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【精品课件】机械制造结构钢

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3结构钢——机械制造结构钢

3结构钢——机械制造结构钢

四、低碳贝氏体和马氏体钢
若直接淬火成低碳马氏体，性能为σ0.2＝935MPa, σb ＝1197MPa, 室温冲击功50J，－40℃冲击功32J。
另一种Mn-Si-Mo-V-75J。
低碳马氏体钢具有高强度、高韧性和高疲劳强度。
钢中的主要合金元素钼和硼的目的是能显著推迟先共 析铁素体和珠光体转变，降低Bs点，使针状铁素体在 450℃以下形成。
典型的钢种有Mn-Mo-Nb钢，屈服强度高于470MPa， 伸长率≥20%，室温冲击值≥ 80J，良好的低温韧性。
四、低碳贝氏体和马氏体钢
低碳马氏体钢
为使钢得到好的淬透性，防止发生先共析铁素体转变 和珠光体转变，加入钼、铌、钒、硼及控制合理含量的 锰和铬与之配合，铌为细化晶粒的微合金元素起作用。
常 见 的 有 BHS系 列 钢 种 ， 其 中 BHS-1 钢 的 成 分 为 ： 0.10%C, 1.80%Mn, 0.45%Mo, 0.05%Nb。其生产工艺 为锻轧后空冷或直接淬火并自回火；
锻轧后空冷得到贝氏体＋马氏体＋铁素体混合组织， 其性能为σ0.2＝828MPa, σb＝1049MPa, 室温冲击功86J；
二、工程结构钢的合金化
韧脆转变温度:是指在某一临界温度TK以上材料呈韧性状态，而 在该温度以下呈脆性状态。转变温度高，材料低温变脆倾向大， 转变温度低，材料低温变脆倾向小。
按断口形貌确定韧脆转变温度的方法是取断口中结晶区占整个断 口 面 积 50 ％ 时 的 温 度 为 TK ， 并 记 为 50 ％ FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 或FATT50。
三、铁素体-珠光体钢
典型牌号：
①X65管线用钢，应用在高纬度严寒地区的石油和天然 气输送管线，成分为：0.10%C, 0.25%Si, 1.35%Mn, 0.04%Nb, 0.04%V，屈服强度465MPa,-25 ℃冲击功 129J。

第三章 机械制造结构钢

第三章 机械制造结构钢

（2）碳素调质钢与合金调质钢经淬火回 火到相同强度和硬度，它们的σs和δ值 很相近，但断面收缩率ψ值上存在差别。
3.高温回火脆性 合金调质钢的一个特殊问题。两个表现： （1）在高温回火后的冷却速度严重的影 响到钢的韧-脆转化温度，冷却速度愈 慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温 度愈高。
一种Cr-Ni调质钢经淬火650℃回火后以 不同速度冷却，其室温冲击值如下：
钼和钴复合加入，使沉淀强化效应进一步加 强。 原因： 钴能够减小钼强化 相的溶解度，促使 更多强化相在时效 时析出。
（3）杂质元素破坏塑性和韧性，须严格控制
碳：碳与钼、钛、铌形成碳化物在晶界析出，
降低韧性与缺口强度σN，并减少其有效含 量，使强化效应减少。
氮：形成TiN和NbN，容易导致裂纹。 硅与锰：虽有强化作用，但对韧性有害 硫：形成硫化物，降低钢的横向韧性。
σb＝1200～1400MPa σb＝1400～2000MPa σb＝1900～2300MPa σb＝2400～3200MPa σb＝3000～4000MPa
强度的提高，往往带来韧性、塑性的恶化 材料设计时： 若在弹性范围内，根据比例极限σp来计 算，称为弹性设计。 若允许少量塑性变形，根据屈服强度σs 来计算，称为塑性设计。 意外情况：在应力远低于屈服强度下还会 发生变形和断裂。因此脆性也非常重要， 要进行韧性设计。
合金元素对淬透性有促进作用，按下列顺 序依次增大：镍、硅、铬、钼、锰、硼 碳也能增加淬透性，但如果形成了未溶碳 化物，则降低淬透性。 淬透性乘子f：合金元素增加钢淬火时临界 直径尺寸的能力。 淬火后，圆棒达到中心50％马氏体的直径 长度
临界直径 DI＝DIC×fSi×fMn×fCr×fNi×… 在确定合金元素增大临界直径DI之前， 首先要确定碳的作用与奥氏体晶粒尺 寸的作用。

机械制造结构钢

机械制造结构钢
➢ 重点与难点：
各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、 强韧化机制及热处理特点。
第三章机械制造结构钢
3.0 引言
一、应用背景
➢ 机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优 质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制 造各种机械零件所用的钢种，故此得名。
➢ 如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、 轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、 拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机 及火箭等装置上。
二、机械制造结构钢的服役条件
➢ 主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、 弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用， 或者是它们中的多种载荷的交互作用。 服役环境是大气、水和润滑油，温度在50℃~+100℃范围之间。
➢ 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确 以及零件间有合适的公差配合等。由此 便决定机器零件用钢在性能上要求与工 程构件用钢有所不同。
用。 ➢ Cr、Mo、W、V等阻碍α相的再结晶，也可
阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使 钢保持高硬度。 ➢ 加入Mo、W来防止回火脆性。 ➢ V、Ti、Al起细化晶粒的作用。
3.1 调质钢
第三章机械制造结构钢
二、对调质钢的淬透性要求
➢ 调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时 经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对 淬透性的要求。
合金元素
SiMnΒιβλιοθήκη CrNi含量范围(wt%) 0.6-1.4 0.8-1.8 0.8-1.7
1.0-4.5
合金元素 Mo
含量范围 (wt%) 0.1-0.5 .
V
0.05-0.2
W
0.6-1.2
Ti
0.05-0.1
Al
B
0.5-1.2
<0.004

第3章 机械制造结构钢

第3章 机械制造结构钢

适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。
适用于 弹簧热处理
广泛用于各种结构件如轴、 齿轮等热处理。也可作为要 求较高精密件、量具等预备
热处理。
● 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。
五、钢种
调质钢 非调质机械结构钢 弹簧钢 滚动轴承钢 低碳马氏体钢 渗碳钢 氮化钢 低淬透性钢 耐磨钢
§3.2 调质钢
二、成分与合金化
• 提高钢的切削加工性—加工成型性能。
常用改善钢的切削加工性能的合金元素有：S、Pb、 Ca、Te（碲）、Se（硒） MnS、CaS、MnTe、PbTe、MnSe、PbSe等 一般认为，当钢的硬度为179~229HBW时，其切削性 能最佳。 低碳钢，采用正火处理，提高片状P数量，改善切削 性能；高碳钢，球化处理，使硬度降低。
概念 成分、合金化与分类 组织 热处理 性能
一、调质钢概念
结构钢在淬火与高温回火（500-650℃）后 具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好 的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调 质钢。
二、调质钢的成分、合金化
成分
0.25~0.45%C的C钢或中、低合金钢。
合金化
Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, B, ( Nb, Ti, Al )
钢的淬火与回火
• 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。
低温回火
中温回火
高温回火
回火温度 150-250℃ 350-500℃
500-650℃
回火组织 回火目的
应用
M回
T回
S回
在保留高硬度、高 耐磨性的同时，降 低内应力。
提高e及s，
同时使工件具有 一定韧性 。
获得良好的综合力学性能， 即在保持较高的强度同时， 具有良好的塑性和韧性。

机械制造结构钢培训课件.pptx

机械制造结构钢培训课件.pptx

汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢
电站用特殊合金钢
新型超级奥氏体和马 氏体型耐热钢
1、服役条件 1）受力分析 形式：机械零件在工作时将承受拉伸、压缩、弯曲、
剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种 力的同时作用； 性质：在机械零件的截面上产生张、压、切等应力。 方式：这些应力可以是恒定的或变化的；在方向上可 以是单向的反复的；在加载上可以是逐渐的或是骤然 的。 2）工作环境：温度一般是-50℃--100℃之间；介质是： 大气、自然水、润滑油及其它介质的腐蚀作用。
疲劳剥落的产生过程
剥落坑
浅表面裂纹与表面裂纹已经 连接，即将产生剥落
剥落坑的俯视图，在坑中或 边有Al2O3铝酸钙等夹杂物
疲劳剥落的产生过程
（3）脆性断裂
如果钢材的塑性和韧性不足，在承受突然冲击或 过载的情况下，由于钢件不能发生相应的塑性变 形，以吸收部分冲击能量而松弛钢件所受的应力， 钢件就会在只发生小量形变或甚至不发生形变的 情况下突然脆断。 （4）腐蚀破坏 钢件与腐蚀介质长期接触，特别是有应力作用的 情况下，逐渐被腐蚀而损坏。
σb: 1400—2000MPa; b. 这样高的强度取得是综合运用了加工强化、细晶强 化、固溶强化、沉淀强化和马氏体相变强化等方法的结 果（通过化学成分设计、冶炼工艺和热处理等）； c. 但是钢的屈服强度增高后，其塑性变形的能力就下 降(晶粒细化除外)，因而增大了发生脆性断裂的倾向。 d. 在生产、加工过程中可以给钢材带来这样或那样的 缺陷，有不少情况这种缺陷并不影响钢的屈服强度，却 降低钢的断裂强度。
③韧性设计： a. 冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势，不能用于直
接设计计算，根据经验总结，提出了在低温下 冲击韧性值的临界值； b. 韧-脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实 际零件的工作温度低若干度。 c. 断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序 中造成的钢材缺陷和裂纹出发，研究这些裂纹 在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。 断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力; 钢材的断裂强度σf与平面应变断裂韧性K1C之间 的关系可用下式表示：

精品课件机械制造结构钢

精品课件机械制造结构钢
Cr、Mo、W、V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和 α相再结晶。
P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。
合金调质钢的高温回火脆性
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。 ➢ 高温回火脆性举例（一）
第一节 结构钢的强度和脆性
强度设计
➢ 弹性设计 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限σp计
算，并同时引入安全系数。 ➢ 塑性设计
对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或 Σ0.2计算，并同时引入安全系数。
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；
单缸汽车曲轴
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。
马氏体时效钢中合金元素的作用
第六节 轴 承 钢
轴承钢的使用特点
1）局部接触压应力高， 可达3000～5000MPa；
2）循环受力次数每分钟 可高达数万次；
3）摩擦磨损严重。
滚珠 滚柱
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。 ➢ 减少非金属夹杂物的措施
（1）碳素弹簧钢 价格低但淬透性差，小截面尺寸非重要 弹簧用(65、65Mn)。
（2）合金弹簧钢 Si-Mn系弹簧钢和Cr系弹簧钢。前者淬 透性较碳钢高，价格适中，故应用最广，主要用于截 面尺寸＜25mm的各类弹簧(60Si2Mn)。后者的淬透性较 好，综合力学性能高，弹簧表面不易脱碳，但价格相 对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)。

机械结构钢

①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。 为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机 齿轮类为代表。
②回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高 温回火。为了提高耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件 为典型。
3.1 概述
2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选择中碳 钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢。农用 机械应用较多。
单独加入或复合加入。
3.1 概述
①有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低 碳构件钢中的Si、Mn含量。
②有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢 中的Cr。
③有的元素含量过多，会改变K类型，增加热 处理过程的难度。如V、Mo含量。
④合金元素的作用往往不是随量的增加而线性 地增加的。
3.1 概述
➢零件材料和工艺选择途径： 1、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途径为：
低、中强度钢：钢的强度上升，缺口强度也上升。
高强度钢：钢的强度上升，缺口强度反而下降。
3.3 整体强化态钢
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，
基 本
大部分是整体受力。
情
其主要失效形式是疲劳破坏；
况
主要性能指标σ-1、Rb、Ak、KIC等。
总体上要求良好的综合力学性能。
主
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连
3.2 结构钢的强度与脆性
4. 断裂韧性 kIC kIC：金属材料抵抗材料中裂纹突然扩展的能力，是高强度钢结
构设计的依据。
在高强度钢中存在有微小的裂纹，当裂纹尺寸增大到一定尺寸 时，裂纹突然扩展，零件发生脆断。
f
k1c
(a)1/2
a：裂纹突然扩展时裂纹的尺寸之半。
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大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有 效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。
➢ 钢的淬硬性 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，
淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。
钢的顶端淬火试验
➢ 临界淬火直径
生产中也常用临界淬火直 径表示钢的淬透性。所谓临界 高强螺栓 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。
柴油机连杆 齿轮
研究钢的淬透性的重要意义
➢ 淬透后的钢性能优越 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（℃）。
➢ 淬透层深度视零件的工作条件而定
零件类型 螺栓、销钉等 轴类零件等
工作条件
全截面受力 表面应力大， 中心应力小。
淬透程度的差异 淬透 不淬透
算，并同时引入安全系数。 ➢ 塑性设计
对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或 Σ0.2计算，并同时引入安全系数。
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；
单缸汽车曲轴
（2）韧-脆转化温度；
（3）断裂韧性。
合金结构钢曲轴
第二节 结构钢的淬透性
基本概念
➢ 钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其
Cr、Mo、W、V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和 α相再结晶。
P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。
合金调质钢的高温回火脆性
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。 ➢ 高温回火脆性举例（一）
低淬透性钢。
合金元素对淬透性的影响
➢ 合金元素增加淬透性的能力 钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为：
B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，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多元少量原则
低合金超高强度结构钢
这类钢属于中碳钢， W(C)＝0.27～45%,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。
第五节 高合金超高强度结构钢
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。
低碳马氏体结构钢
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。
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。
网带式淬火炉
➢ 淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）
➢ 淬透性的应用
（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
40 → 40Cr → 40CrNi → 40CrNiMo
低淬透性
中淬透性
高淬透性
➢ 前提 调质钢的强度取决于
α相的强度 碳化物的弥散强化作用
Si、Mn、Ni：溶于α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（0.3～0.5％）：保证有足量碳化物存在，以 获得比较高的强度。
调质钢的组织
淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α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。
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α相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大 的程度。
合金元素对调质钢的影响
➢ 发展历程举例 40 → 40Mn → 40CrMn → 40CrMnSi
Cr-Ni调质钢经650℃回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性
冷却方式
炉冷 空冷 油冷 水冷
室温冲击值/J 9.4 23.5 59.8 74.6
➢ 高温回火脆性举例（二）
➢ 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，
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。
第三章 机械制造结构钢
第一节 结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
第一节 结构钢的强度和脆性
强度设计
➢ 弹性设计 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限σp计
（1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如 Cr－Ni－Mo－V 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 。
显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。
第三节 调 质 钢
钢种分类(根据热处理原理）
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）
这对长期在450～550℃范围工作的部件尤为重要。
第四节 低温回火状态下使用的结构钢
低温回火钢的显微组织及力学性能
淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱 和α相中的固溶强化，ε-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。
其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体α相中 的碳。碳含量越高，马氏体强度越高，但韧性下降。