结构钢的机械制造工艺

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,机械制造结构钢,第一节 结构钢的强度与脆性,第二节结构钢的淬透性,第三节 调质钢,第四节 低温回火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,对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限,p,计算，并同时引入安全系数。,第一节 结构钢的强度和脆性,强度设计,弹性设计,对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度,s,或,0.2,计算，并同时引入安全系数。,塑性设计,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；,（2）韧-脆转化温度；,（3）断裂韧性。,合金结构钢曲轴,单缸汽车曲轴,基本概念,钢的淬透性,是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其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,。,钢的淬透性,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。,第二节 结构钢的淬透性,钢的顶端淬火试验,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓,临界淬火直径,，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D,o,表示。在相同冷却条件下，D,o,越大，钢的淬透性越好。,临界淬火直径,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,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FATT,50,（）。,淬透后的钢性能优越,研究钢的淬透性的重要意义,淬透层深度视零件的工作条件而定,零件类型,工作条件,淬透程度的差异,螺栓、销钉等,全截面受力,淬透,轴类零件等,表面应力大，中心应力小。,不淬透,网带式淬火炉,淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）,（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,低淬透性钢。,淬透性的应用,合金元素对淬透性的影响,钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为：,BMnMoCrSiNi，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能力,（1）,强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如CrNiMoV 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。,合金元素增加淬透性的多元少量原则,显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。,第三节 调 质 钢,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）,钢种分类,(根据热处理原理）,淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在相,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。,调质钢的组织,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,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,相的强度,碳化物的弥散强化作用,Si、Mn、Ni,：,溶于相起固溶强化作用；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（0.30.5）,：,保证有足量碳化物存在，以,获得比较高的强度。,Cr、Mo、W、V：,阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和,相再结晶。,P元素：类似Si,，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。,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。,合金调质钢的高温回火脆性,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（一）,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，,这对长期在450550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,淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱,和,相中的,固溶强化,，,-F,e2.4C与基体共格产生的,沉淀强,化,及马氏体相变的,冷作强化,。,低温回火钢的显微组织及力学性能,其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体,相中,的碳。碳含量越高，马氏体强度越高，但韧性下降。,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。,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。,低碳马氏体结构钢,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。,这类钢属于中碳钢，W(C)0.2745%,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。,低合金超高强度结构钢,第五节 高合金超高强度结构钢,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。,1)添加Ni、Co，可扩大区，控制Ms点；,2）添加Ni、Ti、Al、Mo、Nb等，可形成Ni,3,Al，Ni,3,Ti、,Ni,3,Mo和Fe,2,Mo等强化相；,3）严格控制杂质元素C、N、S、P、Si的含量。,马氏体时效钢中合金元素的作用,由于合金元素含量高，,即使冷却较慢奥氏体也能,在低温下马氏体。,右图：(18Ni马氏体时效钢),加热温度800；,Ms：100155；,时效温度：480。,马氏体时效钢的热处理,马氏体时效钢的高强度机理,三种强化机制共同作用：,1）,合金元素的固溶强化；,2）,马氏体相变的冷作硬化;,3）,Ni,3,Al等沉淀析出相的沉淀强化。,马氏体时效钢的高韧性机理,由于组织存在大量可动位错，没有受到C、N间隙于原,子钉扎，加之在400500时效，相变引起的显微应力被,松弛。,第六节 轴 承 钢,1）局部接触压应力高，,可达30005000MPa；,2）循环受力次数每分钟,可高达数万次；,3）摩擦磨损严重。,轴承钢的使用特点,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,真空脱气，炉外精炼和电渣重熔,其中钢渣包括炼钢时的脱氧产物与钢渣，以及钢凝,固时的氧化物和硫化物等。,碳化物不均匀性的消除,1）带状碳化物的消除,高温扩散退火（加热到共晶温度113010以上）,2）网状碳化物的消除,把轧制的终轧温度控制在Arm和Ar1之间，网状碳化物,破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。,3）大颗粒碳化物的消除,延长正火时间，让碳化物完全溶解。,轴承钢的成分特点,高碳,：,0.95,1.15%C,，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；,低铬,：,0.40,1.65%Cr,，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体,(Fe,、,Cr),3,C,提高接触疲劳极限和耐磨性。,大型轴承,：,加入,Si,、,Mn,、,Mo,等元素以进一步提高淬透性和强,度；对无铬轴承钢还应加入,V,元素，形成,VC,以保证耐磨性并,细化钢基体晶粒。,轴承钢的热处理,预先热处理,球化退火，,以,改善切削加工性并为淬火作组织准备；,最终热处理,淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度,和高,耐磨性。,冷处理,为了较彻底消除A,残,与内应力、稳定组织、提高轴承的,尺寸精度，还可在淬火后进行,冷处理,(,-,60,80,），在,磨削加工后进行低温时效处理等。,第七节 渗碳钢和氮化钢,1）,渗碳钢：,通过表面渗碳，整体淬火低温回火得到表面是高碳马氏体，心部是低碳马氏体或半马氏体组织的钢种。,渗碳钢定义及用途,2）,用 途：,由于渗碳钢表面具有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高强度和韧性。所以广泛由于制造要求高耐磨，承受高接触应力和冲击载荷的重要部件。,渗碳钢的合金化,碳元素的影响,采用低碳（一般C0.25），保证心部足够韧性。,合金元素加入对淬透性的影响,承受载荷大的零件,要求淬透性大,增加元素种类和含量,心部为低碳马氏体,承受载荷小的零件,要求淬透性小,较小元素种类和含量,心部为铁素体和珠光体,合金元素对渗碳工艺性能的影响：,渗碳钢的钢种,低载荷零件,活塞销等,低淬透性（15，20）,中低载荷零件,高速中载荷零件,高载荷零件,齿轮、小轴,齿轮、轴,大型齿轮、轴,一定淬透性（,20Cr，20MnV）,中淬透性（20MnVB）,高淬透性（20Cr2Ni4）,柴油机凸轮轴,渗碳钢的热处理,渗碳后,直接淬火+低温回火,。,表层组织,为细针状回火高碳马氏体粒状碳化物，硬,度一般为,5864HRC,；,心部组织,依据钢的淬透性不同为铁素体珠光体、或,低碳马氏体，硬度,3545HRC，,60J/cm,2,。,由于渗碳的温度高、时间长，故渗碳件的变形较大，,零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。,渗氮钢,零件氮化的常规温度在510570，氮化后的零件表,面形成高硬度的,/,-Fe,4,N，-Fe,3-2,N层，可提高疲劳强度,和耐磨性。,钢中加入氮,化物形成元,素，氮化层,的组织和性,能将发生变,化。,合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。,第八节 其他机械制造结构钢,弹簧钢,性能要求,1）高的弹性极限,e,和屈强比,s,/,b,：,保证优良的弹性性能，即吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；,2）高的疲劳极限,：,疲劳是弹簧最主要破坏形式之一，疲劳性能除与钢的成分结构有关以外，还主要受钢的冶金质量（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量,(,如脱碳,),的影响；,3）足够的塑性和韧性,：,以防止冲击断裂；,4）其它性能,：,良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。,成分特点,1）碳含量,碳素弹簧钢,0.60.9%C,，合金弹簧钢,0.450.70%C,，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。,2）合金元素,主加元素为,Si,、,Mn,、,Cr,等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性。,汽车板簧,热处理特点,“淬火+中温回火”，得到回火屈氏体，渗碳体以细小,颗粒分布在相的基体上，内应力降低。,常用弹簧钢,（,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