机械结构钢.ppt

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1、思考题：思考题：1、工程结构钢的合金化思想是什么？2、评价工程结构钢热影响区硬化倾向的碳当量的概念是什么？3、应变时效现象？机理是什么？2021/9/231第二节第二节 机械制造结构钢机械制造结构钢l定义定义:机械制造结构钢是用来制造各种机械零件的钢种;l常见的机械零件是汽车、拖拉机、机床、电站设备、矿山机械、轧机等机器上的轴类、齿轮、连杆、弹簧、齿轮轴、紧固件等。2021/9/232汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢2021/9/233电站用特殊合金钢电站用特殊合金钢新型超级奥氏体和马新型超级奥氏体和马氏体型耐热钢氏体型耐热钢 2021/9/2341、服

2、役条件、服役条件1）受力分析l形式：机械零件在工作时将承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种力的同时作用；l性质：在机械零件的截面上产生张、压、切等应力。l方式：这些应力可以是恒定的或变化的；在方向上可以是单向的反复的；在加载上可以是逐渐的或是骤然的。2）工作环境）工作环境：温度一般是-50-100之间；介质是：大气、自然水、润滑油及其它介质的腐蚀作用。2021/9/2352、失效形式、失效形式 规定用来制造某种零件的钢材的性能要求时，必须从零件在工作条件下损坏的情况出发。因此，必须了解零件的失效形式。（1）过载变形和断裂）过载变形和断裂l特别是承受动载荷的情况下

3、，由于不正常的超负荷，当应力超过构件的屈服强度时，构件就要发生变形；l当应力超过该材料的断裂强度时，构件就要发生断裂。（2）疲劳破坏）疲劳破坏 承受交变载荷的构件，若在高于一定的应力水平下长期工作，就容易发生疲劳断裂。2021/9/236疲劳断口疲劳断口裂纹源裂纹源在一个氧化铝夹杂物处，以夹杂物为疲劳源，周围是光滑细微的疲劳源区，由此，向四周呈放射状四周呈放射状快速扩展断裂疲劳裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹2021/9/237由由Al2O3产生的表面裂纹劈开产生的表面裂纹劈开金属表面向下扩展金属表面向下扩展浅表面裂纹与表面裂纹已经浅表面裂纹与表面裂纹已经连接，即将产生剥落连接，即将产生剥落疲劳剥

4、落的产生过程疲劳剥落的产生过程Al2O32021/9/238疲劳剥落的产生过程疲劳剥落的产生过程浅表面裂纹与表面裂纹已经浅表面裂纹与表面裂纹已经连接，即将产生剥落连接，即将产生剥落剥落坑的俯视图，在坑中或剥落坑的俯视图，在坑中或边有边有Al2O3铝酸钙等夹杂物铝酸钙等夹杂物剥落坑剥落坑2021/9/239（3）脆性断裂）脆性断裂 如果钢材的塑性和韧性不足，在承受突然冲击或过载的情况下，由于钢件不能发生相应的塑性变形，以吸收部分冲击能量而松弛钢件所受的应力，钢件就会在只发生小量形变或甚至不发生形变的情况下突然脆断。（4）腐蚀破坏）腐蚀破坏 钢件与腐蚀介质长期接触，特别是有应力作用的情况下，逐渐被

5、腐蚀而损坏。l 零件的损坏情况可以归纳为：变形和断裂。变形和断裂。2021/9/23103、性能要求、性能要求 针对以上分析的主要失效形式，对机械制造用钢的最基本要求：l 在零件整个截面上具有足够高的屈服强度和抗拉强度，以防止过载变形和断裂；l 具有高的疲劳强度以防止交变负荷下的疲劳断裂；l 在零件整个截面上具有足够的塑性和韧性，以防止冲击或过载下的突然断裂；l 具有一定的耐蚀性。2021/9/23114、结构钢的强度与脆性、结构钢的强度与脆性l 上面所述，机械零件的主要失效形式是变形和断裂。l 为保证机械零件正常运转，传统设计只考虑钢的弹弹性和塑性；性和塑性；l 弹性设计：有的根据弹性来设计

6、，在弹性范围内工作，根据比例极限p来计算；l 有些零件只允许少量塑性变形，可根据屈服强度s或0.2来塑性设计（实际中在许用应力与以上应力之间加上一个安全系数）,实际也是从强度出发。l 上述两种情况都是只考虑了强度的强度设计。l 对于结构件，只考虑强度是很危险的。2021/9/2312强度指标：强度指标：e 弹性极限b 抗拉强度f 断裂强度0.01规定弹性极限，塑性变形量 为0.010.2 规定屈服强度，塑性变形量为0.2范性指标：范性指标：伸长率 =(Lf-L0)/L0100%面缩率 =(A0-Af)/A0100%2021/9/2313强度与塑性的配合强度与塑性的配合l 对于塑性指标、及综合反

7、映了强度和塑性的韧性指标（如冲击韧性），在设计时并不用于工程计算，只是根据经验提出要求；l 塑性、韧性指标是考虑到零件的安全性，避免发生突然事故、过载断裂而提出的。l 为什么对于机械结构钢要强调强度与塑性的配合？a.多年来，人们为了减轻零件重量，在追求提高钢的强度方面取得了很大的进展，使钢的强度达到很高的水平：2021/9/2314举例：举例：中碳回火索氏体钢、低碳马氏体钢：b:12001400MPa;中碳低合金马氏体钢：b:14002000MPa;b.这样高的强度取得是综合运用了加工强化、细晶强化、固溶强化、沉淀强化和马氏体相变强化等方法的结果（通过化学成分设计、冶炼工艺和热处理等）；c.但

8、是钢的屈服强度增高后，其塑性变形的能力就下降(晶粒细化除外)，因而增大了发生脆性断裂的倾向。d.在生产、加工过程中可以给钢材带来这样或那样的缺陷，有不少情况这种缺陷并不影响钢的屈服强度，却降低钢的断裂强度。2021/9/2315金属材料的屈服强度金属材料的屈服强度s与断裂强度与断裂强度f a.这两个性能指标是金属材料的基本性能特征；b.当金属材料的屈服强度低于断裂强度时，垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到屈服强度，就会发生塑性变形;c.如果金属材料的屈服强度等于或高于断裂强度，垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到断裂应力，就会发生脆性断裂;d.脆性断裂脆性断裂：材料没有发生宏观塑性变

9、形或仅仅发生少量塑性变形的断裂；2021/9/2316e.塑性断裂：经过较大量的塑性变形后的断裂。塑性断口塑性断口2021/9/2317沿晶脆性断口沿晶脆性断口 解理解理 脆性断口脆性断口2021/9/2318f.温度对金属材料s和f的影响l降低温度，s迅速增高，而f略有降低，发生脆断；l较高温度，fs，塑性断裂（位错易动）。机械结构钢：强度和塑性的配合机械结构钢：强度和塑性的配合在强度设计的同时，要进行塑性的设计！在强度设计的同时，要进行塑性的设计！2021/9/2319韧性设计：a.冲击韧性冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势，不能用于直接设计计算，根据经验总结，提出了在低温下冲击韧性值的临界值

10、；b.韧韧-脆转化温度脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实际零件的工作温度低若干度。c.断裂韧性断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序中造成的钢材缺陷和裂纹出发，研究这些裂纹在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。l断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力;l钢材的断裂强度f与平面应变断裂韧性K1C之间的关系可用下式表示：2021/9/2320(夏氏冲击试样夏氏冲击试样)冲击功与试验温度的关系冲击功与试验温度的关系2021/9/2321式中a为材料裂纹突然扩展时裂纹尺寸之半；对于一定显微组织的钢材，KIC是一定值。l a采用超声波(或其它方法)测定,KIC通过专门的实验测定（对于一定

11、的组织，它是一定的），那么就可以计算f的值，就可以进行工程设计了。l 对于高强钢（高强材料），必须进行这种断裂韧性的计算与设计，否则非常危险（否则非常危险（very Dangerous)very Dangerous)！2021/9/2322复习题复习题1、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同？2、疲劳破坏？、疲劳破坏？3、韧、韧-脆转化温度？脆转化温度？2021/9/23235、机械制造用结构钢的淬透性、机械制造用结构钢的淬透性(1)为什么要考虑钢的淬透性？1)抗拉强度低抗拉强度低 机械制造用结构钢是亚共析碳素或低合金钢。退火后的硬度一般不超过

12、HB240。不论钢经历了何种热处理，当钢的布氏硬度小于HB500时，其抗拉强度b与布氏硬度的关系如下：b=10/3HB，MPa因此，退火钢的b为700MPa,但淬火后钢的b为1600MPa。2)屈强比低：屈强比低：退火钢材的屈服强度与抗拉强度之比s/b约为0.50.6，而淬火成马氏体并回火后的钢的s/b约为0.80.9。强度没有充分被利用！强度没有充分被利用！2021/9/23243）钢的疲劳强度低钢的疲劳强度低，光滑表面试样的旋转弯曲疲劳极限值约为抗拉强度b 的1/2；4）冲击韧性低：冲击韧性低：在相近的硬度下比较，淬成全部马氏体后回火的钢的冲击韧性优于未淬成全部马氏体的钢，表现在较高的冲击

13、韧性值与较低的脆性转化温度。(2)淬火后组织中马氏体量测定的方法淬火后组织中马氏体量测定的方法1）金相法；2）用硬度法得知，因为马氏体的硬度主要决定于马氏体中的含碳量，钢淬火后的硬度又与组织中的马氏体量有关。2021/9/2325钢的组织对淬火回火后钢的钢的组织对淬火回火后钢的疲劳强度的影响疲劳强度的影响(全部试样都热处理到全部试样都热处理到HRC36)钢的组织对冲击韧性的影响钢的组织对冲击韧性的影响(35CrNiMo钢淬火回火到钢淬火回火到b b=880MPa)2021/9/2326（3）与合金钢比较，碳素结构钢的主要弱点：）与合金钢比较，碳素结构钢的主要弱点：l接受淬火成马氏体的能力大大低

14、于合金结构钢；l在尺寸较大的零件上，在淬火时得不到人们所需要厚度的马氏体层；l因此，在机械制造中的很多场合采用了合金结构钢。（4）如何确定需要多厚的马氏体层？）如何确定需要多厚的马氏体层？l要看零件受力的情况，并非所有情况下零件截面上都要求全部淬成马氏体；l对零件全截面受力的高强度螺栓、销钉、飞机起落架2021/9/2327等，要求完全淬透。l 对受扭转应力的轴类，表面应力大，心部应力小，只要求一定深度淬透成马氏体，心部为50%马氏体即可。如何选择钢种？（5）钢的顶（末）端淬火曲线钢的顶（末）端淬火曲线1）在机械零件设计中选择合金结构钢时，广泛应用钢的顶端淬火曲线。合金钢厂在供应合金结构钢时，

15、也应提供有关的淬透性资料，通常是顶端淬火曲线。2）成分控制的重要性：）成分控制的重要性：l 合金结构钢的化学成分在炼钢时引起的波动，造成成品钢的顶端淬火曲线上有较宽的淬透性带，这给机械制造工艺上带来困难；2021/9/2328l 如热处理后的尺寸非均一性、变形的不一致性，会影响装配性能、工作平稳性以及零件的使用寿命等。l 因此，在冶金生产厂，要根据对狭窄淬透性带的要求，来保证成分的一致性（微调）。（6）CCT曲线分析合金元素对钢淬透性的影响曲线分析合金元素对钢淬透性的影响 钢中常用的合金元素对增大淬透性的能力按下列顺序依次增大：镍、硅、铬、钼、锰、硼。2021/9/23296、调质钢、调质钢（

16、1）调质钢定义调质钢定义：l 结构钢在淬火成马氏体并在500-650之间温度回火，这种热处理称调质处理；l 经过这种热处理的结构钢具有强度、塑性及韧性的良好配合，很大一部分机械零件是经过淬火及高温回火后使用的；l 适合于这种热处理的钢种称为调质钢。（2）调质钢的合金化及热处理的主要原则调质钢的合金化及热处理的主要原则l 保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层；l 在高温回火后零件获得所预期的综合性能。2021/9/2330（3）组织）组织l 马氏体经过高温回火后的金相组织是回火索氏体或回火索氏体或屈氏体屈氏体，这种组织是在经过再结晶的细晶粒的铁素体上分布着弥散的粒状碳化物。

17、l 它的显微组织根据含有不同合金元素而引起的回火稳定性的差别和回火温度，从而导致基体相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大的程度。（4）合金调质钢的一个特殊问题：高温回火脆性）合金调质钢的一个特殊问题：高温回火脆性l它表现在高温回火后的冷却速度严重地影响到钢的韧脆转化温度：冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温度愈高。2021/9/233186CrMnV7冷冷轧辊钢，调质轧辊钢，调质处理处理回火析出碳回火析出碳化物化物淬火加热前淬火加热前未溶碳化物未溶碳化物2021/9/2332l 例证例证 一种Cr-Ni调质钢经淬火650回火后以不同速度冷却，其室温冲击值如下：650回火后冷却方式回火后

18、冷却方式 室温冲击值室温冲击值/J 炉冷 9.4 空冷 23.5 油冷 59.8 水冷 74.6 l可逆回火脆性：可逆回火脆性：若将已经回火脆化的钢再在650保温后快冷，则钢的脆化倾向就可消除；l沿晶断口：沿晶断口：已经产生高温回火脆性的钢的冲击断口是沿晶断口。2021/9/2333典型的沿晶断口典型的沿晶断口l 回火脆性的机理：钢中的杂质元素磷、锡、锑、砷等，在原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆化，是产生高温回火脆性的直接原因；l 它们的含量超过十万分之几，就可能使钢产生高温回火脆化倾向。特别是在450-550范围工作的钢，对此尤为敏感；2021/9/2334l 合金元素铬、锰、镍、硅等是强烈

19、促进钢的高温回火脆性倾向的，碳素结构钢对高温回火脆性是不敏感的；l 合金元素钼、钨、钛可减轻合金调质钢感受高温回火脆性。l 在冶金上怎样来冶炼纯净钢是一个重要的方向，包括有色低熔点元素的去除。（5）调质钢的分类）调质钢的分类 在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的，也就是根据合金元素含量多少来分级。l最普通的调质钢是碳素调质钢；l要求淬透性较高的钢有：40Cr、45Mn2、40MnB、35SiMn。2021/9/233540Cr钢回火脆性沿晶断口钢回火脆性沿晶断口PCrNi3Mo回火沿晶断口，回火沿晶断口，界面光滑，无塑性变形界面光滑，无塑性变形2021/9/2336复习题复习题1 1

20、、现代机械用结构钢的设计与传统设计有、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同？什么不同？2 2、疲劳破坏？、疲劳破坏？3 3、何谓调质处理？有何优点？、何谓调质处理？有何优点？2021/9/2337l 对于大截面零件，要求高淬透性的调质钢为：40CrNiMo、34CrNi3MoV等。7、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（1）为什么发展这种工艺？l 回火索氏体组织不能充分发挥碳在提高钢的强度方面的潜力；l 利用透射电子显微镜对马氏体精细结构的研究表明：低碳马氏体（板条马氏体）可能由于没有内部孪晶马氏体从而具有较高的塑性，这为推广使用低碳马氏体提供了依据。2021/9/2

21、338低碳板条马氏体低碳板条马氏体 位错结构位错结构2021/9/2339（2）淬火）淬火+低温回火工艺的优点低温回火工艺的优点l充分利用各种强化机制：充分利用各种强化机制：淬火低温回火得到的中、低碳回火马氏体发挥了碳在过饱和相中的固溶强化、-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强化及马氏体相变的冷作硬化。其中回火马氏体的强度主要来自固溶在马氏体相中碳；l综合性能优越综合性能优越：低温回火后的综合力学性能指标与通常的调质钢40Cr、45钢相比，显得更加优越。l有较大的经济价值有较大的经济价值：与中碳钢的调质处理工艺比较，低碳钢易切削、避开低温回火脆性较容易，不象调质钢那样对高温回火脆性敏感性强、避

22、免零件表面氧化并节约能源。2021/9/2340(3)低温回火脆性低温回火脆性1）淬火钢在 250-350范围有低温回火脆性，在冲击功与回火温度关系曲线上出现脆性的凹谷；2）原因有二）原因有二l 在这个温度范围内发生回火第三转变：-Fe2.4C溶解，Fe3C在马氏体板条边界和原奥氏体晶界析出，呈连续薄片状，在冲击下沿马氏体板条容易裂开。350以上Fe3C开始球化，韧性恢复；l 杂质元素磷、锡、锑等在淬火加热时发生在奥氏体晶界的偏聚，经淬火后杂质元素被冻结在原奥氏体晶界。2021/9/23413）合金元素对低温回火脆性的影响l 锰和铬加剧低温回火脆性的影响（对磷的影响）；l 钼能改善低温回火脆性，但不能消除；l 硅、铝推迟-Fe2.4C向Fe3C的转变，将低温回火脆性温度范围推向350以上。4）改进措施l 避免在250-350范围低温回火；l 生产高纯钢，降低杂质元素；l用硅推迟脆化温度范围。2021/9/2342Ni、Cr、Mn对低温回火钢（对低温回火钢（0.35%C)的冲击韧性的影响的冲击韧性的影响Ni、Cr、Mn对低温回火钢对低温回火钢（0.25%C)脆性转折温度的影响脆性转折温度的影响2021/9/2343