机械制造结构钢优秀课件
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4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一定的 塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火；如轴承钢
• 机械制造结构钢概述
✓分类 ✓特点与合金化原则 ✓零件工艺选择概论
• 整体强化态钢
✓调质钢 ✓弹簧钢 ✓滚动轴承钢
• 表面强化Βιβλιοθήκη Baidu钢
✓渗碳钢 ✓氮化钢
• 耐磨钢
整体强化态钢
基本 情况
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，
机械制造结构钢
绪钢 工 机 工 不 耐 铸 铝 铜 钛 镁
论的 程 械 模 锈 热 铁 合 合 合 合
合结制具钢钢
金金金 金
金构造钢
与
化钢结
耐
概
构
热
论
钢
合
金
✓ 用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件 ✓ 汽车、机床、工程机械、电站设备 ✓ 主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，几种载荷同时作用； ✓ 恒载或变载，力的方向是单向或反复； ✓ 环境是大气、水、润滑油； ✓ 温度：-50~100℃； ✓ 强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性
调质钢零件生产过程
➢ 下料→锻造→预备热处理→机加工(粗加工)→调质→ 机加工(半精加工)→表面淬火或氮化→精加工
调质钢的热处理
➢ 调质钢的预先热处理 （1）改善切削加工性，改善热变形过程中的晶粒粗大，带状组织 （2）合金元素低→正火、退火处理； （3）合金元素高→正火后得到马氏体，需要高温回火
② 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温 回火；为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加 热淬火等表面硬化工艺方法；轴类零件为典型
2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性； 可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢 农业机械较多
3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有 较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火； 如弹簧钢
➢ 调质钢的最终热处理 （1）要求较高的综合性能：高温回火（500~600℃）→调质 （2）要求强度较高：低温回火（200~250℃）、中温回火（450℃）
调质钢的热处理选择
✓ AK是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲条件下工作的 ，很难正确反映；有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量；
✓ 由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回 火态好；
汽车曲轴
• 机械制造结构钢概述
✓分类 ✓特点与合金化原则 ✓零件工艺选择概论
• 整体强化态钢
✓调质钢 ✓弹簧钢 ✓滚动轴承钢
• 表面强化态钢
✓渗碳钢 ✓氮化钢
• 耐磨钢
机械制造结构钢的分类
➢ 按强度：
Rel<700MPa
低强度钢，大多数构件钢
Rel=700~1400MPa 中强度钢，机械制造结构钢
➢ 化学成分 • 碳含量：中碳0.25%～0.5%，多为0.4%左右， 以保证调质处理后优良的强度和韧性的配合； • 合金元素：主加Mn、Si、Cr、Ni、B等，辅加Mo、W、V • 作用：↑淬透性；固溶强化；防止第二类回火脆性；↓d
➢ 力学性能指标范围 σb800~1100MPa, σ0.2700~1000MPa, δ: 9~15% φ: 45~55% αk60~120J/cm2 Tk≤-40℃
大部分是整体受力； 其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、AK、KIC等； 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；这类钢主 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏 体钢、超高强度钢等
调质钢
➢ 组织性能特点 • F基体＋均匀粒状K（回火索氏体） • 组织均匀，↓裂纹的形成，↑塑性、韧性 • F晶粒细小，Tk↓
Rel>1400MPa
超高强度，宇航/重工业
➢ 按热处理强化工艺特点： 整体强化态钢/表面强化态钢
➢ 按钢的生产工艺和用途： 调质钢、非调质钢、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
机械制造钢的特点与合金化
➢ 机器零件用钢的性能要求 （1）具有良好的冷热加工工艺性
如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等 （2）具有良好的力学性能
• 回火温度↑→K长大、球化；强度、硬度↓，塑性↑， 韧性↑ （一类、二类脆性） • 综合力学性能要求不高时：中碳、正火 • 表面要求耐磨、接触疲劳抗力→渗碳钢 • 轴承→轴承钢 • 调质、弹簧、轴承、渗碳、氮化钢、耐磨、易切削等
1、对于要求良好综合力学性能，零件选材料的途径为：
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（实际上就是复合材 料）；汽车拖拉机齿轮类为代表
1）↑回火稳定性：韧； 2）↓d：强韧 3）固溶强化：强； 4）防止第二类回火脆性：韧 5）改善切削性能
<1.2%Si
<2%Mn 1~2%Cr 1~4%Ni <0.5%Mo <0.2%V 0.4~0.8%W <0.1%Ti ≤0.003%B
C含量与热处理工艺的选择
✓ 可以用不同钢种制造同一零件； ✓ 同一钢种采用不同热处理制度，获得不同组织，生产不同零件； ✓ 某一零件用某一钢种制造，热处理制度也可不同
✓ 零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜 高些，回火温度高；冲击能量较小时，强度应高些，以达 最佳配合，回火温度低
曲轴
连杆
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
常用调质钢
在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的
➢ 低淬透性调质钢: 45、45Mn、40Cr、35SiMn、42Mn2V等
➢ 中淬透性调质钢: 38CrSi、35CrMo、40CrNi、42CrMo、 40CrMn、30CrMnSi等 ➢ 高淬透性调质钢: 有37SiMn2MoVA、37CrNi3、 25Cr2Ni4WA 、40CrNiMo、40CrMnMo等
强、塑、韧、疲劳、耐磨性等
➢ 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优 质钢
➢ 零件：区分易换、不易换；重要、不重要
合金元素在机械制造钢中的作用
主加 元素
Ni, Si, Cr, Mn （由弱到强） 主要作用：↑淬透性和力学性能
辅加 元素
Mo、W、V、B等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性
合金元素在机器零件用钢中的其他作用
• 机械制造结构钢概述
✓分类 ✓特点与合金化原则 ✓零件工艺选择概论
• 整体强化态钢
✓调质钢 ✓弹簧钢 ✓滚动轴承钢
• 表面强化Βιβλιοθήκη Baidu钢
✓渗碳钢 ✓氮化钢
• 耐磨钢
整体强化态钢
基本 情况
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，
机械制造结构钢
绪钢 工 机 工 不 耐 铸 铝 铜 钛 镁
论的 程 械 模 锈 热 铁 合 合 合 合
合结制具钢钢
金金金 金
金构造钢
与
化钢结
耐
概
构
热
论
钢
合
金
✓ 用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件 ✓ 汽车、机床、工程机械、电站设备 ✓ 主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，几种载荷同时作用； ✓ 恒载或变载，力的方向是单向或反复； ✓ 环境是大气、水、润滑油； ✓ 温度：-50~100℃； ✓ 强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性
调质钢零件生产过程
➢ 下料→锻造→预备热处理→机加工(粗加工)→调质→ 机加工(半精加工)→表面淬火或氮化→精加工
调质钢的热处理
➢ 调质钢的预先热处理 （1）改善切削加工性，改善热变形过程中的晶粒粗大，带状组织 （2）合金元素低→正火、退火处理； （3）合金元素高→正火后得到马氏体，需要高温回火
② 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温 回火；为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加 热淬火等表面硬化工艺方法；轴类零件为典型
2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性； 可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢 农业机械较多
3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有 较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火； 如弹簧钢
➢ 调质钢的最终热处理 （1）要求较高的综合性能：高温回火（500~600℃）→调质 （2）要求强度较高：低温回火（200~250℃）、中温回火（450℃）
调质钢的热处理选择
✓ AK是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲条件下工作的 ，很难正确反映；有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量；
✓ 由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回 火态好；
汽车曲轴
• 机械制造结构钢概述
✓分类 ✓特点与合金化原则 ✓零件工艺选择概论
• 整体强化态钢
✓调质钢 ✓弹簧钢 ✓滚动轴承钢
• 表面强化态钢
✓渗碳钢 ✓氮化钢
• 耐磨钢
机械制造结构钢的分类
➢ 按强度：
Rel<700MPa
低强度钢，大多数构件钢
Rel=700~1400MPa 中强度钢，机械制造结构钢
➢ 化学成分 • 碳含量：中碳0.25%～0.5%，多为0.4%左右， 以保证调质处理后优良的强度和韧性的配合； • 合金元素：主加Mn、Si、Cr、Ni、B等，辅加Mo、W、V • 作用：↑淬透性；固溶强化；防止第二类回火脆性；↓d
➢ 力学性能指标范围 σb800~1100MPa, σ0.2700~1000MPa, δ: 9~15% φ: 45~55% αk60~120J/cm2 Tk≤-40℃
大部分是整体受力； 其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、AK、KIC等； 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；这类钢主 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏 体钢、超高强度钢等
调质钢
➢ 组织性能特点 • F基体＋均匀粒状K（回火索氏体） • 组织均匀，↓裂纹的形成，↑塑性、韧性 • F晶粒细小，Tk↓
Rel>1400MPa
超高强度，宇航/重工业
➢ 按热处理强化工艺特点： 整体强化态钢/表面强化态钢
➢ 按钢的生产工艺和用途： 调质钢、非调质钢、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
机械制造钢的特点与合金化
➢ 机器零件用钢的性能要求 （1）具有良好的冷热加工工艺性
如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等 （2）具有良好的力学性能
• 回火温度↑→K长大、球化；强度、硬度↓，塑性↑， 韧性↑ （一类、二类脆性） • 综合力学性能要求不高时：中碳、正火 • 表面要求耐磨、接触疲劳抗力→渗碳钢 • 轴承→轴承钢 • 调质、弹簧、轴承、渗碳、氮化钢、耐磨、易切削等
1、对于要求良好综合力学性能，零件选材料的途径为：
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（实际上就是复合材 料）；汽车拖拉机齿轮类为代表
1）↑回火稳定性：韧； 2）↓d：强韧 3）固溶强化：强； 4）防止第二类回火脆性：韧 5）改善切削性能
<1.2%Si
<2%Mn 1~2%Cr 1~4%Ni <0.5%Mo <0.2%V 0.4~0.8%W <0.1%Ti ≤0.003%B
C含量与热处理工艺的选择
✓ 可以用不同钢种制造同一零件； ✓ 同一钢种采用不同热处理制度，获得不同组织，生产不同零件； ✓ 某一零件用某一钢种制造，热处理制度也可不同
✓ 零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜 高些，回火温度高；冲击能量较小时，强度应高些，以达 最佳配合，回火温度低
曲轴
连杆
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
常用调质钢
在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的
➢ 低淬透性调质钢: 45、45Mn、40Cr、35SiMn、42Mn2V等
➢ 中淬透性调质钢: 38CrSi、35CrMo、40CrNi、42CrMo、 40CrMn、30CrMnSi等 ➢ 高淬透性调质钢: 有37SiMn2MoVA、37CrNi3、 25Cr2Ni4WA 、40CrNiMo、40CrMnMo等
强、塑、韧、疲劳、耐磨性等
➢ 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优 质钢
➢ 零件：区分易换、不易换；重要、不重要
合金元素在机械制造钢中的作用
主加 元素
Ni, Si, Cr, Mn （由弱到强） 主要作用：↑淬透性和力学性能
辅加 元素
Mo、W、V、B等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性
合金元素在机器零件用钢中的其他作用