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

（機(jī)器零件用鋼）包括：

調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、滲碳用鋼、氮化用鋼、低碳馬氏體鋼、超高強(qiáng)度鋼、低淬透性鋼、耐磨鋼、易切削鋼等。

應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)車、礦山等機(jī)械制造工業(yè)，用來制造軸類、齒輪類、連接件等零部件。

受力比工程結(jié)構(gòu)鋼復(fù)雜：承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、振動、摩擦等單一或多種力的共同作用。

使用環(huán)境與工程構(gòu)件鋼相似：在-50℃～100℃范圍內(nèi)，同時受大氣、水、其他介質(zhì)的腐蝕。

制造工藝繁多：熱加工：鍛造、焊接、熱處理、軋制、擠壓、拉拔。冷加工：車、銑、刨、磨。

良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和脆性機(jī)械零件的主要失效形式：變形和斷裂零件的強(qiáng)度設(shè)計：

彈性設(shè)計：σP

塑性設(shè)計：σs

或σ0.2

在許用應(yīng)力和σP

或σs

之間引入一個安全系數(shù)P38，為減輕重量的高強(qiáng)度的追求使鋼的強(qiáng)度有很大提高零件韌性設(shè)計：是為了避免發(fā)生突然事故，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度和韌性的配合

韌性的指標(biāo)：沖擊韌性，韌－脆轉(zhuǎn)化溫度，斷裂韌性（斷裂韌度），P38第二節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的淬透性→淬透的鋼可獲得高強(qiáng)度和高屈強(qiáng)比Figure3－1，淬硬鋼與未完全淬硬鋼的s/σb,退火鋼的更低→淬透的鋼可獲得最高的斷裂韌性KIC，最高的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性，最低的韌－脆轉(zhuǎn)化溫度Figure3－2，M－martensite，LB－lowerbanite，UB－upperbanite，F(xiàn)igure3－3→鋼中合金元素提高淬透性的能力：（弱→強(qiáng)）

Ni，Si，Cr，Mo，Mn，B

→合金元素必須溶解于γ才具有提高提高淬透性的能力第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼

（軸類鋼）一、調(diào)質(zhì)鋼的工作條件及性能要求多種力共同作用，受力復(fù)雜車床車刀對所加工工件的作用力，工件對車刀的反作用力由車床主軸傳動提供，車床傳遞扭矩并承受剪切應(yīng)力等作用，受力復(fù)雜。銑床的軸也是如此。有些機(jī)器的軸還承受交變載荷，承受沖擊等。

汽車主軸既傳遞扭矩又承受彎矩，所受力是交變應(yīng)力，其最常見的失效形式是疲勞斷裂。當(dāng)汽車啟動和急剎車換檔時，還受到一定的沖擊載荷的作用。性能要求：既強(qiáng)又韌，即具有良好的綜合力學(xué)性能。第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼（軸類鋼）二、調(diào)質(zhì)鋼組織及力學(xué)性能特點熱處理：淬火+高溫回火使用狀態(tài)的組織：中碳回火索氏體組織特點：（1）細(xì)小的多邊形鐵素體基體上均勻彌散分布的C化物顆粒，保證高強(qiáng)度。P43，readtogether（2）組織均勻性好，減少應(yīng)力集中和局部裂紋的形成，良好的塑性和韌性。力學(xué)性能特點：高強(qiáng)高韌，即優(yōu)良的綜合力學(xué)性能第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼（軸類鋼）三、調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分

①中C（C0.3—0.5%）

C素調(diào)質(zhì)鋼：尺寸不大，性能要求不太高的軸或零件

合金調(diào)質(zhì)鋼：主加元素：Mn、Cr、Si、Ni、B等，提高淬透性，并固溶強(qiáng)化基體（鐵素體）

輔加元素：Mo、W、V、Ti，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性，W，Mo抑制回火脆性，（C化物不易聚集長大）第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼（軸類鋼）四、調(diào)質(zhì)鋼的熱處理

1、預(yù)備熱處理：

目的，改善切削加工性及改善因鍛、軋不適當(dāng)而造成的晶粒粗大及帶狀組織。對珠光體型鋼：(低合金，正火后組織為珠光體+鐵素體）AC3以上一次正火或退火，細(xì)化晶粒，減輕組織中的帶狀程度。

對馬氏體型鋼（正火后組織為馬氏體）先在AC3以上進(jìn)行淬火，以細(xì)化晶粒，減輕組織中的帶狀程度。然后再在AC1以下進(jìn)行高溫回火使其組織變?yōu)榱钪楣怏w，以↓硬度，改善切削加工性能。

第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼（軸類鋼）2、最終熱處理

a淬火+高溫回火（調(diào)質(zhì)處理，）（回火溫度500—659℃），回火索氏體，高強(qiáng)、高韌、高塑性、（適用于大能量沖擊低周疲勞零件），（表面要耐磨時，進(jìn)行表面處理）

b淬火+低溫回火（200—250℃）→回火馬氏體

c淬火+中溫回火（450℃左右）→回火屈氏體（很高強(qiáng)度，適當(dāng)韌性、塑性）（適合小能量多次沖擊，發(fā)揮強(qiáng)度潛力）第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼（軸類鋼）五、常用調(diào)質(zhì)鋼

根據(jù)淬透性高低，分為三大類：低淬透性調(diào)質(zhì)鋼、中淬透性調(diào)質(zhì)鋼、高淬透性調(diào)質(zhì)鋼

記?。?540Cr

鋼（應(yīng)用最廣）調(diào)質(zhì)鋼性能指標(biāo)：

σs

700～1000Mpaσb

800～1000Mpaδ:10%～15%αk:60～120J/cm2TK:≤—40℃第四節(jié)低溫回火狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)鋼組織為中、低碳（低合金），低溫回火馬氏體。與調(diào)質(zhì)鋼相比，充分發(fā)揮C在↑強(qiáng)度方面的潛力。強(qiáng)度主要來自C在過飽和α相中的固溶強(qiáng)化及彌散的與基體共格的ε碳化物。研究表明鋼中的碳含量在0。2－0。5％范圍，低溫回火后鋼的抗拉強(qiáng)度與鋼中的含碳量呈直線關(guān)系增加。p45合金元素的作用：1、主要是↑淬透性，保證零件截面上獲得馬氏體（Ni，Mn，Cr，Mo等）；2、↓或消除低溫回火脆性（Si）低溫回火脆性：

p45，readtogether，產(chǎn)生的原因，figure3－12低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼的組織：位錯板條馬氏體＋板條相界殘余奧氏體薄膜＋板條內(nèi)部細(xì)小分散碳化物，可實現(xiàn)強(qiáng)、韌、塑性的最佳配合。性能特征σS

σb，δ，ψ等均與中碳調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)有些情況下，強(qiáng)度和韌性配合要求特別高的零件，如大馬力高速柴油機(jī)曲軸，用低碳中合金鋼比中碳合金調(diào)質(zhì)鋼的效果更好。σs：1000～1200MPaσb：1200～1400MPa低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼σb≥1500MPa中碳：WC＝0.27～0.45%，保證高的強(qiáng)度是以調(diào)質(zhì)鋼為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，主要用于制作比強(qiáng)度高的航天器的部件，如飛機(jī)的起落架，飛機(jī)機(jī)身大梁等。合金元素在低合金超高強(qiáng)度鋼中的作用①提高鋼的淬透性；②增加回火穩(wěn)定性；③改善機(jī)械性能，提高回火馬氏體的韌性和塑性。

低溫回火（<300℃）時，在碳含量相同的情況下，合金元素對強(qiáng)度的影響較少，但可提高回火馬氏體的韌性和塑性。典型低合金超高強(qiáng)度鋼①30CrMnSiNi2A

30CrMnSiNi2A是使用最廣泛的一種低合金超高強(qiáng)度鋼，它是在調(diào)質(zhì)鋼30CrMnSi的基礎(chǔ)上加1.4～1.8%Ni而得到的。②40CrNiMo

40CrNiMo(美國的4340)，就是調(diào)質(zhì)鋼，當(dāng)調(diào)質(zhì)熱處理工藝改為淬火＋低溫回火，就可作為低合金超高強(qiáng)度鋼使用。該鋼種經(jīng)淬火+低溫回火后，其性能σb≥1900Mpa,δ≥10%。

第五節(jié)高合金超強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展背景：中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼雖然有很高的強(qiáng)度，但是較高碳的存在使其有先天的不足：①隨著σb↑，塑性↓；②C含量高，有脫C傾向；③C的存在，使鋼在熱處理后變形較大；④C的存在，使焊接性能差等高合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：無碳馬氏體時效WC≤0.03％（馬氏體時效鋼）高合金超強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼→Ni為主，控制加入量，18Ni，20Ni，25Ni（馬氏體時效鋼）→加Co，提高M(jìn)s，減少γ

→加Ti，Al，Mo，Nb等，形成金屬間化合物沉淀相，如Ni3Al，Ni3Ti，Ni3Mo及拉維斯相Fe2Mo等，強(qiáng)化合金馬氏體表3－3，圖3－14嚴(yán)格控制C、N和雜質(zhì)元素，p48～4918Ni馬氏體時效鋼，三個強(qiáng)度等級，Ti含量不同，p49高合金超強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼馬氏體時效鋼的熱處理及性能熱處理：固溶處理＋淬火＋時效Figure3－15，800C完全固溶？馬氏體時效鋼高強(qiáng)度的來源：p49冶煉工藝對馬氏體時效鋼力學(xué)性能的影響：P50，表3－4第六節(jié)軸承鋼滾動軸承的構(gòu)成：一般由內(nèi)套圈、外套圈、滾動體（滾珠、滾柱、滾錐或滾針）和保持架等部分組成。軸承鋼主要用來制造：軸承的內(nèi)外套圈及滾動體。滾動軸承的內(nèi)外套圈及滾動體都是在交變的接觸應(yīng)力下工作的，最大接觸應(yīng)力可達(dá)3000～5000MN/m2。軸承是在動力傳遞過程中起固定支撐作用的部件主軸接電動機(jī)接工作部件軸承自行車軸承鋼的性能要求一、性能要求：1、足夠高的抗壓強(qiáng)度和很高的抗接觸疲勞能力；2、高硬度和高耐磨性

滾軸鋼化學(xué)成份1、Wc=0.95—1.15%(太低，無足夠C化物耐磨不夠；太高，C化物分布不均，且易形成網(wǎng)狀C化物)2、主加元素：Cr①均勻細(xì)小分布的C化物,②固溶，↑淬透性，③提高耐腐蝕性

Cr過高，殘A量↑尺寸穩(wěn)定性↓，且↑C

化物不均勻性，↓鋼韌性及疲勞強(qiáng)度加Si、Mn等提高淬透性雜質(zhì)控制：鋼的質(zhì)量必須很高，P，S，O，N等雜質(zhì)都必須很低滾軸鋼組織要求嚴(yán)格控制非金屬夾雜物；p51，種類，來源，危害改善碳化物的不均勻性及消除，p51－52（網(wǎng)狀、帶狀和液析、粗大碳化物顆粒）可通過長時間高溫退火、控制軋制等方法消除碳化物不均勻性滾軸鋼使用狀態(tài)的組織：低溫回火M＋細(xì)小均勻的碳化物顆粒＋少量殘A（γ)軸承鋼的熱處理及常用鋼種軸承鋼經(jīng)正常的工藝規(guī)范進(jìn)行熱變形（如熱軋、熱鍛）后，得到的是細(xì)片珠光體組織，硬度較高，難于進(jìn)行機(jī)加工，故需進(jìn)行球化退火，降低硬度，改善其切削加工性，同時還能獲得均勻細(xì)粒狀的珠光體，為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。最終熱處理：淬火＋低溫回火預(yù)備處理：球化退火（80%馬氏體+10%殘A+10％C化物）常用鋼種：GCr15，C0.95—1.15%Cr1.3—1.65%左右

W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2高速鋼），做高溫軸承6－5－4－2高速鋼馬氏體＋碳化物顆粒，碳化物顆粒沿原奧氏體晶界分布6－5－4－2高速鋼return第七節(jié)滲碳鋼和氮化鋼滲碳鋼：主要用于制作齒輪，齒輪鋼性能要求：心部有高的屈服強(qiáng)度、高的彎曲疲勞性能等表面有高的接觸疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性1、齒面上嚙合點到齒根上，承受大小不同的、脈動的彎曲應(yīng)力。齒根應(yīng)力最大，可使齒輪產(chǎn)生彎曲疲勞破壞，即斷齒。2、接觸傳遞動力，接觸疲勞破壞3、兩齒面相對運動，摩擦力4、沖擊作用→強(qiáng)韌性齒輪的齒根斷裂齒面磨損滲碳鋼用低碳結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳(0.8～1.1%C)到低碳(0.10～0.25%C)連續(xù)過渡的化學(xué)成分。零件表面層具有高強(qiáng)度、高耐磨性;零件心部具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和較好的韌性。可用滲C鋼，低C鋼（合金）鋼滲C后進(jìn)行淬火+低溫回火，實現(xiàn)滲C鋼成分

1、心部：低C，或低C低合金C0.1—0.25％，

表面：高CWC>0.8

2、淬透性為使心部也得到強(qiáng)化，必須提高其淬透性，使在淬火時全部形成低碳馬氏體，進(jìn)行一定的合金化，加入Cr,Mn,Ni,B等元素。若在淬火時非馬氏體組織多（eg,F,P），會大大降低滲碳件的彎曲疲勞性能，強(qiáng)度。3、表層C化物形態(tài)：希望以彌散細(xì)小的粒狀C化物形式存在，Cr最好，W，

Mo,V等強(qiáng)C化物形成元素及非C化物形成元素使C化物呈Si長條，網(wǎng)狀分布。

4、合金元素對滲C鋼工藝性能的影響表層C濃度，滲C速度，滲C層厚度，p53figure3－17P53，readtogether①滲碳層的含碳量限制為0.8～1.1%C；②滲碳層的深度控制在0.6～2.0mm之內(nèi)滲碳鋼熱處理：

低C（低合金）+滲C工藝+淬火+低溫回火

心部：低C回火馬氏體，高強(qiáng)，高韌

表面：高C回火馬氏體，高硬，高耐磨性能：滲碳鋼滲碳結(jié)構(gòu)鋼按照鋼的淬透性分級：低淬性：15、20；活塞銷一定淬透性：20Cr、20MnV;齒輪、小軸中淬性：18CrMnTi、20CrMn；抗沖擊和耐磨的齒輪高淬透性：12CrNi3A、20Cr2Ni4A

大型齒輪（飛機(jī)、坦克齒輪）氮化鋼經(jīng)過氮化處理鋼的優(yōu)點：表面形成（Fe4N）和相（Fe3－2N）膜①氮化處理可明顯提高零件疲勞強(qiáng)度和耐磨性

Figure3－18合金元素對N化厚度和硬度的影響②氮化表面具有對水、油等介質(zhì)的耐腐蝕的能力很強(qiáng)；

③氮化處理后零件的變形量很小；

氮化處理的缺點：生產(chǎn)周期長，成本高。氮化鋼中的合金元素氮化鋼的成分：調(diào)質(zhì)鋼成分氮化鋼熱處理：先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，再進(jìn)行氮化處理（510～570C）回火索氏體，有良好的綜合機(jī)械性能，并且由于回火索氏體組織很穩(wěn)定，保證保證零件使用過程中尺寸穩(wěn)定性表面滲入氮原子后體積膨脹，在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，能抵消外力作用的張應(yīng)力，減少表面疲勞裂紋的產(chǎn)生。氮化處理后的性能表面硬度：

要求高耐磨性的零件，表面硬度高達(dá)HV900～1000；

僅要求高疲勞強(qiáng)度的零件，表面硬度可以為HV500～800。

心部硬度：

由于在氮化處理前零件經(jīng)受調(diào)質(zhì)處理，零件硬度為HV200～300，為回火索氏體組織，經(jīng)氮化處理后，心部還具有良好的綜合機(jī)械性能。

第八節(jié)其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼彈簧鋼彈簧的工作條件與性能要求：

彈簧作用：吸收沖擊能量，緩和振動和沖擊，比如：汽車拖拉機(jī)上的彈簧彈簧處于不斷吸收和釋放能量的過程，處于交變載荷下工作，失效形式：疲勞斷裂或由于塑性變形而失去彈簧作用性能要求：足夠的彈性變形能力①高的彈性極限，高的屈強(qiáng)比（σs/σb）；②高的疲勞極限，長期在沖擊或交變應(yīng)作用下不產(chǎn)生疲勞破壞③足夠的韌性，滿足成形需要彈簧鋼彈簧鋼的特點及常用鋼種

1、化學(xué)成份

碳素彈簧鋼：C：0.6—.09%

合金彈簧鋼：C：0.5—0.7%→主加元素，MnSi↑淬透性，固溶強(qiáng)化，Si不能單獨加入→輔加元素CrWVMo等，↑淬透性，細(xì)化晶粒，防止鋼過熱和脫C

2、最終熱處理：淬火+中溫回火→屈氏體組織，高彈性極限和疲勞極限

3、較高的冶金質(zhì)量要求，夾雜物引起應(yīng)力集中

4、高的表面質(zhì)量，表面脫碳、裂紋、斑疤，夾雜等，引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限

彈簧鋼常用彈簧鋼