机械工程材料6-1

制造过程材料→冷热加工→零件→装配→整台机器设计过程受力分析→计算应力→提出材料性能指标→选材设计者必须掌握各种材料的知识，才能合理选择材料，成为一名优秀的设计大师，否则，只能“纸上谈兵”掌握材料知识的重要性合金化特点性能特点热处理应用从四个方面掌握材料知识§6-1合金结构钢第六章合金钢又称普低钢，是普通碳钢加上少量合金元素形成的。1、合金元素以Mn为主（国外以Cr、Ni为主），最高锰含量可达1.8%，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素的主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度和韧性得到改善。一、低合金结构钢2、常加入少量的P、Cu元素以提高钢的耐大气腐蚀能力。§6-1合金结构钢低合金结构钢合金化特点：§6-1合金结构钢3、部分钢中加入少量稀土元素，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，提高钢的工艺性能和力学性能。4、碳含量一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性。5、对S、P含量要求不太高，可使用平炉或转炉生产，十分经济。§6-1合金结构钢常见牌号及其用途15MnTi中压锅炉14MnMoV（Re）高压锅炉16Mn中低压力容器12Mn锅炉14MnVTiRe铁路、大型巨轮用钢Q345~Q460§6-1合金结构钢二、易切削钢易切削钢性能特点

易切削钢具有良好的切削加工性能，但力学性能相对较低，一般不进行热处理。适合于批量大，但对性能要求不高的零件。

易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，通过相应的工艺使其具有良好的切削加工性能。（一）性能要求§6-1合金结构钢（二）对合金化和组织的要求适量C、Mn→力学性能和切削性能。加入S、Pb、Ca等元素→提高切削性能。

S+Mn→MnS易切夹杂物。常温下Pb在钢中不固溶而呈单相Pb微粒均匀分布。（三）常用的易切削结构钢编号Y12、Y15、Y20、Y30、Y40、Y40MnC↑→强度提高§6-1合金结构钢三、渗碳钢（一）渗碳钢的化学成分

渗碳钢广泛用于承受较强烈的冲击和磨损的场合，如齿轮、凸轮、活塞销等零件。2、主加元素Mn和Cr<2%→提高淬透性、固溶强化。1、含碳量0.10%~0.25%

心部低碳M

回→综合力学性能好。3、辅加元素W、Mo、V、Ti→防止渗碳时晶粒长大。4、Ni<4.5%→提高淬透性、提高强度和韧性。§6-1合金结构钢（二）热处理特点渗碳+淬火+低温（180~200℃）回火900~920℃1%~1.2%碳势表面碳浓度温度碳势时间油冷缓冷油冷180~200℃§6-1合金结构钢（三）常用的合金渗碳钢1、低淬透性钢15Cr、20Cr、15Mn、20Mn2、中淬透性钢

20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A特点：合金元素总量4%，淬透性和力学性能较高。应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如齿轮、联轴节、齿轮轴、花键套轴等。特点：价格低、淬透性低、心部强度低。应用：凸轮轴、活塞销、小齿轮。3、高淬透性钢12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A特点：合金元素总量<7.5%，淬透性高。应用：重载和强烈磨损的大型零件，如大型齿轮、曲轴等。渗碳前缓冷炉渗碳后§6-1合金结构钢例以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。技术要求：

渗碳层厚度1.2～1.6mm，

表面碳浓度为1.0%，齿顶硬度58～60HRC，

心部硬度30～45HRC。锻造→正火→加工齿轮→渗碳→预冷淬火、低温回火→喷丸→磨齿（精磨）1、工艺路线§6-1合金结构钢2、热处理的作用为了改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工。20CrMnTi钢的渗碳温度为920℃左右，经查手册得知渗碳层厚1.2～1.6mm时所需渗碳时间为6～8h。

（2）渗碳（3）淬火及低温回火自渗碳温度预冷到870～880℃直接油淬，再经200℃低温回火2～3h。表面层由于碳含量较高，淬火低温回火后基本上为回火马氏体组织，具有很高的硬度和耐磨性，心部为低碳回火马氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性。（1）正火空冷950~970℃温度§6-1合金结构钢温度/℃时间/t950~970正火空冷9206~8h气体渗碳预冷870~880油冷200℃2~3h回火§6-1合金结构钢四、调质钢调质钢

是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。钢调质后的性能：

具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。

应用

在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。

§6-1合金结构钢(一)化学成分

WC=0.25%~0.5%在相同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度也越高，但塑性和韧性降低。碳含量过低使硬度不足，过高使韧性不足。所以调质钢的含碳量在中碳范围。1.调质钢的含碳量主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等提高淬透性提高强度辅加元素：W、Mo等防止第二类回火脆性2.调质钢的合金化§6-1合金结构钢(二)热处理特点下料锻造预备热处理机加工（调质）（表面局部淬火）精加工成品(1)退火

（合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火(2)正火

（碳素钢或合金元素少的钢）(3)（正火+）高温回火（650~700℃）（合金钢）(4)调质（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工，加工后不再进行热处理）2.预备热处理处理后硬度为180~200HBS，便于机加工。1.生产工艺路线§6-1合金结构钢调质：淬火+高温回火组织：回火索氏体（回火S）性能：强度、塑性和韧性均较高；缺口敏感性小；接触疲劳强度、耐磨性较低。回火S3.调质处理§6-1合金结构钢加热:在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量）中加热到单相奥氏体（830~880℃）保温。冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。(1)淬火§6-1合金结构钢回火是控制其力学性能的关键，一般采用500~600℃回火。回火后采用水冷、油冷（防止第二类回火脆性）或空冷。(2)回火§6-1合金结构钢(3)表面局部淬火感应淬火部位对许多零件通过调质处理能满足强韧性要求，但局部对耐磨性要求高，满足不了耐磨性要求。对局部进行感应淬火。§6-1合金结构钢(三)常用调质钢及性能特点1.碳素钢

淬透性差→尺寸强度低→负荷较小的零件2.合金钢提高淬透性→用于不同尺寸

提高强度→用于较高应力(1)Mn钢、Mn-B钢强化作用大，但韧性和塑性较差，退火后硬度偏高。

(2)Cr钢、Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢Cr提高淬透性，强度有所提高，对塑性、韧性影响不大；、Mo、V不仅能增加淬透性，也能细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和韧性；如42CrMo、35CrMo、40CrV钢(3)Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢钢中同时加入Cr、Ni两种元素，可获得更好的力学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好的淬透性，但Cr-Ni钢有回火脆性。§6-1合金结构钢(四)典型零件应用举例1汽缸体2活塞3进气阀4排气阀5连杆6曲轴7凸轮8顶杆9齿轮10齿轮内燃机关键零件曲轴、连杆、连杆螺栓齿轮、凸轮轴等§6-1合金结构钢1.曲轴作用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的机械功，以旋转的形式输出。(1)曲轴的功用、工作条件及失效形式Ａ.很大的交变弯曲应力和扭转应力。Ｂ.应力集中严重。Ｃ.轴颈处还承受摩擦力。磨损、断裂§6-1合金结构钢球铁、45(2)材料40Cr、45Mn2、50Mn235CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA下料→锻造→调质→机加工→感应淬火（或化学热处理）→（滚压）→精加工(3)加工路线

调质安排在锻造和机加工之间；机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理（渗氮），提高耐磨性；对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲劳断裂。应力大小不同可以选用不同材料：

①满足性能要求；②最经济§6-1合金结构钢2.连杆和连杆螺栓轴瓦巴氏合金连杆连杆螺栓爆排进压连杆：大压小拉受力分析：性能要求：

a.强度和刚度。

b.尽量减轻连杆质量。c.大端及小端轴承可靠，耐磨性好。

d.易于制造，成本低。低速船用柴油机：选用优质碳素钢如45钢

高速强载柴油机：选用优质高强度合金钢如42CrMo

中等强度柴油机：选用合金结构钢如40Cr衬套铜合金下料→锻造→调质→机加工§6-1合金结构钢连杆螺栓受力分析：连杆螺栓材料：40Cr钢拉应力连杆螺栓加工路线：连杆螺栓及其热处理工艺下料→锻造→退火（或正火）→机加工→调质→检验硬度→