chd第三章机械制造结构钢
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机械制造结构钢
➢ 重点与难点：
各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、 强韧化机制及热处理特点。
第三章机械制造结构钢
3.0 引言
一、应用背景
➢ 机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优 质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制 造各种机械零件所用的钢种，故此得名。
➢ 如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、 轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、 拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机 及火箭等装置上。
二、机械制造结构钢的服役条件
➢ 主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、 弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用， 或者是它们中的多种载荷的交互作用。 服役环境是大气、水和润滑油，温度在50℃~+100℃范围之间。
➢ 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确 以及零件间有合适的公差配合等。由此 便决定机器零件用钢在性能上要求与工 程构件用钢有所不同。
用。 ➢ Cr、Mo、W、V等阻碍α相的再结晶，也可
阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使 钢保持高硬度。 ➢ 加入Mo、W来防止回火脆性。 ➢ V、Ti、Al起细化晶粒的作用。
3.1 调质钢
第三章机械制造结构钢
二、对调质钢的淬透性要求
➢ 调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时 经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对 淬透性的要求。
合金元素
SiMnΒιβλιοθήκη CrNi含量范围(wt%) 0.6-1.4 0.8-1.8 0.8-1.7
1.0-4.5
合金元素 Mo
含量范围 (wt%) 0.1-0.5 .
V
0.05-0.2
W
0.6-1.2
Ti
0.05-0.1
Al
B
0.5-1.2
<0.004
各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、 强韧化机制及热处理特点。
第三章机械制造结构钢
3.0 引言
一、应用背景
➢ 机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优 质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制 造各种机械零件所用的钢种，故此得名。
➢ 如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、 轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、 拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机 及火箭等装置上。
二、机械制造结构钢的服役条件
➢ 主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、 弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用， 或者是它们中的多种载荷的交互作用。 服役环境是大气、水和润滑油，温度在50℃~+100℃范围之间。
➢ 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确 以及零件间有合适的公差配合等。由此 便决定机器零件用钢在性能上要求与工 程构件用钢有所不同。
用。 ➢ Cr、Mo、W、V等阻碍α相的再结晶，也可
阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使 钢保持高硬度。 ➢ 加入Mo、W来防止回火脆性。 ➢ V、Ti、Al起细化晶粒的作用。
3.1 调质钢
第三章机械制造结构钢
二、对调质钢的淬透性要求
➢ 调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时 经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对 淬透性的要求。
合金元素
SiMnΒιβλιοθήκη CrNi含量范围(wt%) 0.6-1.4 0.8-1.8 0.8-1.7
1.0-4.5
合金元素 Mo
含量范围 (wt%) 0.1-0.5 .
V
0.05-0.2
W
0.6-1.2
Ti
0.05-0.1
Al
B
0.5-1.2
<0.004
3 机械制造结构钢
中淬透性合金调质钢：
35CrMo、40CrMn、40CrNi、42CrMo、 40CrMnMo等。油淬临界直径最大为 40mm~60mm。主要用于制造截面较大 的零件，例如曲轴、连杆、汽轮机转子、 叶轮等。
35
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
高淬透性合金调质钢：
34CrNi3MoV、37CrNi3、40CrNiMoA、 25Cr2Ni4WA等，油淬临界直径最大为 60mm~100mm。主要用于制造大截面、 重载荷的重要零件，如航空发动机轴、 汽轮机主轴、叶轮等。
破碎机颚板
挖掘机斗齿
14
3.0 引言
Chapter 3 机器零件用合金结构钢 机械制造结构钢
二、服役条件
主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、
弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用， 或者是它们中的多种载荷的交互作用。 服役环境是大气、水和润滑油，温度在50℃~+100℃范围之间。 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确 以及零件间有合适的公差配合等。由此 便决定机器零件用钢在性能上要求与工 程构件用钢有所不同。 15
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
三、对钢的性能要求
足够的强度、塑性和韧性：保证机器零件体积小、 结构紧凑及安全性好； 良好的疲劳性能与耐磨性等。 使用状态通常为淬火+回火态，即强化态。通过热 处理强化以充分发挥钢材的性能潜力。 对其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性 能等）也有要求，但一般问题不大。
炉冷
9.6
空冷
24
油冷
61
水冷
76
28
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
第3章机械制造结构钢--20090316.
二. 调质钢的成分、合金化
成分
0.30~0.50%C的C钢或中、低合金钢。
合金化
Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Al, B
合金元素作用： 提高淬透性（主要作用） 固溶强化；细晶强化； 弥散强化
三. 调质钢的种类与分级
常用调质钢按淬透性大小可分为几级： 1）40，45，45B 2）40Cr，45Mn2, 45MnB, 35MnSi 3）35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ，40CrNi 4）40CrMnMo, 35SiMn2MoV，40CrNiMo 依据 不同成分的调质钢只要其淬透性相当，当淬火及高温 回火后，其性能相近
3. 5
一. 概述
氮化钢
在氮化前要调质处理，得到回火S； 显著提高其疲劳强度和耐磨性，还具有抗介质腐蚀能力； 氮化温度低；零件变形小。 适用于在一些要求疲劳强度高，耐磨性好，尺寸精确、稳
定性好的零件，如镗床、磨床的主轴、蜗杆等； 氮化处理的缺点：生产周期长，成本高； 钢中最有效的氮化元素是Al、Nb、V， 其次是Cr, Mo, W
4. 强化机制
过程
高温奥氏体----淬火马氏体----时效马氏体
三种强化机制
固溶强化： 100-300 MPa 冷作相变强化： 400-600 MPa 时效强化： 1100 MPa
总强度 >1400MPa
各种强化机制对马氏体时效钢强度的贡献示意图
5. 性能
高强度，同时具有良好的塑韧性和缺口强度（见图）； 热处理工艺简单：1）不存在脱C；2）固溶处理后进行各 种成型加工，再500℃时效；3）变形小； 淬火后硬度低，冷变形性能和切削性能好； 焊接性较好。
第3章 机械制造结构钢
适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。
适用于 弹簧热处理
广泛用于各种结构件如轴、 齿轮等热处理。也可作为要 求较高精密件、量具等预备
热处理。
● 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。
五、钢种
调质钢 非调质机械结构钢 弹簧钢 滚动轴承钢 低碳马氏体钢 渗碳钢 氮化钢 低淬透性钢 耐磨钢
§3.2 调质钢
二、成分与合金化
• 提高钢的切削加工性—加工成型性能。
常用改善钢的切削加工性能的合金元素有：S、Pb、 Ca、Te（碲）、Se（硒） MnS、CaS、MnTe、PbTe、MnSe、PbSe等 一般认为，当钢的硬度为179~229HBW时，其切削性 能最佳。 低碳钢，采用正火处理，提高片状P数量，改善切削 性能；高碳钢，球化处理，使硬度降低。
概念 成分、合金化与分类 组织 热处理 性能
一、调质钢概念
结构钢在淬火与高温回火（500-650℃）后 具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好 的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调 质钢。
二、调质钢的成分、合金化
成分
0.25~0.45%C的C钢或中、低合金钢。
合金化
Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, B, ( Nb, Ti, Al )
钢的淬火与回火
• 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。
低温回火
中温回火
高温回火
回火温度 150-250℃ 350-500℃
500-650℃
回火组织 回火目的
应用
M回
T回
S回
在保留高硬度、高 耐磨性的同时，降 低内应力。
提高e及s，
同时使工件具有 一定韧性 。
获得良好的综合力学性能， 即在保持较高的强度同时， 具有良好的塑性和韧性。
机械制造结构钢培训课件.pptx
汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢
电站用特殊合金钢
新型超级奥氏体和马 氏体型耐热钢
1、服役条件 1）受力分析 形式：机械零件在工作时将承受拉伸、压缩、弯曲、
剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种 力的同时作用； 性质：在机械零件的截面上产生张、压、切等应力。 方式：这些应力可以是恒定的或变化的；在方向上可 以是单向的反复的；在加载上可以是逐渐的或是骤然 的。 2）工作环境：温度一般是-50℃--100℃之间；介质是： 大气、自然水、润滑油及其它介质的腐蚀作用。
疲劳剥落的产生过程
剥落坑
浅表面裂纹与表面裂纹已经 连接，即将产生剥落
剥落坑的俯视图，在坑中或 边有Al2O3铝酸钙等夹杂物
疲劳剥落的产生过程
（3）脆性断裂
如果钢材的塑性和韧性不足，在承受突然冲击或 过载的情况下，由于钢件不能发生相应的塑性变 形，以吸收部分冲击能量而松弛钢件所受的应力， 钢件就会在只发生小量形变或甚至不发生形变的 情况下突然脆断。 （4）腐蚀破坏 钢件与腐蚀介质长期接触，特别是有应力作用的 情况下，逐渐被腐蚀而损坏。
σb: 1400—2000MPa; b. 这样高的强度取得是综合运用了加工强化、细晶强 化、固溶强化、沉淀强化和马氏体相变强化等方法的结 果（通过化学成分设计、冶炼工艺和热处理等）； c. 但是钢的屈服强度增高后，其塑性变形的能力就下 降(晶粒细化除外)，因而增大了发生脆性断裂的倾向。 d. 在生产、加工过程中可以给钢材带来这样或那样的 缺陷，有不少情况这种缺陷并不影响钢的屈服强度，却 降低钢的断裂强度。
③韧性设计： a. 冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势，不能用于直
接设计计算，根据经验总结，提出了在低温下 冲击韧性值的临界值； b. 韧-脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实 际零件的工作温度低若干度。 c. 断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序 中造成的钢材缺陷和裂纹出发，研究这些裂纹 在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。 断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力; 钢材的断裂强度σf与平面应变断裂韧性K1C之间 的关系可用下式表示：
精品课件机械制造结构钢
Cr、Mo、W、V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和 α相再结晶。
P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。
合金调质钢的高温回火脆性
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。 ➢ 高温回火脆性举例（一）
第一节 结构钢的强度和脆性
强度设计
➢ 弹性设计 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限σp计
算，并同时引入安全系数。 ➢ 塑性设计
对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或 Σ0.2计算，并同时引入安全系数。
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；
单缸汽车曲轴
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。
马氏体时效钢中合金元素的作用
第六节 轴 承 钢
轴承钢的使用特点
1）局部接触压应力高， 可达3000～5000MPa；
2）循环受力次数每分钟 可高达数万次；
3）摩擦磨损严重。
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
（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的各类弹簧(60Si2Mn)。后者的淬透性较 好，综合力学性能高，弹簧表面不易脱碳，但价格相 对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)。
P元素：类似Si，升高韧-脆转化温度，降低冲击韧性。
合金调质钢的高温回火脆性
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。 ➢ 高温回火脆性举例（一）
第一节 结构钢的强度和脆性
强度设计
➢ 弹性设计 对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限σp计
算，并同时引入安全系数。 ➢ 塑性设计
对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度σs或 Σ0.2计算，并同时引入安全系数。
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；
单缸汽车曲轴
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。
马氏体时效钢中合金元素的作用
第六节 轴 承 钢
轴承钢的使用特点
1）局部接触压应力高， 可达3000～5000MPa；
2）循环受力次数每分钟 可高达数万次；
3）摩擦磨损严重。
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
（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的各类弹簧(60Si2Mn)。后者的淬透性较 好，综合力学性能高，弹簧表面不易脱碳，但价格相 对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)。
机械结构钢
①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。 为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机 齿轮类为代表。
②回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高 温回火。为了提高耐磨性，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。
3.1 概述
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。农用 机械应用较多。
单独加入或复合加入。
3.1 概述
①有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低 碳构件钢中的Si、Mn含量。
②有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢 中的Cr。
③有的元素含量过多，会改变K类型，增加热 处理过程的难度。如V、Mo含量。
④合金元素的作用往往不是随量的增加而线性 地增加的。
3.1 概述
➢零件材料和工艺选择途径： 1、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途径为：
低、中强度钢：钢的强度上升，缺口强度也上升。
高强度钢：钢的强度上升，缺口强度反而下降。
3.3 整体强化态钢
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，
基 本
大部分是整体受力。
情
其主要失效形式是疲劳破坏；
况
主要性能指标σ-1、Rb、Ak、KIC等。
总体上要求良好的综合力学性能。
主
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连
3.2 结构钢的强度与脆性
4. 断裂韧性 kIC kIC：金属材料抵抗材料中裂纹突然扩展的能力，是高强度钢结
构设计的依据。
在高强度钢中存在有微小的裂纹，当裂纹尺寸增大到一定尺寸 时，裂纹突然扩展，零件发生脆断。
f
k1c
(a)1/2
a：裂纹突然扩展时裂纹的尺寸之半。
②回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高 温回火。为了提高耐磨性，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。
3.1 概述
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。农用 机械应用较多。
单独加入或复合加入。
3.1 概述
①有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低 碳构件钢中的Si、Mn含量。
②有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢 中的Cr。
③有的元素含量过多，会改变K类型，增加热 处理过程的难度。如V、Mo含量。
④合金元素的作用往往不是随量的增加而线性 地增加的。
3.1 概述
➢零件材料和工艺选择途径： 1、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途径为：
低、中强度钢：钢的强度上升，缺口强度也上升。
高强度钢：钢的强度上升，缺口强度反而下降。
3.3 整体强化态钢
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，
基 本
大部分是整体受力。
情
其主要失效形式是疲劳破坏；
况
主要性能指标σ-1、Rb、Ak、KIC等。
总体上要求良好的综合力学性能。
主
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连
3.2 结构钢的强度与脆性
4. 断裂韧性 kIC kIC：金属材料抵抗材料中裂纹突然扩展的能力，是高强度钢结
构设计的依据。
在高强度钢中存在有微小的裂纹，当裂纹尺寸增大到一定尺寸 时，裂纹突然扩展，零件发生脆断。
f
k1c
(a)1/2
a：裂纹突然扩展时裂纹的尺寸之半。
机械制造基础第3章
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第二节 钢的普通热处理
• 钢的退火种类很多，按具体目的不同，常用的退火方法有完全退火、 球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶退火，如图3-3所示。
• (二)正火 • 正火是将钢加热到Ac3或ACcm以上30 ℃-50 ℃，保温后在空气中冷
却的热处理工艺，如图3-3所示。 • 正火与退火作用相似，但正火的冷却速度比退火稍快，因此，正火
• 马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体组织，用符号“M”表示。高硬 度是马氏体性能的主要特点，而且其硬度随含碳量增加而升高，原因 是过饱和碳引起晶格畸变，固溶强化作用增强。
• 钢在淬火时获得马氏体(而不形成其他组织)的能力称为钢的淬透性。 淬透性的大小可用在一定条件下淬硬层的深度表示。而淬硬层深度是 指从钢件表面到形成50%马氏体处的深度。影响钢件淬透性的因素主 要是钢的临界冷却速度，它是指钢在连续冷却转变时获得全部马氏体 组织的最小冷却速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。而影响 临界冷却速度的关键因素是钢的含碳量与合金元素的种类和含量。淬 透性是钢材选择的重要依据之一。合理选择材料的淬透性，可以充分 发挥材料的性能潜力，防止产生热处理缺陷，提高材料使用寿命。
• (一)退火 • 退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处
理工艺。退火的主要目的是降低钢的硬度，使之易于切削加工;提高 钢的塑性和韧性，以便冷变形加工;消除钢中的组织缺陷，如晶粒粗 大、成分不均匀等，为热锻、热轧或热处理做好组织准备;消除前一 道工序(铸造、锻造或焊接等)中所产生的内应力，以防变形或开裂。
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第二节 钢的普通热处理
• 普通热处理，亦称整体热处理，是对金属材料或工件进行穿透加热的 热处理工艺。在机械制造过程中，退火和正火通常用于钢的预先热处 理，但对性能要求不高、不太重要的零件及一些普通铸件、焊件，退 火或正火可作为最终热处理。淬火和回火通常作为最终热处理工艺。
第二节 钢的普通热处理
• 钢的退火种类很多，按具体目的不同，常用的退火方法有完全退火、 球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶退火，如图3-3所示。
• (二)正火 • 正火是将钢加热到Ac3或ACcm以上30 ℃-50 ℃，保温后在空气中冷
却的热处理工艺，如图3-3所示。 • 正火与退火作用相似，但正火的冷却速度比退火稍快，因此，正火
• 马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体组织，用符号“M”表示。高硬 度是马氏体性能的主要特点，而且其硬度随含碳量增加而升高，原因 是过饱和碳引起晶格畸变，固溶强化作用增强。
• 钢在淬火时获得马氏体(而不形成其他组织)的能力称为钢的淬透性。 淬透性的大小可用在一定条件下淬硬层的深度表示。而淬硬层深度是 指从钢件表面到形成50%马氏体处的深度。影响钢件淬透性的因素主 要是钢的临界冷却速度，它是指钢在连续冷却转变时获得全部马氏体 组织的最小冷却速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性越大。而影响 临界冷却速度的关键因素是钢的含碳量与合金元素的种类和含量。淬 透性是钢材选择的重要依据之一。合理选择材料的淬透性，可以充分 发挥材料的性能潜力，防止产生热处理缺陷，提高材料使用寿命。
• (一)退火 • 退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处
理工艺。退火的主要目的是降低钢的硬度，使之易于切削加工;提高 钢的塑性和韧性，以便冷变形加工;消除钢中的组织缺陷，如晶粒粗 大、成分不均匀等，为热锻、热轧或热处理做好组织准备;消除前一 道工序(铸造、锻造或焊接等)中所产生的内应力，以防变形或开裂。
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第二节 钢的普通热处理
• 普通热处理，亦称整体热处理，是对金属材料或工件进行穿透加热的 热处理工艺。在机械制造过程中，退火和正火通常用于钢的预先热处 理，但对性能要求不高、不太重要的零件及一些普通铸件、焊件，退 火或正火可作为最终热处理。淬火和回火通常作为最终热处理工艺。
机械结构钢
机械结构钢：强度和塑性的配合 在强度设计的同时，要进行塑性的设计！！
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机械结构钢
③韧性设计： a. 冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势，不能用于直
接设计计算，根据经验总结，提出了在低温下 冲击韧性值的临界值； b. 韧-脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实 际零件的工作温度低若干度。 c. 断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序 中造成的钢材缺陷和裂纹出发，研究这些裂纹 在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。 断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力; 钢材的断裂强度σf与平面应变断裂韧性K1C之间 的关系可用下式表示：
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机械结构钢
钢的组织对冲击韧性的影响
(35CrNiMo钢淬火回火到 σb=880MPa)
钢的组织对淬火回火后钢的 疲劳强度的影响
(全部试样都热处理到HRC36)
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机械结构钢
（3）与合金钢比较，碳素结构钢的主要弱点：
接受淬火成马氏体的能力大大低于合金结构钢； 在尺寸较大的零件上，在淬火时得不到人们所需要厚 度的马氏体层；
温后快冷，则钢的脆化倾向就可消除；
沿晶断口：已经产生高温回火脆性的钢的冲击断口是
沿晶断口。
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机械结构钢
典型的沿晶断口
回火脆性的机理：钢中的 杂质元素磷、锡、锑、砷等， 在原奥氏体晶界的平衡偏聚 引起晶界脆化，是产生高温 回火脆性的直接原因；
它们的含量超过十万分之 几，就可能使钢产生高温回 火脆化倾向。特别是在450-550℃范围工作的钢，对此尤 为敏感；
因此，在机械制造中的很多场合采用了合金结构钢。
（4）如何确定需要多厚的马氏体层？ 要看零件受力的情况，并非所有情况下零件截面上都 要求全部淬成马氏体；
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机械结构钢
③韧性设计： a. 冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势，不能用于直
接设计计算，根据经验总结，提出了在低温下 冲击韧性值的临界值； b. 韧-脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实 际零件的工作温度低若干度。 c. 断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序 中造成的钢材缺陷和裂纹出发，研究这些裂纹 在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。 断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力; 钢材的断裂强度σf与平面应变断裂韧性K1C之间 的关系可用下式表示：
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机械结构钢
钢的组织对冲击韧性的影响
(35CrNiMo钢淬火回火到 σb=880MPa)
钢的组织对淬火回火后钢的 疲劳强度的影响
(全部试样都热处理到HRC36)
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机械结构钢
（3）与合金钢比较，碳素结构钢的主要弱点：
接受淬火成马氏体的能力大大低于合金结构钢； 在尺寸较大的零件上，在淬火时得不到人们所需要厚 度的马氏体层；
温后快冷，则钢的脆化倾向就可消除；
沿晶断口：已经产生高温回火脆性的钢的冲击断口是
沿晶断口。
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机械结构钢
典型的沿晶断口
回火脆性的机理：钢中的 杂质元素磷、锡、锑、砷等， 在原奥氏体晶界的平衡偏聚 引起晶界脆化，是产生高温 回火脆性的直接原因；
它们的含量超过十万分之 几，就可能使钢产生高温回 火脆化倾向。特别是在450-550℃范围工作的钢，对此尤 为敏感；
因此，在机械制造中的很多场合采用了合金结构钢。
（4）如何确定需要多厚的马氏体层？ 要看零件受力的情况，并非所有情况下零件截面上都 要求全部淬成马氏体；
第三章机械制造用结构钢
第三十九页，编辑于星期五：十七点 十六分。
二、易削钢 在钢中附加某一种或某几种元素，使它成
为容易被切削加工的钢，这类钢称为易削 钢。常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。 硫的作用（0.08~0.30%）： 硫在钢中与锰和铁可形成（Mn，Fe）S 夹杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具 之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀刃 上。
轴承在磨削加工后要进行回火，生产上称 之谓低温时效处理（附加回火）。即130～ 150℃加热，保温3～6小时。
第二十二页，编辑于星期五：十七点 十六分。
综上所述，轴承钢的热处理主要过程为： 球化退火→淬火→冷处理→低温回火→低
温时效处理
第二十三页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第七节 渗碳钢和氮化钢
和冲压加工。
第十六页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第十七页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第十八页，编辑于星期五：十七点 十六分。
（二）轴承钢的淬火和回火 淬火：轴承钢的淬火加热应获得细小的奥
氏体晶粒，快冷之后得到隐晶马氏体加上 均匀分布的细粒碳化物及少量残留奥氏体 。 GCr15钢AC1 为735~765℃，840℃左右 淬火能得到最高的硬度、弯曲疲劳强度和 冲击韧性。
盐，尖晶石； （3）硅酸盐和硅酸盐玻璃，其成分复杂； （4）硫化物，如MnS、（Mn，Fe）S、
CaS等； （5）氮化物，如AlN等。
第八页，编辑于星期五：十七点 十六分。
根据热变形能力，可分为以下三类： （1）脆性夹杂物，如刚玉（A12O3）、尖
晶石，沿轧制方向排列呈点链状分布； （2）塑性夹杂物，在热变形过程中有良好
第三十二页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第三十三页，编辑于星期五：十七点 十六分。
二、易削钢 在钢中附加某一种或某几种元素，使它成
为容易被切削加工的钢，这类钢称为易削 钢。常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。 硫的作用（0.08~0.30%）： 硫在钢中与锰和铁可形成（Mn，Fe）S 夹杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具 之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀刃 上。
轴承在磨削加工后要进行回火，生产上称 之谓低温时效处理（附加回火）。即130～ 150℃加热，保温3～6小时。
第二十二页，编辑于星期五：十七点 十六分。
综上所述，轴承钢的热处理主要过程为： 球化退火→淬火→冷处理→低温回火→低
温时效处理
第二十三页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第七节 渗碳钢和氮化钢
和冲压加工。
第十六页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第十七页，编辑于星期五：十七点 十六分。
第十八页，编辑于星期五：十七点 十六分。
（二）轴承钢的淬火和回火 淬火：轴承钢的淬火加热应获得细小的奥
氏体晶粒，快冷之后得到隐晶马氏体加上 均匀分布的细粒碳化物及少量残留奥氏体 。 GCr15钢AC1 为735~765℃，840℃左右 淬火能得到最高的硬度、弯曲疲劳强度和 冲击韧性。
盐，尖晶石； （3）硅酸盐和硅酸盐玻璃，其成分复杂； （4）硫化物，如MnS、（Mn，Fe）S、
CaS等； （5）氮化物，如AlN等。
第八页，编辑于星期五：十七点 十六分。
根据热变形能力，可分为以下三类： （1）脆性夹杂物，如刚玉（A12O3）、尖
晶石，沿轧制方向排列呈点链状分布； （2）塑性夹杂物，在热变形过程中有良好
第三十二页，编辑于星期五：十七点 十六分。
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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
沉淀强化 细化组织
工艺参数 是关键
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
40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
弹簧
板弹簧
离合器弹簧
拉力弹簧 蝶形弹簧
Chapter 3 机械制造结构钢
滚珠
滚珠轴承
履带
Chapter 3 机械制造结构钢
铁轨分道叉
破碎机颚板
挖掘机斗齿
3.1 概 述
一、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 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐 磨性等有不同要求。 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。
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。
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
相间 析出
三、零件材料和工艺选择途径
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；汽车拖拉机齿轮类 为代表.
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。
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
综合 强化 工艺
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
冷变 形
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
锻造 余热 淬火
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
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
Hale Waihona Puke 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 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
回脆性
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？
3、调质钢强韧化工艺的发展
正确 认识 性能 指标
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。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；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。
辅加 元素
Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。
最佳 范围
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。
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。
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。
第3章 机械制造结构钢
用于制造轴、齿轮、轴承等。
根据生产工艺和用途，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。
低 强 度 钢 <700MPa, 中 强 度 钢 7001400MPa，高强度钢>1400MPa
变速箱 变速齿轮
Chapter 3 机械制造结构钢
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交
基 变应力，大部分是整体受力。
本 情 况
其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。
总体上要求良好的综合力学性能。
主
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，
要 如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主
应 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏
用 体钢、超高强度钢等。
结构钢抗拉强度与硬度的关系
结构钢是否淬透对屈强比的影响
2、合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：
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 ；
Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向；
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
沉淀强化 细化组织
工艺参数 是关键
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
40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
弹簧
板弹簧
离合器弹簧
拉力弹簧 蝶形弹簧
Chapter 3 机械制造结构钢
滚珠
滚珠轴承
履带
Chapter 3 机械制造结构钢
铁轨分道叉
破碎机颚板
挖掘机斗齿
3.1 概 述
一、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 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐 磨性等有不同要求。 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。
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。
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
相间 析出
三、零件材料和工艺选择途径
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；汽车拖拉机齿轮类 为代表.
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。
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
综合 强化 工艺
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
冷变 形
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
锻造 余热 淬火
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
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
Hale Waihona Puke 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 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
回脆性
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？
3、调质钢强韧化工艺的发展
正确 认识 性能 指标
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。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；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。
辅加 元素
Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。
最佳 范围
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。
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。
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。
第3章 机械制造结构钢
用于制造轴、齿轮、轴承等。
根据生产工艺和用途，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。
低 强 度 钢 <700MPa, 中 强 度 钢 7001400MPa，高强度钢>1400MPa
变速箱 变速齿轮
Chapter 3 机械制造结构钢
整体强化态钢均承受拉、压、扭等交
基 变应力，大部分是整体受力。
本 情 况
其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。
总体上要求良好的综合力学性能。
主
主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，
要 如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主
应 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏
用 体钢、超高强度钢等。
结构钢抗拉强度与硬度的关系
结构钢是否淬透对屈强比的影响
2、合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：
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 ；
Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向；