機(jī)械制造結(jié)構(gòu)-鋼概述

機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性第二節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的淬透性第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼第四節(jié)低溫回火狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)鋼第五節(jié)高合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼第六節(jié)軸承鋼第七節(jié)滲碳鋼和滲氮鋼第八節(jié)其它機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼對于在彈性范圍內(nèi)工作的零件，根據(jù)比例極限σp計(jì)算，并同時引入安全系數(shù)。第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和脆性強(qiáng)度設(shè)計(jì)彈性設(shè)計(jì)對于允許少量塑性變形的零件，根據(jù)屈服強(qiáng)度σs或Σ0.2計(jì)算，并同時引入安全系數(shù)。塑性設(shè)計(jì)韌性設(shè)計(jì)（避免脆斷）韌性設(shè)計(jì)主要考慮三大指標(biāo)：(1）低溫沖擊韌性；（2）韌-脆轉(zhuǎn)化溫度；（3）斷裂韌性。合金結(jié)構(gòu)鋼曲軸單缸汽車曲軸基本概念

鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。

鋼的淬透性

鋼的淬硬性

鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)鋼的淬透性

鋼的頂端淬火試驗(yàn)

生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。

臨界淬火直徑高強(qiáng)螺栓柴油機(jī)連桿齒輪淬透的鋼回火后可獲得高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，高的斷裂韌性KIC值，沖擊韌性值以及低的FATT50（℃）。

淬透后的鋼性能優(yōu)越研究鋼的淬透性的重要意義

淬透層深度視零件的工作條件而定零件類型工作條件淬透程度的差異螺栓、銷釘?shù)热孛媸芰Υ阃篙S類零件等表面應(yīng)力大，中心應(yīng)力小。不淬透網(wǎng)帶式淬火爐

淬透性相當(dāng)?shù)恼{(diào)質(zhì)鋼，可相互代用（教材P43）（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時，可選用冷卻能力較小的淬火介質(zhì)以減小淬火應(yīng)力。（3）對受力大而復(fù)雜的工件，為確保組織性能均勻一致，可選用淬透性大的鋼。（4）當(dāng)要求工件表面硬度高，而心部韌性好時，可選用低淬透性鋼。

淬透性的應(yīng)用

合金元素對淬透性的影響鋼中常見的合金元素對增大淬透性的能力為：B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，其中C元素也能增加淬透性，而且它決定了鋼的淬硬性。增大淬透性，以合金元素完全溶于奧氏體中為前提，若以碳化物形式存在，則情況相反。

合金元素增加淬透性的能力

（1）強(qiáng)、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如Cr－Ni－Mo－V等。

（2）對淬透性要求不高的合金，可采用單一合金元素加入，如40Cr。

合金元素增加淬透性的多元少量原則顯然，合金鋼的淬透性一般大于碳鋼。第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼1）調(diào)質(zhì)鋼（淬火高溫回火）2）彈簧鋼（淬火中溫回火）3）軸承鋼（淬火低溫回火）4）超高強(qiáng)度鋼（淬火低溫回火）5）滲碳（氮）鋼（化學(xué)熱處理）6）易削鋼（一般供應(yīng)或正火狀態(tài)）鋼種分類(根據(jù)熱處理原理）淬火得到的馬氏體組織經(jīng)高溫回火后，得到在α相基體上分布有極細(xì)小的顆粒狀碳化物，即回火屈氏體或回火索氏體組織。

調(diào)質(zhì)鋼的組織根據(jù)不同合金元素和回火工藝的差異，組織上區(qū)別主要是基體α相是否完全再結(jié)晶和碳化物顆粒聚集長大的程度。

合金元素對調(diào)質(zhì)鋼的影響

發(fā)展歷程舉例40→40Mn

→40CrMn

→40CrMnSi

40→40Cr

→40CrNi

→40CrNiMo

低淬透性中淬透性高淬透性

前提調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度取決于α相的強(qiáng)度碳化物的彌散強(qiáng)化作用

Si、Mn、Ni：溶于α相起固溶強(qiáng)化作用；其中Mn、Ni可降低韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，而Si則升高韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。

C元素（0.3～0.5％）：保證有足量碳化物存在，以獲得比較高的強(qiáng)度。

Cr、Mo、W、V：阻礙碳化物在高溫回火時聚集長大和α相再結(jié)晶。

P元素：類似Si，升高韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，降低沖擊韌性。在高溫回火后的冷卻速度嚴(yán)重影響鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。冷卻速度越慢，室溫沖擊韌性越低，韌-脆轉(zhuǎn)化溫度越高，這成為高溫回火脆性。合金調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性

Cr-Ni調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)650℃回火后不同冷卻速度下的室溫沖擊韌性冷卻方式爐冷空冷油冷水冷室溫沖擊值/J9.423.559.874.6

高溫回火脆性舉例（一）

高溫回火脆性舉例（二）

高溫回火脆性的原因及解決辦法主要原因：鋼中的雜質(zhì)元素P、Sn等，在原奧氏體晶界的平衡偏聚引起晶界脆化。措施：

（1）在回火最高溫度保溫后快冷，可消除脆化傾向。（2）通過添加Re、Mo、W、Ti等可降低高溫回火脆性，這對長期在450～550℃范圍工作的部件尤為重要。第四節(jié)菜低溫回火毯狀態(tài)下使然用的結(jié)構(gòu)優(yōu)鋼淬火低罩溫回火六得到的態(tài)中碳、上低碳馬乒氏體發(fā)拾揮了過突飽和α相中的固溶強(qiáng)化，ε-Fe2.幫4C與普基體共首格產(chǎn)生渴的沉淀強(qiáng)化及馬氏四體相變披的冷作強(qiáng)坑化。低溫回胸火鋼的活顯微組域織及力乖學(xué)性能其中回識火馬氏捷體的強(qiáng)鹿度依賴筍于固溶撓在馬氏楚體α相中的碳。番碳含量膀越高，命馬氏體戶強(qiáng)度越湯高，但劇韌性下慘降。合金元素映的主要作鄰用是提高賞鋼的淬透雅性，保證類得到馬氏體鄭組織。W(C)驗(yàn)<0.3搞%,淬火棒后馬氏體憶的微觀結(jié)兔構(gòu)為位錯剪型的板狀愧馬氏體，器具有高的壟強(qiáng)度和良散好的韌性崗。低碳馬副氏體結(jié)閥構(gòu)鋼由于低器碳鋼的疏淬透性供較小，王一般采獵用低碳貢低合金近鋼。加入Ni等間元素，可唯改善室溫但和低溫韌相性和斷裂擱韌性，具蜓有高強(qiáng)度、低相缺口敏感肅性和高的即疲勞強(qiáng)度網(wǎng)。這類鋼耗屬于中緩碳鋼，年W(尋C)＝森0.2鼻7～4該5%,艷在此范家圍內(nèi)，C含量越雙高，合金冬強(qiáng)度越高獻(xiàn)。加入一定喘量的合金般元素，可界提高鋼的峰淬透性，貿(mào)保證高強(qiáng)度的獲卵得。隨著摘合金強(qiáng)度攪的提高，結(jié)鋼出現(xiàn)脆維性的傾向抱，可通過提院高鋼的純肥凈性，降計(jì)低鋼中的邪夾雜物、繩氣體及有津害雜質(zhì)元素未H、O、系Sn等元裂素的含量饞。低合金超縣高強(qiáng)度結(jié)任構(gòu)鋼第五節(jié)毛高合金灣超高強(qiáng)度差結(jié)構(gòu)鋼由于低合苦金超高強(qiáng)畝度鋼主要桌用碳進(jìn)行嚴(yán)強(qiáng)化，以扯犧牲鋼的塑充性和韌拳性來提例高鋼的慎強(qiáng)度。尺為此，巴在Fe寨-Ni功合金馬氏體基寺礎(chǔ)上發(fā)像展了無藥碳馬氏沉體時效胳鋼。這種無碳富馬氏體時家效鋼利用蜘時效時析課出金屬間孤化合物的沉淀冰強(qiáng)化效果臘，獲得了傍高強(qiáng)度和叫高韌性。馬氏體楊時效鋼瞇成本高信，工藝翠嚴(yán)格，遇僅航空籠航天及席兵器工業(yè)叼的應(yīng)用痛。1)添注加Ni、覽Co，可糊擴(kuò)大γ區(qū)離，控制M文s點(diǎn)；2）添宇加Ni村、Ti遣、Al自、Mo鍬、Nb橡等，可茄形成N堂i3Al，闖Ni3Ti、Ni3Mo和不Fe2Mo等腫強(qiáng)化相飲；3）嚴(yán)格喝控制雜質(zhì)寒元素C、故N、S、歇P、Si痕的含量。馬氏體時竭效鋼中合油金元素的性作用由于合淹金元素駁含量高你，即使冷漫卻較慢舍奧氏體羅也能在低溫下栽馬氏體。右圖：瓣(18亞Ni馬尺氏體時凱效鋼)加熱溫峽度＞8豪00℃寫；Ms：堡100螞～15奴5℃；時效溫莖度：4輕80℃翠。馬氏體仔時效鋼樣的熱處跌理馬氏體時福效鋼的高新強(qiáng)度機(jī)理三種強(qiáng)噴化機(jī)制為共同作盛用：1）合金元素巧的固溶強(qiáng)毛化；2）馬氏體徹相變的臭冷作硬妹化;3）Ni3Al等識沉淀析星出相的阿沉淀強(qiáng)船化。馬氏體時效鋼的高韌性機(jī)理由于組織存在大量可動位錯，沒有受到C、N間隙于原子釘扎，加之在400～500℃時效，相變引起的顯微應(yīng)力被松弛。第六節(jié)診軸弊承緣瑞鋼1）局部軟接觸壓應(yīng)廈力高，可達(dá)30兄00～5斥000M濃Pa；2）循環(huán)編受力次數(shù)腰每分鐘可高達(dá)蹲數(shù)萬次椅；3）摩擦殲?zāi)p嚴(yán)重構(gòu)。軸承鋼的詞使用特點(diǎn)滾升珠滾紗柱軸承鋼的姨質(zhì)量要求軸承鋼子的主要期失效形法式軸承鋼在綱高應(yīng)力長阻時間運(yùn)轉(zhuǎn)牛時，局部容發(fā)生劇烈血的塑性變形，窩當(dāng)這些乖區(qū)域有待非金屬寶夾雜物罰或粗大尾碳化物膜存在時豬，會出現(xiàn)挪應(yīng)力集曠中，成侵為疲勞怨裂紋的趁起源。減少非金屬夾雜物的措施

真空脫氣，爐外精煉和電渣重熔其中鋼渣包括煉鋼時的脫氧產(chǎn)物與鋼渣，以及鋼凝固時的氧化物和硫化物等。碳化物糖不均勻快性的消嗚除1）帶大狀碳化裳物的消栽除高溫?cái)U(kuò)行散退火漠（加熱銹到共晶打溫度1買130站±10脊℃以上賣）2）網(wǎng)疫狀碳化博物的消辟除把軋制的翠終軋溫度?？刂圃贏爺rm和A脖r1之間漫，網(wǎng)狀碳償化物破碎，得塞到未再結(jié)鄉(xiāng)豐晶的奧氏含體晶粒。3）大游顆粒碳您化物的木消除延長正火掌時間，讓梅碳化物完套全溶解。軸承鋼詢的成分績特點(diǎn)高碳：0.95~1.1湯5%C，保證軸頂承鋼高硬廈度和高耐勵磨性；低鉻：0.40~1.6弟5%C吳r，增加慌鋼的淬折透性，幫并形成尋合金滲觀碳體(Fe、Cr)3C提高接觸單疲勞極限栗和耐磨性磨。大型軸承：加入Si、Mn、Mo等元素資以進(jìn)一哭步提高照淬透性育和強(qiáng)度；對無拍鉻軸承鋼個還應(yīng)加入V元素，煮形成VC以保證拌耐磨性閱并細(xì)化鋼基頃體晶粒。軸承鋼詠的熱處本理預(yù)先熱處拘理球化退火猜，以改善切擇削加工旱性并為桃淬火作羅組織準(zhǔn)暮備；最終熱處理淬火低溫回火，決定軸承鋼的性能，得到高硬度和高耐磨性。冷處理為了較徹底消除A殘與內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、提高軸承的尺寸精度，還可在淬火后進(jìn)行冷處理(-60℃~﹣80℃），在磨削加工后進(jìn)行低溫時效處理等。第七節(jié)夠滲潤碳鋼和殊氮化鋼1）滲碳鋼言：通過表船面滲碳刷，整體爹淬火＋頸低溫回廚火得到飯表面是乖高碳馬墊氏體，紀(jì)心部是谷低碳馬雅氏體或稿半馬氏轟體組織抖的鋼種魄。滲碳鋼削定義及閥用途2）用淡途堂：由于滲酒碳鋼表吐面具有業(yè)高的彎歇曲和疲戴勞強(qiáng)度偉及耐磨步性，而療心部又傷有高強(qiáng)期度和韌添性。所私以廣泛永由于制灑造要求斬高耐磨泄，承受貪高接觸飲應(yīng)力和橫沖擊載逐荷的重待要部件憤。滲碳鋼的賴合金化碳元素的影響采用低碳（一般C％≤0.25％），保證心部足夠韌性。合金元素加入對淬透性的影響承受載荷大的零件要求淬透性大增加元素種類和含量心部為低碳馬氏體承受載荷小的零件要求淬透性小較小元素種類和含量心部為鐵素體和珠光體合金元療素對滲庫碳工藝鈔性能的離影響：滲碳鋼的罩鋼種低載荷零件活塞銷等低淬透性（15，20）中低載荷零件高速中載荷零件高載荷零件齒輪、小軸齒輪、軸大型齒輪、軸一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油機(jī)凸輪軸滲碳鋼霞的熱處抬理滲碳后直接淬師火+低崗溫回火。表層組費(fèi)織為細(xì)針狀泳回火高碳雞馬氏體＋蛇粒狀碳化狹物，硬度一般戚為58～6劫4HRC；心部組剖織依據(jù)鋼由的淬透盤性不同再為鐵素漠體＋珠巷光體、姐或低碳馬氏苗體，硬度35～4籌5HRC疊，ακ≥60J姨/cm2。由于滲碳仇的溫度高賺、時間長敬，故滲碳另件的變形顆較大，零件尺臘寸精度迅要求高棒時應(yīng)進(jìn)應(yīng)行磨削惱精加工暑。滲氮鋼零件氮化廉的常規(guī)溫凍度在51拆0～57惜0℃，氮泰化后的零洋件表面形成高高硬度妻的γ/-Fe4N，ε竿-Fe3-2N層，鴨可提高蘇疲勞強(qiáng)墾度和耐磨性允。鋼中加入堡氮化物形稅成元素，氮胡化層的組織頓和性能將發(fā)百生變化。合金氮國化物能恥顯著提哪高零件度表面的學(xué)強(qiáng)度和沈硬度。第八節(jié)竹其他機(jī)紫械制造結(jié)薄構(gòu)鋼彈簧鋼性能要容求1）高的幫彈性極限謎σe和屈強(qiáng)比奸σs/σb：保證優(yōu)良煮的彈性性芒能，即吸冰收大量的嬸彈性能而頓不產(chǎn)生塑世性變形；2）高配的疲勞皂極限：疲勞是彈齡簧最主要貼破壞形式郊之一，疲進(jìn)勞性能除株與鋼的成纏分結(jié)構(gòu)有行關(guān)以外，囑還主要受倡鋼的冶金飾質(zhì)量（如始非金屬夾示雜物）和忙彈簧表面扶質(zhì)量(如脫碳)的影響統(tǒng)；3）足厘夠的塑倚性和韌拘性：以防止獸沖擊斷委裂；4）其它它性能：良好的熱鑼處理和塑緒性加工性爽能，特殊就條件下工么作的耐熱逆性或耐蝕龜性要求等告。成分特費(fèi)點(diǎn)1）碳含公量碳素彈簧絲式鋼0.6～爆0.9%雀C，合金器彈簧鋼0.45經(jīng)～0.7作0%C，經(jīng)淬火富加中溫回忍火后得到膏回火屈氏故體組織，夢能較好地終保證彈簧車的性能要捷求。2）合袖金元素主加元獸素為Si、Mn、C