第三章机器零件用钢

1、第三章第三章 机器零件用钢机器零件用钢 简介简介 u用途：用途：轴类、齿轮、弹簧、紧固件等。轴类、齿轮、弹簧、紧固件等。 u分类：分类：调质钢、低碳马氏体钢、超高强调质钢、低碳马氏体钢、超高强 度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、 轴承钢和易削钢等。轴承钢和易削钢等。 u工作条件：工作条件：主要承受拉、压、弯、扭、主要承受拉、压、弯、扭、 冲击、疲劳等应力，而且通常承受几种冲击、疲劳等应力，而且通常承受几种 载荷同时作用。载荷同时作用。 3.1 机器零件用钢的性能要求机器零件用钢的性能要求 一、典型机械零件的服役条件、失效方法及对性能的要求一、典型机械零件的服役

2、条件、失效方法及对性能的要求 机械零件的服役条件决定了零件的使用条件及对材料性能机械零件的服役条件决定了零件的使用条件及对材料性能 的要求。（见的要求。（见P89表表3-1） 二、成分及热处理对性能的保证二、成分及热处理对性能的保证 成成 分分 热热 处处 理理 钢的含碳量；钢的合金化钢的含碳量；钢的合金化 钢的淬火和淬火后的回火工艺钢的淬火和淬火后的回火工艺 1 1、机器零件用钢合金化特点、机器零件用钢合金化特点 机械零件用钢一般为亚共析钢，机械零件用钢一般为亚共析钢，钢中合金元素钢中合金元素 总质量分数一般小于总质量分数一般小于5%5%，少数为，少数为5%10%5%10%，也就是，也就是

3、说大部分机器零件用钢为低合金钢和中合金钢，说大部分机器零件用钢为低合金钢和中合金钢， 钢的质量也为优质钢或者高级优质钢。钢的质量也为优质钢或者高级优质钢。 合金元素的主要作用可以归纳为：合金元素的主要作用可以归纳为： 提高钢的淬透性提高钢的淬透性 降低钢的过热敏感性降低钢的过热敏感性 提高钢的耐回火性提高钢的耐回火性 消除回火脆性消除回火脆性 主加主加 元素元素 Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：主要作用：淬透性和力学性能。淬透性和力学性能。 辅加辅加 元素元素 Mo、W、V等等 过热敏感性，过热敏感性，回脆，回脆，淬透性。淬透性。 最佳最佳 范围范围 获得最佳性能获得最佳性能称为称为极限合

4、金化理论极限合金化理论 结构钢常用范围为：结构钢常用范围为：1.2%Si, 2%Mn， 12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。或是单独加入，或是复合加入。 钢中加入的合金元素如下钢中加入的合金元素如下 6 辨辨 证证 思思 维维 由于不同机器零件的服役条件和失效方由于不同机器零件的服役条件和失效方 式不同，主要的设计依据和失效判据也不式不同，主要的设计依据和失效判据也不 同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理 工艺。工艺。 应该明确应该明确: : 一般情况下，某零件制造的材料并不是

5、一般情况下，某零件制造的材料并不是 唯一的；唯一的； 某一种钢采用不同的热处理工艺可以制某一种钢采用不同的热处理工艺可以制 造不同类型的零件；造不同类型的零件； 某一零件用某一材料制造，其热处理工某一零件用某一材料制造，其热处理工 艺方法也可能是多种的。艺方法也可能是多种的。 2 2、机器零件用钢含碳量和回火温度、机器零件用钢含碳量和回火温度 低碳和中碳（合金）钢淬火后，随着回火温度的升高，其低碳和中碳（合金）钢淬火后，随着回火温度的升高，其 一般规律是强度减低，而塑韧性提高一般规律是强度减低，而塑韧性提高(P91图图3-1）。）。 低碳合金钢低碳合金钢的特点的特点 含碳量很低脆性较低而塑性韧

6、性足够高含碳量很低脆性较低而塑性韧性足够高 组织组织 位错型板条马氏体位错型板条马氏体+ +板条相界残余奥氏体板条相界残余奥氏体 + +自回火析出的碳化物。自回火析出的碳化物。 在低于在低于250250回火时，由于消除了内应力，弥散析回火时，由于消除了内应力，弥散析 出的碳化物增多以及板条相界残留奥氏体保持不出的碳化物增多以及板条相界残留奥氏体保持不 变，使塑性，韧性都有明显提高，这就得到了一变，使塑性，韧性都有明显提高，这就得到了一 个高的综合力学性能。个高的综合力学性能。 碳含量碳含量 碳含量碳含量 中碳合金钢中碳合金钢的特点的特点 含碳量较高，塑性韧性较低含碳量较高，塑性韧性较低 组织组

7、织位错和孪晶马氏体混合组织位错和孪晶马氏体混合组织 在低温回火时（在低温回火时（200-250），虽然强度很高，但是塑韧），虽然强度很高，但是塑韧 性较低（一般不建议在此温度回火），这类钢通常在性较低（一般不建议在此温度回火），这类钢通常在 550-600进行回火，得到回火索氏体组织，与低碳进行回火，得到回火索氏体组织，与低碳M组组 织相类似。织相类似。 高碳合金钢高碳合金钢的特点的特点 含碳量介于中碳和高碳之间，脆性较大含碳量介于中碳和高碳之间，脆性较大 组织组织一般为回火托氏体组织一般为回火托氏体组织 在在300回火时，由于未能消除淬火内应力和高碳马氏体本回火时，由于未能消除淬火内应力和高

8、碳马氏体本 身固有的脆性，所以呈现出脆性断裂；大约在身固有的脆性，所以呈现出脆性断裂；大约在350回火时，回火时， 呈现出最大的弹性极限和屈服极限，其显微组织为回火索氏呈现出最大的弹性极限和屈服极限，其显微组织为回火索氏 体。体。 碳含量碳含量 结论：结论：对于一种机械零件，根据其服役条件和性能要求，对于一种机械零件，根据其服役条件和性能要求， 可以在不同的含碳量和不同的热处理工艺方法之间进行可以在不同的含碳量和不同的热处理工艺方法之间进行 选择。选择。 结构钢碳含量、热处理工艺及应用的选择（补充了解）结构钢碳含量、热处理工艺及应用的选择（补充了解） 1、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途

9、径为：、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途径为： 低碳马氏体型结构钢，采用淬火低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。低温回火。 为为耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类 为代表为代表. 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温高温 回火。为回火。为耐磨性，可进行渗氮处理或高耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加频感应加 热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。 2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选 择中碳钢，采用低温回火

10、工艺。如低合金中碳马氏体择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体 钢。农业机械较多钢。农业机械较多. 3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高 的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹 簧钢。簧钢。 4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一 定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火。如轴低温回火。如轴 承钢。承钢。 3.2 常用机械零件用钢常用机械零件用钢 用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种用

11、途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种 重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、 螺栓等。螺栓等。 汽车万向节汽车万向节 齿轮齿轮 连杆连杆 曲轴曲轴 轴、杆、齿轮、弹簧等零件轴、杆、齿轮、弹簧等零件 疲劳、冲击等疲劳、冲击等 满足条件的主要性能指标：疲劳强度满足条件的主要性能指标：疲劳强度S、抗拉、抗拉 强度强度Rm、吸收能量、吸收能量KV、断裂韧度、断裂韧度KIc 调制钢、弹簧钢调制钢、弹簧钢 、轴承钢、低碳马氏体钢、轴承钢、低碳马氏体钢、 超高强度钢等超高强度钢等 作用：传动力矩作用：传动力矩 受力：主要承受交变扭转、

12、弯曲力；一定的冲击力；配合处摩受力：主要承受交变扭转、弯曲力；一定的冲击力；配合处摩 擦力。擦力。 一、调制钢一、调制钢 1工作条件（以轴类零件为例）工作条件（以轴类零件为例） (1)磨损：花键处，由于硬度低，耐磨性差造成的。磨损：花键处，由于硬度低，耐磨性差造成的。 (2)疲劳断裂：弯曲疲劳、扭转疲劳疲劳断裂：弯曲疲劳、扭转疲劳 2失效方式失效方式 结构钢经过淬火结构钢经过淬火+ +高温回火后具有良好的综合力学性能，较高高温回火后具有良好的综合力学性能，较高 的强韧性。适于这种热处理的钢叫做调制钢，是机械零件中使的强韧性。适于这种热处理的钢叫做调制钢，是机械零件中使 用量最大的一类钢。用量最

13、大的一类钢。 （1）高强度，尤其是高的疲劳强度；）高强度，尤其是高的疲劳强度； （2）高硬度、高耐磨性；）高硬度、高耐磨性； （3）塑性韧性好；）塑性韧性好； （4）良好的综合力学性能即强韧性的良好配合）良好的综合力学性能即强韧性的良好配合。 （5）足够的淬透性，依靠合金化）足够的淬透性，依靠合金化Cr、Mn、Ni、Si等。等。 （6）防止第二类回火脆，可加入）防止第二类回火脆，可加入Mo和和W，也可以快速冷却、，也可以快速冷却、 细化晶粒、避开脆性区。细化晶粒、避开脆性区。 （7）良好的加工性能即锻、铸、热处理及切削加工性。）良好的加工性能即锻、铸、热处理及切削加工性。 3力学和工艺性能要求

14、力学和工艺性能要求 调质钢的组织特点调质钢的组织特点 回火回火托氏体或者托氏体或者索氏体组织特点：索氏体组织特点： 强化相为弥散均匀分布的粒状碳化物，可以保证强化相为弥散均匀分布的粒状碳化物，可以保证 具有较高的塑变抗力和疲劳强度；组织均匀性好，具有较高的塑变抗力和疲劳强度；组织均匀性好， 减小了裂纹形成的可能性，所以具有良好的塑性减小了裂纹形成的可能性，所以具有良好的塑性 和韧性；基体铁素体是从淬火和韧性；基体铁素体是从淬火M而来的，其晶粒而来的，其晶粒 细小，使钢的冷脆倾向减小。细小，使钢的冷脆倾向减小。 调制钢的含碳量在中碳范围内，调制处理后的组织为调制钢的含碳量在中碳范围内，调制处理后

15、的组织为 在铁素体机体上分布有细小碳化物的回火托氏体或者回火在铁素体机体上分布有细小碳化物的回火托氏体或者回火 索氏体。索氏体。 0.250.45%C的合金钢经调的合金钢经调 质后室温性能变化质后室温性能变化 屈服强度相同的碳钢和合屈服强度相同的碳钢和合 金结构钢断面收缩率变化金结构钢断面收缩率变化 Z A 淬透性原则淬透性原则 调制钢所具有的综合力学性能，首先要求有足够的淬透性。调制钢所具有的综合力学性能，首先要求有足够的淬透性。 碳主要作用起强化作用；合金元素不仅可以改善淬透性同时碳主要作用起强化作用；合金元素不仅可以改善淬透性同时 还可以改善回火索氏体的韧性。还可以改善回火索氏体的韧性。

16、 1、调质钢的化金化与性能特点、调质钢的化金化与性能特点 含碳量在含碳量在0.250.45%。常用合金元素作用：。常用合金元素作用： Mn：淬透性，但淬透性，但过热倾向，过热倾向，回脆倾向；回脆倾向； Cr：淬透性，淬透性，回稳性，但回稳性，但回脆倾向；回脆倾向； Ni:基体韧度，基体韧度， Ni-Cr复合复合淬透性，淬透性，回脆回脆 ； Mo：淬透性，淬透性，回稳性，细晶，回稳性，细晶，回脆倾向；回脆倾向； V：有效细晶，：有效细晶，(淬透性淬透性) ，过热敏感性。过热敏感性。 在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。分级的。 DC为油淬临界

17、直径为油淬临界直径 低淬透性低淬透性合金钢合金钢: DC 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 3 3、调质钢强韧化工艺的发展、调质钢强韧化工艺的发展 正确正确 认识认识 性能性能 指标指标 AK是一次大能量冲击性能指标，是一次大能量冲击性能指标， 小能量多冲小能量多冲条件下工作的，很难正确条件下工作的，很难正确 反映。有些重要零件应以断裂韧度反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC 来衡量。来衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性由于服役条件差异，钢最佳综合性 能也不一定都是高温回火态

18、好。零件能也不一定都是高温回火态好。零件 在承受冲击能量大时，钢强度应低些，在承受冲击能量大时，钢强度应低些， 塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时，塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。强度应高些。以达最佳配合。 综合综合 强化强化 工艺工艺 如复合热处理，即热处理强化、表面如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了命提高了5050倍倍 冷变冷变 形形 锻造锻造 余热余热 淬火淬火 如滚压、喷丸等如滚压、喷丸等冷变形冷变形方法

19、的效果也比方法的效果也比 较好较好, , 能提高零件寿命能提高零件寿命 既能节约能源、简化工序，又能细化组既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆，织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺已普遍采用锻造余热淬火工艺 2 2热处理特点热处理特点 （1）预备热处理）预备热处理 根据合金元素的种类和组织特点不同，根据合金元素的种类和组织特点不同， 调质钢可以通过退火、正火或者正火调质钢可以通过退火、正火或者正火 +高温回火进行处理。高温回火进行处理。 （2）最终热处理（调质处理）最终热处理（调质处理） 淬火淬火+高温回火。高温回火。 合金调质钢的

20、最终性能决定于回火温度。一般采用合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500 650 回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第 二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。 40Cr (直径直径D=12mm, 油淬油淬) 常用调质钢的性能特点及应用（了解）常用调质钢的性能特点及应用（了解） 1 1M M钢、钢、M-BM-B钢：强度高，淬透性强；钢：强度高，淬透性强； 2 2CrCr钢钢 、Cr-MoCr-Mo、Cr-MnCr-Mn、Cr-VCr-V钢

21、：钢： 3 3Cr-NiCr-Ni、Cr-Ni-MoCr-Ni-Mo钢：钢： 例题例题 40Cr40Cr钢连杆螺栓的热处理工艺设计钢连杆螺栓的热处理工艺设计 服役条件：服役条件：承受从冲击性和周期性的拉应力和装配时的承受从冲击性和周期性的拉应力和装配时的 预应力；预应力； 性能要求：性能要求：足够的强度、冲击韧性和疲劳性能足够的强度、冲击韧性和疲劳性能 工艺路线：工艺路线：下料下料- -锻造锻造- -退火（或正火）退火（或正火）- -机加工（粗加机加工（粗加 工）工）- -调质调质- -机加工（精加工）机加工（精加工）- -装配装配 二、弹簧钢二、弹簧钢 用途：用于制造各种弹性元件或有类似性能

22、要求的零件用途：用于制造各种弹性元件或有类似性能要求的零件，特别特别 是各种弹簧，如螺旋弹簧、板簧等，是一种专用结构钢。是各种弹簧，如螺旋弹簧、板簧等，是一种专用结构钢。 弹簧钢的分类：弹簧钢的分类： 热成型弹簧钢热成型弹簧钢 冷成型弹簧钢冷成型弹簧钢 拉力弹簧拉力弹簧 蝶形弹簧蝶形弹簧 汽车板簧汽车板簧 离合器弹簧离合器弹簧 26 弹簧功能弹簧功能储能减振储能减振 弹簧类型弹簧类型 板簧，螺簧；板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等压簧、拉簧和扭簧等 一弹簧的条件、失效方式、性能要求一弹簧的条件、失效方式、性能要求 典型的螺旋弹簧及板簧典型的螺旋弹簧及板簧 压缩螺簧压缩螺簧拉伸螺簧拉伸螺簧 扭转螺

23、簧扭转螺簧 单板弹簧单板弹簧 椭圆板簧椭圆板簧 叠形板簧叠形板簧 板簧板簧弯曲载荷弯曲载荷 螺簧螺簧扭转应力扭转应力 疲劳破坏疲劳破坏 弹性减退弹性减退 1)1)力学性能：力学性能：高的高的ss、ee、s/bs/b、-1-1，足够的，足够的 韧性及塑性；韧性及塑性； 2)2)工艺性能工艺性能 （1 1）淬透性要高；）淬透性要高； （2 2）过热敏感性要低；）过热敏感性要低； （3 3）氧化、脱碳倾向小；（）氧化、脱碳倾向小；（4 4）成型性好。）成型性好。 1 1、性能要求、性能要求 二、对弹簧钢力学性能和工艺性能的基本要求二、对弹簧钢力学性能和工艺性能的基本要求 29 2 2、冶金质量及表面

24、状态、冶金质量及表面状态 弹簧钢应有较好的冶金质量和组织均匀性，弹簧钢应有较好的冶金质量和组织均匀性， 要严格控制要严格控制 材料的内部缺陷。由于弹簧工作时，表面承受的应力最大，材料的内部缺陷。由于弹簧工作时，表面承受的应力最大， 所以弹簧应具有良好的表面质量所以弹簧应具有良好的表面质量 不允许有裂纹、夹杂、折不允许有裂纹、夹杂、折 叠、严重脱碳等，这些表面会成为应力高度集中的地方和叠、严重脱碳等，这些表面会成为应力高度集中的地方和 疲劳裂纹源，显著地降低弹簧的疲劳强度。疲劳裂纹源，显著地降低弹簧的疲劳强度。 三弹簧钢的化学成分及热处理特点三弹簧钢的化学成分及热处理特点 1化学成分化学成分 碳

25、素弹簧钢：碳素弹簧钢：C：0.6-0.9% 合金弹簧钢：合金弹簧钢：C：0.5-0.7% 主加合金元素：主加合金元素：Si、Mn、Cr； 辅加合金元素：辅加合金元素：Mo、V、Nb、B。 合金元素有作用：合金元素有作用： 提高淬透性：提高淬透性：Si、Mn、Cr，（，（B）；）； 提高回火稳定性：提高回火稳定性：Si、Mn、Cr； 细化晶粒：细化晶粒：Mo、V、Nb； 提高提高s、e、s/b：Si、Mn； 65Mn钢钢：Mn含量含量0.90%-1.20%，优质碳素结构钢，淬透，优质碳素结构钢，淬透 性好，强度较高，但有脱碳敏感性、过热倾向和回火脆性，性好，强度较高，但有脱碳敏感性、过热倾向和回

26、火脆性， 淬火时易开裂。淬火时易开裂。 55Si2Mn、60Si2Mn: Si、Mn复合复合,强化强化F,e， s/b可达到可达到0.80.9； Si / Mn 淬透性，淬透性，Ms不过分不过分,开裂倾向小开裂倾向小; Si有效有效回稳性回稳性, 但但脱脱C倾向倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小。复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小。 四常用弹簧钢四常用弹簧钢 常用硅锰板簧钢有常用硅锰板簧钢有65Mn钢、钢、60Si2Mn 、 55Si2Mn等等 32 50CrVA : Cr 、V均均回稳性回稳性, 韧性好；韧性好； V 细化晶粒细化晶粒, 过热敏感性过热敏感性; 含含

27、Si，脱，脱C敏感性敏感性, 热处理不易脱热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及常用于受应力高的螺旋弹簧及60HRC； 2)高接触疲劳强度高接触疲劳强度以免过早失效以免过早失效 3)高的弹性极限高的弹性极限和和保证材质、组织；保证材质、组织； 4)一定的韧性一定的韧性承受冲击，以免碎裂；承受冲击，以免碎裂； 5)尺寸稳定尺寸稳定性好性好保证精度；保证精度； 6)一定耐蚀性一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。大气、润滑油腐蚀。 7)具有良好的具有良好的冷热加工性能冷热加工性能 关键因素关键因素 化学成分、冶金质量和加工工艺化学成分、冶金质量和加工工艺 3、冶金质量、冶金质量 冶金冶金 质量质量 要

28、求要求 纯净纯净非金属夹杂物要少，按化学非金属夹杂物要少，按化学 成分分：成分分：简单氧化物（如简单氧化物（如A12O3）；）； 复杂氧化物（复杂氧化物（MnO.Al2O3） 硅酸盐和硅酸盐玻璃；硅酸盐和硅酸盐玻璃；硫化物（硫化物（MnS） 接触面小接触面小应力集中大应力集中大 易产生裂纹易产生裂纹材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀 轴承钢由于冶金质量缺陷造成的失效占总失效的轴承钢由于冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65%， 主要指主要指非金属夹杂非金属夹杂和和碳化物不均匀性碳化物不均匀性所造成的冶金缺所造成的冶金缺 陷。陷。 非金属夹杂按金相形态（热变形能力）可分为：非金属夹杂按金相形态（

29、热变形能力）可分为： 脆性夹杂脆性夹杂：Al2O3，尖晶石，沿轧制方向排列，呈点链状，尖晶石，沿轧制方向排列，呈点链状 分布；分布； 塑性夹杂塑性夹杂：MnS和和Fe-Mn硅酸盐：，在热变形中有良好的硅酸盐：，在热变形中有良好的 塑性；塑性； 球状不变形夹杂物球状不变形夹杂物：主要是钙的铝酸盐；：主要是钙的铝酸盐； 半塑性夹杂物半塑性夹杂物：复相铝酸盐，含有：复相铝酸盐，含有Al2O3或者尖晶石氧化或者尖晶石氧化 物，轧后成纺锤状。物，轧后成纺锤状。 轴承的接触疲劳寿命随着钢中氧化物级别的增加而降低，轴承的接触疲劳寿命随着钢中氧化物级别的增加而降低， 对轴承钢的对轴承钢的危害程度危害程度按照刚

30、玉、尖晶石、球状不变形夹杂、按照刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、 半塑性铝硅酸盐、塑性铝硅酸盐、硫化物依次半塑性铝硅酸盐、塑性铝硅酸盐、硫化物依次递减递减。 失效形式失效形式：应力集中：应力集中 42 组组 织织 均均 匀匀 碳化物细小均布。主要有三类碳化物细小均布。主要有三类K K： K K液析液析 结晶时枝晶偏析而存在结晶时枝晶偏析而存在 高温扩散退火，不允许液析严重；高温扩散退火，不允许液析严重； 带状带状K K 轧制时二次碳化物偏析轧制时二次碳化物偏析 高温扩散退火；高温扩散退火； 网状网状K K冷却时在晶界析出冷却时在晶界析出正火正火 氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响氧化物夹杂数量

31、对轴承钢疲劳寿命的影响 常用轴承钢常用轴承钢 (1) 铬轴承钢铬轴承钢 最常用的是最常用的是GCr15 (2) 添加添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢的轴承钢 ，如，如GCr15SiMn、 GCr15SiMnMoV等。为了节铬等。为了节铬, 加入加入Mo、V可得到无铬轴可得到无铬轴 承钢承钢, 如如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能与等，其性能与GCr15 相近。相近。 (3)对于工作温度高于对于工作温度高于250（航空发动机工作温度可达（航空发动机工作温度可达380） 的轴承，温度升高使材料的硬度、耐磨性显著下降，因此的轴承，温度升高使材料的硬度、耐磨性显著下降，因此 必须采用高

32、温轴承钢，如必须采用高温轴承钢，如Cr4Mo4V、W6Mo5Cr4V2、 Cr14Mo4V、9Cr18Mo等，因有等，因有W、Mo、Cr、V强强K形成形成 元素，淬火后元素，淬火后M具有良好的回火稳定性，并具有二次硬化具有良好的回火稳定性，并具有二次硬化 现象，高温下可保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳现象，高温下可保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳 强度。强度。 (4)对于要求耐蚀的轴承，可采用不锈钢制造，对于要求耐蚀的轴承，可采用不锈钢制造，9Cr18、 9Cr18Mo等。等。 4、热处理、热处理 特点特点 球化退火球化退火为最终淬火作组织准备，同时为机加工做为最终淬火作组织准备，同时

33、为机加工做 准备。准备。 退火加热温度一般为退火加热温度一般为780-810，冷却方式分为连续冷，冷却方式分为连续冷 却及等温冷却两种。却及等温冷却两种。 淬回淬回淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶 粒长大，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；粒长大，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形； 温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，钢淬温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，钢淬 火后硬度不足。火后硬度不足。 例：例：GCr15钢的淬火温度：钢的淬火温度：820840 正火正火消除锻造毛坯的网状碳化物消除锻造毛坯的网状碳化物 回火回火：低温（：

34、低温（150-160）保温两小时，去应力，提高韧性，）保温两小时，去应力，提高韧性， 稳定尺寸。稳定尺寸。 组织：极细马氏体组织：极细马氏体+均匀分布碳化物均匀分布碳化物+少量残余奥氏体少量残余奥氏体 时效时效：磨削后再进行：磨削后再进行120-130 保温保温5-10h的低温实效处理，的低温实效处理， 以消除内应力，稳定尺寸。以消除内应力，稳定尺寸。 冷处理冷处理：对于精密滚动轴承及构件必须保证在长期存放和：对于精密滚动轴承及构件必须保证在长期存放和 使用中不变形。为了稳定尺寸，在淬火后要在使用中不变形。为了稳定尺寸，在淬火后要在1-2h内进行内进行 冷处理，要求温度在冷处理，要求温度在-7

35、0 -80 保温保温1-2h ，使残余奥，使残余奥 氏体两达到氏体两达到4-6%。 3.2.4低碳马氏体型结构钢低碳马氏体型结构钢 基基 本本 性性 能能 抗拉强度抗拉强度b ：11501500MPa ； 屈服强度屈服强度s ： 9501250 MPa ； 40% ；伸长率；伸长率，10% ； 冲击韧度冲击韧度AK6J 。 这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当， 常规的力学性能甚至优于调质钢。常规的力学性能甚至优于调质钢。 低碳低碳M结构钢采用淬火结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位低回工艺，可得到位 错板条错板条M 强度、韧度和塑性的最佳配合。强度、韧度和

36、塑性的最佳配合。 对低碳马氏体型钢的基本性能要求对低碳马氏体型钢的基本性能要求 1淬透性好（低碳，只能从合金化上考虑）；淬透性好（低碳，只能从合金化上考虑）； 2过热敏感性低（低碳，相变点高，必须防止晶粒长大）；过热敏感性低（低碳，相变点高，必须防止晶粒长大）； 3回火稳定性高（回火稳定性高（MS点高，有自回火现象，稳定性差）。点高，有自回火现象，稳定性差）。 合金化特点合金化特点 低碳低碳：0.15-0.25%以保证淬火后获得板以保证淬火后获得板M 合金元素合金元素：Si、Mn、B、Ti、V、Nb、Mo等等 作用作用：提高淬透性：提高淬透性Si、Mn、B 降低过热敏感性：降低过热敏感性：Ti

37、、V、Nb、Mo； 提高回火稳定性：提高回火稳定性：Si 、Ti、V、Nb、Mo 降低降低MS点，防止自回火：点，防止自回火：Si、Mn 49 零件断面尺寸零件断面尺寸，心部可，心部可 能淬不透，能淬不透，综合性能综合性能 应根据零件的尺寸大小来应根据零件的尺寸大小来 选择相应淬透性的钢选择相应淬透性的钢 高温加热高温加热 较长较长T保温保温 快速冷却快速冷却 低碳马氏体的热处理工艺特点低碳马氏体的热处理工艺特点 2、低碳马氏体结构钢及应用、低碳马氏体结构钢及应用 应应 用用 在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等 制造工业中得到了广泛的应用制造工业中

38、得到了广泛的应用 3.2.5 超高强度钢超高强度钢 低合金中碳马氏体型低合金中碳马氏体型 二次硬化型高强度钢二次硬化型高强度钢 马氏体时效型马氏体时效型 超高强度不锈钢（不锈钢中讲）超高强度不锈钢（不锈钢中讲） 低合金超高强度钢分类低合金超高强度钢分类 对于航天工业来说，降低飞行器或构件自身的重量至关重要，对于航天工业来说，降低飞行器或构件自身的重量至关重要， 要求屈服强度高于要求屈服强度高于1400MPa才能获得广泛应用，这种钢称为才能获得广泛应用，这种钢称为 超高强度钢。超高强度钢。 一、低合金超高强度钢一、低合金超高强度钢 1、低合金超高强度结构钢是为了满足飞机、火箭等航空航、低合金超高

39、强度结构钢是为了满足飞机、火箭等航空航 天器结构上的高比强度的材料而发展的一类结构钢。天器结构上的高比强度的材料而发展的一类结构钢。 应用场合应用场合 可应用于机翼主梁、起落架支柱、可应用于机翼主梁、起落架支柱、 火箭外壳、高压容器等。火箭外壳、高压容器等。 回火马氏体或者下贝氏体回火马氏体或者下贝氏体 C：0.30-0.45% Me：约为：约为5% 成分特点成分特点 使用组织使用组织 1) Si、Mn、Cr、Ni、Mo等提高淬透性。等提高淬透性。Si还可以使还可以使M的的 脆化温度移向高温，强化机体，增加钢的耐回火性能。脆化温度移向高温，强化机体，增加钢的耐回火性能。 2) V、Nb细化晶粒

40、，有效提高塑性和韧性。细化晶粒，有效提高塑性和韧性。 3) S、P应严格控制，总是小于应严格控制，总是小于0.02%，以保证高塑性，尽，以保证高塑性，尽 可能减少气体含量，可采用真空熔炼或电渣重熔。可能减少气体含量，可采用真空熔炼或电渣重熔。 2、低合金超高强度钢、低合金超高强度钢 合金化特点合金化特点 3、性能要求、性能要求 1)具有所要求的强度；具有所要求的强度； 2)合适的塑性；合适的塑性； 3)一定的冲击抗力和断裂韧性；一定的冲击抗力和断裂韧性； 4)高的疲劳强度；高的疲劳强度； 5)焊接性好，缺口敏感性低。焊接性好，缺口敏感性低。 40CrNiMo、30CrMnSiNi2、32Si2

41、Mn2MoV钢。如钢。如 30CrMnSiNi2钢的淬透性高，临界淬透直径为钢的淬透性高，临界淬透直径为80mm，抗拉，抗拉 强度为强度为1670100MPa 4、常用钢号、常用钢号 二二次硬化型超高强度钢二二次硬化型超高强度钢 1) C：0.3-0.4%左右，保证屈服强度大于左右，保证屈服强度大于1550MPa； 2) 合金元素：合金元素：Cr、Mo、Si、V等，提高淬透性，空冷得到等，提高淬透性，空冷得到M。 3) Mo、V高温回火析出特殊高温回火析出特殊K，具有二次硬化作用。，具有二次硬化作用。 4) Cr量高，提高抗蚀性，提高淬透性。量高，提高抗蚀性，提高淬透性。 1成分特点成分特点

42、2热处理特点热处理特点 淬透性很强，一般采用淬火淬透性很强，一般采用淬火+500-600高温回火洗出弥散的高温回火洗出弥散的 M7C3、M2C、和、和MC型特殊碳化物，产生型特殊碳化物，产生二次硬化二次硬化，同时，同时 高温回火消除应力。高温回火消除应力。 3、特点、特点 较好的抗氧化性和耐蚀性，主要缺点是塑韧性、焊接性和较好的抗氧化性和耐蚀性，主要缺点是塑韧性、焊接性和 冷变形性较差。冷变形性较差。 三、马氏体时效钢三、马氏体时效钢 马氏体时效钢是超低碳高合金钢，实际上是以马氏体时效钢是超低碳高合金钢，实际上是以Fe-Ni为基为基 的合金。它利用金属间化合物在含碳量极低的高镍马氏体的合金。它

43、利用金属间化合物在含碳量极低的高镍马氏体 中弥散析出强化，抗拉强度可达中弥散析出强化，抗拉强度可达2000 MPa。 1、成分特点、成分特点 1) C：超低碳，：超低碳，0.03%C 2) Ni：18%-25% 3) 合金元素：合金元素： Ti、Nb、Mo、Al； 4) 杂质元素：杂质元素：C、S、N。 （1）保证马氏体的形成）保证马氏体的形成 （2）减低位错阻力和位错与原子间交互作用的能量；）减低位错阻力和位错与原子间交互作用的能量； （3）有利于）有利于M中沉淀相的析出；中沉淀相的析出； （4）使）使Ms下降。下降。 2、Ni的作用的作用 3、典型材料、典型材料 M时效钢的典型热处理工艺为

44、时效钢的典型热处理工艺为815固溶后空冷，固溶后空冷，M转变相转变相 当充分，因是置换式固溶体，当充分，因是置换式固溶体，HRC30-35，480（3-6h） 时效，析出时效，析出Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo、(FeNiCo)2Mo等金属间等金属间 化合物，化合物， 组织：回火组织：回火M+金属间化合物。金属间化合物。 3.2.6 渗碳钢与氮化钢渗碳钢与氮化钢 用途：用途：主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上 的凸轮轴、活塞销等机器零件。的凸轮轴、活塞销等机器零件。 服役条件服役条件滑动、滚动、接触应力、冲击、磨损滑动、滚动、接触应

45、力、冲击、磨损 失效方式失效方式 接触疲劳接触疲劳 性能要求性能要求 高硬度高硬度 高的接触疲劳抗力高的接触疲劳抗力 良好的耐磨性，心部具有一定的塑形良好的耐磨性，心部具有一定的塑形 渗碳零件的工作条件、失效方式及性能要求渗碳零件的工作条件、失效方式及性能要求 弯曲疲劳弯曲疲劳 冲击冲击 接触疲劳接触疲劳 摩擦摩擦 失失 效效 方方 式式 弯曲疲劳破坏弯曲疲劳破坏 接触疲劳破坏接触疲劳破坏 齿端磨损齿端磨损 齿面刮伤齿面刮伤 性性 能能 要要 求求 （1）疲劳强度：高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；）疲劳强度：高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度； （2）表面硬度高耐磨性好（）表面硬度高耐磨性好（HR

46、C大于大于58-62） （3）心部综合力学性能好（）心部综合力学性能好（25-40HRC，冲击韧性高于，冲击韧性高于 70J/cm2）。）。 一、渗碳钢一、渗碳钢 工工 作作 条条 件件 制造制造 齿轮、齿轮、 凸轮、凸轮、 活塞活塞 销等销等 59 1 1、渗碳钢的合金化、渗碳钢的合金化 一般含碳量在一般含碳量在 0.120.25 保证得到强韧保证得到强韧 性好的板条性好的板条M 常用合金常用合金 化元素化元素 Mn、Cr、Ni主要主要淬透性淬透性 改善渗碳层性能；改善渗碳层性能； Ti、V、W、Mo细化晶粒细化晶粒 渗碳层性能渗碳层性能: : 表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度表层碳量、表层

47、浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，。原则上，渗碳层深度渗碳层深度 应大于零件的最大切应力深度。应大于零件的最大切应力深度。 2常用渗碳钢常用渗碳钢 渗碳钢都是低碳钢或者是低合金钢。根据淬透性大小分渗碳钢都是低碳钢或者是低合金钢。根据淬透性大小分 为低脆性钢、中脆性钢、高脆性钢。根据零件淬透性和为低脆性钢、中脆性钢、高脆性钢。根据零件淬透性和 力学性能的要求，合理考虑合金元素对神探工艺的影响，力学性能的要求，合理考虑合金元素对神探工艺的影响， 合理地选择渗碳钢。合理地选择渗碳钢。 1)低淬透性渗碳钢：低淬透性渗碳钢：15Cr、20Cr、15Mn2、

48、20Mn2等；等； 2)中淬透性合金渗碳钢：中淬透性合金渗碳钢：20CrMnTi、12CrNiA、 20CrMnMo、20MnVB等；等； 3) 高淬透性合金渗碳钢：高淬透性合金渗碳钢：12CrNi4A、18Cr2Ni4WA、 20Cr2Ni4A等。等。 3、渗碳钢热处理特点、渗碳钢热处理特点 碳素渗碳钢和地合金渗碳钢碳素渗碳钢和地合金渗碳钢直接淬火或者一次淬火直接淬火或者一次淬火 高合金钢高合金钢二次淬火二次淬火 以以20Cr2Ni4A、20CrMnTi钢的热处理为例钢的热处理为例 高淬透性的合金钢由于含有较多的合金元素，渗碳层表面高淬透性的合金钢由于含有较多的合金元素，渗碳层表面 的含碳量

49、又很高，大致的含碳量又很高，大致M的转变温度很低。若采用渗碳后的转变温度很低。若采用渗碳后 直接淬火，渗碳层中将保留大量的残留奥氏体，是表面硬直接淬火，渗碳层中将保留大量的残留奥氏体，是表面硬 度降低，因此必须设法降低残余奥氏体的含量。度降低，因此必须设法降低残余奥氏体的含量。 一般渗碳钢的热处理温度为一般渗碳钢的热处理温度为930左右，渗碳后的热处理左右，渗碳后的热处理 通常有直接淬火、一次淬火、二次淬火等方法，而后进行通常有直接淬火、一次淬火、二次淬火等方法，而后进行 低温回火。低温回火。 1)淬火后进行冷处理淬火后进行冷处理(-60-100)，使残留奥体转变为马氏体。，使残留奥体转变为马

50、氏体。 2)渗碳及渗碳及正火后进行一次高温回火正火后进行一次高温回火（600-620），从马氏体），从马氏体 和残留奥氏体中析出碳化物，随后再加热到较低温度和残留奥氏体中析出碳化物，随后再加热到较低温度 （Ac1+30-50）淬火时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，从）淬火时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，从 而减小了奥氏体中的碳及合金元素的含量，使马氏体转变温度而减小了奥氏体中的碳及合金元素的含量，使马氏体转变温度 有所升高，淬火后残留奥氏体的含量自然就减少了。最后再进有所升高，淬火后残留奥氏体的含量自然就减少了。最后再进 行低温回火，以消除内应力，并提高渗碳层的强度和韧性。行低温回火，以消除内应

51、力，并提高渗碳层的强度和韧性。 3)渗碳后进行喷丸处理渗碳后进行喷丸处理，也可以有效地使渗层中的残余奥氏体，也可以有效地使渗层中的残余奥氏体 转变为马氏体。转变为马氏体。 生产中降低残余奥氏体的方法主要有三种：生产中降低残余奥氏体的方法主要有三种： 20CrMnT钢的热处理工艺步骤钢的热处理工艺步骤: (1)渗碳后预冷后直接淬火渗碳后预冷后直接淬火-减小淬火变形减小淬火变形 (2)低温回火：低温回火：200 例题：例题：20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮，其技合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮，其技 术要求是渗碳层厚度为术要求是渗碳层厚度为1.2-1.6mm，表面含碳量为，表面含碳量为1.

52、0%， 齿顶硬度为齿顶硬度为58-60HRC，心部硬度为，心部硬度为30-45HRC，试确定其，试确定其 热处理工艺，并分析其工艺路线。热处理工艺，并分析其工艺路线。 工艺路线为：工艺路线为： 锻造锻造正火正火加工齿轮加工齿轮局部镀铜局部镀铜渗碳渗碳预冷淬火、预冷淬火、 低温回火低温回火喷丸喷丸磨齿（精磨）磨齿（精磨） 二、氮化钢二、氮化钢 服役条件服役条件 有些零件，如精密机床的主轴等，工作时载荷不大，基本上有些零件，如精密机床的主轴等，工作时载荷不大，基本上 无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受 到交变的疲劳应力。这一类零

53、件重要的要求是能保持高的精到交变的疲劳应力。这一类零件重要的要求是能保持高的精 度。常采用氮化钢进行渗氮处理。度。常采用氮化钢进行渗氮处理。 基本概念基本概念 氮化氮化：用氮饱和钢的表面的工艺过程，氮化工艺一般在用氮饱和钢的表面的工艺过程，氮化工艺一般在600 以下进行。氮化钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢以下进行。氮化钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢 。 氮化的目的氮化的目的：提高钢表面的硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性。提高钢表面的硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性。 工艺工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组 织，以保证零件最终的使

54、用性能和使用过程中的尺寸稳定织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定 性，同时也为获得好的氮化层作组织准备。性，同时也为获得好的氮化层作组织准备。 氮化钢的扩散层的结构取决于氮化钢的扩散层的结构取决于Fe-N相图相图 氮化钢的扩散层取决于钢的成分、加热温度和时间，以及氮氮化钢的扩散层取决于钢的成分、加热温度和时间，以及氮 化后的冷速。化后的冷速。 氮化钢的成分特点氮化钢的成分特点 合金化元素：合金化元素：Al、Nb、V-合金氮化物最稳定；其次，合金氮化物最稳定；其次，Cr、 Mo、W的合金氮化物，同时提高氮化钢的淬透性。的合金氮化物，同时提高氮化钢的淬透性。 Mo、V不仅使调制后的氮

55、化钢组织在长时间内保持稳定，不仅使调制后的氮化钢组织在长时间内保持稳定， 也防止了第二累回火脆性。也防止了第二累回火脆性。 合金元素对氮化层深度和表面的硬度的影响如图合金元素对氮化层深度和表面的硬度的影响如图 氮化钢的含碳量比渗碳钢的要高，一方面是因为服役条件不氮化钢的含碳量比渗碳钢的要高，一方面是因为服役条件不 同，另一方面是能获得较高的硬度，以支撑硬度表面，保证同，另一方面是能获得较高的硬度，以支撑硬度表面，保证 在过渡区有良好的硬度匹配。在过渡区有良好的硬度匹配。 合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 （550氮化氮化24h） 67 国内外广泛使用的氮

56、化钢是国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得最高氮化层钢，获得最高氮化层 硬度，达到硬度，达到9001000HV。仅要求高。仅要求高 疲劳强度的零件，可采疲劳强度的零件，可采 用不含铝的用不含铝的CrMo型氮化钢，如型氮化钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，等， 其氮化层的硬度控制在其氮化层的硬度控制在500800HV。 氮化钢的应用氮化钢的应用 68 3.2.7易削钢易削钢 1概述概述 易削钢是钢中加入一种或几种元素，使其形成某种夹杂物，易削钢是钢中加入一种或几种元素，使其形成某种夹杂物， 从而改善钢的切削加工性能。常用的有：从而改善钢的切削加工性能。常用的有：S、P、Ca

57、、Se等。等。 2. 牌号牌号 Y12：仅提高：仅提高S、P的含量；的含量； Y35S：表示加入：表示加入Se； YP40：表示加入：表示加入Pb。 Y12、Y30：自动车床加工的形状复杂、强度要求不：自动车床加工的形状复杂、强度要求不 高的零高的零 件，螺栓、螺帽、销子等；件，螺栓、螺帽、销子等； 3.3机器零件用钢的选材思路机器零件用钢的选材思路 一一 选择材料的基本原则选择材料的基本原则 1材料使用性能要求材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力最大限度发挥材料潜力 2、材料的工艺性能、材料的工艺性能 加工工艺性能良好加工工艺性能良好 3、经济性、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等, 零件的总成本与零件寿命的关系零件的总成本与零件寿命的关系 4、其它因素、其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能性、环境协材料毛坯的选择、生产设备的