结构钢机械制造工艺(精品).ppt

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1、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 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

2、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q 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q 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

3、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 钢的顶端淬火试验钢的顶端淬火试验 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

4、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 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

5、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 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）（1 1）淬透性大的工件易淬透，组织和

6、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q 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

7、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 （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

8、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。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

9、处理原理）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。q 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40 40Mn 40CrMn 40CrMnSi 40 40Cr

10、 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 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。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

11、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。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-Ni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

12、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）高温回火脆性举例（二）高温回火脆性举例（二）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

13、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。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。

14、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。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。

15、强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。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，可提高钢的淬透性，保证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，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杂质元素H H、O O、SnSn等元素的含量。等元素的含量。q 低低合金超高强度结构钢合金超高强度结构钢

16、第五节第五节 高合金超高强度结构钢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，在钢的塑性和韧性来提高钢的强度。为此，在Fe-NiFe-Ni合金马合金马氏体基础上发展了无碳马氏体时效钢。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。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。器工业的应

17、用。1)1)添加添加NiNi、CoCo，可扩大可扩大区，控制区，控制MsMs点；点；2 2）添加）添加NiNi、TiTi、AlAl、MoMo、NbNb等，可形成等，可形成NiNi3 3AlAl，NiNi3 3TiTi、NiNi3 3MoMo和和FeFe2 2MoMo等强化相；等强化相；3 3）严格控制杂质元素）严格控制杂质元素C C、N N、S S、P P、SiSi的含量。的含量。q 马氏体时效钢中合金元素的作用马氏体时效钢中合金元素的作用 由于合金元素含量高，由于合金元素含量高，即使冷却较慢奥氏体也能即使冷却较慢奥氏体也能在低温下马氏体。在低温下马氏体。右图：右图：(18Ni(18Ni马氏体

18、时效钢马氏体时效钢)加热温度加热温度800800；MsMs：100100155155；时效温度：时效温度：480480。q 马氏体时效钢的热处理马氏体时效钢的热处理马氏体时效钢的高强度机理马氏体时效钢的高强度机理 三种强化机制共同作用：三种强化机制共同作用：1 1）合金元素的固溶强化；合金元素的固溶强化；2 2）马氏体相变的冷作硬化马氏体相变的冷作硬化;3 3）NiNi3 3AlAl等沉淀析出相的沉淀强化。等沉淀析出相的沉淀强化。马氏体时效钢的高韧性机理马氏体时效钢的高韧性机理 由于组织存在大量可动位错，没有受到由于组织存在大量可动位错，没有受到C C、N N间隙于原间隙于原子钉扎，加之在子钉

19、扎，加之在400400500500时效，相变引起的显微应力被时效，相变引起的显微应力被松弛。松弛。第六节第六节 轴轴 承承 钢钢 1 1）局部接触压应力高，）局部接触压应力高，可达可达300030005000MPa5000MPa；2 2）循环受力次数每分钟循环受力次数每分钟 可高达数万次；可高达数万次；3 3）摩擦磨损严重。）摩擦磨损严重。q 轴承钢的使用特点轴承钢的使用特点 滚滚 珠珠 滚滚 柱柱q 轴承钢的质量要求轴承钢的质量要求轴承钢的主要失效形式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

20、物或粗大碳化物存在时，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。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减少非金属夹杂物的措施 真空脱气，炉外精炼和电渣重熔真空脱气，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。固时的氧化物和硫化物等。碳化物不均匀性的消除碳化物不均匀性的消除 1 1）带状碳化物的消除带状碳化物的消除 高温扩散退火（加热到共晶温度高温扩散退火（加热到共晶温度113010113010以上）以上）2 2）网状碳化物的消除网状碳化物的消除

21、 把轧制的终轧温度控制在把轧制的终轧温度控制在ArmArm和和Ar1Ar1之间，网状碳化物之间，网状碳化物破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。3 3）大颗粒碳化物的消除大颗粒碳化物的消除 延长正火时间，让碳化物完全溶解。延长正火时间，让碳化物完全溶解。q 轴承钢的成分特点轴承钢的成分特点q 轴承钢的热处理轴承钢的热处理预预先先热处热处理理 球化退火，球化退火，以以改善切削加工性并改善切削加工性并为为淬火作淬火作组织组织准准备备；最最终终热处热处理理 淬火低温回火，决定淬火低温回火，决定轴轴承承钢钢的性能，得到高硬度的性能，得到高硬度和高和高耐磨性。耐磨性。冷处理冷处

22、理 为了较彻底消除为了较彻底消除A A残残与内应力、稳定组织、提高轴承的与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度，还可在淬火后进行尺寸精度，还可在淬火后进行冷冷处处理理(-60608080），在），在磨削加工后磨削加工后进进行低温行低温时时效效处处理等。理等。第七节第七节 渗碳钢和氮化钢渗碳钢和氮化钢1 1）渗碳钢：渗碳钢：通过表面渗碳，整体淬火低温回火得到表通过表面渗碳，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。钢种。q 渗碳钢定义及用途渗碳钢定义及用途2 2）用用 途：途：由于渗碳钢表面具有高的弯曲和疲劳强度及

23、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。要求高耐磨，承受高接触应力和冲击载荷的重要部件。q 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化碳元素的影响碳元素的影响 采用低碳（一般采用低碳（一般C C0.250.25），保），保证证心部足心部足够韧够韧性。性。合金元素加入合金元素加入对对淬透性的影响淬透性的影响承受载荷承受载荷大的零件大的零件要求淬要求淬透性大透性大增加元素种增加元素种类和含量类和含量心部为低心部为低碳马氏体碳马氏体承受载荷承受载荷小的零件小的零件要求淬要求

24、淬透性小透性小较小元素种较小元素种类和含量类和含量心部为铁素心部为铁素体和珠光体体和珠光体合金元素对渗碳工艺性能的影响：合金元素对渗碳工艺性能的影响：q 渗碳钢的钢种渗碳钢的钢种低载荷零件低载荷零件活塞销等活塞销等低淬透性（15，20）中低载荷零件中低载荷零件高速中载荷零件高速中载荷零件高载荷零件高载荷零件齿轮、小轴齿轮、小轴齿轮、轴齿轮、轴大型齿轮、轴大型齿轮、轴一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴q 渗碳钢的热处理渗碳钢的热处理 渗碳后渗碳后直接淬火直接淬火+低温回火低温回火。表表层层组组织织为为细细针针状状回回火火

25、高高碳碳马马氏氏体体粒粒状状碳碳化化物物，硬硬度一般为度一般为585864HRC64HRC；心部组织心部组织依据钢的淬透性不同为铁素体珠光体、或依据钢的淬透性不同为铁素体珠光体、或低碳马氏体，硬度低碳马氏体，硬度353545HRC45HRC，60J/cm60J/cm2 2。由于渗碳的温度高、时间长，故渗碳件的变形较大，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。零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。q 渗氮钢渗氮钢 零件氮化的常规温度在零件氮化的常规温度在510510570570，氮化后的零件表氮化后的零件表面形成高硬度的面形成高硬度的/-Fe-Fe4

26、4N N，-Fe-Fe3-23-2N N层，可提高疲劳强度层，可提高疲劳强度和耐磨性。和耐磨性。钢中钢中加入氮加入氮化物形成元化物形成元素，氮化层素，氮化层的组织和性的组织和性能将发生变能将发生变化。化。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。第八节第八节 其他机械制造结构钢其他机械制造结构钢q 弹簧钢弹簧钢性能要求性能要求 1 1）高的弹性极限）高的弹性极限e e和屈强比和屈强比s s/b b：保证优良的弹性性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；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）高的疲劳极限：疲劳是弹簧最

27、主要破坏形式之一，疲劳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（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量(如脱碳如脱碳)的影响；的影响；3）足够的塑性和韧性）足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂；以防止冲击断裂；4）其它性能）其它性能：良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下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。工作的耐热性或耐蚀性要求等。成分特点成分特点 1）碳含量）碳含量 碳素弹簧钢碳素弹簧钢0.60.60.9%C0.9%C，合金弹簧钢合金弹簧钢0.45

28、0.450.70%C0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，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。能较好地保证弹簧的性能要求。2）合金元素）合金元素 主加元素为主加元素为SiSi、MnMn、CrCr等，其主要作用是等，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。提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性。汽车板簧汽车板簧热处理特点热处理特点 “淬火淬火+中温回火中温回火”，得到回火屈氏体，渗碳体以细小，得到回火屈氏体，渗碳体以细小颗粒分布在颗粒分布在相的基体上，内应力降低。相的基体上，内应力降低。常用弹簧钢常用弹簧钢（1 1）碳素弹簧钢）碳素弹簧

29、钢 价格低但淬透性差，小截面尺寸非重要价格低但淬透性差，小截面尺寸非重要弹簧用弹簧用(6565、65Mn)65Mn)。（2）合金弹簧钢合金弹簧钢 Si-MnSi-Mn系弹簧钢和系弹簧钢和CrCr系弹簧钢。前者淬系弹簧钢。前者淬透性较碳钢高，价格适中，故应用最广，主要用于截透性较碳钢高，价格适中，故应用最广，主要用于截面尺寸面尺寸25mm25mm的各类弹簧的各类弹簧(60Si2Mn)(60Si2Mn)。后者的淬透性较后者的淬透性较好，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对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)(50CrVA)。