法：a.a.a.a.淬铅冷拔钢丝：淬铅冷拔钢丝：淬铅冷拔钢丝：淬铅冷拔钢丝：Ac3Ac3以上以上+450+450-50
23、5-505铅中淬火，获得适合铅中淬火，获得适合于冷拔的托氏体组织于冷拔的托氏体组织+冷拔（多次）；规定尺寸冷拔（多次）；规定尺寸 ss 可达可达1600Mpa+1600Mpa+低温退火（低温退火（200-300200-300，1h1h），使弹簧定形。），使弹簧定形。b.b.b.b.油淬回火钢丝：油淬回火钢丝：油淬回火钢丝：油淬回火钢丝：（油淬回火（油淬回火450-500450-500）钢丝，屈组织）钢丝，屈组织+冷拔冷拔（规定尺寸）（规定尺寸）+（淬火油，回火）（淬火油，回火）+卷成弹簧卷成弹簧+去应力退火去应力退火c.c.c.c.冷拔钢丝：冷拔钢丝：冷拔钢丝：冷拔钢丝：冷拔尺寸（规定尺寸）冷
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