第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼對于在彈性范圍內(nèi)工作的零件，根據(jù)比例極限σp計(jì)算，并同時(shí)引入安全系數(shù)。第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和脆性彈性設(shè)計(jì)對于允許少量塑性變形的零件，根據(jù)屈服強(qiáng)度σs或Σ0.2計(jì)算，并同時(shí)引入安全系數(shù)。塑性設(shè)計(jì)第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼韌性設(shè)計(jì)（避免脆斷）韌性設(shè)計(jì)主要考慮三大指標(biāo)：(1）低溫沖擊韌性；（2）韌-脆轉(zhuǎn)化溫度；（3）斷裂韌性。合金結(jié)構(gòu)鋼曲軸單缸汽車曲軸第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

基本概念

鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。

鋼的淬透性

鋼的淬硬性

鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的淬透性第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼鋼的頂端淬火試驗(yàn)第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時(shí)所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。

臨界淬火直徑高強(qiáng)螺栓柴油機(jī)連桿齒輪第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼淬透的鋼回火后可獲得高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，高的斷裂韌性KIC值，沖擊韌性值以及低的FATT50（℃）。

淬透后的鋼性能優(yōu)越

研究鋼的淬透性的重要意義第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

淬透層深度視零件的工作條件而定零件類型工作條件淬透程度的差異螺栓、銷釘?shù)热孛媸芰Υ阃篙S類零件等表面應(yīng)力大，中心應(yīng)力小。不淬透網(wǎng)帶式淬火爐第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

淬透性相當(dāng)?shù)恼{(diào)質(zhì)鋼，可相互代用（教材P43）第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時(shí)，可選用冷卻能力較小的淬火介質(zhì)以減小淬火應(yīng)力。（3）對受力大而復(fù)雜的工件，為確保組織性能均勻一致，可選用淬透性大的鋼。（4）當(dāng)要求工件表面硬度高，而心部韌性好時(shí)，可選用低淬透性鋼。

淬透性的應(yīng)用第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

合金元素對淬透性的影響鋼中常見的合金元素對增大淬透性的能力為：B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，其中C元素也能增加淬透性，而且它決定了鋼的淬硬性。增大淬透性，以合金元素完全溶于奧氏體中為前提，若以碳化物形式存在，則情況相反。

合金元素增加淬透性的能力第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼（1）強(qiáng)、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如Cr－Ni－Mo－V等。（2）對淬透性要求不高的合金，可采用單一合金元素加入，如40Cr。

合金元素增加淬透性的多元少量原則顯然，合金鋼的淬透性一般大于碳鋼。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼1）調(diào)質(zhì)鋼（淬火高溫回火）2）彈簧鋼（淬火中溫回火）3）軸承鋼（淬火低溫回火）4）超高強(qiáng)度鋼（淬火低溫回火）5）滲碳（氮）鋼（化學(xué)熱處理）6）易削鋼（一般供應(yīng)或正火狀態(tài)）

鋼種分類(根據(jù)熱處理原理）第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼淬火得到的馬氏體組織經(jīng)高溫回火后，得到在α相基體上分布有極細(xì)小的顆粒狀碳化物，即回火屈氏體或回火索氏體組織。

調(diào)質(zhì)鋼的組織根據(jù)不同合金元素和回火工藝的差異，組織上區(qū)別主要是基體α相是否完全再結(jié)晶和碳化物顆粒聚集長大的程度。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

合金元素對調(diào)質(zhì)鋼的影響

發(fā)展歷程舉例40→40Mn→40CrMn→40CrMnSi

40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo

低淬透性中淬透性高淬透性

前提調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度取決于α相的強(qiáng)度碳化物的彌散強(qiáng)化作用第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼Si、Mn、Ni：溶于α相起固溶強(qiáng)化作用；其中Mn、Ni可降低韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，而Si則升高韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。C元素（0.3～0.5％）：保證有足量碳化物存在，以獲得比較高的強(qiáng)度。Cr、Mo、W、V：阻礙碳化物在高溫回火時(shí)聚集長大和α相再結(jié)晶。P元素：類似Si，升高韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，降低沖擊韌性。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼在高溫回火后的冷卻速度嚴(yán)重影響鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。冷卻速度越慢，室溫沖擊韌性越低，韌-脆轉(zhuǎn)化溫度越高，這成為高溫回火脆性。

合金調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性Cr-Ni調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)650℃回火后不同冷卻速度下的室溫沖擊韌性冷卻方式爐冷空冷油冷水冷室溫沖擊值/J9.423.559.874.6

高溫回火脆性舉例（一）第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

高溫回火脆性舉例（二）第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

高溫回火脆性的原因及解決辦法主要原因：鋼中的雜質(zhì)元素P、Sn等，在原奧氏體晶界的平衡偏聚引起晶界脆化。措施：

（1）在回火最高溫度保溫后快冷，可消除脆化傾向。（2）通過添加Re、Mo、W、Ti等可降低高溫回火脆性，這對長期在450～550℃范圍工作的部件尤為重要。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第四節(jié)低溫回火狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)鋼淬火低溫回火得到的中碳、低碳馬氏體發(fā)揮了過飽和α相中的固溶強(qiáng)化，ε-F沉淀強(qiáng)化及馬氏體相變的冷作強(qiáng)化。

低溫回火鋼的顯微組織及力學(xué)性能其中回火馬氏體的強(qiáng)度依賴于固溶在馬氏體α相中的碳。碳含量越高，馬氏體強(qiáng)度越高，但韌性下降。合金元素的主要作用是提高鋼的淬透性，保證得到馬氏體組織。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼W(C)<0.3%,淬火后馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)型的板狀馬氏體，具有高的強(qiáng)度和良好的韌性。

低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼由于低碳鋼的淬透性較小，一般采用低碳低合金鋼。加入Ni等元素，可改善室溫和低溫韌性和斷裂韌性，具有高強(qiáng)度、低缺口敏感性和高的疲勞強(qiáng)度。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼這類鋼屬于中碳鋼，W(C)＝0.27～45%,在此范圍內(nèi)，C含量越高，合金強(qiáng)度越高。加入一定量的合金元素，可提高鋼的淬透性，保證高強(qiáng)度的獲得。隨著合金強(qiáng)度的提高，鋼出現(xiàn)脆性的傾向，可通過提高鋼的純凈性，降低鋼中的夾雜物、氣體及有害雜質(zhì)元素H、O、Sn等元素的含量。

低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第五節(jié)高合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于低合金超高強(qiáng)度鋼主要用碳進(jìn)行強(qiáng)化，以犧牲鋼的塑性和韌性來提高鋼的強(qiáng)度。為此，在Fe-Ni合金馬氏體基礎(chǔ)上發(fā)展了無碳馬氏體時(shí)效鋼。這種無碳馬氏體時(shí)效鋼利用時(shí)效時(shí)析出金屬間化合物的沉淀強(qiáng)化效果，獲得了高強(qiáng)度和高韌性。馬氏體時(shí)效鋼成本高，工藝嚴(yán)格，僅航空航天及兵器工業(yè)的應(yīng)用。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼1)添加Ni、Co，可擴(kuò)大γ區(qū)，控制Ms點(diǎn)；2）添加Ni、Ti、Al、Mo、Nb等，可形成Ni3Al，Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等強(qiáng)化相；3）嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素C、N、S、P、Si的含量。

馬氏體時(shí)效鋼中合金元素的作用第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素含量高，即使冷卻較慢奧氏體也能在低溫下馬氏體。右圖：(18Ni馬氏體時(shí)效鋼)加熱溫度＞800℃；Ms：100～155℃；時(shí)效溫度：480℃。

馬氏體時(shí)效鋼的熱處理第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼馬氏體時(shí)效鋼的高強(qiáng)度機(jī)理三種強(qiáng)化機(jī)制共同作用：1）合金元素的固溶強(qiáng)化；2）馬氏體相變的冷作硬化;3）Ni3Al等沉淀析出相的沉淀強(qiáng)化。馬氏體時(shí)效鋼的高韌性機(jī)理由于組織存在大量可動(dòng)位錯(cuò)，沒有受到C、N間隙于原子釘扎，加之在400～500℃時(shí)效，相變引起的顯微應(yīng)力被松弛。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第六節(jié)軸承鋼1）局部接觸壓應(yīng)力高，可達(dá)3000～5000MPa；2）循環(huán)受力次數(shù)每分鐘可高達(dá)數(shù)萬次；3）摩擦磨損嚴(yán)重。

軸承鋼的使用特點(diǎn)滾珠滾柱第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

軸承鋼的質(zhì)量要求軸承鋼的主要失效形式軸承鋼在高應(yīng)力長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，局部發(fā)生劇烈的塑性變形，當(dāng)這些區(qū)域有非金屬夾雜物或粗大碳化物存在時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋的起源。減少非金屬夾雜物的措施

真空脫氣，爐外精煉和電渣重熔其中鋼渣包括煉鋼時(shí)的脫氧產(chǎn)物與鋼渣，以及鋼凝固時(shí)的氧化物和硫化物等。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼碳化物不均勻性的消除

1）帶狀碳化物的消除高溫?cái)U(kuò)散退火（加熱到共晶溫度1130±10℃以上）

2）網(wǎng)狀碳化物的消除把軋制的終軋溫度控制在Arm和Ar1之間，網(wǎng)狀碳化物破碎，得到未再結(jié)晶的奧氏體晶粒。

3）大顆粒碳化物的消除延長正火時(shí)間，讓碳化物完全溶解。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

軸承鋼的成分特點(diǎn)高碳：~1.15%C，保證軸承鋼高硬度和高耐磨性；低鉻：~1.65%Cr，增加鋼的淬透性，并形成合金滲碳體(Fe、Cr)3C提高接觸疲勞極限和耐磨性。大型軸承：加入Si、Mn、Mo等元素以進(jìn)一步提高淬透性和強(qiáng)度；對無鉻軸承鋼還應(yīng)加入V元素，形成VC以保證耐磨性并細(xì)化鋼基體晶粒。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

軸承鋼的熱處理預(yù)先熱處理球化退火，以改善切削加工性并為淬火作組織準(zhǔn)備；最終熱處理淬火低溫回火，決定軸承鋼的性能，得到高硬度和高耐磨性。冷處理為了較徹底消除A殘與內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、提高軸承的尺寸精度，還可在淬火后進(jìn)行冷處理(-60℃~﹣80℃），在磨削加工后進(jìn)行低溫時(shí)效處理等。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第七節(jié)滲碳鋼和氮化鋼1）滲碳鋼：通過表面滲碳，整體淬火＋低溫回火得到表面是高碳馬氏體，心部是低碳馬氏體或半馬氏體組織的鋼種。

滲碳鋼定義及用途2）用途：由于滲碳鋼表面具有高的彎曲和疲勞強(qiáng)度及耐磨性，而心部又有高強(qiáng)度和韌性。所以廣泛由于制造要求高耐磨，承受高接觸應(yīng)力和沖擊載荷的重要部件。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼的合金化碳元素的影響采用低碳（一般C％≤0.25％），保證心部足夠韌性。合金元素加入對淬透性的影響承受載荷大的零件要求淬透性大增加元素種類和含量心部為低碳馬氏體承受載荷小的零件要求淬透性小較小元素種類和含量心部為鐵素體和珠光體第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼合金元素對滲碳工藝性能的影響：第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼的鋼種低載荷零件活塞銷等低淬透性（15，20）中低載荷零件高速中載荷零件高載荷零件齒輪、小軸齒輪、軸大型齒輪、軸一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油機(jī)凸輪軸第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼的熱處理滲碳后直接淬火+低溫回火。

表層組織為細(xì)針狀回火高碳馬氏體＋粒狀碳化物，硬度一般為58～64HRC；心部組織依據(jù)鋼的淬透性不同為鐵素體＋珠光體、或低碳馬氏體，硬度35～45HRC，ακ≥60J/cm2。由于滲碳的溫度高、時(shí)間長，故滲碳件的變形較大，零件尺寸精度要求高時(shí)應(yīng)進(jìn)行磨削精加工。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

滲氮鋼零件氮化的常規(guī)溫度在510～570℃，氮化后的零件表面形成高硬度的γ/-Fe4N，ε-Fe3-2N層，可提高疲勞強(qiáng)度和耐磨性。鋼中加入氮化物形成元素，氮化層的組織和性能將發(fā)生變化。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼合金氮化物能顯著提高零件表面的強(qiáng)度和硬度。第三章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第八節(jié)其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

彈簧鋼性能要求

1）高的彈性極限σe和屈強(qiáng)比σs/σb：保證優(yōu)良的彈性性能，即吸收大量的彈性能而不產(chǎn)生塑性變形；2）高的疲勞極限：疲勞是彈簧最主要破壞形式之一，疲勞性能除與鋼的成分結(jié)構(gòu)有關(guān)以外，還主要受鋼的冶金質(zhì)量（如非金屬夾雜物）和彈簧表面質(zhì)量(如脫碳)的影響；3）足夠的塑性和韌性：以防止沖擊斷裂；4）其它性能：良好的熱