【精品课件】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。第一节结构钢的强度和脆性强度设计弹性设计对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或Σ0.2计算，并同时引入安全系数。塑性设计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。合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴基本概念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。钢的淬透性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，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钢的顶端淬火试验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。临界淬火直径高强螺栓柴油机连杆齿轮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（℃）。淬透后的钢性能优越研究钢的淬透性的重要意义淬透层深度视零件的工作条件而定零件类型工作条件淬透程度的差异螺栓、销钉等全截面受力淬透轴类零件等表面应力大，中心应力小。不淬透网带式淬火炉淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）（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。淬透性的应用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：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。合金元素增加淬透性的能力（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。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。第三节调质钢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）钢种分类(根据热处理原理）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。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。合金元素对调质钢的影响发展历程举例40→40Mn→40CrMn→40CrMnSi40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo低淬透性中淬透性高淬透性前提调质钢的强度取决于α相的强度碳化物的弥散强化作用Si、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。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。合金调质钢的高温回火脆性Cr-Ni调质钢经650℃回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性冷却方式炉冷空冷油冷水冷室温冲击值/J9.423.559.874.6高温回火脆性举例（一）高温回火脆性举例（二）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。第四节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。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。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。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。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。低合金超高强度结构钢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。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。马氏体时效钢中合金元素的作用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℃。马氏体时效钢的热处理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。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。第六节轴承钢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。轴承钢的使用特点滚珠滚柱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。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。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。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。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；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。第七节渗碳钢和氮化钢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。渗碳钢定义及用途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。渗碳钢的合金化碳元素的影响采用低碳（一般C％≤0.25％），保证心部足够韧性。合金元素加入对淬透性的影响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合金元素对渗碳工艺性能的影响：渗碳钢的钢种低载荷零件活塞销等低淬透性（15，20）中低载荷零件高速中载荷零件高载荷零件齿轮、小轴齿轮、轴大型齿轮、轴一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油机凸轮轴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。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。合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。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。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。汽车板簧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。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)。