金屬材料學(xué)第3章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼

2023/2/3□了解機(jī)器零件用鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制；□滲碳鋼、調(diào)質(zhì)零件、彈簧、滾動(dòng)軸承的服役條件及對(duì)鋼的基本性能要求，化學(xué)成分特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)；□掌握上述各機(jī)器零件用鋼的組織性能特點(diǎn)及用途。本章教學(xué)基本要求第3章機(jī)器零件用鋼

machineryconstructionalsteel2023/2/3本章內(nèi)容3.1

概述3.2調(diào)質(zhì)鋼3.3非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼3.4彈簧鋼3.5滾動(dòng)軸承鋼3.7合金滲碳鋼3.8氮化鋼3.9低淬透性鋼3.10耐磨鋼3.11零件材料選擇基本原則與思路2023/2/3

一、應(yīng)用背景：

機(jī)器零件用鋼也稱機(jī)械制造結(jié)構(gòu)用鋼，是用于制造各種機(jī)械零件的鋼種。

機(jī)器零件用鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、軸承及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、電站設(shè)備、飛機(jī)及火箭等裝置上。

3.1概述2023/2/3撥叉變速齒輪變速箱2023/2/3齒輪曲軸汽車萬向節(jié)連桿2023/2/3彈簧離合器彈簧蝶形彈簧板彈簧拉力彈簧2023/2/3滾珠軸承滾珠軸承調(diào)心球軸承2023/2/3履帶鐵軌分道叉破碎機(jī)顎板挖掘機(jī)斗齒2023/2/3

受載情況：主要承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，或者承受多種載荷的交互作用。服役環(huán)境：大氣、水和潤(rùn)滑油，溫度在-50～100℃。要求結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確以及零件間有合適的公差配合等。

由此便決定機(jī)器零件用鋼在性能上要求與工程構(gòu)件用鋼有所不同。二、機(jī)器零件用鋼的服役條件2023/2/3良好的強(qiáng)度和韌性以保證機(jī)器零件體積小、結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好；良好的疲勞性能與耐磨性等因此對(duì)機(jī)器零件用鋼必須進(jìn)行熱處理強(qiáng)化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力，所以機(jī)器零件用鋼的使用狀態(tài)通常為淬火加回火態(tài)，即強(qiáng)化態(tài)。三、機(jī)器零件用鋼對(duì)力學(xué)性能要求2023/2/3

機(jī)器零件用鋼制造工藝繁多：熱加工：鑄造、軋制、擠壓、拉拔、鍛造、焊接、熱處理。冷加工：車、銑、刨、磨…等等。

通常機(jī)器零件的制造工藝流程為：

其中以切削加工性能和熱處理工藝性能為機(jī)器零件用鋼的主要工藝性能；型材改鍛預(yù)先熱處理粗加工最終熱處理精加工四、機(jī)器零件對(duì)工藝性能的要求2023/2/3

五、機(jī)器零件用鋼合金化特點(diǎn)

主加元素

Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力學(xué)性能。輔加元素

Mo、W、V等↓過熱敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范圍

獲得最佳性能→稱為極限合金化理論結(jié)構(gòu)鋼常用范圍為：<1.2%Si,<2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W?；蚴菃为?dú)加入，或是復(fù)合加入。2023/2/3六、機(jī)器零件用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與韌性性能指標(biāo)

機(jī)器零件用結(jié)構(gòu)鋼均承受拉、壓、扭等交變應(yīng)力，大部分是整體受力。其主要失效形式是疲勞破壞，主要性能指標(biāo)σ-1、Rm、AK、KIC等?？傮w上要求良好的綜合力學(xué)性能。

強(qiáng)度設(shè)計(jì)：細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化韌度設(shè)計(jì)：沖擊韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性。根據(jù)服役條件合理選擇含碳量和熱處理工藝；材料不是唯一的，熱處理也是多種多樣的。2023/2/3七、零件材料和工藝選擇途徑9選擇采用淬火+高溫回火。回火索氏體型，為↑耐磨性，可進(jìn)行滲氮處理或高頻感應(yīng)加熱淬火等表面硬化工藝方法。1、對(duì)于要求良好綜合力學(xué)性能，軸類零件為典型:中碳鋼2023/2/32、如要求更高的強(qiáng)度，則適當(dāng)犧牲塑韌性。中碳鋼，可選擇采用低溫回火工藝。如低合金中碳馬氏體鋼。農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用較多。3、如要求高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，又要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼，進(jìn)行中溫回火。如彈簧鋼。4、零件要求高強(qiáng)度、高硬度，高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度，可用高碳鋼，淬火+低溫回火。如軸承鋼。

2023/2/3本章內(nèi)容3.1

概述3.2

調(diào)質(zhì)鋼

3.3非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼3.4彈簧鋼3.5滾動(dòng)軸承鋼3.7合金滲碳鋼3.8氮化鋼3.9低淬透性鋼3.10耐磨鋼3.11零件材料選擇基本原則與思路2023/2/33.2調(diào)質(zhì)鋼

hadenedandtemperedsteel

淬火＋高溫回火后使用的中碳鋼或中碳合金鋼為調(diào)質(zhì)鋼，是機(jī)械制造業(yè)中用量最大的鋼種。調(diào)質(zhì)件（螺桿）2023/2/3

汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花鍵式;

c)變截面臺(tái)階式

M7150A砂輪主軸汽\拖用連桿2023/2/3T615K鏜床鏜桿S7332螺紋磨床絲杠2023/2/3優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（G/T699—1999）：08F鋼――汽車外殼、儀器儀表外殼（碳量萬分制）10－25――冷沖壓件和焊接件，（滲碳鋼）35－55――齒輪、軸類零件（調(diào)質(zhì)鋼）60－70――彈簧鋼、鋼絲繩優(yōu)質(zhì)合金鋼是在上述成分基礎(chǔ)上添加一元或多元合金構(gòu)成。

補(bǔ)充說明2023/2/3圖3-1含0.25－0.45%C的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能變化圖3-2屈服強(qiáng)度相同的碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼斷面收縮率變化3.2.1調(diào)質(zhì)鋼淬透性原則0.25-0.45%的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能大致相同，強(qiáng)度差異±10%，但斷面收縮率差異較大。2023/2/3淬火＋高溫回火淬火：Ac3以上，油淬?；鼗穑?00-650℃，獲得回火索氏體，但應(yīng)注意第二類回火脆性。

有時(shí)為了獲得高強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)鋼也可進(jìn)行低溫（200-250℃）回火，適當(dāng)犧牲塑性、韌性，獲得回火馬氏體。A3A1500-650℃圖3-3高溫回火工藝淬透性原則：淬透性相同的同類調(diào)質(zhì)鋼，可互相代用2023/2/3調(diào)質(zhì)鋼組織特點(diǎn)調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體，其特點(diǎn)是：1.鐵素體基體上均勻分布的粒狀碳化物，起彌散強(qiáng)化，溶入基體的碳與合金元素起固溶強(qiáng)化，這樣保證了高強(qiáng)度；

2.均勻分布的細(xì)小粒狀碳化物，保證良好的塑性、韌性；

3.由淬火馬氏體轉(zhuǎn)變來的索氏體，晶粒細(xì)小，使得韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。以上組織特點(diǎn)使調(diào)質(zhì)鋼具有強(qiáng)度、塑性和韌性的良好綜合性能圖3-445#調(diào)質(zhì)處理后的回火索氏體2023/2/33.2.2、合金化及常用鋼

含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑過熱傾向，↑回脆傾向；Cr：↑↑淬透性，↑回穩(wěn)性，但↑回脆傾向；Ni:↑基體韌度，Ni-Cr復(fù)合↑↑淬透性，↑回脆；Mo：↑淬透性，↑回穩(wěn)性，細(xì)晶，↓↓回脆傾向；V：有效細(xì)晶，(↑淬透性)，↓↓過熱敏感性。2023/2/340Cr、40CrNi、40CrNiMo鋼，其臨界淬透直徑分別為25－30mm、40－60mm、60－100mm。圖3-5不同合金化對(duì)鋼淬透性的影響（DC為油淬臨界直徑）低淬透性鋼Dc<30~40mm中淬透性鋼Dc=40~60mm高淬透性鋼Dc≥60~100mm40Mn2(20~30)4040Cr(25~30)40B(10~20)40MnMoB(40~70)40MnB(20~30)40MnVB(30~40)40Mn2V(30)42SiMn(30)40CrMn(60)40CrMnMo(100)42CrSi(約40)35CrMo(25~40)37CrNi3(約200)40CrNiMo(60~100)40CrNi(40~60)30CrMnSi(40~50)42CrMo(30~45)2023/2/3

分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回穩(wěn)性塑韌性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差別？2023/2/33.2.3、調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌化工藝的發(fā)展正確認(rèn)識(shí)性能指標(biāo)Rm、ReL、A、Z是綜合力學(xué)性能，但有些重要零件應(yīng)以AK、

σ-1、KIC來衡量。由于服役條件差異，鋼最佳綜合性能也不一定都是高溫回火態(tài)好。零件在承受沖擊能量大時(shí)，鋼強(qiáng)度應(yīng)低些，塑性和韌度宜高些；沖擊能量較小時(shí)，強(qiáng)度應(yīng)高些。以達(dá)最佳配合。低碳馬氏體鋼和非調(diào)質(zhì)鋼的設(shè)計(jì)理念2023/2/3綜合強(qiáng)化工藝

如復(fù)合熱處理，即熱處理強(qiáng)化、表面處理及形變強(qiáng)化工藝結(jié)合起來。如汽車轉(zhuǎn)向節(jié)圓角處進(jìn)行高頻淬火處理后，疲勞壽命提高了50倍冷變形鍛造余熱淬火

如滾壓、噴丸等冷變形方法的效果也比較好,能提高零件壽命

既能節(jié)約能源、簡(jiǎn)化工序，又能細(xì)化組織，提高零件的強(qiáng)韌性。如柴油機(jī)連桿，已普遍采用鍛造余熱淬火工藝2023/2/33.3非調(diào)質(zhì)鋼

nonhardenedandtemperedsteel

3.3.1、微合金元素對(duì)強(qiáng)韌化的貢獻(xiàn)

非調(diào)質(zhì)鋼組織：主要是F+P+彌散析出K。主要強(qiáng)化作用：細(xì)化組織和相間沉淀。微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素，

V是主要的。多元適量，復(fù)合加入：Nb-V-N和Ti-V等—

主要貢獻(xiàn)是細(xì)化組織。2023/2/3牌號(hào)CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03Mo30ΧΓΦΤ(俄)0.300.551.00.60≤0.2≤0.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11MoNC33HFB(日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日)0.35~0.400.15~0.351.30~1.600.05~0.1545VNbN(中)0.440.140.790.100.110.02N表3.1復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼典型成分2023/2/3

圖3-6Mn對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼韌度的影響

圖3-7V、Ti、Nb對(duì)強(qiáng)度的影響2023/2/3

3.3.2、獲得最佳強(qiáng)韌化的工藝因素相間析出沉淀強(qiáng)化細(xì)化組織工藝參數(shù)是關(guān)鍵

細(xì)化組織和沉淀析出要協(xié)調(diào)控制軋制控制冷卻

決定各種強(qiáng)化機(jī)制的效果2023/2/3

3.3.3、組織因素對(duì)強(qiáng)韌性貢獻(xiàn)的大小

間隙型碳氮化合物沉淀析出的強(qiáng)化量一般認(rèn)為可提高150~400MPa，甚至可達(dá)到600MPa。細(xì)化組織強(qiáng)化量大約在50~300MPa，脆化矢量為-0.66℃/MPa。其它強(qiáng)化機(jī)制都不同程度地降低韌度2023/2/3

3.4彈簧鋼springsteel

3.4.1、彈簧的服役條件及性能要求

彈簧功能儲(chǔ)能減振彈簧類型板簧，螺簧；壓簧、拉簧和扭簧等2023/2/3

典型的螺旋彈簧及板簧壓縮螺簧拉伸螺簧扭轉(zhuǎn)螺簧單板彈簧橢圓板簧疊形板簧2023/2/3汽車板簧2023/2/3火車彈簧轎車彈簧2023/2/3板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力疲勞破壞彈性減退

高的彈性極限σe、屈強(qiáng)比σs/σb→彈性↑；高的疲勞強(qiáng)度σ-1→避免早期疲勞破壞；有足夠的塑性和韌性→

不產(chǎn)生脆性斷裂；

足夠的淬透性→保證σe和整體強(qiáng)度

其他要求:冶金質(zhì)量、表面質(zhì)量2023/2/3思考題：為什么彈簧要求有好的表面質(zhì)量，如表面不允許有裂紋、折迭、嚴(yán)重脫碳等缺陷?2023/2/33.4.2、常用彈簧鋼及強(qiáng)化工藝

合金化：

含碳量在0.60~1.05％,低合金彈簧鋼在0.40~0.74％C。

+Si、Mn、Cr、V等合金元素。Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高彈性極限，V提高淬透性和細(xì)化晶粒。2023/2/3熱處理工藝淬火和中溫回火

回火屈氏體

具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極限、屈強(qiáng)比和最高的疲勞強(qiáng)度回火溫度:彈性參數(shù)和韌性參數(shù)之間的平衡或最佳配合。2023/2/3圖3-860Si2Mn鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖3-955Si2Mn鋼疲勞極限隨回火溫度的變化AcmA1Ms350-500℃2023/2/3

60Si2Mn:①Si、Mn復(fù)合,強(qiáng)化F,→↑σe，σs/σb可達(dá)到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不過分↓,開裂傾向小;

③

Si有效↑回穩(wěn)性,但↑脫C傾向;

④

Si、Mn復(fù)合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小.常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn、55Si2Mn等2023/2/3常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回穩(wěn)性,韌性好；

②

V細(xì)化晶粒,↓過熱敏感性;

③

含Si少,脫C敏感性↓,熱處理不易脫C;

常用于受應(yīng)力高的螺旋彈簧及<300℃工作的閥門彈簧.2023/2/3基本工藝方式熱成形彈簧冷成形彈簧大型彈簧

熱成形后+淬、回火小型彈簧冷變形或熱處理強(qiáng)化+冷成形+低溫退火2023/2/3思考題：大型彈簧為什么要先成形后強(qiáng)化，小型彈簧先強(qiáng)化后成形?

小型彈簧成形后為什么進(jìn)行低溫退火?2023/2/3熱成型彈簧工藝：

熱成型→淬火+中溫回火→噴丸使用狀態(tài)下的組織：T回用于大截面彈簧(>φ10mm)

表面噴丸目的是使其表面強(qiáng)化并形成殘余應(yīng)力，減少表面缺陷的不良影響，提高疲勞強(qiáng)度。大型熱卷彈簧圖3-1065鋼淬火中溫回火組織2023/2/3

板簧最適合形變強(qiáng)化:

滾壓、噴丸等冷變形強(qiáng)化強(qiáng)化都能有效地提高板簧使用壽命，如結(jié)合高溫形變熱處理則更好板簧噴丸作用舉例:

疲勞強(qiáng)度(MPa)

板厚/mm未噴丸噴丸應(yīng)力噴丸

13390470800113507008502023/2/33.5滾動(dòng)軸承鋼rollerbearingsteel圓柱滾子軸承自動(dòng)調(diào)心球軸承2023/2/3滾針軸承滾柱軸承滾珠軸承大型軸承2023/2/3

3.5.1、滾動(dòng)軸承鋼的工作特點(diǎn)及性能要求

滾動(dòng)軸承由內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體（珠、柱、錐、針）及保持器組成。圖3-11滾珠軸承不同部位的鋼球受力情況2023/2/3工作條件高負(fù)荷→最大接觸應(yīng)力可高達(dá)3000~5000MPa高轉(zhuǎn)速→循環(huán)周次高達(dá)每分鐘數(shù)萬次；高靈敏度→精度要求高→磨損、麻點(diǎn)→噪音2023/2/3性能要求

高而均勻的硬度和耐磨性→足夠淬透性和淬硬性，>60HRC；高接觸疲勞強(qiáng)度→以免過早失效→保證材質(zhì)、組織；一定韌度→承受沖擊，以免碎裂；

尺寸穩(wěn)定性好→保證精度；一定耐蝕性→大氣、潤(rùn)滑油腐蝕。關(guān)鍵因素

化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和加工工藝2023/2/3

3.5.2、軸承鋼的冶金質(zhì)量和合金化10冶金質(zhì)量要求

純凈→夾雜物要少：主要有各種氧化物（如A12O3）和硅酸鹽等；危害程度依次遞減：A12O3→球狀不變形夾雜→鋁硅酸鹽。接觸面小應(yīng)力集中大易產(chǎn)生裂紋材質(zhì)純凈、組織均勻2023/2/3

圖3-12氧化物夾雜數(shù)量對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響2023/2/3軸承鋼合金化1.0～1.10％不標(biāo)碳。在鋼號(hào)前冠以“G”（滾），Cr的含量用千分之幾表示，如GCr15，GCrl5SiMn、G20CrNiMo、95Cr18。Cr含量?組織特點(diǎn)

經(jīng)合適的熱處理，應(yīng)得到組織：M中含0.5~0.6%C；隱晶M基體上分布細(xì)小均勻的粒狀K，體積分?jǐn)?shù)約7~8%，一般可有少量AR。負(fù)荷較小時(shí),為提高σ-1，可設(shè)計(jì)M中約含0.45%C，K體積分?jǐn)?shù)約5%?！撝锌偤剂繎?yīng)↓2023/2/3圖3-13高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關(guān)系2023/2/3圖3-14GCr15軸承鋼中未溶K量與疲勞壽命間的關(guān)系2023/2/3組織均勻

碳化物細(xì)小均布。主要有三類K：

K液析→結(jié)晶時(shí)枝晶偏析而存在→高溫?cái)U(kuò)散退火，不允許液析嚴(yán)重；

帶狀K→軋制時(shí)二次碳化物偏析→高溫?cái)U(kuò)散退火；

網(wǎng)狀K→冷卻時(shí)在晶界析出→正火2023/2/3

圖3-16網(wǎng)狀碳化物500×

圖3-15碳化物液析500×

2023/2/3

圖3-17帶狀碳化物500×

2023/2/3

3.5.3、高碳鉻軸承鋼的熱處理

工藝特點(diǎn)是簡(jiǎn)單而要求高。熱處理特點(diǎn)

球化退火→為最終淬火作組織準(zhǔn)備淬回火工藝參數(shù)對(duì)疲勞壽命有很大影響一般采用保護(hù)氣氛加熱或真空加熱160℃保溫3h或更長(zhǎng)回火，硬度62~66HRC

如要求消除AR→淬火后立即冷處理,而后立即低溫回火。2023/2/3

圖3-19回火溫度對(duì)GCr15鋼力學(xué)性能的影響AcmA1Ms150-250℃2023/2/3

圖3-20軸承鋼深冷處理溫度對(duì)殘留奧氏體量的影響

1-GCr15，850℃淬火；2-Cr15SiMn，830℃淬火1-GCr15，850℃淬火2-Cr15SiMn，830℃淬火2023/2/3思考題:

軸承鋼在淬火熱處理后,硬度檢驗(yàn)時(shí)不允許有明顯的軟點(diǎn),為什么?

如出現(xiàn)軟點(diǎn),可能有哪些因素造成的?2023/2/3例題：GCr15軸承鋼及熱處理鍛（軋）→球化退火（780－810℃連續(xù)冷卻和等溫轉(zhuǎn)變）→機(jī)械加工→淬火（830－860℃）＋低溫回火（160℃）（或-70℃冷處理＋低溫回火）→磨加工＋附加低溫時(shí)效（120－150℃，1－3次））最佳組織：回火馬氏體＋碳化物＋殘余奧氏體組織，硬度62－66HRC。2023/2/3球化退火目的：為得到粒狀，分布均勻的珠光體，為淬火做組織準(zhǔn)備，連續(xù)冷卻效果好。圖3-21GCr15鋼的球化退化工藝

a）普通球化退火b）等溫球化退化2023/2/3圖3-22GCr15正常鍛后空冷組織圖3-24GCr15球化退火組織圖3-23GCr15非正常鍛后空冷組織2023/2/3圖3.25GCr15鋼淬火溫度對(duì)沖擊韌性和接觸疲勞壽命的影響（試驗(yàn)條件：退火組織中碳化物顆粒平均尺寸為0.4μm，接觸壓力為5000MPa）830-860℃合適2023/2/3

Gr15正常的淬火、回火組織：

黑區(qū)為回火隱針馬氏體

亮區(qū)為回火細(xì)小的針狀馬氏體＋少量殘余奧氏體

白色小顆粒為碳化物圖3-26GCr15850℃淬火，160℃回火2023/2/3本章內(nèi)容3.1

概述

3.2

調(diào)質(zhì)鋼3.3非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼3.4彈簧鋼3.5滾動(dòng)軸承鋼3.7合金滲碳鋼3.8氮化鋼3.10耐磨鋼3.11零件材料選擇基本原則與思路2023/2/33.7合金滲碳鋼

Alloycarburizingsteel

零件在滑動(dòng)、滾動(dòng)、接觸應(yīng)力、摩擦等工況下工作

磨損和接觸疲勞是主要失效形式

表面應(yīng)具有高硬度、高接觸疲勞抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韌性

滲碳鋼、滲氮鋼、感應(yīng)加熱淬火鋼等

這類鋼適宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通過某種工藝使零件表面硬度高耐磨而心部具有較好強(qiáng)韌性配合以滿足要求。典型零件有齒輪、凸輪等2023/2/3各種類型的齒輪2023/2/33.7.1合金滲碳鋼的合金化一般含碳量在0.12~0.25％

保證得到強(qiáng)韌性好的板條M常用合金化元素

Mn、Cr、Ni主要↑淬透性

Ti、V、W、Mo細(xì)化晶粒

滲碳層性能:表層碳量、表層濃度梯度和滲層深度

滲碳層深度根據(jù)零件需要確定。原則上，滲碳層深度應(yīng)大于零件的最大切應(yīng)力深度。0.8-1.05%C表層2023/2/3心部強(qiáng)度滲層厚度表層強(qiáng)度外應(yīng)力強(qiáng)度距離表面碳濃度太高滲層太淺

圖3-28滲碳零件受力與滲層厚度的關(guān)系2023/2/3圖3-27合金元素對(duì)滲碳層表面含碳量和滲碳層厚度的影響

2023/2/3合金元素碳擴(kuò)散系數(shù)表層碳量滲層深度濃度梯度淬透性晶粒長(zhǎng)大傾向含量范圍質(zhì)量分?jǐn)?shù)%TiV↓↓↑↑↓變陡不定①↓↓<0.12<0.30WMoCr↓↑↓

↑↑變陡↑↓0.4~1.20.2~0.6<2Mn影響小↓↑平緩↑↑~2Ni↑↓↓平緩↑影響小~4Si↑↓↓平緩↑影響小<0.8

表3.2合金元素對(duì)滲碳工藝和滲碳層性能的影響2023/2/33.7.2、常用合金滲碳鋼及熱處理

按淬透性可分為低、中和高淬透性鋼三類。

20Cr鋼：不宜滲碳后直接淬火。20CrV鋼可20CrMnTi鋼特點(diǎn):①Cr、Mn復(fù)合，淬透性好，D油約40mm；②較高耐磨性和強(qiáng)韌度，特別是低溫韌度較好；③滲碳工藝性較好，晶粒長(zhǎng)大傾向小，可直接淬火，變形也比較小。

廣泛制造汽車、拖拉機(jī)變速箱齒輪，離合器軸和車輛上的傘齒輪及主動(dòng)軸等。2023/2/3

滲碳后的熱處理工藝有直接淬火\一次淬火\二次淬火

.細(xì)晶粒鋼可用直接淬火.

18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性滲碳鋼由于合金元素多，所以工藝可變程度大，獲得的組織性能也較復(fù)雜。

18Cr2Ni4WA可作為調(diào)質(zhì)鋼，低碳馬氏體鋼，也可作為滲碳鋼。滲碳和淬火工藝較復(fù)雜。主要用于要求高綜合力學(xué)性能和高耐磨性的重要件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪等。2023/2/3→高溫回火→淬火加熱→馬氏體等溫淬火→高溫回火（未淬透心部S回，淬透M回，表層M回+K+A’）→低溫回火（消除應(yīng)力）。淬火后高溫回火的目的是：消除殘余奧氏體。Acm810

℃A1700℃Ms310℃610℃850℃520-560℃150℃圖3-2918Cr2Ni4W鋼滲碳后馬氏體等溫淬火熱處理工藝18Cr2Ni4W工藝流程：2023/2/3Acm780

℃A1710℃Ms295℃圖3-3020Cr2Ni4A鋼齒輪滲碳后熱處理工藝20Cr2Ni4A工藝流程：下料→鍛造→正火（S＋F）→插齒、滾齒→滲碳→高溫回火→淬火冷處理→低溫回火

(表層M回＋碳化物＋γ’)→磨齒2023/2/3作業(yè)題1.在飛機(jī)制造廠中，常用18Cr2Ni4WA鋼制造發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱齒輪。為減少淬火后殘余應(yīng)力和齒輪尺寸的變化，控制心部硬度不致過高，以保證獲得必需的沖擊韌性，采用如下工藝：將滲碳后的齒輪加熱到850℃左右，保溫后淬入200－220℃的第一熱浴中，保溫10min左右，取出后立即置于550－570℃的第二熱浴中，保持1－2小時(shí)，取出空冷至室溫。問：此時(shí)鋼表、里的組織是什么？已知：該鋼的Ms＝310℃，表面滲碳后的Ms＝80℃左右。2.軋制鋼板的軋輥尺寸很大，其軸承在工作時(shí)受很大的沖擊作用，請(qǐng)從以下材料中選擇合適的材料制造該軸承，并且說明熱處理工藝及使用狀態(tài)組織.GCr15，W18Cr4V，20Cr2Ni4，40CrNiMo，T10，0Cr8Ni9，20，Cr12MoV，65Mn

2023/2/33.8氮化鋼

服役條件：有些零件工作時(shí)載荷不大，基本上無沖擊力；有摩擦，但比齒輪等零件的磨損要輕，同時(shí)也受到交變的疲勞應(yīng)力。這一類零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化鋼進(jìn)行滲氮處理。2023/2/3

常用鋼：多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。國(guó)內(nèi)外廣泛使用的氮化鋼是38CrMoAl鋼，獲得最高氮化層硬度，達(dá)到900~1000HV。僅要求高疲勞強(qiáng)度的零件，可采用不含鋁的CrMo型氮化鋼，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化層的硬度控制在500~800HV。

工藝：氮化前，要經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理以得到穩(wěn)定的回火索氏體組織，以保證零件最終的使用性能和使用過程中的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)也為獲得好的氮化層作組織準(zhǔn)備。2023/2/3精密機(jī)床主軸：中碳鉻鉬鋁鋼38CrMoAl

，表面硬度高，耐磨性好，咬死和擦傷傾向小，疲勞性能高、缺口敏感性低、耐蝕性高。12圖3-31合金元素對(duì)氮化層深度和表面硬度的影響（550℃氮化24h）2023/2/338CrMoAl氮化方法有氣體氮化和離子氮化。500－565℃，形成γ’（Fe4N）、ε（Fe3-2N）相，合金氮化物，共格關(guān)系，彌散強(qiáng)化。不含鋁時(shí)氮化層脆，容易剝落。氮的滲入提高了表面殘余壓應(yīng)力，提高疲勞性能。2023/2/3思考題:

某精密鏜床主軸用38CrMoAlA鋼制,某重型齒輪銑床主軸用20CrMnTi制造,某普通車床主軸用40Cr鋼制造.試分析比較說明它們各自應(yīng)采用什么樣的熱處理工藝及最終的組織和性能特點(diǎn).2023/2/33.9低淬透性鋼surfacehardeningsteel感應(yīng)加熱淬火與滲碳和氮化相比，特點(diǎn)有：

不改變表面化學(xué)成分，表面硬化而心部仍然保持較高的塑性和韌度；表面局部加熱，零件的淬火變形小；加熱速度快，可消除表面脫碳和氧化現(xiàn)象；在表面形成殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。

與滲碳相比，感應(yīng)加熱淬火工藝常用于輕負(fù)荷工件或需要局部淬硬的軸類零件，其耐磨性和疲勞抗力不如滲碳工藝。

2023/2/3概念是指淬透性比一般碳素鋼的淬透性還要低專門用于中、小模數(shù)（m=3~8）的齒輪應(yīng)用特點(diǎn)得到沿著輪廓分布硬化層→“仿形硬化”

感應(yīng)加熱淬火鋼主要有中碳低淬透性調(diào)質(zhì)鋼和低淬透性鋼。這里介紹低淬透性鋼2023/2/3

硬化層分布(右為仿形硬化)

降低鋼淬透性措施:↓Mn、Si;

加入Ti

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有55Ti、

60Ti、

70Ti等.2023/2/3本章內(nèi)容

3.1

概述3.2調(diào)質(zhì)鋼3.3非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼3.4彈簧鋼3.5滾動(dòng)軸承鋼3.7合金滲碳鋼3.8氮化鋼3.9低淬透性鋼3.10

耐磨鋼3.5

零件材料選擇基本原則與思路2023/2/33.10耐磨鋼abrasion-resistantsteel磨損有磨粒磨損、粘著磨損、沖蝕磨損、接觸疲勞磨損等。磨粒磨損占50％，粘著占15％，腐蝕磨損8％。部分結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和合金鑄鐵、高錳鋼和低合金耐磨鋼可采用。這里介紹高錳鋼。2023/2/33.10.1鋼的耐磨性及其影響因素鋼的耐磨性是指在一定工作條件下抵抗磨損的能力。影響鋼耐磨性的因素主要是磨損工礦和摩擦副材質(zhì)。內(nèi)在因素：化學(xué)成分、組織、性能。不同基體的耐磨性按鐵素體、珠光體、馬氏體、貝氏體順序遞增。圖3-32鋼鐵材料基體組織與耐磨性的一般關(guān)系2023/2/3注意：不同成分的鋼經(jīng)熱處理達(dá)到相近硬度耐磨性不同相對(duì)耐磨系數(shù)隨硬度增加而增加，但T10超過HV800↓T10圖3-33不同材料淬火回火后硬度和相對(duì)耐磨系數(shù)關(guān)系2023/2/33.10.2高錳耐磨鋼

一、高錳鑄鋼的化學(xué)成分及性能特點(diǎn)：高碳、高錳。鑄態(tài)使用。常用高錳鑄鋼為ZGMn13型。鑄態(tài)組織一般是奧氏體、珠光體、馬氏體和碳化物復(fù)合組織，不宜直接使用。經(jīng)過水韌處理（即固溶處理）后的顯微組織是單相奧氏體，軟而韌。ZGMn13、ZGMn13Cr2、ZGMn13Mo、ZGMn13RE2023/2/3二、高錳鋼的熱處理1、水韌處理加熱T應(yīng)＞Acm，一般為1050~1100℃，在一定保溫時(shí)間下，K全部溶入A中2、高錳鋼導(dǎo)熱性較差，僅為碳素鋼的1/4~1/5，熱膨脹系數(shù)比普通鋼大50%，而且鑄件尺寸往往又較大，所以要緩慢加熱，以避免產(chǎn)生裂紋；2023/2/33、鑄件出爐至入水時(shí)間應(yīng)盡量縮短，以避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水溫不宜超過30℃，水冷后水溫應(yīng)小于60℃；？

？4、水韌處理后不宜再進(jìn)行250~350℃的回火處理，也不宜在250~350℃以上溫度環(huán)境中使用。？

？2023/2/3

三、高錳鋼的耐磨性及應(yīng)用耐磨機(jī)理

形變硬化和誘發(fā)相變:A基體中產(chǎn)生大量層錯(cuò)、形變孿晶、ε和α馬氏體。表面硬度:200HB左右可↑到500HB以上，硬化深度可達(dá)10~20mm，而心部仍保持A，所以能承受較大沖擊載荷而不破裂。表層逐漸被磨損，而硬化層不斷地向內(nèi)發(fā)展━━“前赴后繼”。在低應(yīng)力和低沖擊載荷下，耐磨性往往不一定好。2023/2/3應(yīng)用

廣泛應(yīng)用于承受大沖擊載荷、強(qiáng)烈磨損的工況下工作的零件，如各式碎石機(jī)的襯板、顎板、磨球，挖掘機(jī)斗齒、坦克的履帶板等。保險(xiǎn)箱?思考題

高錳鋼經(jīng)水韌處理能得到全部A，而緩冷卻得到大量M。為什么?2023/2/33.11.1選擇材料的基本原則1、材料使用性能要求→最大限度發(fā)揮材料潛力

2、材料的工藝性能→加工工藝性能良好3、經(jīng)濟(jì)性涉及材料的價(jià)格、加工成本、國(guó)家資源情況等,零件的總成本與零件壽命的關(guān)系4、其它因素材料毛坯的選擇、生產(chǎn)設(shè)備的可能性、環(huán)境協(xié)調(diào)性等3.11零件材料選擇基本原則與思路2023/2/3

一、零件的加工工藝路線

基本上可分為三類：

（1）性能要求不高的零件

一般是鑄鐵和碳鋼制造。其工藝路線比較簡(jiǎn)單：毛坯→正火（退火）→機(jī)械加工→零件。如直接用型材加工，則不需要進(jìn)行熱處理。

（2）性能要求較高的零件

合金鋼制造的軸、齒輪等零件。工藝路線：毛坯→預(yù)先熱處理→機(jī)械粗加工→最終熱處理（淬火回火或滲碳淬火等)→精加工。3.11.2選擇材料的基本思路與方法2023/2/3

（3）要求高的精密零件

一般用于精密絲桿、主軸等。工藝路線為：毛坯→預(yù)先熱處理→機(jī)械粗加工→熱處理→半精加工→氮化處理→精加工→去應(yīng)力退火→零件。

2023/2/3

二、選擇材料的基本思路及方法

分析零件工作條件

確定主要失效抗力指標(biāo)作為選材的基本依據(jù)

考慮工藝措施考察經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)成本選擇材料注意

要合理引用手冊(cè)上材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)；盡量選用簡(jiǎn)化加工工藝的材料；零件材料選擇要考慮零件的綜合成本2023/2/33.11.3典型零件材料選擇與工藝分析

1、齒輪類零件不同機(jī)械的齒輪，其工作條件差別很大，所以在選擇材料和熱處理工藝上也有很大不同。機(jī)床齒輪

載荷不大，工作平穩(wěn)，一般無大的沖擊力，轉(zhuǎn)速也不高。常選用調(diào)質(zhì)鋼制造，如45、40Cr、42SiMn等鋼，熱處理工藝為正火或調(diào)質(zhì)，高頻感應(yīng)加熱淬火一般工藝路線為：備料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→高頻淬火+回火→磨削2023/2/3汽拖齒輪

汽車、拖拉機(jī)上的變速箱齒輪屬于重載荷齒輪。一般都采用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi等，進(jìn)行滲碳熱處理。一般工藝路線為：備料→鍛造→正火→粗加工→滲碳+淬火+回火→噴丸→磨削2023/2/3重載齒輪