第3章机器零件用钢
合集下载
第3章机械零件的强度
第3章机械零件的强度
§3-1 材料的疲劳特性
§3-2 机械零件的疲劳强度计算§3-3 机械零件的抗断裂强度§3-4 机械零件的接触强度
一、应力的种类 o t
σ σ=常数
脉动循环变应力
r =0 静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化
2
min
max σσσ+=
m 平均应力: 2
min
max σσσ-=
a 应力幅: 循环变应力
变应力的循环特性:
max
min
σσ=r 对称循环变应力
r =-1 ----脉动循环变应力 ----对称循环变应力 -1 = 0 +1 ----静应力 σmax σm
T σmax σmin
σa
σa σm
o
t σ
σmax σmin σa σa
o
t σ
o
t σ
σa
σa σmin
r =+1 静应力是变应力的特例
§3-1 材料的疲劳特性
变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 ▲ 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限
低，甚至比屈服极限低; ▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂; ▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。
不管脆性材料或塑性材料， ▲零件表层产生微小裂纹； 疲劳断裂过程：
▲随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展；
▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。
疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。 疲劳断裂具有以下特征：
表面光滑
表面粗糙
σmax N
二、 σ－N 疲劳曲线
用参数σmax 表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为：
σ－N 疲劳曲线
104
C
在原点处，对应的应力循环
次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限σB 。
第三章 机械零件的强度
σa
A'
D'
G'
N'
σm
m 1 a
A'Ｇ' 直线上任意点代表了 一定循环特性时的疲劳极限。
45˚ O
σ0 / 2 σ' m
σ' a
45˚
σ' a
C
σS
CＧ'直线上任意点N' 的坐标为（σ'm，σ'a ） 由图中两条直角边相等σ'a，可求得 CＧ'直线的方程为：
m s 'max a
D M 45˚ L
M' 3
G
σminM
σS C
σm
过O、G两点分别作45˚直线， 得OAD、ODGI、GCI三个区域。 σ-1e ●在OAD区域内，最小应力 均为负值，在实际机器中极 少出现，故不予讨论。 ●在GCI区域内，极限应力都 为屈服极限。按静强度计算：
S S Sca S max a m
2 1 0
0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
一、零件的极限应力线图
§3-2 机械零件的疲劳强度计算
σa
σ-1 A' σ-1e A
σ0 /2Ｋσ
材料试件是一种特别规定的 结构，而实际零件的几何形 状、尺寸大小、加工质量及 强化因素等与材料试件有区 别，使得零件的疲劳极限小 于材料试件的疲劳极限。
chd第3章机械制造结构钢
M7150A砂轮主轴 汽\拖用连杆
汽车半轴 a)一端法兰式; b)二端花键式; c)变截面台阶式
上图 S7332 螺纹磨床丝杠
下图 T615K镗床镗杆
3.2.1 调质钢
1、淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
0.25~0.45%C的合金钢经调 质后室温性能变化
屈服强度相同的碳钢和合 金结构钢断面收缩率变化
由于不同机器零件的服役条件和
失效方式不同，主要的设计依据和
失效判据也不同，所以应合理选择
辨
钢的含碳量和热处理工艺。
证
应该明确:
思
一般情况下，某零件制造的材料并
维
不是唯一的；
某一种钢采用不同的热处理工艺可
以制造不同类型的零件；
某一零件用某一材料制造，其热处
理工艺方法也可能是多种的。
3.2 整体强化态钢
拨叉
Chapter 3 机械制造结构钢
连杆
轴
Chapter 3 机械制造结构钢
电气机车大轴
磨床主轴
汽轮机转子
汽轮机转子 （AETC公司）
叶轮、转子
Chapter 3 机械制造结构钢
某军舰汽轮机主轴
齿轮 汽车万向节
Chapter 3 机械制造结构钢
曲轴 连杆
Chapter 3 源自文库械制造结构钢
三、零件材料和工艺选择途径
机械基础：第03章机械工程材料
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
2.合金结构钢 合金结构钢按用途可分为：低合金结构钢和机械制造用钢两大类。 （1）合金结构钢牌号表示方法： 合金结构钢的牌号采用两位数字（表示平均含碳质量分数万分之几）+元素符号（表示钢中 含有主要合金元素）+数字（表示合金元素含量，凡合金元素含量＜1.5%时不标出；如果平 均含量为1.5～2.5%时，则标为2；如果平均含量为2.5～3.5%时标为3；以此类推）。 （2）低合金结构钢 低合金结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢，但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性，具 有良好的焊接性和一定的耐蚀性，因此广泛用于桥梁、船舶、车辆等领域。
第3章 机械工程材料
3.2 常பைடு நூலகம்金属材料
3.2.2 合金钢
合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、 镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。
1.合金钢的分类 （1）按用途分 合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。 合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。 特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 （2）按所含合金元素总含量分 低合金钢 合金元素总含量＜5% 中合金钢 合金元素总含量5～10% 高合金钢 合金元素总含量＞10%
第3章 机械工程材料
机器零件用钢
淬火
℃
830~ 840水
回火
℃
580~ 640空
机械性能
b
s
aKU2
MPa MPa J
600 355 39
低 40MnB
0.37~ 1.10~ 0.20~ 0.44 1.40 0.40
850油
500 水，油
980
785
47
40Cr
0.37~ 0.50~ 0.45 0.80
Cr 0.8 ~1.10
850油
δ：10～15% （工程结构钢为20～30%）
2.材质与成分： 优质（高级优质）； 中低碳、中低合金（高合金）
3.热处理： 淬火+回火（高温，或中温、低温回火）
第三章 机械零件用钢
二、典型零件服役条件、常见失效方式及性能要求
1.应力特点 （1）承受高负荷，甚至短时超负荷。 （2）复杂应力。
各种静载荷、交变应力、 缺口、摩擦磨损、冲击
强化： C、Me固溶强化； 高密度位错强化； Me提高淬透性获位错M； 板M细晶强化-比回火S细 强K细化A； 细小K沉淀强化。
韧化： 细晶、 位错亚结构、 低碳M无显微裂纹、 残余A薄膜、 细小K最大限度保持韧性、 降低第一类回火脆性 （Si,K元素） 以及采用低碳。
4.钢号： （1）合金渗碳钢 （2）某些普通低合金钢
距端面距离/ mm
第3章 机械零件的强度(用)
s s
m ax
max
s 1 Kssa ssm
[s]
b)工作应力点位于OGC内 极限应力为屈服极限，按静强度计算
sca
s lime s max
ss s max
ss sm sa
[s]
(2) s m c——振动中的受载弹簧的应力状态
需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限 应力，如图，过工作应力点M（N）作与纵轴平行的轴线交AGC 于M2´（N2 ´ ）点，即为极限应力点
s ae
s e
s
m e
s
ks
sm e
s ae
sm e smin sae sm sa sae
s
lime
s
m ax
s
a e
s
m e
2s
1
(Ks s Ks s
)s
min
强度条件:
Sca
s lime s max
2s 1
(Ks
(Ks s )smin s )(sm sa)
变载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷.如
汽车的齿轮和轴所承受的动载荷。
注意:在设计计算中，载荷又可分为名义载荷和计 算载荷，计算载荷等于载荷系数乘以名义载荷。
名义载荷： 根据机器在稳定和理想工作条件下的工作阻力，
第3章 钢的淬火与回火
第3章 钢的淬火与回火
钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广的工序。淬火可以大幅度提高钢的强度与硬度。淬火后，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性的配合，需要配以不同温度的回火。所以，淬火与回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火与回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理，是赋予钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。
3.1 钢的淬火与分类
淬火是将钢加热至临界点（A c1或A c3）以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法。图3-1是共析碳钢淬火冷却工艺曲线示意图。v c 、v c '分别为上临界冷却速度（即淬火临界冷却速度）和下临界冷却速度。以v >v c 的速度快速冷却（曲线1），可得到马氏体组织；以v c >v >v c '的速度冷却（曲线2），可得到马氏体＋珠光体混合组织；以曲线3冷却则得到下贝氏体组织。 钢淬火后的强度、硬度和耐磨性大大提高。w c ≈0.5％的淬火马氏体钢经中温回火后，可以具有很高的弹性极限。中碳钢经淬火和高温回火（调质处理）后，可以有良好的强度、塑性、韧性的配合。
奥氏体高锰钢的水韧处理，奥氏体不锈钢、马氏体 时效钢及铝合金的高温固溶处理，都是通过加热、保温 和急冷而获得亚稳态的过饱和固溶体，虽然习惯上也称 为淬火，但这是广义的淬火概念，它们的直接目的并不 是强化合金，而是抑制第二相析出。高锰钢的水韧处理 是为了达到韧化的目的。奥氏体不锈钢固溶处理是为了 提高抗晶间腐蚀能力，铝合金和马氏体时效钢的固溶处 理，则是时效硬化前的预处理过程。
第三章 机器零件用钢
40Mn百度文库B
35CrMo
0.37 0.17 1.40
0.44 0.37 1.80
0.37 0.17 1.10
σb(MPa)
800-1100
σ0.2(MPa)
700-1000
δ(%)
9-15
Ψ(%)
45-55
Αk(J/cm2)
60-120
Tk(℃)
-40
工程材料学
3.2 调质钢
一、调质钢的工作条件及性能要求
许多机器设备上的重要零件如机床主 轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发电机曲 轴、连杆、高强度螺栓等，都是在多种应力 负荷作用下工作的，受力情况比较复杂。对 调质钢的性能提出如下要求：高的屈服强度 和疲劳极限、良好的冲击韧性和塑性、轴的 表面和局部要有一定的耐磨性、以及断裂韧 性和疲劳性能。
较高的疲 劳强度
机器零件承载着反复同向或交变 的载荷作用
较高的断 裂抗力
机器零件承载着短时超负荷作用， 强度要求高
较高的耐 磨性
机器零件相互间存在相互滑动或 滚动
低的缺口 敏感性
工程材料学
机器零件形状复杂，存在台阶、 键槽、油孔……
3.1 机械零件用钢的性能要求
二、工艺性能要求
通常机器零件的生产工艺是：型材→改锻 →毛坯热处理→切削加工→最终热处理→磨削 等。其中以切削加工性能和热处理工艺性能为 机器零件用钢的主要工艺性能。但对钢材的其 他工艺性能(如冶炼性能、浇注性能、可锻性 能等)也有一定的要求。
机械工程材料 第3章 铁碳合金相图及碳钢
（硬度800HB、伸长率δ ≈0、бb=30MPa）
第一节 铁碳合金的相与组织
③ 机械混合物
a.珠光体（Pearlite, P）
• 成分： 含碳0.77％ • 组织：
F（88%）＋Fe3C 混合物， 层片状结构
• 性能：
硬度 180 – 220 HBS 延伸率 10 ％ 抗拉强度 бb= 750 MPa
• T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、锯条、丝锥等。 • T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、刮刀、铰刀等。
钻
丝锥
锉刀
头
手锯条
第三节 碳素钢
• 3、 铸造碳钢
• ZG + 两组数字 例：ZG200-400
• 第一组数字为屈服强度≥200 MPa，第二组数字为抗拉强≥400MPa。
• 热处理特点：一般需要正火或时效处理
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
Summary
▪铁碳合金在室温下由 F ＋Fe3C两个相组成，随含 碳量由0增加到6.69％，F相对量由100％减少到0， Fe3C由0增加到100％。
第一节 铁碳合金的相与组织
③ 机械混合物
a.珠光体（Pearlite, P）
• 成分： 含碳0.77％ • 组织：
F（88%）＋Fe3C 混合物， 层片状结构
• 性能：
硬度 180 – 220 HBS 延伸率 10 ％ 抗拉强度 бb= 750 MPa
• T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、锯条、丝锥等。 • T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、刮刀、铰刀等。
钻
丝锥
锉刀
头
手锯条
第三节 碳素钢
• 3、 铸造碳钢
• ZG + 两组数字 例：ZG200-400
• 第一组数字为屈服强度≥200 MPa，第二组数字为抗拉强≥400MPa。
• 热处理特点：一般需要正火或时效处理
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
Summary
▪铁碳合金在室温下由 F ＋Fe3C两个相组成，随含 碳量由0增加到6.69％，F相对量由100％减少到0， Fe3C由0增加到100％。
第三章 机械零件的强度
K
2 2K
求得 AD 的方程为：
1e
1
K
ae
e m e
或为：
1 K ae m e
0
m
a
A
D (0 / 2,0 / 2)
σ 0/2
0 0
45°
22
o σ 0/2
m
※ D 代表脉动循环疲劳极限 0 。
a
m a
max t
min 0
※ 由O点引出的45°射线 OD上 任意一点都代表一个
脉动循环应力。
max m a
机械零件可能的失效形式：
由强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、可靠性、温度对工作能 力的影响引起的失效。主要有以下几种：
1. 整体断裂 2. 过大的残余变形 3. 零件的表面破坏 4. 破坏正常工作条件引起的失效
3.1.2 机械零件的设计准则
1. 强度准则 ★强度准则是最基本的设计准则。
针对的失效形式为： 断裂失效（过载断裂、疲劳断裂）、塑性变形失效和点蚀失效。
静载荷 不随时间变化或变化缓慢的载荷 变载荷 随时间变化的载荷
名义载荷—根据额定功率用力学公式计算出的
按照计算要求分
载荷。
计算载荷—考虑各种因素综合影响计算的载荷。
机械基础教学课件配套课件顾淑群第3章机械工程材料
k
单位为J/cm2。多次小能量冲击的，其冲 击抗力主要取决于材料的强度和韧性。 ⑤疲劳强度 金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。一般情
况下，钢铁材料用107次，对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度，对称循环强度用 σ-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。因此要改善零件的结构形状。
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、 镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。
1.合金钢的分类 （1）按用途分
合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。 合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。 特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 （2）按所含合金元素总含量分 低合金钢 合金元素总含量＜5% 中合金钢 合金元素总含量5～10% 高合金钢 合金元素总含量＞10%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
3.合金工具钢 定义：合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善性能，再加入适量的合金元素的钢。 基本性能：比碳素工具钢具有更高硬度、耐磨性、更好的淬透性、红硬性和回火稳定性等。 用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。 分类：合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 （1）合金工具钢的牌号 一位数字（表示平均含碳质量分数的千分数）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+ 数字（表示合金元素含量，表示方法与合金结构钢相同）。 如9SiCr表示其中平均含碳质量分数为0.9%，Si、Cr的质量分数都小于1.5%的合金工具钢
单位为J/cm2。多次小能量冲击的，其冲 击抗力主要取决于材料的强度和韧性。 ⑤疲劳强度 金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。一般情
况下，钢铁材料用107次，对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度，对称循环强度用 σ-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性。因此要改善零件的结构形状。
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
合金钢：为了改善钢的性能，特意加入其他合金元素的钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、 镍、钨、钒、钴、铅、钛和稀土金属等。
1.合金钢的分类 （1）按用途分
合金结构钢：主要用于制造重要的机器零件和工程结构件。 合金工具钢：只要用于制造重要的刃具、量具和模具。 特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 （2）按所含合金元素总含量分 低合金钢 合金元素总含量＜5% 中合金钢 合金元素总含量5～10% 高合金钢 合金元素总含量＞10%
第3章 机械工程材料
3.2 常用金属材料
3.2.2 合金钢
3.合金工具钢 定义：合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，为改善性能，再加入适量的合金元素的钢。 基本性能：比碳素工具钢具有更高硬度、耐磨性、更好的淬透性、红硬性和回火稳定性等。 用途：可以制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。 分类：合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 （1）合金工具钢的牌号 一位数字（表示平均含碳质量分数的千分数）+元素符号（表示钢中含有主要合金元素）+ 数字（表示合金元素含量，表示方法与合金结构钢相同）。 如9SiCr表示其中平均含碳质量分数为0.9%，Si、Cr的质量分数都小于1.5%的合金工具钢
渗碳轴承钢
三、调质钢的热处理特点
2.最终热处理
① 淬火：将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度 由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的 淬透性加以选择。
② 回火：根据性能确定回火温度，因此回火是调质钢 性能定型化的重要工序。
高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。
③ 表面处理：要求较高的强、韧、塑性配合及良好的 耐磨性时，经调质处理后，局部进行高频淬火。如对耐 磨性要求更高，可用氮化钢在调质后进行氮化处理。
在满足使用性能要求的前提下，尽可能选择成本低廉的材 料和简单的处理工艺。
对调质钢、弹簧钢、轴承钢，需要整体强化
基本 情况
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力， 大部分是整体受力。
主要失效形式：疲劳破坏
主要性能指标 σ-1 、σb 、AK、 KIC 总体上要求良好的综合力学性能
主要 应用
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件 如连杆、螺栓、主轴、半轴等。
三、零件材料和工艺选择途径
（1）若要求良好的综合力学性能，零件选材途径：
① 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； 如：汽车、拖拉机齿轮
② 回火索氏体型，选择中碳钢、中碳合金钢 采用淬火+高温回火 为↑耐磨性，可进行高频淬火或氮化处理 如：轴类零件
（2）如要求更高的硬度，则适当牺牲塑韧性。 可选择中碳钢、中碳合金钢，采用淬火+低温回火 如低合金中碳马氏体钢。农业机械应用较多。
3 机械制造结构钢
4
Chapter 3 机械制造结构钢
变速箱
变速齿轮
拨叉
5
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
连
杆
轴
6
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
电气机车大轴
磨床主轴
7
3.1 调质钢
汽轮机转子
汽轮机转子 （AETC公司）
8
3. 1 调质钢
叶轮、转子
9
3. 1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
3 韧性
(1) 合金元素对韧性的影响 碳：降低冲击韧性 在保证钢的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在 较低范围内。 锰：加入量<2%，钢的冲击韧性有所改善，能稍降低韧脆转 化温度；但含量＞2％后，冲击韧性恶化，韧脆性转化温 度升高。 镍：改善钢的冲击韧性，使韧脆转化温度下降。 硅：降低韧性，韧脆性转化温度升高。 磷：对冲击韧性危害甚大。提高韧脆转化温度，降低冲击值。 高级优质钢中的含磷量限制在≤0.035%，为了进一步改善 钢的韧性，甚至把含磷量降低到0.02%以下。
机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。
16
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
3.1 调质钢
• 结构钢在淬火+高温回火后具有良好的综合 机械性能，即有较高的强度，良好的塑性 和韧性，这类钢称为调质钢，主要用于制 造轴、齿轮类零件。
3机器零件用钢
受力：综合应力作用，拉，压，切
失效：表面损伤，脆断，过量变形
对力学性能提出一定的要求
§3.1 概述
力学性能要求
应有较高的强度较好的耐磨性、韧性、以及疲劳性能
工艺性能要求
良好的制造工艺性，如锻造性、切削加工性等 一般都经过适当热处理后使用。
按用途可分为调质钢、表面硬化钢（包括渗碳钢、渗氮钢、 低淬透性钢）、易切削钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。
广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离
（高）钢特点: 合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。
① Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm；
② 较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；
③ 渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接 淬火，变形也比较小。但有块状TiN。
18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性
常用的硅锰系弹簧钢有60Si2Mn 、 55SiMnVB、 铬钒系60Si2CrVA、 50CrV等。
基本 工艺 方式
热成形 弹簧
冷成形 弹簧
大型 弹簧
小型 弹簧
热成形后+ 淬、回火
冷变形或热处 理强化+பைடு நூலகம்成形 +低温退火（时效）
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
Si、Ni、Co、Al等（非K形成元素）使表层碳含 量减少；降低层深和渗速。
机械基础(陈长生)03机械工程材料及其选用PPT课件
金属材料综合性能好用量最大应用范围最广高分子材料质轻耐腐蚀常用于化工机械航空航天等陶瓷材料复合材料轻高的比强度比刚度结合两种材料的性能优用于航空航天等领域点第三章机械工程材料及其选用1按化学组成2按用途分结构材料利用材料的力学物理化学性质广泛应用于机械制造工程建设交通运输等工业部门
机械工程材料是指机械中常用的材料。
一、铁碳合金的基本组织及其性能 1．铁素体 铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，
用符号F表示。 铁素体溶解碳的能力很小，727℃时，达到最大溶碳量
0.0218%，其强度、硬度低，塑性、韧性好。 2．奥氏体 奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，
用符号A表示。奥氏体是存在于727℃以上的高温相。性能 与其溶碳量及晶粒大小有关，奥氏体的硬度不高，而塑性 、韧性较好。因塑性好便于成形加工，所以生产中钢材大 多数要加热至高温奥氏体状态才进行锻压加工。
金属结晶时，由同一晶核长大而成的小晶体称为 晶粒。
晶粒大小对性能的影响
晶粒愈细——强度愈高 晶界多，晶格畸变大，塑性变形抗力也大。
晶粒愈细——塑韧性愈好 细晶粒的金属，变形均匀，不易开裂破坏。 细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法。
b.机械混合物
合金中由两相或两相以 上组成的多相组织，称为 机械混合物。
• 晶体缺陷
晶体中原子排列不完整的区域称为晶体缺陷。 有点缺陷、线缺陷和面缺陷 点缺陷
机械工程材料是指机械中常用的材料。
一、铁碳合金的基本组织及其性能 1．铁素体 铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，
用符号F表示。 铁素体溶解碳的能力很小，727℃时，达到最大溶碳量
0.0218%，其强度、硬度低，塑性、韧性好。 2．奥氏体 奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，
用符号A表示。奥氏体是存在于727℃以上的高温相。性能 与其溶碳量及晶粒大小有关，奥氏体的硬度不高，而塑性 、韧性较好。因塑性好便于成形加工，所以生产中钢材大 多数要加热至高温奥氏体状态才进行锻压加工。
金属结晶时，由同一晶核长大而成的小晶体称为 晶粒。
晶粒大小对性能的影响
晶粒愈细——强度愈高 晶界多，晶格畸变大，塑性变形抗力也大。
晶粒愈细——塑韧性愈好 细晶粒的金属，变形均匀，不易开裂破坏。 细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法。
b.机械混合物
合金中由两相或两相以 上组成的多相组织，称为 机械混合物。
• 晶体缺陷
晶体中原子排列不完整的区域称为晶体缺陷。 有点缺陷、线缺陷和面缺陷 点缺陷
机械工程材料
锻造工艺规范取决于毛坯质量。 锻造工艺规范指锻造加热速度和透烧时间、始锻和 终锻温度、冷却规范、变形程度。 ①锻前加热速度不宜过快，保温时间要充分。目的 是消除应力并获得低的热变形抗力。 ②始锻温度要考虑钢具有最佳塑性和小变形抗力 ③终锻温度过高，奥氏体晶粒长大；过低造成锻裂 和内应力。 ④冷却速度过快，易形成冷裂。 中碳钢锻后组织：块状铁素体+细片珠光体 中碳碳素钢始锻温度为1100-1150oC，终锻温度 800-850oC
又称中淬透性渗碳用钢。
如：20Cr、20CrMnTi、20Mn2TiB。
适用于淬透性与心部强度较高的齿轮，可用于制造较
重要的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮。 齿汽 轮车 变 速 箱
③高强度渗碳用钢。强度(ζ b)大于1200MPa，又称 高淬透性渗碳用钢。
如：20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W。
钢的塑变抗力指标(ζb、ζs)越高，疲劳极限越高。 Φ k：极限塑形指标 适用于中、低碳钢。
2、良好的冲击韧性(利于承受一定的冲击载荷) 轴上面存在台阶、键槽及油孔等，为减少应力集中效应以 减轻缺口效应，要求具有良好的抗冲击韧性、断裂韧性及 塑性。 3、轴的表面或局部表面有一定的耐磨性(利于承受摩擦) 通过热处理强化使轴类零件获得良好的综合性能。 一般采用整体强化。
强度降低，塑性(δ 、φ )和韧性(KIC、α k)较高。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
沉淀强化 细化组织 控制轧制 控制冷却
相间 析出
工艺参数 是关键
细化组织和沉 淀析出要协调
决定各种强化机制的效果
三、 组织因素对强韧性贡献的大小
间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量
一般认为可提高150~400 MPa，甚至可达 到600 MPa,脆化矢量为0.23-0.30℃/ MPa 细化组织强化量大约在50 ~ 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66℃/ MPa。
最佳 范围
3.2.1 调质钢
1、淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
0.25~0.45%C的合金钢经调 质后室温性能变化
屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率变化
2、合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金作用：
Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向； Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向； Ni:↑基体韧度， Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆 ；
3.2.3
弹簧钢
一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能 储能减振
板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等
弹簧类型
二、常用弹簧钢及强化工艺
合金化： 含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在 0.40~0.74％C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒.
高而均匀的硬度和耐磨性→足够 淬透性和淬硬性，>60HRC； 高接触疲劳强度→以免过早失效 →保证材质、组织； 一定韧度→承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好→保证精度； 一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。
化学成分、冶金质量和加工工艺
关键因素
二、轴承钢的冶金质量和合金化
接触面小 材质纯净、组织均匀 应力集中大 产生裂纹
第3章 机器零件用钢
根据热处理强化工艺特点分为：整体强 化态钢和表面强化态钢；根据钢的生产工艺 和用途，可分为：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。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素 辅加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。 Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。 获得最佳性能→称为极限合金化理论 结构钢常用范围为：<1.2%Si, <2%Mn， 1~2%Cr, 1~4%Ni，< 0.5%Mo，<0.2%V, < 0.1%Ti，0.4~0.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。
冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温Leabharlann Baidu火
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?
热处理 工艺
淬火和 中温回火
回火 屈氏体
具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、 屈强比和最高的疲劳强度
关键问题: 回火工艺应考虑 弹性参数和 韧性参数之间的平衡或最佳配合。
锻造 余热 淬火
3.2.2 微合金非调质钢
一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等— 主要贡献是细化组织。(例见书)
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
其它强化机制都不同程度地降低韧度
C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72℃/ MPa、1.97℃/ MPa； Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。 在强化机制上，不同的成分和工艺是不同
的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向； V：有效细晶，(↑淬透性) ，↓↓过热敏感性。
在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。 DC为油淬临界直径 低淬透性合金钢: DC < 30~40mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等
中淬透性合金钢: DC:40~60mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？
综合 强化 工艺 冷变 形
如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍
如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命
既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺
50CrVA :
① Cr 、V均↑回稳性, 韧性好； Cr提高淬透性
和弹性极限
② V 细化晶粒, ↓过热敏感性; ③ 含Si少,脱C敏感性↓, 热处理不易脱C;↑回稳 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀 门弹簧.
基本 工艺 方式
热成形 弹簧
大型 弹簧
热成形后+ 淬、中温回火
冷成形 弹簧
小型 弹簧
常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等
60Si2Mn:
① Si、Mn复合,强化F,→↑σe， σs/σb可达到 0.8~0.9；
② Si / Mn ↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;
③ Si有效↑回稳性, 但↑脱C倾向; ④ Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.
常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。
一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求
滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。
3.2.4 滚动轴承钢
工 作 条 件
高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa 高转速→ 循环周次高达每分钟数万次； 高灵敏度→ 精度要求高→磨损、麻点→噪音 接触疲劳破坏，麻点、剥落
失效形式
性 能 要 求
高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
分析比较： 40Cr→40CrNi→40CrNiMo
淬透性 回稳性 塑韧性 回脆性 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
相间 析出
工艺参数 是关键
细化组织和沉 淀析出要协调
决定各种强化机制的效果
三、 组织因素对强韧性贡献的大小
间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量
一般认为可提高150~400 MPa，甚至可达 到600 MPa,脆化矢量为0.23-0.30℃/ MPa 细化组织强化量大约在50 ~ 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66℃/ MPa。
最佳 范围
3.2.1 调质钢
1、淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
0.25~0.45%C的合金钢经调 质后室温性能变化
屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率变化
2、合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金作用：
Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向； Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向； Ni:↑基体韧度， Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆 ；
3.2.3
弹簧钢
一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能 储能减振
板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等
弹簧类型
二、常用弹簧钢及强化工艺
合金化： 含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在 0.40~0.74％C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒.
高而均匀的硬度和耐磨性→足够 淬透性和淬硬性，>60HRC； 高接触疲劳强度→以免过早失效 →保证材质、组织； 一定韧度→承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好→保证精度； 一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。
化学成分、冶金质量和加工工艺
关键因素
二、轴承钢的冶金质量和合金化
接触面小 材质纯净、组织均匀 应力集中大 产生裂纹
第3章 机器零件用钢
根据热处理强化工艺特点分为：整体强 化态钢和表面强化态钢；根据钢的生产工艺 和用途，可分为：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。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素 辅加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。 Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。 获得最佳性能→称为极限合金化理论 结构钢常用范围为：<1.2%Si, <2%Mn， 1~2%Cr, 1~4%Ni，< 0.5%Mo，<0.2%V, < 0.1%Ti，0.4~0.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。
冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温Leabharlann Baidu火
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?
热处理 工艺
淬火和 中温回火
回火 屈氏体
具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、 屈强比和最高的疲劳强度
关键问题: 回火工艺应考虑 弹性参数和 韧性参数之间的平衡或最佳配合。
锻造 余热 淬火
3.2.2 微合金非调质钢
一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等— 主要贡献是细化组织。(例见书)
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
其它强化机制都不同程度地降低韧度
C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72℃/ MPa、1.97℃/ MPa； Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。 在强化机制上，不同的成分和工艺是不同
的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向； V：有效细晶，(↑淬透性) ，↓↓过热敏感性。
在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。 DC为油淬临界直径 低淬透性合金钢: DC < 30~40mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等
中淬透性合金钢: DC:40~60mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？
综合 强化 工艺 冷变 形
如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍
如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命
既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺
50CrVA :
① Cr 、V均↑回稳性, 韧性好； Cr提高淬透性
和弹性极限
② V 细化晶粒, ↓过热敏感性; ③ 含Si少,脱C敏感性↓, 热处理不易脱C;↑回稳 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀 门弹簧.
基本 工艺 方式
热成形 弹簧
大型 弹簧
热成形后+ 淬、中温回火
冷成形 弹簧
小型 弹簧
常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等
60Si2Mn:
① Si、Mn复合,强化F,→↑σe， σs/σb可达到 0.8~0.9；
② Si / Mn ↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;
③ Si有效↑回稳性, 但↑脱C倾向; ④ Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.
常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。
一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求
滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。
3.2.4 滚动轴承钢
工 作 条 件
高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa 高转速→ 循环周次高达每分钟数万次； 高灵敏度→ 精度要求高→磨损、麻点→噪音 接触疲劳破坏，麻点、剥落
失效形式
性 能 要 求
高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
分析比较： 40Cr→40CrNi→40CrNiMo
淬透性 回稳性 塑韧性 回脆性 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr