工程材料学理论-机器零件定义和用钢性能要求

1、工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 一.力学性能要求： 高强度（高硬度），高疲劳强度（低抗疲劳断裂能力，一定的循环应力作用下N次不发生断裂，保持足够的韧性），弹性极限（材料产生最大弹性形变所能承受的最大应力） 钢中得到M（量多）是获得这些性能的基本保证，M量多实验证明：s 疲劳强度，冲击韧度，塑脆 Tk综合力学性能提高 见 图3-1 图3-2 图3-3工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求1.提高淬透性：（构件钢就不用考虑这点，也不用特意提高淬 透性的Me） 低高 Ni，Si，Cr，Mo，Mn，B2.提高回火稳定性：Si，Cr，Mo，W，V，Ti

2、等推迟或延续 回火进行 T回高强度同时（保温），高韧性 T回相同合金钢可获得高强度（比碳钢）3.细化晶粒：Ti，V（零件用钢加入）4.固溶强化：强化使弹性极限提高5.防止第二类回火脆性：Mo，W（调质钢，高T回）6.改善钢的被切削性能：S, RE易断屑；润滑作用工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 根据零件使用条件（服役）来选择：要求高耐磨，心部高韧性（冲击） 低C，低合金钢，渗C+淬火+低温回火 渗C钢综合力学性能高（强韧性）中C，中C合金钢，淬火+高温回火调质钢高弹性极限和疲劳抗力 中高C，中高C合金钢， 淬火+中温回火弹簧钢高硬，高耐磨，高接触疲劳抗力高C合金钢，球化退火+淬火+低温

3、回火轴承钢工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求用途 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。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 （图） 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求性能要求 (1) 表面渗碳层硬度高 以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。 (2) 心部具有高的韧性和足够高的强度 心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。 (3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。 工程

4、材料学理论机器零件定义和用钢性能要求1.低C：Wc=0.10-0.25% 保证零件心部有足够高的韧性 2.加入提高淬透性的合金元素：Cr，Ni，Mn，B，W提高心 部淬透性，获得低CM工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求3.细化晶粒：强Ti，V,中CemW，Mo等，形成稳定的合金Cem阻碍长大4.改善渗C的性能： Cem形成元素：使表层C，心部C， 陡，C扩散受阻 非Cem形成元素：Ni表层C，心部C，平缓，加速C扩散 但Si使表层加入C困难，使渗C速度降低，所以渗C钢中不加Si工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求Me元素在钢中的作用并不单一，而是多重性： Cr提高淬透性，细化晶粒，提

5、高渗C的浓度，与Ni作用改善渗C分布Ni，Cr为主要元素+其它辅助的元素（Ti，V，W，Mo，B）工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求常用钢种及牌号合金渗C钢按其淬透性分为三类：低淬透性渗C钢：典型钢种20Cr，这类钢淬透，心部强度适用冲击力较小的表面耐磨件，小齿轮，小轴等中淬透性渗C钢：典型钢种20CrMnTi，这类钢淬透，良好的机械性能和工艺性能，渗C过度层比较均匀，热处理变形小。用于制造承受高速中载，要求抗冲击和表面耐磨的零件。汽车，拖拉机上的重要零件，齿轮。为了节约Cr，我国采用20MnVB，但这个钢不稳定，变形大。 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 高淬透性渗C钢：典型钢

6、种18Cr2NiWA和20Cr2Ni4A 这类钢含有较多的Cr，Ni，淬透性很高，具有良好的韧性，特别是低温冲击韧性。适用制造大截面，高载荷的重要耐磨件，如飞机，坦克中的重要齿轮，曲轴 常用渗碳钢的牌号、成分、性能及用途 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求热处理和组织性能 1. 热处理工艺： 渗C+淬火+低温回火，过硬，要采用预先热处理，改善钢的切削加工性，正火(+) 改善带状组织（轧制时） 2.渗C：900-950 10h 对渗C（900-950 10h）时易过热钢，渗C后正火处理，清除粗大组织，然后进行淬火；淬火工艺因C钢而异，查热处理手册。 如图工程材料学理论机器零件定义和用钢性能

7、要求 3.组织性能 热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为60 HRC62 HRC 心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关： 完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40 HRC48 HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25 HRC40 HRC 心部韧性一般都高于700 kJ/m2工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求第三节 调质钢 调质钢：是指经调质后使用的钢。 用途：调质钢广泛用于制造汽车、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、螺栓等。图 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 一 性能要

8、求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。（对截面受力均匀的零件，完全淬透；对截面受力不均匀的截面，如弯曲应力的传动轴，表面淬透，要求表面较好性能，心部可低一些）。要求得到回火索氏体组织：工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求二 成分特点1.中C 居多)的作用 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求按淬透性高低可分为三类：表 1.低淬透性调质钢：最典型的钢种是40Cr，油淬临界直径为30 mm40 mm，用于制造一般尺寸的重要零件2.中淬透性调质钢：

9、 35CrMo, 油淬临界直径为40 mm60 mm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性3.高淬透性调质钢： 如40CrNiMo钢，油淬临界直径为60 mm100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。用于制造大截面，重载荷零件工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。 合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。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。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利

10、于韧性的提高。图 四 热处理和组织性能工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺栓、连杆等。 表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，表面硬度可达55 HRC58 HRC。心部组织是回火索氏体。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa, 冲击韧性在800 kJ/m2，心部硬度可达22 HRC25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求第四节 弹簧钢（专用结构钢） 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 一 组织、性能要

11、求 弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和震动和冲击，或依靠弹性储能来起驱动作用工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求1.性能要求：a.高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力b.高的疲劳强度 r 防止在震动和高变应力作用下产生疲劳断裂；零件表面的脱C，会使 r ，（表面达到高C）c.足够高的塑性和韧性以免受冲击时脆断d.良好的工艺性利于成型，不易脱C，过热敏感性小e.耐热性，耐蚀性在此环境下工作，阀门弹簧工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求2.组织要求 要想满足以上性能要求，一般弹簧钢得到 回火托氏体组织实验证明：回火托氏体组织是获得高的弹性极

12、限e，高的s 的最佳组织如图 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求二 成分特点1. 中、高碳 高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳 的质量分数一般为0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、 韧性降低，疲劳抗力也下降。2. 加入Si，Mn提高淬透性：强化基体；提高回火稳定性； Si 易使表面脱C；Mn使钢易过热；3. 重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素防止脱C， 过热，改善Si，Mn的不利影响，进一步提高强度和淬透 性，Si-Cr弹簧钢不易脱C，本身形成Cr-V，V晶粒细小，耐 冲击性好，强度小。 此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧 钢均为优质钢或高级优质

13、钢。 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求见表合金弹簧钢大致分两类：1. 以Si，Mn为主要Me的弹簧钢：代表钢种65Mn，60Si2Mn，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。2. 含Cr，W，V等合金元素的弹簧钢：50CrVA，含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350 400 温度下承受重载的较大弹簧。 三钢种和牌号 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求四.加工、热处理与性能 弹簧按加工热处理

14、可分两类1. 热成型弹簧：用热扎钢丝或钢板制成，然后淬火+中回火（450-550）获得回火屈氏体，具有很高s ，e并有一定的塑、韧性 适用于制作较大型弹簧2. 冷成型弹簧：小尺寸弹簧用冷拔弹簧丝（片）卷成，具有三种制造方法：工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求a.淬铅冷拔钢丝：Ac3以上+450-505铅中淬火，获得适合于冷拔的托氏体组织+冷拔（多次）；规定尺寸 s 可达1600Mpa+低温退火（200-300，1h），使弹簧定形。 b.油淬回火钢丝：（油淬回火450-500）钢丝，屈组织+冷拔（规定尺寸）+（淬火油，回火）+卷成弹簧+去应力退火c.冷拔钢丝：冷拔尺寸（规定尺寸）+退火（应

15、力）200-300+冷卷成型+（淬，回火） 总之，不论如何卷制，冷，热，最终获得屈（托）组织，使弹簧具有所要求的性能工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求第五节 滚动轴承钢（专用结构钢）主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件图一 性能要求： 轴承的构造及负荷分布： 图1.高的接触疲劳强度 轴承元件如滚珠和套圈，运动时为点或线接触，接触处一压应 力高达3000Mpa；应力交变次数每分钟达几万次，往往造成接 触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以要提高疲劳强度工程材料学理论机器零件定义和用钢

16、性能要求 2.高的硬度和耐磨性 滚动体和套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，轴承也常因为过度磨损而失效，因此必须具有高而均匀的HB，一般为62HRC-64HRC。 3.足够的韧性和耐蚀性 要求在大气和润滑油介质中有一定的耐蚀能力，良好的尺寸稳定性。轴承在受到冲击力，易发生破裂。 4.高的冶金质量 轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求二成分特点1.高碳：0.95-1.15% 保证高硬度，高耐磨性和高强度为基体合金元素： Cr要适宜，否则过高使A，Cem分布不均匀，使HB，

17、疲劳强度降低3.加入Si，Mn，VSi，Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承；V部分溶于中，部分形成Cem(VC)，提高钢的耐磨性，防止过热。工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求滚珠轴承钢的钢号、成分、热处理和用途 轴承钢分两类：一类Cr轴承钢 一类加入Si，Mn，Mo，V牌号： G“滚”+Cr（符号）+数字：表示含Cr量的千分之一，含C不标出，其它的与结构钢编法一样。 典型钢种GCr15工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火1.球化退火：预先热处理为球化退火,目的可降低钢的硬度，利于切削加工；获得细的球状P和过剩的细状碳化物，为最终热处理

18、作组织准备。 （均匀的细粒状P，这样的组织在淬火加热时，Cem颗粒细小，容易溶解，使 有较高的合金度，成分比较均匀，保证钢的淬透性和淬硬性及淬火组织的均匀性，而且这样的组织在淬火加热时不易粗化，加热T范围宽，淬火变形小，开裂倾向小，淬火质量高而且稳定，使钢在淬火回火后得到最佳的力学性能）工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 2.淬火和低温回火 图 淬火T要适当 : 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；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。 低温回火：回火T应根据钢种来选择 GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范

19、围内, 回火温度一般为150160工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求 3.组织： 轴承钢淬火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体。GCr15钢淬火、回火后的显微组织 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求精密轴承必须保证在长期存放和使用中不变形。引起变形和尺寸变化的原因主要是存在有内应力和残余奥氏体发生转变。为了稳定尺寸，淬火后可立即进行“冷处理”（-60 -50 ），并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（120 130 , 保温5 h10 h）。 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求续工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求续工程材料学理论机器零件

20、定义和用钢性能要求返回工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求Fanhui 工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求返回工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求返回工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求续工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求GCr15钢淬火温度对机械性能的影响 返回GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范围内, 回火温度一般为150160。工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求类别钢号主要化学成分 w/% 热处理/机械性能（不小于）退火状态HB应用举例CMnSiCrNiMoV其它淬火/回火/毛坯尺寸/mmb/MPas/MPa5/%AkU2/J 低淬透性钢450.4

21、20.500.500.800.170.37 830840水580640空100600355164039197主轴、曲轴、齿轮、柱塞等40MnB0.370.441.101.400.170.37 B0.00050.0035850油500水，油25980785104547207同上40MnVB0.370.441.101.400.170.37 0.050.10B0.00050.0035850油520水，油25980785104547207可代替40Cr及部分代替40CrNi作重要零件，也可代替38CrSi作重要销钉40Cr0.370.440.500.800.170.370.801.10 0.070.1

22、2 850油520水，油2598078594547207作重要调质件如轴类件、连杆螺栓、进气阀和重要齿轮等 中淬透性钢38CrSi0.350.430.300.601.001.301.301.60 900油600水，油25980835125055255作载荷大的轴类件及车辆上的重要调质件30CrMn-Si0.270.340.801.100.901.200.801.10 880油520水，油251080885104539229高强度钢、作高速载荷砂轮轴、车辆上内外摩擦片等35CrMo0.320.400.400.700.170.370.801.10 0.150.25 850油550水，油259808

23、35124563229重要调质件，如曲轴、连杆及代40CrNi作大截面轴类件 常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能及用途 续工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求高淬透性钢38CrMoAl0.350.420.300.600.200.451.351.65 0.150.25 A10.701.10940水，油640水，油30980835145071229作氮化零件，如高压阀门，缸套等37CrNi30.340.410.300.600.170.371.201.603.003.50 820油500水，油251130980105047269作大截面并要求高强度、高韧性的零件40CrMnMo0.370.45

24、0.901.200.170.370.901.20 0.200.30 850油600水，油25980785104563217相当于40CrNiMo的高级调质钢25Cr2Ni4-WA0.210.280.300.600.170.371.351.654.004.50 W0.801.20850油550水251080930114571369作机械性能要求很高的大断面零件 40CrNiMo-A0.370.440.500.800.170.370.600.901.251.650.150.25 850油600水，油25980835125578269作高强度零件，如航空发动机轴，在500工作的喷气发动机承载零件返回

25、工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求钢号 主要成分 w % 热处理 机械性能 应用范围 C Mn Si Cr 其它 淬火/ 回火/ s /MPa b /MPa 10 /% /% 65 0.62 0.70 0.50 0.80 0.17 0.37 0.25 840(油) 500 800 1000 9 35 截面15mm的小弹簧 70 0.62 0.75 0.50 0.80 0.17 0.37 0.25 830(油) 480 850 1050 8 30 85 0.82 0.90 0.50 0.80 0.17 0.37 0.25 820(油) 480 1000 1150 6 30 65Mn 0.6

26、2 0.70 0.90 1.20 0.17 0.37 0.25 830(油) 540 800 1000 8 30 截面25mm的弹簧，例如车箱缓冲卷簧 55Si2Mn 0.52 0.65 0.60 0.90 1.50 2.00 0.35 870(油或水) 480 1200 1300 6 30 60Si2Mn 0.56 0.64 0.60 0.90 1.50 2.00 0.35 870(油) 480 1200 1300 5 25 55Si2MnB 0.52 0.60 0.60 0.90 1.50 2.00 0.35 B0.0005 0.004 870(油) 480 1200 1300 6 30

27、60Si2CrA 0.56 0.64 0.40 0.70 1.40 1.80 0.70 1.00 870(油) 420 1600 1800 56 20 截面30mm的重要弹簧，例如小型汽车、载重车板簧，扭杆簧，低于350的耐热弹簧 60Si2CrVA 0.56 0.64 0.40 0.70 1.40 1.80 0.90 1.20 V0.10.2 850(油) 410 1700 1900 56 20 50CrVA 0.46 0.54 0.50 0.80 0.17 0.37 0.80 1.10 850(油) 500 1150 1300 59 40 55CrMnA 0.52 0.60 0.65 0.

28、95 0.17 0.37 0.65 0.95 V0.10.2 850(油) 500 0.21100 1250 56 35 常用弹簧钢的牌号、成分、热处理、性能及用途（摘自GB/T1222-1985） 返回工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求试述渗碳钢的合金化和热处理特点试分析20CrMnTi 9SiCr 40CrNiMo 40Cr 60Si2Mn GCr15钢中合金元素的作用什么叫调质钢，为什么调质钢大多数是中碳钢或中碳合金钢。合金元素在钢中的作用是什么。调质钢进行高温回火的目的是什么。为什么铬轴承钢要有高的含碳量，铬在轴承钢中起什么作用。工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求为什么弹簧钢大多数是中高碳钢。合金元素在弹簧钢中的作用是什么。进行中温回火的目的是什么说明下列牌号属于那种钢，并说明数字和符号的含义:Q345 20CrMnTi 40Cr GCr15 60Si2Mn工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求凸轮机构 拨叉 变速齿轮 返回工程材料学理论机器零件定义和用钢性能要求类别 钢号 主要化学成分 w/% 热处理/ 机械性能（不小于） 毛坯 尺寸 /mm 应用举例 C Mn Si Cr Ni V 其它 渗碳 预备 处理 淬火 回火 b /MPa s /MPa /% /% AkU2 /J 低淬透性 15 0.120.18 0.350.65 0.170.37 930