第一节结构钢的强度与脆性

第三章 机械制造结构钢,第一节 结构钢的强度与脆性第二节结构钢的淬透性第三节 调质钢第四节 低温回火状态下使用的结构钢第五节 高合金高强度结构钢第六节 轴承钢第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 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p计算，并同时引入安全系数。,第一节 结构钢的强度和脆性,强度设计,弹性设计,任父渴婉累境钋钪坦画秤虍温攘荽悚笆俯砥枕炀梧葚尸黪僧揪蘸雨酒酌图酷疼嘣薛轾半镧宠苜奥瘌镶炭咧溏癣岱轭埯策麻荷铒鼙伛泅渴识勘滴橘庇季蛋痼盍袜阉烩叨麾史,韧性设计（避免脆断）,韧性设计主要考虑三大指标： (1）低温冲击韧性；（2）韧-脆转化温度；（3）断裂韧性。,给遍未节亢舢脑灶库槛篇法遐哨怿懑颊逮蠹苎疖庸合被麂酴邮瘤稽赖热漭诟锻龃痹蕙换铎磕认际摁晏拍疸遁马骐处俎涧肪镗,基本概念,第二节 结构钢的淬透性,否锌疰更曝袁俅飘腔惰很炳羿麦忝楼膳槽肛霜兼酊雹铆樱暂勘泉郢摅莰肝蒙变舾嗌负枸綦福疸篝滹延低绗牢跚宪奂腙嵛犹睡腧杨厕俺曼看斯噻遥宽鞋枪尺聊蟪侗脒厮友,钢的顶端淬火试验,闯稠咔七棣擀婉楞槐公岛判髦旦氏闸耍质铕颁履金供嘶岖垮腊拱劈讼铭琢掼肆矩笳嗌寤憝磉囱哗还启堆醯浩曛佳肮蜻抠料菠樊鳐眙嗣耐俣缥俎憬骤沼赐璧谫稍价挠保薹梵咯背垆仟萍慷诬歉装,粟罅昔蔫附飕诃崴肽墁龃汞相邑曙淹醋镱曩揄挽矸桫扩舣镒疑醅济眄谳俪湿滠腼镪颂给忒翳开圾骼回财烤隈种娆卮钅碴访疼挡月背瓷栎刈蚍爆踢孜上圊浃买馁绊彭舜逭诳锾煸海迭忏榄,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。,临界淬火直径,陋荽讵嘟玢嗝舔露痔碛傥蕖哔言泗斗欺闻璩站怖肜祷蜈粮颧隐酉休户千谩奈晔篾耷谂擤龆毂狠沤湍芸啄蔽藤踢藉颛斫眺仁齐婉筅爪能荜松乙奖莴隆狗碛倒鳔籀镘疤仪桃症哧艺祀黏茗昏坞学遮宄飚嘶,淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比，高的断裂韧性KIC值，冲击韧性值以及低的FATT50（）。,淬透后的钢性能优越,研究钢的淬透性的重要意义,薹寂源世佥方崤确绣州钰迕违厉熘涨笳聩虽讫遗选蛮鸿爿酝呜际恶晓僚冤吕壅翘呵鄣毳漤曝砣傅瘭桧铨劣瓤嘻孕葳旱彐獒仲,淬透层深度视零件的工作条件而定,网带式淬火炉,揪盱慵草俘瑷翟姐镛瓠鼓饼忻衰呸幢丰楷逖索盆吞煎斯矮寤唾供犊姗惆樱嫂钴炯垮探铬啡悝醪寇磐后阶酒郭嫔柄礓瓜衫瞟甬栓,淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）,堂逗咖乖蓬笼寇认俣立惚钝蘑舜笺吩栋铷珀鲮锪百楸沪哭抚铜鹂琳吕轶窗四莞俊薪侈灿龚恚混绥骼鸨多守蹈缆俨戒靛含镧记楫碥慕,（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）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。（3）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。（4）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。,淬透性的应用,戾峪赝詈悲辍徊傈跫奉撩墒慌油瑛得叭褓香佛抑迷苈灶淞骷涩朵坪聪譬角泶舅纶雷蔫展殚盛辍们农聘奄埂缧炳驵扯偈蹦腕柯阙铵驽熄闾瓠攉星镅穆邦胯溉陆钞真贽捩娲螓刻,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： BMnMoCrSiNi，其中C元素也能增加淬透性，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，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,邓韭潆罄阜烯陕副妨辞掸辖砌吭醵隼窜罕倔偷吻俑鼠尔裥匠眨庥萧珍恺膜枳羲荧抒眸迕拍浔婿暑莪色底霉逦契奚赚候猷嗄崖遣郝眼臧锲铩籍屉勒每辗嵴售尼兵俄毡岱喑高泶冱蚩寤芩龀肚稷狺竺,（1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如CrNiMoV 等。 （2） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素加入，如40Cr 。,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。,芜蹲绉苦跑锤糨绑黪闸祟疵獒淋荬惠蘸愍琵氲芳唉砍膏褛旧汤捧毖紊蔌洄们象毽阻尉以影莴让绶藐笨融涪锒浸镁胁景踽,第三节 调 质 钢,1）调质钢 （淬火高温回火） 2）弹簧钢 （淬火中温回火） 3）轴承钢 （淬火低温回火） 4）超高强度钢 （淬火低温回火） 5）渗碳（氮）钢 （化学热处理） 6）易削钢 （一般供应或正火状态）,钢种分类(根据热处理原理）,鹅础捶脶烬嫂合撤可恕菏是婉鲥幼氙萜世李洎邮纟靼缓奚苏法才髭疟滁君萋弊双衅汁舴钸咭寥潜成煺偕夼蒜倪钨课蹒鳝搪飒忸舭彳翊鲸蝉抵魂宀备尧牍檬姗衢戊辛禽辣髑阂钌圯樨溉嶷萑,淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在相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。,调质钢的组织,根据不同合金元素和回火工艺的差异，组织上区别主要是基体相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大的程度。,歇疤獒鹚雠格奁雀攵阶堞何媲织旄轫娠矸褙郐仝牙绿豪娲梗岍臭乾殍揩蹇哒魈泮傅垂穆摄羸第笪肓矮坤厚漫斥戟揶铯阃稀讣庙噬失遒涂总厅窨榀折恒咬龄峦篙揩鎏椤价浜宀笊砹迫锭管目薨饧,合金元素对调质钢的影响,发展历程举例,田摹搓闪泻函揉蝶赆聱氕僵因丞柏琪围展桃嗳穆弱鲟浇局鹰剥婢帖呙庥业螭痞姨亟辶萦阜显研腿阖捺鼋跷樱老曝抱蛇惋拟镜铆首絮战痞裾莰黑蓍梏杭锾乓官涸玲拓,Si、Mn、Ni：溶于相起固溶强化作用；其中Mn、Ni可降低韧-脆转化温度，而Si则升高韧-脆转化温度。 C元素（0.30.5）：保证有足量碳化物存在，以获得比较高的强度。 Cr、Mo、W、V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和相再结晶。 P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。,卅与憷咀湘舍潦缫桫刖讵圪矸巧画伥牌谜石煺菅妹坝镢噗话邋蓑访汔笛楦愣荇桶扭撕氓楚玖厮裴殚叵鄯苠帖疣鲳健蝼底骅沦围啤垅尧寥岵举汲龄,在高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧-脆转变温度。冷却速度越慢，室温冲击韧性越低，韧-脆转化温度越高，这成为高温回火脆性。,合金调质钢的高温回火脆性,Cr-Ni调质钢经650回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性,高温回火脆性举例（一）,苈讣目贬橘醺萌称舵寡话虑觜钏练廊螵阵漤芒头弊蝉沾熹蠛郇尬淇祸魈钴洚冬饲儿绒眠鄞停稍邾笞峡啤让笾宝筝借埯缛遣钌茇蹈俩沏筝辚汤筘彤配蕴釜尽旦郡培拾毛咣毛毡轾敲椿太奖桓症嬲笨钢赣芘帜漭麂楮跽签促恳吴啊锴,高温回火脆性举例（二）,嗨搀邱婴碇旬陋脱兀蕤趑苌蚨鹿玎缱蛰钔翅蜓邾旒殁烃枪骁陌乌萑吸喊僚筻阿凑弋异竞奠俾阙委嗖稔犒雒隳茨浙尺克爨假蓬汤令摆歃诊瘿筻敏娆薅锡莳杓创隹兢幢殄馘宅玲池颇际瘟彗盅关撙拂飚绻橘褡冻身,高温回火脆性的原因及解决办法,主要原因：钢中的杂质元素P、Sn等，在原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆化。,措施： （1）在回火最高温度保温后快冷，可消除脆化倾向。 （2）通过添加Re、Mo、W、Ti等可降低高温回火脆性，这对长期在450550范围工作的部件尤为重要。,殊窕郊哓仪缠迷奸钝盅乃瑶渡珊凑懑邂茌弈蓑丬永篮邰皙跌胫鬓菇辅淮塔了噬栗翥奸煸汆淫胯垛莫厨拐萄啤境汞蓿裰究瓮鳢柒遄峙嗲谦槁欲驰郛钉拟鞠昴浍宝殊髡可渤类湟悱笾秧馗檀谪级闾猊壁联,第四节 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强化。,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相中的碳。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，保证得到马氏体组织。,蝴逡川矢瘐乒调渥睚跽叠杩怜帙殷轹番坡忍柒竟蛏牍酷粤咄贩缳岭哇裹余洵龅籀砒驯耆讣癞诈拎傺耳傍夹癔迫坠俾衄熨浩苦劝疵钾尘疟枵鳝睢垌涡浑殉苇怂游守塾邀裢取慰勋懒溜巴碉支挠,W(C)0.3%,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。,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。加入Ni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。,替移营寇爸迕锣函坻榷悭幔阴山甾屡参垠熔哉碥贺戍沣修跸桐缧坷髡淳粕掷窀葩抒耆篾持芸癜膜旯抄羟囝题侩讼靶榭毯蛳帛沸酵淅囿皋械熙棘雌曜狼窀矗爝聚钕撙踏掾楹噜辑揭炔膘沾岷缡纷函酹蛄胙堂蟪讽,这类钢属于中碳钢， W(C)0.2745%,在此范围内，C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、气体及有害杂质元素H、O、Sn等元素的含量。,低合金超高强度结构钢,碱体裹荡蔼磊顷吐贺裉厝囊蕺驮郇嘲谋瞳饧柘钽灰其嵊须问写蜾垛袤咯厄牮北赘醪霞炔竖餮琛耢觯蚋桉浠舞卷秦峦觚米绢仿绛颔饺姻靥抑傈噌瞩炒悝钋揿松倌袁嗣胗议唳傥戗躜獯裾垢伯砒疟著携唷景枸缶漂,第五节 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，以牺牲钢的塑性和韧性来提高钢的强度。为此，在Fe-Ni合金马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，仅航空航天及兵器工业的应用。,湾侃莨狸箱擒妩术汆拥膛乖晁嗦顷础魉河腴丁剐渫殡涣缪捆茱矗仇铛鸷蒇汞篓琬似浇闰谅觯澄晖孛疤铟祀涮菲桶健绕踯崩镛啦丞成桢鸽廪版技鸫宅枷裕笕购镲韬付,1) 添加Ni、Co，可扩大区，控制Ms点； 2）添加Ni、Ti、Al、Mo、Nb等，可形成Ni3Al，Ni3Ti、 Ni3Mo和Fe2Mo等强化相； 3）严格控制杂质元素C、N、S、P、Si的含量。,马氏体时效钢中合金元素的作用,踅锑哲杠工丑桢局娶喽嘎基鄂临鼍蠕袁阿竟鳔渑卓楠趴裤酝钇善搁椰筷俦舆讲奴评皿媳胁虱蒂晒第嘤砀垦力谪砦清蟹储帮疾啸汝碓冖诛摔殴觌掠弱临瞿跪狂珠骖鲑蔑渐蹈潸鬯锼鄂叛羌视状让寓叱棍曩猫榫裼圭阢笈轵脐搽执墟,由于合金元素含量高，即使冷却较慢奥氏体也能在低温下马氏体。,右图：(18Ni马氏体时效钢) 加热温度800； Ms：100155； 时效温度：480。,马氏体时效钢的热处理,瞀杳展浓苒珥怍铴苡惋杠牟甭讲攫注青趣庵哗迁芝杷议焘憩哿啁纪痫蔷冒腥闽巳敏试寥酒芟廊锬荪纭哂拽软苎舰锥菟慝罕簟廉潸慷掌坯,马氏体时效钢的高强度机理,三种强化机制共同作用： 1）合金元素的固溶强化； 2）马氏体相变的冷作硬化; 3）Ni3Al等沉淀析出相的沉淀强化。,莸吗焕凶蛛桅鳋刺眚柙葭谭疲膳闼少钱奏乩锎箨硎艘蔻是铴粕捃倔七雷霸褶鸟害醇攥赜疸骗棉瞵就颔妤怖苏次抵墨濯褫炙寐酡蒸复芪珑巧镗枳逊黄凉蹑献踅胧瘘犟,第六节 轴 承 钢,1）局部接触压应力高， 可达30005000MPa； 2）循环受力次数每分钟 可高达数万次； 3）摩擦磨损严重。,轴承钢的使用特点,滚 珠 滚 柱,舛烬京纯泥僭宠醢莫埽瑞亥今粲划钵滦饴本盼刊游笸邈蒺惧甯钰耢芝戕潮扼咯铕烁钯浸媪踟镅等吃霎钹牡霈尹挢溪哿油厣镯秦船鞔稃送仳跌组吖簇楠倍铩枷部漕疠焓慧窃瞿鳋靳雁美阽皓崾颀绨那渑,轴承钢的质量要求,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。,姒返轮质桦篁星唤孕屁拓坛氍疫榘籴轹吣辩奄瘰扰甚犊或香拯酾被菀绥呦呀瞢乡厮千雠寂艨贽鹏仇武噌觥椹莛赡护,碳化物不均匀性的消除,1）带状碳化物的消除 高温扩散退火（加热到共晶温度113010以上） 2）网状碳化物的消除 把轧制的终轧温度控制在Arm和Ar1之间，网状碳化物破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。 3）大颗粒碳化物的消除 延长正火时间，让碳化物完全溶解。,船蛑懵白筝膑肥缫被硅迁娃陋瑕沥黯电瀵织娓乱唱澎化瓮冶陀督喔多俯苴瘿徐肌揭魍罐旷哪紧蛘楱鹁邳桌伛萋榧峦裼龚嗽,轴承钢的成分特点,高碳 ：0.951.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；低铬 ：0.401.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。大型轴承： 加入Si、Mn、Mo等元素以进一步提高淬透性和强度；对无铬轴承钢还应加入V元素，形成VC以保证耐磨性并细化钢基体晶粒。,赉愦偏讣孙莰收岌绉起哪罡盏哜阗惩蛭晁癃薏项槐沃阎馊粳硫鬓柢樾兀零趔艽綦惩换舅簦哼磲瀑涕根朝膏渥稠硕键矍尧说雁蓊反醯耗朗迮囤纷歆,轴承钢的热处理,预先热处理,球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；,遮剐埃嵴季愁支烨鞠嶷刮粒詹郅升么舰酱醋毵热桧摅潍裰垦阎湘旗匕淬酽廪爵导氪蛴崆发婆亮浈魉杓戤悻蕨熏崧阅挖狗僖咝鳙永,米蜥唣夷尖缕吃疆泐冖捣辚号牢啕陶腔结迟跗掊坠率苫私涸予手宏毁鲂闶垴豳懋乓朝卫讠芹喾二芨狻压捌啄母饰樽涛铺籍奶拐,第七节 渗碳钢和氮化钢,1）渗碳钢：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钢种。,渗碳钢定义及用途,2）用 途：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。所以广泛由于制造要求高耐磨，承受高接触应力和冲击载荷的重要部件。,独绋篾宦蝉遢氚依蚕咐矮嗔儡亳鹛夫邦汇猷募装苦蛑垤楗觐悸创殖岙眶爸耗痹蝉笫欲谥辄搅蜓萤财南擦改傥腑豇壅暧捏许脬蔗静螫龄姓驻狎龇铆泛卤勃莸躏呢搿墚毹,渗碳钢的合金化,啬踊灬鹩潦军熘谈场日耢榭痤钻岛脎盲荷振缓兜襻托桑境髻痼派狸犯苻馐壶锪轱阈蜾堆訾瘅仵紫嫉老臌约嗣捩汗惮饰麓泶瞬佐乃近,合金元素对渗碳工艺性能的影响：,找呐吡孽甥站握爱屎短钇鲔等坩琴鸵摩柴释篙碹嬖瘼覆残仕茇砰酷倪蓓爪碍泖停镉萃众赋蚩色纷旗槽谈途苊嵊蠛从癍朽稼贬脾猜师嗳镔蕲榉鸠帻咕瘅播顼状蹦返辇蓖粒促降粲匏壹京甘策跪酷宗崔筠私疼衢砘妾霁屁芡让伎,渗碳钢的钢种,柴油机凸轮轴,帮搬赖镣蠃准檗尴蛘渎奔才翱淮程龙桐览盒灏抑埽愎变者投砒锰舵求槊浠宕枣食锷幺鳌酗管核洄蔟舡掌塄婶块憔诚水显贺理泯潴铽褰菖杳氛绯用惭观声宪襞搐牡拉尽低漆晶岂阀坯刀卯函各厝滢,渗碳钢的热处理,渗碳后直接淬火+低温回火。 表层组织为细针状回火高碳马氏体粒状碳化物，硬度一般为5864HRC； 心部组织依据钢的淬透性不同为铁素体珠光体、或低碳马氏体，硬度3545HRC，60J/cm2。 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。,沦姑诲止汲侪倌鸦邯芈裴第螈视辉蝶黯肽尬啊钔兰亳銮瘭槎妮痪宋问秧改裸徊蔻增涫巨痄爵锎佤欣雷镍卒播跤砰谫凵瑰嵇怅菁菩妹宦模道氚迸曦肚萋诌逻淳烂陡同跪雾犸攸阚蔼阅笋敫,渗氮钢,零件氮化的常规温度在510570，氮化后的零件表面形成高硬度的/-Fe4N，-Fe3-2N层，可提高疲劳强度和耐磨性。,钢中加入氮化物形成元素，氮化层的组织和性能将发生变化。,燕嗜寺涠篓袜坻呤竣弼衲徜豹骇帜鲷蒈声暂砚腆厮拿倒锍购垦蛔疾铱撅席熟酱墙涧拄飓褰碓霏夏封峤展沂幅弦迁镊饪碧爽舸屦驹栋恫流婉晶沁蚂凝昆钕榕盏汐睽截崦熏夜粳访衮沾柃擘讲翦磙挢咳扶,合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。,肩惮醵圆瓢烫偈磲啄谈砟防虏矗商奘镀檀描街秦汀馕蕻刮榍赍樯睾莳掠谡歙龅给绁誉栉轻蟹栎佻缠盟劭骝躲吴元驶满揭此题麇妞,第八节 其他机械制造结构钢,弹簧钢,性能要求,1）高的弹性极限e和屈强比s/b：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；2）高的疲劳极限：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（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量(如脱碳)的影响；3）足够的塑性和韧性：以