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第三章 机械制造结构钢

第三章 机械制造结构钢. 第一节 结构钢的强度与脆性 第二节　结构钢的淬透性 第三节 调质钢 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 第五节 高合金高强度结构钢 第六节 轴承钢 第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 其它机械制造结构钢. 塑性设计. 对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度 σ s 或 Σ 0.2 计算，并同时引入安全系数。. 第一节 结构钢的强度和脆性. 强度设计. 弹性设计. 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限 σ p 计算，并同时引入安全系数。. 单缸汽车曲轴. 合金结构钢曲轴. 韧性设计（避免脆断）.

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第三章 机械制造结构钢

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  1. 第三章 机械制造结构钢 第一节 结构钢的强度与脆性 第二节　结构钢的淬透性 第三节 调质钢 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 第五节 高合金高强度结构钢 第六节 轴承钢 第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 其它机械制造结构钢

  2. 塑性设计 对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或 Σ0.2计算，并同时引入安全系数。 第一节 结构钢的强度和脆性 • 强度设计 • 弹性设计 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限σp计算，并同时引入安全系数。

  3. 单缸汽车曲轴 合金结构钢曲轴 • 韧性设计（避免脆断） 韧性设计主要考虑三大指标： (1）低温冲击韧性； （2）韧-脆转化温度； （3）断裂韧性。

  4. 钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。 • 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，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。 第二节 结构钢的淬透性 • 基本概念

  5. 钢的顶端淬火试验

  6. 高强螺栓 柴油机连杆 齿轮 • 临界淬火直径 生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。

  7. 研究钢的淬透性的重要意义 • 淬透后的钢性能优越 淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比，高的断裂韧性KIC值，冲击韧性值以及低的FATT50（℃）。

  8. 网带式淬火炉 • 淬透层深度视零件的工作条件而定

  9. 淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）

  10. 淬透性的应用 （1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致； （2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的 淬火介质以减小淬火应力。 （3）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。 （4）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。

  11. 合金元素对淬透性的影响 • 合金元素增加淬透性的能力 钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为： B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，其中C元素也能增加淬透性， 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， 若以碳化物形式存在，则情况相反。

  12. 显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。 • 合金元素增加淬透性的多元少量原则 （1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如Cr－Ni－Mo－V 等。 （2） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素加入，如40Cr 。

  13. 第三节 调 质 钢 • 钢种分类(根据热处理原理） 1）调质钢 （淬火高温回火） 2）弹簧钢 （淬火中温回火） 3）轴承钢 （淬火低温回火） 4）超高强度钢 （淬火低温回火） 5）渗碳（氮）钢 （化学热处理） 6）易削钢 （一般供应或正火状态）

  14. 调质钢的组织 淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相 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。 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α相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大 的程度。

  15. 40 → 40Mn→ 40CrMn→ 40CrMnSi 40 → 40Cr→ 40CrNi→ 40CrNiMo 低淬透性 中淬透性 高淬透性 • 前提 α相的强度 调质钢的强度取决于 碳化物的弥散强化作用 • 合金元素对调质钢的影响 • 发展历程举例

  16. Si、Mn、Ni：溶于α相起固溶强化作用；其中Mn、NiSi、Mn、Ni：溶于α相起固溶强化作用；其中Mn、Ni 可降低韧-脆转化温度，而Si则升高韧-脆转化温度。 C元素（0.3～0.5％）：保证有足量碳化物存在，以 获得比较高的强度。 Cr、Mo、W、V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和 α相再结晶。 P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。

  17. 合金调质钢的高温回火脆性 在高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧-脆转变温度。 冷却速度越慢，室温冲击韧性越低，韧-脆转化温度越高， 这成为高温回火脆性。 • 高温回火脆性举例（一） Cr-Ni调质钢经650℃回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性

  18. 高温回火脆性举例（二）

  19. 高温回火脆性的原因及解决办法 主要原因：钢中的杂质元素P、Sn等，在原奥氏体晶界的 平衡偏聚引起晶界脆化。 措施： （1）在回火最高温度保温后快冷，可消除脆化倾向。 （2）通过添加Re、Mo、W、Ti等可降低高温回火脆性， 这对长期在450～550℃范围工作的部件尤为重要。

  20. 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 • 低温回火钢的显微组织及力学性能 淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱 和α相中的固溶强化，ε-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强 化及马氏体相变的冷作强化。 其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体α相中 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 马氏体组织。

  21. 低碳马氏体结构钢 W(C)<0.3%,淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状马氏体，具有高的强度和良好的韧性。 由于低碳钢的淬透性较小，一般采用低碳低合金钢。加 入Ni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。

  22. 低合金超高强度结构钢 这类钢属于中碳钢， W(C)＝0.27～45%,在此范围内， C含量越高，合金强度越高。 加入一定量的合金元素，可提高钢的淬透性，保证高 强度的获得。随着合金强度的提高，钢出现脆性的倾向， 可通过提高钢的纯净性，降低钢中的夹杂物、气体及有害 杂质元素H、O、Sn等元素的含量。

  23. 第五节 高合金超高强度结构钢 由于低合金超高强度钢主要用碳进行强化，以牺牲 钢的塑性和韧性来提高钢的强度。为此，在Fe-Ni合金马 氏体基础上发展了无碳马氏体时效钢。 这种无碳马氏体时效钢利用时效时析出金属间化合 物的沉淀强化效果，获得了高强度和高韧性。 马氏体时效钢成本高，工艺严格，仅航空航天及兵 器工业的应用。

  24. 马氏体时效钢中合金元素的作用 1) 添加Ni、Co，可扩大γ区，控制Ms点； 2）添加Ni、Ti、Al、Mo、Nb等，可形成Ni3Al，Ni3Ti、 Ni3Mo和Fe2Mo等强化相； 3）严格控制杂质元素C、N、S、P、Si的含量。

  25. 马氏体时效钢的热处理 由于合金元素含量高， 即使冷却较慢奥氏体也能 在低温下马氏体。 右图：(18Ni马氏体时效钢) 加热温度＞800℃； Ms：100～155℃； 时效温度：480℃。

  26. 马氏体时效钢的高韧性机理 由于组织存在大量可动位错，没有受到C、N间隙于原 子钉扎，加之在400～500℃时效，相变引起的显微应力被 松弛。 • 马氏体时效钢的高强度机理 三种强化机制共同作用： 1）合金元素的固溶强化； 2）马氏体相变的冷作硬化; 3）Ni3Al等沉淀析出相的沉淀强化。

  27. 第六节 轴 承 钢 • 轴承钢的使用特点 1）局部接触压应力高， 可达3000～5000MPa； 2）循环受力次数每分钟 可高达数万次； 3）摩擦磨损严重。 滚 珠 滚 柱

  28. 减少非金属夹杂物的措施 真空脱气，炉外精炼和电渣重熔 其中钢渣包括炼钢时的脱氧产物与钢渣，以及钢凝 固时的氧化物和硫化物等。 • 轴承钢的质量要求 • 轴承钢的主要失效形式 轴承钢在高应力长时间运转时，局部发生剧烈的塑性 变形，当这些区域有非金属夹杂物或粗大碳化物存在时， 会出现应力集中，成为疲劳裂纹的起源。

  29. 碳化物不均匀性的消除 1）带状碳化物的消除 高温扩散退火（加热到共晶温度1130±10℃以上） 2）网状碳化物的消除 把轧制的终轧温度控制在Arm和Ar1之间，网状碳化物 破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。 3）大颗粒碳化物的消除 延长正火时间，让碳化物完全溶解。

  30. 轴承钢的成分特点 高碳：0.95~1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性； 低铬 ：0.40~1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体 (Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。 大型轴承：加入Si、Mn、Mo等元素以进一步提高淬透性和强 度；对无铬轴承钢还应加入V元素，形成VC以保证耐磨性并 细化钢基体晶粒。

  31. 最终热处理 淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度和高 耐磨性。 • 冷处理 为了较彻底消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的 尺寸精度，还可在淬火后进行冷处理(-60℃~﹣80℃），在 磨削加工后进行低温时效处理等。 • 轴承钢的热处理 • 预先热处理 球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；

  32. 第七节 渗碳钢和氮化钢 • 渗碳钢定义及用途 1）渗碳钢：通过表面渗碳，整体淬火＋低温回火得到表面是高碳马氏体，心部是低碳马氏体或半马氏体组织的钢种。 2）用 途：由于渗碳钢表面具有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高强度和韧性。所以广泛由于制造要求高耐磨，承受高接触应力和冲击载荷的重要部件。

  33. 碳元素的影响 • 合金元素加入对淬透性的影响 采用低碳（一般C％≤0.25％），保证心部足够韧性。 承受载荷大的零件 要求淬透性大 增加元素种类和含量 心部为低碳马氏体 承受载荷小的零件 要求淬透性小 较小元素种类和含量 心部为铁素体和珠光体 • 渗碳钢的合金化

  34. 合金元素对渗碳工艺性能的影响：

  35. 低载荷零件 活塞销等 低淬透性（15，20） 中低载荷零件 齿轮、小轴 一定淬透性（20Cr，20MnV） 高速中载荷零件 齿轮、轴 中淬透性（20MnVB） 高载荷零件 大型齿轮、轴 高淬透性（20Cr2Ni4） 柴油机凸轮轴 • 渗碳钢的钢种

  36. 渗碳钢的热处理 渗碳后直接淬火+低温回火。 表层组织为细针状回火高碳马氏体＋粒状碳化物，硬 度一般为58～64HRC； 心部组织依据钢的淬透性不同为铁素体＋珠光体、或 低碳马氏体，硬度35～45HRC，ακ≥60J/cm2。 由于渗碳的温度高、时间长，故渗碳件的变形较大， 零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。

  37. 渗氮钢 零件氮化的常规温度在510～570℃，氮化后的零件表 面形成高硬度的γ/-Fe4N，ε-Fe3-2N层，可提高疲劳强度 和耐磨性。 钢中加入氮 化物形成元 素，氮化层 的组织和性 能将发生变 化。

  38. 合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。

  39. 第八节 其他机械制造结构钢 • 弹簧钢 • 性能要求 1）高的弹性极限σe和屈强比σs/σb：保证优良的弹性性能，即吸收大量的弹性能而不产生塑性变形； 2）高的疲劳极限：疲劳是弹簧最主要破坏形式之一，疲劳性能除与钢的成分结构有关以外，还主要受钢的冶金质量（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量(如脱碳)的影响； 3）足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂； 4）其它性能：良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。

  40. 汽车板簧 • 成分特点 1）碳含量碳素弹簧钢0.6～0.9%C，合金弹簧钢0.45～0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。 2）合金元素主加元素为Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性。

  41. 热处理特点 “淬火+中温回火”，得到回火屈氏体，渗碳体以细小 颗粒分布在α相的基体上，内应力降低。

  42. 常用弹簧钢 （1）碳素弹簧钢价格低但淬透性差，小截面尺寸非重要弹簧用(65、65Mn)。 （2）合金弹簧钢Si-Mn系弹簧钢和Cr系弹簧钢。前者淬透性较碳钢高，价格适中，故应用最广，主要用于截面尺寸＜25mm的各类弹簧(60Si2Mn)。后者的淬透性较好，综合力学性能高，弹簧表面不易脱碳，但价格相对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)。

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