机械工程材料61

机械制造基础,金属材料成形基础,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,Q345Q460,6-1,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,、,Y40Mn,C,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（,180200,）回火,900920,1%1.2%,碳势,表面碳浓度,温度,碳势,时间,油冷,缓冷,油冷,180200,6-1,合金结构钢,（三）常用的合金渗碳钢,1,、低淬透性钢,15Cr,、,20Cr,、,15Mn,、,20Mn,2,、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,950970,温度,6-1,合金结构钢,温度,/,时间,/t,950970,正火,空冷,920 68h,气体渗碳,预冷,870880,油冷,20023h,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,W,C,=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,（,650700,）（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,180200HBS,，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,S,3.,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（,830880,）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,500600,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,.,很大的交变弯曲应力和扭转应力。,.,应力集中严重。,.,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,、,50Mn2,35CrMo,、,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：,满足性能要求；,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,调质检验硬度加工螺纹装配,6-1,合金结构钢,连杆组件用材,：,铜合金,锡基或铅基巴氏合金,40C,钢,45,、,40Cr,、,42CrMo,45,、,40Cr,、,42CrMo,45,、,40Cr,、,42CrMo,6-1,合金结构钢,3.,齿轮和凸轮轴,受力特点：,受力都较小，凸轮磨损。,材料：,碳钢即可，如,45,钢,齿轮工艺路线：,下料锻造,调质机加工（感应淬火）,装配,凸轮轴工艺路线：,下料锻造,调质机加工,感应淬火（凸轮）精加工,装配,齿轮,凸轮轴,