第三章-机器零件用钢课件.ppt

第三章-机器零件用钢n 机器零件用钢是指用于制造各种机器零件所用的钢种，如各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种力同时作用，零件的截面上产生拉、压、弯、抵、切等应力工程材料学3.1 机器零件用钢的性能要求3.1 机械零件用钢的性能要求一、力学性能要求较高的疲劳强度较高的断裂抗力较高的耐磨性低的缺口敏感性机器零件承载着反复同向或交变的载荷作用机器零件承载着短时超负荷作用，强度要求高机器零件相互间存在相互滑动或滚动机器零件形状复杂，存在台阶、键槽、油孔工程材料学3.2 调质钢 b(MPa)0.2(MPa)(%)(%)k(J/cm2)Tk()800-1100700-10009-1545-5560-120-40 通常将经过淬火和高温回火(即调质处理)处理而使用的结构钢称为调质钢调质处理后的组织为回火索氏体组织调质钢是应用最广的机器零件用钢，约占机械行业中机器零件用钢的30近来有很多调质钢采用等温淬火处理，获得优良的机械性能此外，根据不同的技术要求，还可施以正火、表面淬火+低温回火和化学热处理等处理工艺3.2 调质钢工程材料学 许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发电机曲轴、连杆、高强度螺栓等，都是在多种应力负荷作用下工作的，受力情况比较复杂。

对调质钢的性能提出如下要求：高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性和塑性、轴的表面和局部要有一定的耐磨性、以及断裂韧性和疲劳性能一、调质钢的工作条件及性能要求 工程材料学曲轴曲轴 引擎的主要旋转机件，装上连杆后， 可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动3.2 调质钢工程材料学二、调质钢的组织特点 调质钢具有良好的综合力学性能的原因与其在使用状态下组织为中碳回火索氏体有关具有以下特点： (1)强化相为弥散均匀分布的粒状碳化物，可以保证有较高的塑变抗力和疲劳强度 (2)组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性 (3)作为基体组织的铁素体是从淬火马氏体转变而成的，其晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小 3.2 调质钢工程材料学二、调质钢的化学成分 调质钢在化学成分上的主要特点是中碳(w(C)=0.30.5)，合金元素有Mn、Cr、Si、Ni及B等这些元素单独加入或复合加入可以提高钢的淬透性，并保证机械零件整体具有良好综合力学性能3.2 调质钢车床主轴车床主轴工程材料学 辅加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，它们一般不单独加入，而是加在含有主加元素的钢中，且含量较少。

主要作用是细化晶粒、提高回火稳定性和钢的强韧性调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆的温度范围，加入W、Mo元素可以抑制回火脆性调质钢一般用以制作大的结构件，所以淬透性至关重要3.2 调质钢工程材料学四、调质钢的热处理 3.2 调质钢1. 预备热处理改善切削加工性以及改善因轧、锻不适当而造成的晶粒粗大和带状组织 对于合金元素含量较低的调质钢可进行正火或退火处理 对于合金元素含量较高的调质钢，因正火后可得到马氏体组织，尚需正火后再在Ac1以下温度进行高温回火，使其组织转变为粒状珠光体，降低硬度，便于切削加工2. 最终热处理粒状珠光体层片状珠光体工程材料学3.2 调质钢1. 预备热处理2. 最终热处理调质钢的最终热处理是淬火加高温回火 调质钢的最终性能取决于回火温度的选择当要求高塑性、高韧性及一定的强度时，采用500-600回火，即调质处理，获得回火索氏体组织如零件还要求表面有良好耐磨性时，则再进行表面淬火或化学热处理如氮化处理 当零件要求较高的强度和适当的塑性和韧性时，采用200-250回火，以获得回火马氏体组织，或采用450左右回火，以获得屈氏体组织工程材料学 在小能量多次冲击条件下工作的零件，即高周疲劳时，应适当降低回火温度，以发挥材料的强度潜力；只有对于大能量冲击条件下的零件即低周疲劳时才适宜采用较高的回火温度，以保证有足够的塑性和韧性。

3.2 调质钢工程材料学五、常用调质钢 3.2 调质钢低淬透性调质钢 如40、45淬火临界直径为8-17 mm，而45MnV、40Cr、38CrSi、40CrV、40MnVB钢等油淬临界淬火直径为30-40 mm； 中淬透性调质钢 油淬临界淬火直径为40-60 mm，如40CrMn、40CrNi、35CrMo、30CrMnSi等钢； 高淬透性调质钢 油淬临界淬火直径大于60-100 mm，如40CrNiMo、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA钢等 工程材料学类别牌号化学成分 w/%热处理力学性能用途举例CSiMnCr其他淬火温度/回火温度/b/MPaS/MPa5/%/%Ak/J不小于低淬透性40Cr0.370.440.170.370.500.800.801.10850油520水、油98078594547 重要的齿轮、轴、曲轴、套筒、连杆40Mn2 0.370.440.170.371.401.80840油540水、油885735124555 轴、半轴、涡杆、连杆等40MnB0.370.440.170.371.101.40B：0.00050.0035850油500水、油980785104547 可代替40Cr作小截面重要零件，如汽车转向节、半轴、涡杆、花键轴40MnVB0.370.440.170.371.101.40B：0.00050.0035V：0.050.10850油520水、油980785104547 可代替40Cr作柴油机缸头螺栓、机床齿轮、花键轴等中淬透性35CrMo0.320.400.170.370.400.700.801.10Mo：0.150.25850油550水、油980835124563 用作截面不大而要求力学性能高的重要零件，如主轴、曲轴、锤杆等30CrMnSi0.270.340.901.200.801.100.801.10880油520水、油1080 885104539 用作截面不大而要求力学性能高的重要零件，如齿轮、轴、轴套等40CrNi0.370.440.170.370.500.800.450.75Ni：1.001.40820油500水、油980785104555 用作截面较大、要求力学性能较高的零件，如轴、连杆、齿轮轴等38CrMoAl0.350.420.200.450.300.601.351.65Mo：0.150.25Al：0.701.10940水、油640水、油980835145071 氮化零件专用钢，用作磨床、自动车床主轴、精密丝杠、精密齿轮等高淬透性40CrMnMo0.370.450.170.370.901.200.901.20Mo：0.200.30850油6000水、油980785104563 截面较大，要求强度高、韧性好的重要零件，如汽轮机轴、曲轴等40CrNiMo0.370.440.170.370.500.800.600.90Mo：0.150.25Ni：1.251.65850油600水、油980835124578 截面较大，要求强度高、韧性好的重要零件，如汽轮机轴、叶片曲轴等25Cr2Ni4WA0.210.280.170.370.300.601.351.65W：0.801.20Ni：4.004.50850油550水、油1080 930114571 200mm以下，要求淬透的大截面重要零件 注：试样尺寸25mm；38CrMoAl钢试样尺寸为30mm。

常用合金调质钢的牌号、化学程分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 3077-1999） 3.2 调质钢工程材料学调质钢调质钢调质后使用的钢种调质后使用的钢种 1 1、成分特点、成分特点中碳中碳(0.3-0.5%C)(0.3-0.5%C)，合金元素作用为：，合金元素作用为： 提高淬透性：提高淬透性：MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、B B 强化铁素体：强化铁素体：MnMn、SiSi、CrCr、NiNi 细化晶粒：细化晶粒：TiTi、V V 防止第二类回火脆性：防止第二类回火脆性：W W、Mo Mo 2 2、性能：良好的综合力学性能性能：良好的综合力学性能3 3、常用钢号及用途、常用钢号及用途 常用钢号为常用钢号为4545、40Cr40Cr、40CrNi40CrNi用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件制造大截面重载荷零件，如曲轴件制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的等用高淬透性的40CrNiMo40CrNiMo等等 3.2 调质钢-小结柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴工程材料学3.3 弹簧钢 在机械产品中，弹簧是重要的基础零部件之一，在各种机械产品中都少不了各种各样的弹簧，按其使用场合和结构外形的不同，可分为板弹簧和螺旋弹簧两大类。

用以制造弹簧或制造类似弹簧性能的零件的钢种称为弹簧钢 弹簧在外力作用下发生弹性变形以吸收能量；外力去除后，弹性变形又恢复放出能量，从而保证弹簧本身不受损害可见，弹簧也是在交变载荷下工作，其破坏形式是疲劳断裂和由于塑性变形而失去弹簧作用3.3 弹簧钢工程材料学工程材料学根据以上工作要求，弹簧应具有如下性能： (1)高的弹性极限、屈服极限和高的屈强比，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷 (2)高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏 (3)为了满足成型的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧应具有一定的塑性和韧性k20即可，而对ak不做明确要求一、弹簧的工作条件与性能要求 3.3 弹簧钢工程材料学弹簧的性能以强度要求为主，由此便决定了弹簧钢在化学成分和热处理工艺上有如下特点： (1)弹簧钢的化学成分： 弹簧钢中的碳质量分数较大，以保证高的弹性极限与疲劳极限一般碳素弹簧钢的w(c)=0.8-0.9，合金弹簧钢的w(C)=0.5-0.73.3 弹簧钢二、弹簧钢的特点和常用钢种工程材料学加入Si、MnSi和Mn是弹簧钢中经常应用的合金元素，目的是提高淬透性、强化铁素体(Si、Mn固溶强化效果最好)、提高钢的回火稳定性，使其在相同回火温度下具有较高的硬度和强度。

其中Si的作用最大，但Si的质量分数大时有石墨化倾向，且在加热时使钢易于脱碳Mn能增加钢过热敏感性，也应加以注意加入Cr、W、V为了克服硅锰钢的不足，加入碳化物形成元素，它们可以防止钢的过热和脱碳，提高淬透性(主要是Cr)，W、V可细化晶粒，并保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限3.3 弹簧钢工程材料学 (2)最终热处理采用淬火加中温回火，回火温度一般在350450，为回火屈氏体组织，其目的是为了追求高的弹性极限和疲劳极限 (3)要求有较高的冶金质量，以防钢中夹杂物引起应力集中而成为疲劳裂纹源，故指标中规定弹簧钢为优质钢 (4)对钢材表面质量有严格要求，防止表面有脱碳、裂纹、折叠、斑疤、气泡、夹杂和压入的氧化皮等引起应力集中，降低钢的疲劳极限3.3 弹簧钢工程材料学 对于小型弹簧，如丝径小于8mm以下的螺旋弹簧或弹簧钢带等，可以在热处理强化或冷变形强化后成型，即用冷拔钢丝冷卷成型冷拔钢丝具有高的强度，这是利用冷拔变形使钢产生加工硬化而获得的冷拔弹簧钢丝按其强化工艺不同可分为三种情况：三、弹簧钢的热处理1冷成型弹簧的热处理3.3 弹簧钢工程材料学 (1)铅浴等温淬火冷拔钢丝即将盘条先冷拔到一定尺寸，再加热到Ac3+80-100奥氏体化后，在450-550铅浴中等温以得到细片状珠光体组织，然后多次冷拔至所需要直径。

通过调整钢中含碳量和冷拔形变量(形变量可高达85-90)，以得到高强度和一定塑性的弹簧钢丝这种铅淬拔丝处理实质上是一种形变热处理，即珠光体相变后形变，可使钢丝强度达到3000 MPa左右 3.3 弹簧钢工程材料学 (2)冷拔钢丝这种钢丝主要是通过冷拔变形而得到强化，但与铅淬冷拔钢丝不同，它是通过在冷拔工序中间加入一道约680中间退火而改善塑性，使钢丝得以继续冷拔到所需最终尺寸，其强度比铅。