工程材料學(xué)_機(jī)器零件用鋼課件

1、 第三章第三章 機(jī)器零件用鋼機(jī)器零件用鋼應(yīng)有較高的強(qiáng)度較好的耐磨性、韌性、以及疲勞性能應(yīng)有較高的強(qiáng)度較好的耐磨性、韌性、以及疲勞性能良好的制造工藝性，如鍛造性、切削加工性等良好的制造工藝性，如鍛造性、切削加工性等一般都經(jīng)過適當(dāng)熱處理后使用。一般都經(jīng)過適當(dāng)熱處理后使用。 力學(xué)性能要求力學(xué)性能要求工藝性能要求工藝性能要求按用途可分為調(diào)質(zhì)鋼、表面硬化鋼（包括滲碳鋼、滲氮鋼、按用途可分為調(diào)質(zhì)鋼、表面硬化鋼（包括滲碳鋼、滲氮鋼、低淬透性鋼）、易切削鋼、彈簧鋼和滾動(dòng)軸承鋼等。低淬透性鋼）、易切削鋼、彈簧鋼和滾動(dòng)軸承鋼等。調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼，一般是指含碳量在調(diào)質(zhì)鋼，一般是指含碳量在0.3-0.5%的中碳鋼。

2、一般用這類鋼的中碳鋼。一般用這類鋼制作的零件要求具有很好的綜合機(jī)械性能，即在保持較高的強(qiáng)制作的零件要求具有很好的綜合機(jī)械性能，即在保持較高的強(qiáng)度的同時(shí)又具有很好的塑性和韌性，人們往往使用調(diào)質(zhì)處理來度的同時(shí)又具有很好的塑性和韌性，人們往往使用調(diào)質(zhì)處理來達(dá)到這個(gè)目的，所以人們習(xí)慣上就把這一類鋼稱作調(diào)質(zhì)鋼。達(dá)到這個(gè)目的，所以人們習(xí)慣上就把這一類鋼稱作調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)：淬火調(diào)質(zhì)：淬火+高溫回火。高溫回火。鋼調(diào)質(zhì)處理后的金相組織是回火索氏體。鋼調(diào)質(zhì)處理后的金相組織是回火索氏體。特點(diǎn)：中碳、調(diào)質(zhì)后具有好的強(qiáng)度與塑性的配合，局部表面淬特點(diǎn)：中碳、調(diào)質(zhì)后具有好的強(qiáng)度與塑性的配合，局部表面淬火火+低溫回火后具高硬度

3、和耐磨性。低溫回火后具高硬度和耐磨性。Mn、Cr、Ni、B、 Si用來提高淬透性，用來提高淬透性，Mo、W可抑制第二類可抑制第二類回火脆性，回火脆性，Ti、V細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒。典型合金調(diào)質(zhì)鋼分類典型合金調(diào)質(zhì)鋼分類 低淬透性調(diào)質(zhì)鋼低淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量鋼含合金元素總量3 %， 40Cr、40MnB等。等。 中淬透性調(diào)質(zhì)鋼中淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量在鋼含合金元素總量在4 %左右。左右。38 CrSi、35 CrMo 等，常用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等零件。等，常用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等零件。 高淬透性調(diào)質(zhì)鋼高淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量在鋼含合金元素總量在4 % 10 %。3

4、8 CrMoAl、40CrMnMo、25Cr2Ni4W 等，制造大截面重載荷零件，如曲軸等用高淬透等，制造大截面重載荷零件，如曲軸等用高淬透性的零件等性的零件等 。大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度在大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度在490-1200Mpa。以焊接性能為突出要求的調(diào)質(zhì)鋼，為低碳合金結(jié)構(gòu)以焊接性能為突出要求的調(diào)質(zhì)鋼，為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度一般為鋼，屈服強(qiáng)度一般為490-800Mpa，有很高的塑性，有很高的塑性和韌性。和韌性。少數(shù)沉淀硬化型調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度可到少數(shù)沉淀硬化型調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度可到1400Mpa以上，屬高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。以上，屬高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。彈

5、簧鋼彈簧鋼汽車板簧汽車板簧大型熱卷彈簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧熱卷大彈簧彈簧絲彈簧絲性能要求性能要求高的彈性極限和屈服強(qiáng)度高的彈性極限和屈服強(qiáng)度高的疲勞極限高的疲勞極限有足夠的韌性和塑性，以防在沖擊力作用下脆斷有足夠的韌性和塑性，以防在沖擊力作用下脆斷 u 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大u 合金元素：合金元素：Si、Mn 、 Cr、W、V等等u 要有較高的冶金質(zhì)量要有較高的冶金質(zhì)量u 好的表面質(zhì)量好的表面質(zhì)量u 最終熱處理：淬火高溫回火，回火屈氏體最終熱處理：淬火高溫回火，回火屈氏體彈簧的制造工藝彈簧的制造工藝?yán)浒卫浒蔚葴卮慊鸬葴卮慊鹄浒卫浒尉砘删砘傻蜏鼗鼗鸬蜏鼗鼗鹄浒卫浒瓮嘶鹜嘶鹄浒卫浒尉砘?/p>

6、卷簧低溫回火低溫回火冷拔冷拔淬火中溫回火淬火中溫回火卷簧卷簧低溫回火低溫回火加熱加熱卷簧卷簧余熱淬火余熱淬火中溫回火中溫回火滲碳鋼滲碳鋼性能要求性能要求表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足夠的韌性和強(qiáng)表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足夠的韌性和強(qiáng)度，即表硬里韌；度，即表硬里韌；具有良好的熱處理工藝性能，如高的淬透性和滲碳能力具有良好的熱處理工藝性能，如高的淬透性和滲碳能力 滲碳鋼的化學(xué)成分滲碳鋼的化學(xué)成分含碳量：含碳量：心部心部;0.25，表層：，表層：0.8Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和和B提高淬透性提高淬透性中等碳化物形成元素易使碳化物呈粒狀分布，中等碳化物形成元素易使碳化物呈粒狀分

7、布，強(qiáng)碳化物形成元素和非碳化物形成元素易使碳化物呈條狀強(qiáng)碳化物形成元素和非碳化物形成元素易使碳化物呈條狀或網(wǎng)狀分布。或網(wǎng)狀分布。滲碳方法：滲碳方法：氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。（1）氣體滲碳一類：以可控氣氛一類：以可控氣氛（加熱金屬時(shí)為了保護(hù)金屬表面和調(diào)（加熱金屬時(shí)為了保護(hù)金屬表面和調(diào)節(jié)金屬表面化學(xué)成分而使用的成分可以控制的氣體）節(jié)金屬表面化學(xué)成分而使用的成分可以控制的氣體）作為作為載體氣，加入碳?xì)浠衔餁怏w以調(diào)節(jié)碳勢載體氣，加入碳?xì)浠衔餁怏w以調(diào)節(jié)碳勢（碳勢是指（碳勢是指某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳

8、量相平衡時(shí)的碳量，某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時(shí)的碳量，簡單地可理解為爐氣的滲碳能力）簡單地可理解為爐氣的滲碳能力）。另一類：將含碳有機(jī)液體直接滴入滲碳爐，在爐中另一類：將含碳有機(jī)液體直接滴入滲碳爐，在爐中產(chǎn)生所需要的氣氛。產(chǎn)生所需要的氣氛。 生成活性碳原子：生成活性碳原子： 2COC+CO2 CH4C+2H2 CO+H2C+H2O 隨后活性碳原子被鋼表面吸收而溶入奧氏體中，并隨后活性碳原子被鋼表面吸收而溶入奧氏體中，并向內(nèi)部擴(kuò)散而形成一定深度的滲碳層。向內(nèi)部擴(kuò)散而形成一定深度的滲碳層。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件好，滲碳過程容易控制，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件好，滲碳過程容易控制，容

9、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。氣體滲碳工藝氣體滲碳工藝u 滲碳前，零件需除油、清洗。滲碳前，零件需除油、清洗。u 局部滲碳零件，不滲處涂防滲膏或鍍銅保護(hù)。局部滲碳零件，不滲處涂防滲膏或鍍銅保護(hù)。u 控制氣氛碳勢、溫度和時(shí)間?？刂茪夥仗紕荨囟群蜁r(shí)間。u 滲后淬火。滲后淬火。（2）固體滲碳滲碳工藝：工件滲碳工藝：工件+滲碳劑密封裝入滲碳箱中，加熱滲碳劑密封裝入滲碳箱中，加熱至至900950保溫。保溫。固體滲碳劑：固體滲碳劑： 碳粉和碳酸鹽碳粉和碳酸鹽(BaCO3或或Na2CO3) 的混合物。的混合物?；瘜W(xué)反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)： C+O22CO BaC

10、O3或或Na2CO3BaO（或（或Na2O）+CO2 CO2+C 2CO 2COC+CO2優(yōu)點(diǎn)：操作簡單優(yōu)點(diǎn)：操作簡單缺點(diǎn)：表面碳含量難精確控制；滲速慢；勞動(dòng)條件差。缺點(diǎn)：表面碳含量難精確控制；滲速慢；勞動(dòng)條件差。滲碳鋼的熱處理滲碳鋼的熱處理（1 1）直接淬火法）直接淬火法直接淬火工藝示意圖直接淬火工藝示意圖180-200180-200滲碳滲碳900-930900-930回火回火溫度溫度/時(shí)間時(shí)間淬火淬火A A1 1熱處理后的組織低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A殘殘低碳低碳合金鋼合金鋼F+PM回回+Fe3C+A殘殘低碳鋼低碳鋼心部組織心部組織表層組織表層組織鋼種鋼種20CrMnTi 鋼滲碳層

11、組織 ( 化染 ) 320 滲碳體( 白色塊狀 ) + 高碳M( 蘭色針狀 ) + 殘余A( 棕黃色 )根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為三類：根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為三類： 低淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20、20Cr等，其淬透性和心部強(qiáng)度均較低，水中臨界直徑不超過2035mm。只適用于制造受沖擊載荷較小的耐磨件，如小軸、小齒輪、活塞銷等。 中淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20CrMnTi等，其淬透性較高，油中臨界直徑約為2560mm，力學(xué)性能和工藝性能良好，大量用于制造承受高速中載、抗沖擊和耐磨損的零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、離合器軸等。 高淬透性滲碳鋼：典型鋼種如18Cr2Ni4WA等，其油

12、中臨界直徑大于100mm，且具有良好的韌性，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克的曲軸和齒輪等。 滾動(dòng)軸承鋼滾動(dòng)軸承鋼運(yùn)行速度運(yùn)行速度200公里公里/小時(shí)，最高速度小時(shí)，最高速度240公里公里/小時(shí)，軸承溫升小時(shí)，軸承溫升40 高速客車軸箱軸承高速客車軸箱軸承 軸承鋼是用于制造滾動(dòng)軸承的滾珠，滾柱和套筒等軸承鋼是用于制造滾動(dòng)軸承的滾珠，滾柱和套筒等的鋼種，也可用于制作精密量具，冷沖模，機(jī)床絲的鋼種，也可用于制作精密量具，冷沖模，機(jī)床絲杠及柴油機(jī)油泵的精密偶件。杠及柴油機(jī)油泵的精密偶件。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受很高的交變應(yīng)力，除要求材料有較軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受很高的交變應(yīng)力，除要求材料有較高的抗

13、壓強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性外，還要有高的抗壓強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性外，還要有一定的韌性、耐蝕性、良好的尺寸穩(wěn)定性和工藝性。一定的韌性、耐蝕性、良好的尺寸穩(wěn)定性和工藝性。 含碳含碳0.951.15 主要合金元素主要合金元素 Cr、 Si、Mn軸承鋼的化學(xué)成分軸承鋼的化學(xué)成分滾動(dòng)軸承鋼可分為高碳鉻軸承鋼、滲碳鉻軸承用滾動(dòng)軸承鋼可分為高碳鉻軸承鋼、滲碳鉻軸承用鋼、不銹軸承用鋼和高溫軸承用鋼四大類。在軸鋼、不銹軸承用鋼和高溫軸承用鋼四大類。在軸承制造工業(yè)中應(yīng)用面廣、使用量大的是高碳鉻軸承制造工業(yè)中應(yīng)用面廣、使用量大的是高碳鉻軸承鋼。承鋼。 典型牌號(hào)：典型牌號(hào)：GCr15， 含含C量量1%左右、左

14、右、Cr量為量為1.5%制造軸承的工藝路線制造軸承的工藝路線鍛造鍛造 球化退火球化退火 機(jī)加工機(jī)加工淬火淬火 低溫回火低溫回火 磨削加工磨削加工 穩(wěn)定化處理穩(wěn)定化處理回火馬氏體回火馬氏體+ +細(xì)粒狀碳化物細(xì)粒狀碳化物+ +少量殘余奧氏體少量殘余奧氏體韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度；韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度；滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度；滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度；在使用溫度下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；在使用溫度下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；良好的焊接性和加工成型性；良好的焊接性和加工成型性；低溫鋼低溫鋼低溫用鋼分類低溫用鋼分類1. 奧氏體低溫鋼奧氏體低溫鋼奧氏體低溫鋼具有較高的低溫韌性，按合金成分不同，可分為三個(gè)系列：奧氏體低溫鋼具有

15、較高的低溫韌性，按合金成分不同，可分為三個(gè)系列：Fe-Cr-Ni系系主要為主要為18-8型鉻鎳不銹耐酸鋼。這種鋼低溫韌性、耐蝕性和工藝性均較好，型鉻鎳不銹耐酸鋼。這種鋼低溫韌性、耐蝕性和工藝性均較好，已不同程度地應(yīng)用于各種深冷已不同程度地應(yīng)用于各種深冷(-150269)技術(shù)中。技術(shù)中。Fe-Cr-Ni-Mn和和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系系這類鋼種以錳、氮代替部分鎳來穩(wěn)定奧氏體。氮還有強(qiáng)化作用，使鋼具有較這類鋼種以錳、氮代替部分鎳來穩(wěn)定奧氏體。氮還有強(qiáng)化作用，使鋼具有較高的韌性、極低的磁導(dǎo)率和穩(wěn)定的奧氏體組織，適用于作超低溫?zé)o磁鋼（即高的韌性、極低的磁導(dǎo)率和穩(wěn)定的奧氏體組織，適用于作超低溫?zé)o

16、磁鋼（即材料的磁導(dǎo)率很?。?。如材料的磁導(dǎo)率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N、0Cr16Ni22Mn9Mo2等在等在-269作無磁結(jié)構(gòu)部件。作無磁結(jié)構(gòu)部件。Fe-Mn-Al系奧氏體低溫?zé)o磁鋼系奧氏體低溫?zé)o磁鋼是中國研制的節(jié)約鉻、鎳的新鋼種，如是中國研制的節(jié)約鉻、鎳的新鋼種，如15Mn26Al4等可部分代替鉻鎳奧氏等可部分代替鉻鎳奧氏體鋼體鋼,用于用于-196以下的極低溫區(qū)。以下的極低溫區(qū)。2. 鐵素體低溫鋼鐵素體低溫鋼鐵素體低溫鋼一般存在明顯的韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)溫度降低至某個(gè)臨界鐵素體低溫鋼一般存在明顯的韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)溫度降低至某個(gè)臨界值（或區(qū)間）會(huì)出現(xiàn)韌性的突然下降。鐵素體低溫鋼按成

17、分分為三類：值（或區(qū)間）會(huì)出現(xiàn)韌性的突然下降。鐵素體低溫鋼按成分分為三類：低碳錳鋼低碳錳鋼低碳錳鋼低碳錳鋼(C0.050.28,Mn0.62)。使。使Mn/C10，降低氧、氮、硫、磷，降低氧、氮、硫、磷等有害雜質(zhì)，有的還加入少量鋁、鈮、鈦、釩等元素以細(xì)化晶粒。這類鋼最等有害雜質(zhì)，有的還加入少量鋁、鈮、鈦、釩等元素以細(xì)化晶粒。這類鋼最低使用溫度為低使用溫度為60左右。左右。低合金鋼低合金鋼主要有低鎳鋼主要有低鎳鋼(Ni24)、錳鎳鉬鋼、錳鎳鉬鋼(Mn0.61.5,Ni0.21.0，Mo0.40.6，C0.25)、鎳鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼 (Ni0.73.0，Cr0.42.0，Mo0.20.6，C0.2

18、5)。這些鋼種的強(qiáng)度高于低碳鋼，最低使用溫度可達(dá)。這些鋼種的強(qiáng)度高于低碳鋼，最低使用溫度可達(dá)-110左右。左右。中國研制了幾種節(jié)鎳的低溫用低合金鋼如中國研制了幾種節(jié)鎳的低溫用低合金鋼如09Mn2V等。等。中（高）合金鋼中（高）合金鋼主要有主要有 6Ni鋼、鋼、9Ni鋼、鋼、36Ni鋼，其中鋼，其中9Ni鋼是應(yīng)用較廣的深冷用鋼。鋼是應(yīng)用較廣的深冷用鋼。這類高鎳鋼的使用溫度可低至這類高鎳鋼的使用溫度可低至-196。3. 馬氏體低溫鋼馬氏體低溫鋼屬于這類鋼主要是屬于這類鋼主要是1Ni9。鎳可以改善鐵素體的低溫韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。鎳可以改善鐵素體的低溫韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。1Ni9可用制造可用制造196條件下使用的液氮、液化天然氣設(shè)條件下使用的液氮、液化天然氣設(shè)備。備。1Ni9鋼具有良好的可焊性，但經(jīng)過冷變形后須在鋼具有良好的可焊性，但經(jīng)過冷變形后須在565消消除應(yīng)力退火，以提高室溫和低溫時(shí)鋼的韌性。除應(yīng)力退火，以提高室溫和低溫時(shí)鋼的韌性。減速機(jī)大齒輪減速機(jī)大齒輪風(fēng)機(jī)主軸風(fēng)機(jī)主軸大鍛件用鋼大鍛件用鋼由于鍛件的尺寸很大，截面很厚，所以大鍛件用鋼在合金設(shè)計(jì)由于鍛件的尺寸很大，截面很厚，所以大鍛件用鋼在合金設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上都有許多特點(diǎn)：為保證鍛件的大尺寸，在冶煉上和生產(chǎn)工藝上都有許多特點(diǎn)：為保證