3 机械制造结构钢

Chapter3机械制造结构钢主要内容3.1调质钢3.2低温回火状态下使用的结构钢3.3高合金超高强度结构钢3.4轴承钢3.5渗碳钢和氮化钢3.6其他机械制造结构钢•非调质结构钢•弹簧钢•易削钢•高锰钢基本要求：了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要求。掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。重点：各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、强韧化机制及热处理特点。教学要求Chapter3机械制造结构钢一、应用背景机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。各种齿轮、轴（杆）类、弹簧、轴承及高强度结构件等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。引言Chapter3机械制造结构钢拨叉变速齿轮变速箱3.0引言Chapter3机械制造结构钢连杆3.1调质钢轴Chapter3机械制造结构钢电气机车大轴磨床主轴3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢汽轮机转子汽轮机转子（AETC公司）3.1调质钢叶轮、转子3.1调质钢某军舰汽轮机主轴3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢齿轮曲轴汽车万向节连杆3.0引言Chapter3机械制造结构钢弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧3.0引言板弹簧Chapter3机械制造结构钢滚珠滚珠轴承3.0引言Chapter3机械制造结构钢履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿3.0引言Chapter3机械制造结构钢3.0引言Chapter3机器零件用合金结构钢二、服役条件主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50℃~+100℃范围之间。机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。3.0引言Chapter3机械制造结构钢三、对钢的性能要求足够的强度、塑性和韧性：保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；良好的疲劳性能与耐磨性等。使用状态通常为淬火+回火态，即强化态。通过热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力。对其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.0引言Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢•结构钢在淬火+高温回火后具有良好的综合机械性能，即有较高的强度，良好的塑性和韧性，这类钢称为调质钢，主要用于制造轴、齿轮类零件。Chapter3机械制造结构钢一、化学成分特点1.碳中碳，碳含量一般在0.3%~0.5%；钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢2.合金元素主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni；辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、B等。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。合金元素SiMnCrNi含量范围(wt%)0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlB含量范围(wt%).0.1-0.50.05-0.20.6-1.20.05-0.10.5-1.20.004Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢合金元素的作用：提高淬透性；Cr、Mn、Si、Ni溶于α相，起固溶强化作用。Cr、Mo、W、V等阻碍α相的再结晶，也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使钢保持高硬度。加入Mo、W来防止回火脆性。V、Ti、Al起细化晶粒的作用。Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢二、对淬透性的要求调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。•例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到最大的张应力，随着离表面的距离增大，应力逐渐减低，所以只要求在淬火轴的1/2半径处达到80％马氏体即可。•例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。需要根据淬透性曲线来选择钢种。Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢三、热处理特点1预备热处理为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进•合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢•合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由HB380～550降至HB207～240，可以顺利地进行切削加工。2最终热处理（1）淬火•将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢（2）回火根据所要求的性能来决定回火温度，高温回火时（3）表面处理某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢四、机械性能1硬度回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用，并可用下式表示：H=HF+αS式中：H为钢高温回火后的硬度；HF为铁素体的硬度；α为碳化物的强化系数；S为碳化物颗粒的总表面积。上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和弥散程度与硬度有着密切的关系。Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢2回火温度与综合机械性能的关系当调质钢淬火成马氏体，在450～650℃温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢3韧性(1)合金元素对韧性的影响碳：降低冲击韧性在保证钢的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在较低范围内。锰：加入量2%，钢的冲击韧性有所改善，能稍降低韧脆转化温度；但含量＞2％后，冲击韧性恶化，韧脆性转化温度升高。镍：改善钢的冲击韧性，使韧脆转化温度下降。硅：降低韧性，韧脆性转化温度升高。磷：对冲击韧性危害甚大。提高韧脆转化温度，降低冲击值。高级优质钢中的含磷量限制在≤0.035%，为了进一步改善钢的韧性，甚至把含磷量降低到0.02%以下。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢(2)高温回火脆性①回火脆性与冷却速度关系冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧脆转化温度愈高。处理条件冷却方式室温冲击值（J/cm2）40CrNi钢820℃淬火650℃回火炉冷9.640CrNi钢820℃淬火650℃回火空冷2440CrNi钢820℃淬火650℃回火油冷6140CrNi钢820℃淬火650℃回火水冷763.1调质钢Chapter3机械制造结构钢表3-1②回火脆性与回火保温时间的关系在350～600℃等温回火保温时间愈长，室温冲击韧性愈恶化，韧脆转化温度愈高，如教材图4-8。③回火脆性与化学成分的关系•碳素钢对高温回火脆性是不敏感的；•铬、锰、镍、硅强烈促进回火脆性倾向；•钼、钨降低高温回火脆性；•稀土元素降低高温回火脆性。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢④避免或减轻回火脆性的措施•尽可能缩短回火保温时间；•回火后采用快冷；•采用含钼、钨钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；•对已感受回火脆性的钢，用重新加热到650℃3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢4机械性能•碳素调质钢与合金调质钢相比，经淬火、回火到相同抗拉强度和硬度时，屈服强度和延伸率相近，但断面收缩率稍低，图4-7。•不同成分的合金调质钢经淬火、回火到相同抗拉强度时，屈服强度、延伸率和断面收缩率相近。只要淬透性相当，可以互换。五、常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途表3-2钢号主要化学成分（%）用途CMnSiCrNiMo450.42-0.500.50-0.800.17-0.37主轴、齿轮40Cr0.37-0.450.50-0.800.20-0.400.80-1.10重要轴类、重要齿轮30CrMnSi0.27-0.340.80-1.100.90-1.200.80-1.10高速轮轴40CrNiMo0.37-0.440.50-0.800.20-0.400.80-0.901.25-1.750.15-0.25航空发动机机轴Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢表3-3常用调质钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火/℃回火/℃毛坯尺寸/mmRm/MPaRp0.2/MPaA/%Ψ/%Αk/J45850水600空≤10≥650≥350≥17≥38≥4540Cr850油500油≤25≥1000≥800≥9≥45≥6030CrMnSi880油520油≤25≥1100≥900≥10≥45≥5040CrNiMo850油600油≤30≥1100≥900≥12≥55≥100Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢典型调质钢及其应用：低淬透性碳素调质钢：45钢、45B钢，用于截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件。低淬透性合金调质钢：40Cr、45Mn2、40MnB、35SiMn等，油淬临界直径最大为30mm~40mm。通常用于制造一般尺寸的重要零件。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢中淬透性合金调质钢：35CrMo、40CrMn、40CrNi、42CrMo、40CrMnMo等。油淬临界直径最大为40mm~60mm。主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆、汽轮机转子、叶轮等。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢高淬透性合金调质钢：34CrNi3MoV、37CrNi3、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等，油淬临界直径最大为60mm~100mm。主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.2低温回火状态下使用的结构钢一、低温回火钢的显微组织及力学性能1显微组织及强度•回火马氏体。•碳在α相过饱和—固溶强化；ε-Fe2.4C与基体共格—沉淀强化；马氏体相变强化。•含碳量在0.2-0.5%时，抗拉强度与碳含量呈线性增加关系:Rm=2880C%+800MPa.2回火脆性•淬火钢在250-350℃范围内有低温回火脆性，含杂质元素极低的超纯钢不产生低温回火脆性，图4-9。•锰、铬加剧低温回火脆性，Mn＞2％，淬火态也可得到沿晶淬断，低温回火脆化倾向进一步加剧。•钼改善低温回火脆性，但不能消除。•硅、铝将低温回火脆化范围推向350℃以上。二、低碳马氏体结构钢1显微组织和性能•C0.3%时，淬火马氏体为位错型的板条马氏体，具有高强度和良好韧性。•低温回火后综合力学性能优于中碳调质钢，并且冷脆倾向小，有低缺口敏感度。2与中碳调质钢相比的优点•冷变形性能好。•例如：做高强度螺栓，可冷镦变形，比热锻的螺栓精度高，表面质量好，生产率高，减少切削量，节约钢材。三、低合金超高强度结构钢•以调质钢为基础发展起来的，用做飞机起落架、飞机机身大梁，火箭发动机外壳，火箭壳体、高压容器等。•碳：0.27-0.45%，加入铬、锰、硅、镍、钼、钒等，保证足够高的淬透性。•高强度（抗拉强度1500-2300MPa），随强度提高，缺口敏感性增大，如图4-10。•脱碳倾向较大；热处理变形较大，不易矫直；焊接性能不好。3.3高合金超高强度结构钢一、马氏体时效钢中合金元素作用1镍•主加元素，保证马氏体的形成，从而增加基体的强度；•有利于马氏体中析出沉淀相。2钴•降低残余奥氏体含量：随着镍含量的增加，MS点会下降，因此要控制镍的加入量；加入钴能升高MS点；•钴和钼复合加入，使沉淀强化效应进一步加强—协同效应，如图4-11。3合金元素钛、铝、钼、铌•加入合金元素钛、铝、钼、铌等，以形成金属间化合物Ni3Al、