第三章机器零件用钢课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第三章 机器零件用钢,2,简介,用途,：轴类、齿轮、弹簧、紧固件等。,分类,：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、轴承钢和易削钢等。,按热处理状态分（使用状态）：,1,一般供应或正火状态,碳钢或碳素易削钢；,3,2,淬火,+,回火状态,按回火温度分为：高温回火,调质钢；,中温回火,弹簧钢；,低温回火,滚动轴承钢、,超高强度钢。,3,化学热处理： 渗碳钢,氮化用钢,4,高频淬火用钢,高、中频淬火后低温回火使用,4,一力学性能要求,1.,具有高的疲劳强度或耐久强度；,2.,要求高的屈服强度和抗拉强度；,3.,具有高的接触疲劳强度和耐磨性；,4.,具有高的韧性和低的缺口敏感性,5,二工艺性能,机器零件的生产流程：型材,改锻,毛坯热处理,切削加工,最终热处理,磨削。,从工艺流程可见，这类钢的工艺性和构件用钢有所不同，要求有良好的工艺性能，如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、 磨等，主要是切削加工性和热处理性能。,6,三合金化,主加元素,：,Cr,、,Mn,、,Si,、,Ni,作用：,淬透性和力学性能。,辅加元素,：,Mo,、,W,、,V,等,作用：,过热敏感性，,回脆，,淬透性。,最佳范围：获得最佳性能,称为极限合金化理论。,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。,7,3-1,调质钢,1.,用途：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、螺栓等。,汽车万向节,齿轮,连杆,曲轴,8,一、工作条件、失效方式及性能要求,1,工作条件（以轴类零件为例）,作用：传动力矩,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。,2,失效方式,（,1,）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,3,性能要求,（,1,）高强度，尤其是高的疲劳强度；,（,2,）高硬度、高耐磨性；,（,3,）塑性韧性好；,即，良好的综合力学性能,。,9,二对调质钢力学性能和工艺性能的要求,1,良好的综合力学性能，即强韧性的良好配合；,2,足够的淬透性，依靠合金化,Cr,、,Mn,、,Ni,、,Si,等。,3,防止第二类回火脆，可加入,Mo,和,W,，也可以快速冷却、细化晶粒、避开温区。,4,良好的加工性能,锻、铸、热处理及切削减加工性。,一般调质钢力学性能指标：,b,=800-1100MPa,0.2,=700-1000MPa,=9-15%,=45-55%,=60-120J/cm,2,c=-40.,10,三调质钢的组织特点,调质处理后为回火索氏体：,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，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,M,而来的，其晶粒细小，使钢的冷脆倾向减小。,11,四调质钢的化学成分及热处理特点,1,化学成分,C,：,0.25-0.45%,，以保证强韧性；,主加元素：,Mn,Cr Si Ni B,辅加元素：,W Mo V Ti,Mn,：,淬透性，但,过热倾向，,回脆倾向；,Cr,：,淬透性，,回火稳定性，但,回脆倾向；,Ni:,基体韧度，,Ni-Cr,复合,淬透性，,回火脆 ；,Mo,：,淬透性,回火稳定性，细晶,回脆倾向；,V,：有效细晶，,(,淬透性,),，,过热敏感性。,12,总结,合金元素的作用：,（,1,）提高淬透性：,Mn,Cr Si Ni B,（,2,）提高回火稳定性：,Mo Cr Si,（,3,）细化晶粒：,V Ti,（,4,）防止第二类回火脆：,W,（,0.8%,1.2%,）,Mo,（,0.15%,0.30%,）,13,2,热处理特点,（,1,）预备热处理,P,型钢：正火或退火,M,型钢：调质处理,（,2,）最终热处理,淬火,+,高温回火。,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），有利于韧性的提高。,40Cr (,直径,D,=12mm,油淬,),14,回火,1,、要求综合性能良好,淬火,+,高温回火，回火温度为,500-600,。,2,、表面某些部位要求耐磨性好：轴颈、花键,调质,+,表面处理：高频表面淬火或进行氮化处理。,3,、带有缺口的零件,缺口引起应力集中，须调质,+,喷丸或滚压强化,4,、要求特别高的强度（抗拉强度为,1600-1800MPa,）,淬火,+,低温回火（中碳回火,M,） 实际上这就是超高强度钢,15,五常用调质钢,1,低淬透性的调质钢,：,D,C, 40CrNi 40Cr,回稳性：,40CrNiMo 40CrNi 40Cr,塑韧性：,40CrNiMo 40CrNi 40Cr,回脆性：,40CrNi 40Cr 40CrNiMo,17,七调质零件用钢的发展动向,1,低碳马氏体型钢,2,中碳微合金非调质钢,3,B,型和,M,型微合金非调质钢,18,3-2,弹簧钢,1.,用途,拉力弹簧,弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,19,一弹簧的工作条件、失效方式、性能要求,1,工作条件,动截荷：冲击、震动或长期均匀交变应力。,板簧：反复弯曲负载,螺旋弹簧：反复扭转负荷,2,失效方式,过量变形，即永久性变形；,疲劳断裂：板簧,弯曲疲劳断裂；,螺旋弹簧,扭转疲劳断裂。,20,3,性能要求,（,1,）必须具有高的屈服极限和弹性极限，高的屈强比，高的,s,、,e,、,s,/,b,；,（,2,）必须具有高的疲劳极限,-1,；,（,3,）有一定的冲击韧和塑性，,k,20%,；,（,4,）具有良好的耐热性和抗蚀性（对高温下工作的弹簧）。,21,二对弹簧钢力学性能和工艺性能的基本要求,1,力学性能：,高的,s,、,e,、,s,/,b,、,-1,，足够的韧性及塑性；,2,工艺性能,（,1,）淬透性要高；,（,2,）过热敏感性要低；,（,3,）氧化、脱碳倾向小；,（,4,）成型性好。,3,冶金质量及表面状态,22,三弹簧钢的化学成分及热处理特点,1,化学成分,碳素弹簧钢：,C,：,0.6-0.9%,合金弹簧钢：,C,：,0.5-0.7%,主加合金元素：,Si,、,Mn,、,Cr,；,辅加合金元素：,Mo,、,V,、,Nb,、,B,。,合金元素有作用：,提高淬透性：,Si,、,Mn,、,Cr,，（,B,）；,提高回火稳定性：,Si,、,Mn,、,Cr,；,细化晶粒：,Mo,、,V,、,Nb,；,提高,s,、,e,、,s,/,b,：,Si,、,Mn,；,23,注意,Si,的石墨化问题；,Mn,的过热敏感性问题,24,2,热处理特点,冷成型弹簧（强化后成型）：小型弹簧，先最终热处理,+,成型,+,低温退火（,200-400,）（冷拔弹簧钢丝）,热成形弹簧： 用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火,+,中温（,450 ,550 ,）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。,25,例,60Si2Mn,钢力学性能与回火温度的关系,55Si2Mn,钢疲劳强度随回火温度的变化,26,四常用弹簧钢,60Si2Mn,是我国常用弹簧钢，淬透性高，脱碳倾向大，冷变形塑性低，带材只能冲剪和简单弯曲，用于板簧和螺旋弹簧。,思考题：,大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形,?,小型弹簧成形后为什么进行低温退火,?,27,提高表面质量,防止表面脱碳氧化；,使表面产生残余压应力；,喷丸、氮化处理,28,3-3,渗碳钢和氮化钢,1.,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。,拔叉,变速齿轮,凸轮机构,29,一典型渗碳零件（齿轮）的工作条件、失效方式及性能要求,1,工作条件（以齿轮为例）,弯曲载荷（周期作用）,弯曲疲劳；,齿轮工作时是通过齿面接触传递动力，接触面积很小，压力很大,接触疲劳；,齿轮工作时，两齿面间会有相对运动（滚动和滑动），产生摩擦力,急刹车时，齿根会受到冲击力。,2,失效方式,（,1,）弯曲疲劳破坏：牙齿断裂,（,2,）接触疲劳损坏：产生麻点，点状剥落。,（,3,）齿端磨损：换档时易发生齿端磨平,/,尖。,（,4,）齿面刮伤,3,性能要求,（,1,）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（,HRC,大于,58-62,），心部综合力学性能好（,25-40HRC,，冲击韧性高于,70J/cm,2,）。,30,二对渗碳钢的性能要求,1,力学性能要求,高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，表面硬度高，耐磨性好，心部综合力学性能好，即高的强度，良好的塑性和韧性。,2,工艺性能要求,（,1,）锻造、切削加工性能好；,（,2,）渗碳性能好：,渗碳速度快（碳易吸收、扩散）；,表面碳浓度适当（太低，硬度不足，太高，易产生大块,K,，产生应力集中，易断齿），一般为,0.8-0.9%,碳浓度过渡平缓,31,（,3,）过热敏感性小：希望是本质细晶粒钢，便于渗碳后直接淬火，简化工艺。,（,4,）渗碳淬火后,A,R,少；,（,5,）渗碳淬火后变形小。,3,对冶金质量的要求,（,1,）不允许有粗大的夹杂物，因为粗大夹杂存在于渗层中，易产生应力集中；,（,2,）不允许有严重的带状组织，否则，会使渗层硬度和厚度不均匀。,32,三渗碳钢的化学成分特点,1,提高心部的力学性能,（,1,）适当的含碳量（,0.1-0.25%C,）,（,2,）强化,F,基体，提高心部的强度：,Cr,、,Ni,、,Mn,、,Si,；,（,3,）提高钢的淬透性：,Si,、,Ni,、,Mn,、,Mo,、,B,；,（,4,）减小钢的过热敏感性，使心部具有细晶粒：,Ti,、,V,、,W,、,Mo,；,（,5,）降低相变点，降低淬火温度，细化晶粒，减少,A,R,，减小变形，加入,Ni,。,33,2,提高渗碳层力学性能,（,1,）渗碳层的碳量控制在,0.8-0.9%,；,（,2,）为了不使渗碳层中有过多,A,R,，应控制降低,M,S,点的合金元素的含量；,（,3,）渗碳层的浓度梯度缓和,非,K,形成元素：,Si,、,Ni,、,Al,、,Co,等，降低表面含碳量，使碳浓度梯度缓和，但,Si,促进石墨化，降低渗层深度。,K,形成元素：,Cr,、,Mo,、,W,、,Ti,、,V,、（,Mn,）与,C,结合力强，增加渗层表面碳含量，阻止,C,扩散，降低渗层深度，使碳浓度梯度变陡，,Mn,的作用很弱。,（,4,）提高第一类回火脆性温度范围：,Cr,和,Si,。,34,总之，主加元素：,Mn,、,Cr,、,Ni,、,B,；,辅加元素：,Mo,、,W,、,Ti,、,V,渗碳层性能,:,表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度根据零件需要确定。原则上，,渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。,35,合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响,36,合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响,合金元素,碳扩散系数,表层,碳量,渗层,深度,浓度,梯度,淬透性,晶粒长大倾向,含量范围质量分数,%,Ti V,变陡,不定, 0.12, 0.30,W,Mo,Cr,变陡,0.41.2,0.20.6 2,Mn,影响小,平缓, 2,Ni,平缓,影响小, 4,Si,平缓,影响小, 0.8,37,渗碳零件受力与渗层厚度的关系,图,心部强度,渗层厚度,表层强度,外应力,距离,表面碳浓度太高,渗层太浅,38,总结渗碳钢的成分特点,低碳：碳质量分数一般为,0.10%,0.25%,，使零件心部有足够的塑性和韧性。,加入提高淬透性的合金元素：常加入,Cr,、,Ni,、,Mn,、,B,等。,加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素,Ti,、,V,、,W,、,Mo,等，形成稳定的合金碳化物。,39,四渗碳钢热处理特点,1,预备热处理,（,1,）正火,低合金钢及碳钢,20CrMnTi,，,950-970,正火；,20Cr,，,870-900,正火,（,2,）,正火,+,高温回火,中（高）合金渗碳钢,18Cr2Ni4WA,，,920-980,正火,+640-670,回火。,（,3,）调质,中合金渗碳钢,12CrNi3A,，,860,油淬,+500-650,回火,40,2,最终热处理,（,1,）直接淬火,+,低温回火：合金元素含量较低，但又不易过热的钢（,20CrMnTi,）。,（,2,）重新加热淬火,+,低温回火：渗碳时易过热的碳钢及低合金钢,（,3,）两次淬火,+,低温回火：合金元素含量较高的中合金钢及对性能要求较高的渗碳件，一般渗碳后缓冷到室温，重新加热二次淬火，再低温回火。,淬火温度？,41,五常用的渗碳钢,20Cr,低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心部强度较低。,20CrMnTi,中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。,18Cr2Ni4WA,和,20Cr2Ni4A,高淬透性合金渗碳钢。含有较多的,Cr,、,Ni,等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。,42,氮化钢,多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢。国内外广泛使用的氮化钢是,38CrMoAl,钢，获得最高氮化层硬度，达到,9001000HV,。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的,CrMo,型氮化钢，如,35CrMo,、,40CrV,、,40Cr,等，其氮化层的硬度控制在,500800HV,。,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。,43,3-4,滚动承轴钢,1.,用途,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。,滚珠,滚珠轴承,44,一滚动轴承的工作条件、失效方式和性能要求,1,工作条件,（,1,）接触疲劳,（,2,）表面出现剥落后，噪音和振动增大，工作温度升高,（,3,）滚动和滑动摩擦,（,4,）化学浸蚀,45,2,失效方式,（,1,）疲劳剥落,接触疲劳破坏,（,2,）磨损,（,3,）诱蚀,3,性能要求,高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的抗压强度等,46,二对滚动轴承钢的力学性能和工艺性能的要求,1,力学性能,（,1,）较高的抗压强度的接触疲劳强度；,（,2,）高而均匀的硬度和耐磨性，,HRC62-66,；,（,3,）高的弹性极限，防止在高载荷作用下发生过大的塑性变形；,（,4,）有一定的韧性，以防止受冲击载荷而破坏；,（,5,）一定的耐蚀性。,47,2,工艺性能,（,1,）高的淬硬性和必要的淬透性，以保证热处理后获得高而均匀的硬度；,（,2,）良好的加工艺性，冷、热成型性、切削、磨削性；,（,3,）良好的尺寸稳定性，在长期保存和使用过程中能保持尺寸精度。,3,冶金质量,要求高纯度、非金属夹杂少、偏析、疏松、夹杂物分布不均匀尽可能避免。,48,三滚动轴承钢的化学成分特点,1,碳：,0.95-1.15%,，属于过共析钢,2,铬：,0.4-1.65%,，目的是提高淬透性，提高回火稳定性，提高耐蚀性，细化,K,，形成合金渗碳体，提高耐磨性。,对于大型轴承,，为提高淬性加入,Mn,、,Si,等，另外加入,Mo,、,V,、,RE,细化晶粒，减少疲劳裂纹源。,3,纯度要求高，,P,小于,0.027%,，,S,小于,0.02%,，属于高级优质钢。,49,四,热处理特点,轴承钢的热处理,预备：,球化退火,最终,： 淬火,+,低温回火,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。,GCr15,钢的淬火温度：,820,840,回火温度：,150,160,。,50,例,GCr15,钢淬火温度对机械性能的影响,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,51,精密轴承,精密轴承必须保证在长期存放和使用中不变形。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 h,10 h,）,52,五常用轴承钢,(1),铬轴承钢 最常用的是,GCr15,(2),添加,Mn,、,Si,、,Mo,、,V,的轴承钢 ，,Si,、,Mn,可提高淬透性，如,GCr15SiMn,、,GCr15SiMnMoV,等。为了节铬,加入,Mo,、,V,可得到无铬轴承钢,如,GSiMnMoV,、,GSiMnMoVRE,等，其性能与,GCr15,相近。,53,（,3,）对于工作温度高于,250,（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，因此必须采用高温轴承钢，如,Cr4Mo4V,、,W6Mo5Cr4V2,、,Cr14Mo4V,、,9Cr18Mo,等，因有,W,、,Mo,、,Cr,、,V,强,K,形成元素，淬火后,M,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强度。,（,4,）对于要求耐蚀的轴承，可采用不锈钢制造，,9Cr18,、,9Cr18Mo,等。,54,3-5,低碳马氏体型结构钢,一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）,；,2,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,（,M,S,点高，有自回火现象，稳定性差）,。,55,二化学成分及热处理特点,1,成分,低碳：,0.15-0.25%,合金元素：,Si,、,Mn,、,B,、,Ti,、,V,、,Nb,、,Mo,等,作用：提高淬透性,Si,、,Mn,、,B,降低过热敏感性：,Ti,、,V,、,Nb,、,Mo,；,提高回火稳定性：,Si,、,Ti,、,V,、,Nb,、,Mo,降低,M,S,点，防止自回火：,Si,、,Mn,2,热处理,淬火,+,低温回火，组织：回火低碳,M+A,R,+K,弥散分布,56,三性能,1,优点,静载荷下具有良好的强韧配合；,与中碳调质钢相比，冷脆倾向小，,Tc-60,至,-70,，所以可代替中碳调质钢，可用于寒冷地区。,低温韧性好；,缺口敏感性低。,2.,缺点,工作温度低，,200,以下；,淬透性不高，大件使用受到限制；,热处理后不能焊接；,不能作模具；,热处理后不能加工。,3.,典型材料,：,15MnVB,57,3-6,超高强度钢,屈服强度高于,1400MPa,钢称为超高强度钢（习惯）,分类：,低合金中碳马氏体型,中合金中碳二次硬化型,中合金低碳马氏体型,高合金低碳马氏体时效型,沉淀硬化超高强度不锈钢,（不锈钢中讲）,58,一,低合金中碳,M,型超高强度钢,1.,性能要求,具有所要求的强度；,合适的塑性；,一定的冲击抗力和断裂韧性；,高的疲劳强度；,焊接性好，缺口敏感性低。,2,成分特点,C,：,0.30-0.45%,Si,、,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,等提高淬透性。,Si,还可以使第一类回火温度上移，适当提高回火温度，提高塑性和韧性。,V,、,Nb,细化晶粒，有效提高塑性和韧性。,S,、,P,应严格控制，总是小于,0.02%,，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。,59,3,热处理特点,淬火,+,低温回火，回火温度为,150-200,，故工作温度低于,200,。,4,典型钢号,30CrMnSiNi2A,，淬透性高，临界淬透直径为,80mm,，抗拉强度为,1670100MPa,，应用于重要受力件，如机翼主梁、起落架支柱。,60,二中合金中碳二次硬化型超高强度钢,1,成分特点,C,：,0.3-0.4%,左右，保证屈服强度大于,1550MPa,；,合金元素：,Cr,、,Mo,、,Si,、,V,等，提高淬透性，空冷得到,M,。,Mo,、,V,高温回火析出特殊,K,，具有二次硬化作用。,Cr,量高，提高抗蚀性，提高淬透性。,2,热处理特点：淬火,+500-600,回火，消除应力，,二次硬化,。,3,应用,这类钢室温下使用，与低合金超高强度钢相似。,500,以上使用，比强度最高，制作超音速飞机机体中承力构件和轴类、螺栓等。,缺点：易脱碳，有,H,脆现象，焊接性稍差。,4,典型钢号,4Cr5MoSiV(H11,H13,美国,),61,三马氏体时效钢,马氏体时效钢是超低碳钢，它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,2000 MPa,。,正式用于生产的基本成分为,0.03%C,，,18-25%Ni,，同时加入能产生时效强化的合金元素：,Ti,、,Nb,、,Mo,、,Al,等。,按,Ni,的含量分为：,18%Ni,、,20%Ni,、,25%Ni,最常用的是,18%Ni,，因,20%Ni,、,25%Ni,工艺性差，工艺复杂。,62,1,成分特点,C,：超低碳，,0.03%C,合金元素：,Ti,、,Nb,、,Mo,、,Al,F,形成（稳定）元素，要想获得单一,A,（加热），必须加入,A,稳定元素，,Ni,和,Co,。,Ni,作用：（,1,）,A,稳定元素，高温形成单相,A,；,（,2,）使塑性极高；,（,3,）与,Ti,、,Mo,、,Al,、,Co,等形成金属间化合物：,Ni3Al,、,Ni3Ti,、,Ni3Mo,、,(FeNiCo)2Mo,等；,（,4,）使,Ms,下降，所以须加,Co,，提高,Ms,，同时,Co,对塑性有益。,63,这种钢,C,含量为什么特别低？,（,1,）大量的,K,形成元素,Ti,、,Nb,、,Mo,等，若钢中,C,量高，将形成,K,，沿晶界析出，使钢的韧性降低，缺口敏感性升高；,（,2,）另一方面，损失了时效强化合金元素的有效含量，使钢的强度降低；,（,3,）含,C,量高，,M,的塑性也会下降。,为什么不加入,Si,和,Mn,？,64,2,热处理特点,固溶,+,时效,3,性能特点,（,1,）不仅具有高强度，而且具有良好的塑性、韧性,（,2,）无脱碳倾向；,（,3,）热处理变形小，工艺简单，无淬火开裂倾向；,（,4,）合金度高，冶金要求严，价格昂贵；,（,5,）工艺性能优良,65,4,典型材料,Ni18Co9Mo5TiAl,，,Ms=150,，,M,f,=50,，,815,固溶后空冷，,M,转变相当充分，因是置换式固溶体，,HRC26-36,，,480,4h,时效，析出,Ni3Al,、,Ni3Ti,、,Ni3Mo,、,(FeNiCo)2Mo,等金属间化合物，,组织：,M+,金属间化合物。,5,应用,66,发展使用超高强度应注意的问题,1,缺口敏感性,2,疲劳强度,3,氢脆,4,应力腐蚀,5,可焊性,6,断裂韧性,67,3-7,特殊用途结构钢,特殊用途结构钢有多种，如,低温用钢、耐磨钢,、无磁钢、,易削钢,、钢轨钢、大锻件用钢等。,一低温用钢,1,低温用钢的性能要求,（,1,）足够的低温强度，特别是屈服强度，可减轻结构重量；,（,2,）足够的刚度和韧性，尤其是低温韧性，一般要求,ak60J/cm,2,。,（,3,）良好的焊接性和冷加工性。低温用钢大部分是板材，需焊接或冷成型。要求良好的延伸率，一般碳钢不低于,16%,，合金钢不低于,14%,。,（,4,）较好的耐蚀性。,68,2,低温用钢分类,（,1,）奥氏体型低温用钢,奥氏体型低温用钢合金元素含量高，使用时应注意成本。,最早使用的是,18-8,不锈钢，因为这种钢低温韧性较好（,0Cr18Ni9,和,1Cr18Ni9,）。但是，,-200,以下奥氏体不稳定，研制了,25Cr-20Ni,是最稳定的奥氏体可用于,-268.9(,液氮,),，价格高。目前，为降低成本，,15Mn26Al4,钢已开始使用。,（,2,）低碳马氏体型低温用钢,这类钢是低碳，同时用大量的,Ni,提高低温韧性，含,9%Ni,。,热处理淬火,+,高温回火。可用于,-196(,制取液氮设备,),。,（,3,）铁素体型低温用钢,这类钢是降低碳及,S,、,P,含量，提高低温韧性。热处理是正火或热轧，组织,F+,少量,P,。,16MnRE,、,09MnV2RE,等。,69,三高锰耐磨钢,1.,用途及性能要求,承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机鄂板和铁轨分道叉等。,对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。高锰钢是目前最主要的耐磨钢。,70,应用实例,履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,71,2.,成分特点,(1),高碳（,0.9-1.4%C,）：保证钢的耐磨性和强度。但碳过高时，淬火后韧性下降，且易在高温时析出碳化物。因此，其碳质量分数不能超过,1.4%,。,(2),高锰：,锰是扩大奥氏体区的元素，它和碳配合，保证完全获得奥氏体组织。锰和碳的质量分数比值约为,10,12,。,(3),一定量的硅，硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。但其含量太高时，易导致晶界出现碳化物。故其质量分数为,0.3%,0.8%,。,72,2,热处理,水韧处理,：加热,T,Accm,，一般为,1050-1100,加热水冷，得到均匀的奥氏体组织，具有很高的韧性，故一般称为水韧处理。,水韧处理后不宜再进行,250350,的回火处理，也不宜在,250350,以上温度环境中使用。,73,3,性能,经水韧处理后：,b,=800-1000MPa,0.2,= 250-400MPa,=35-45%,=40-50%,HB170-230,。,（,1,）耐磨性,（,2,）综合性能好：心部仍为,A,，兼有高硬度，高耐磨性及高塑性；,（,3,）加工硬化能力强，切削加工困难，限于铸件使用，铸造时由于导热性差，容易产生裂纹，一般低温浇注；,（,4,）屈服强度低，易变形（拉应力下）产生裂纹。,74,四易削钢,1,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，从而改善钢的切削加工性能。常用的有：,S,、,P,、,Ca,、,Se,等。,2.,牌号,Y12,：仅提高,S,、,P,的含量；,Y35S,：表示加入,Se,；,YP40,：表示加入,Pb,。,Y12,、,Y30,：自动车床加工的形状复杂、强度要求不高的零件，螺栓、螺帽、销子等；,加,Pb,、,Ca,：因对力学性能影响小，多用于制造经过渗碳或调质处理的受力零件，如传动齿轮、轴类零件等。,75,3-8,零件材料选择基本原则,一 选择材料的基本原则,1,材料使用性能要求,最大限度发挥材料潜力,2,、材料的工艺性能,加工工艺性能良好,3,、经济性,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,4,、其它因素,材料毛坯的选择、生产设备的可能性、环境协调性等,二零件的加工工艺路线,76,三选择材料的基本思路及方法,.,分析零件,工作条件,确定主要失效抗力指标,作为选材的基本依据,考虑工,艺措施,考察经济性,和生产成本,选择材料,注,意,要合理引用手册上材料的力学性能数据 ；,尽量选用简化加工工艺的材料 ；,零件材料选择要考虑零件的综合成本,77,.,材料成分、工艺、组织、性能间的关系,零件,性能,要求,材料,成分,服役,条件,强化,工艺,使用,性能,组织,结构,78,四零件材料和工艺选择途径,1,对于要求良好综合力学性能，零件选材料的途径为：,低碳马氏体型结构钢，采用淬火,+,低温回火。为,耐磨性，可进行渗碳处理（实际上就是复合材料）；汽车拖拉机齿轮类为代表。,回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火,+,高温回火。为,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。,2,如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。,3,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。如弹簧钢。,4,零件要求高强度、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,+,低温回火。如轴承钢。,79,作业,1.,如何选择渗碳零件的最终热处理工艺？,2.,提高弹簧的表面质量具体方法有哪些？,3.,写出下列钢的种类及其用途，并指出下划合金元素的主要作用，说明最终热处理工艺及其组织。,40,Cr,Ni,Mo,A 30CrMn,Si,Ni2A 60,Si,2,Mn,Ni,18Co9Mo5,Ti,Al,Mn,13 20CrMn,Ti,G,Cr,15 38CrMo,Al,