机械制造结构钢培训课件

2、失效形式 规定用来制造某种零件的钢材的性能要求时，必须从 零件在工作条件下损坏的情况出发。因此，必须了解 零件的失效形式。
（1）过载变形和断裂 特别是承受动载荷的情况下，由于不正常的超负荷，
当应力超过构件的屈服强度时，构件就要发生变形； 当应力超过该材料的断裂强度时，构件就要发生断裂。 （2）疲劳破坏
复习题 1、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同？ 2、疲劳破坏？ 3、韧-脆转化温度？
5、机械制造用结构钢的淬透性 (1)为什么要考虑钢的淬透性？ 1) 抗拉强度低
机械制造用结构钢是亚共析碳素或低合金钢。退 火后的硬度一般不超过HB240。不论钢经历了何种 热处理，当钢的布氏硬度小于HB500时，其抗拉强 度σb与布氏硬度的关系如下：
强度指标：
σe ━弹性极限 σb ━抗拉强度 σf ━断裂强度 σ0.01━规定弹性极限，塑性变形量
为0.01％ σ0.2 ━规定屈服强度，塑性变形量为
0.2％
范性指标：
伸长率 δ=[(Lf-L0)/L0]×100%
面缩率 ψ=[(A0-Af)/A0]×100%
①强度与塑性的配合
对于塑性指标δ、ψ及综合反映了强度和塑性的韧 性指标（如冲击韧性），在设计时并不用于工程计 算，只是根据经验提出要求；
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。
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)
（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；
思考题： 1、工程结构钢的合金化思想是什么？ 2、评价工程结构钢热影响区硬化倾向的碳 当量的概念是什么？ 3、应变时效现象？机理是什么？
第二节 机械制造结构钢 定义: 机械制造结构钢是用来制造各种机械零
件的钢种; 常见的机械零件是汽车、拖拉机、机床、电站
设备、矿山机械、轧机等机器上的轴类、齿轮、 连杆、弹簧、齿轮轴、紧固件等。
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；
对零件全截面受力的高强度螺栓、销钉、飞机起落架
等，要求完全淬透。
对受扭转应力的轴类，表面应力大，心部应力小， 只要求一定深度淬透成马氏体，心部为50%马氏体即可。 如何选择钢种？？ （5）钢的顶（末）端淬火曲线 1）在机械零件设计中选择合金结构钢时，广泛应用钢 的顶端淬火曲线。合金钢厂在供应合金结构钢时，也 应提供有关的淬透性资料，通常是顶端淬火曲线。 2）成分控制的重要性： 合金结构钢的化学成分在炼钢时引起的波动，造成 成品钢的顶端淬火曲线上有较宽的淬透性带，这给机 械制造工艺上带来困难；
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。
σb=10/3HB， MPa 因此，退火钢的σb为700MPa, 但淬火后钢的σb为 1600MPa。 2) 屈强比低：退火钢材的屈服强度与抗拉强度之比 σs/σb约为0.5—0.6，而淬火成马氏体并回火后的钢的 σs/σb约为0.8—0.9。强度没有充分被利用！！
3）钢的疲劳强度低，光滑表面试样的旋转弯曲疲劳 极限值约为抗拉强度σb 的1/2；
PCrNi3Mo回火沿晶断口， 40Cr钢回火脆性沿晶断口 界面光滑，无塑性变形
复习题 1、现代机械用结构钢的设计与传统设计有 什么不同？ 2、疲劳破坏？ 3、何谓调质处理？有何优点？
对于大截面零件，要求高淬透性的调质钢为： 40CrNiMo、34CrNi3MoV等。
淬火加热前 未溶碳化物
回火析出碳 化物
86CrMnV7冷 轧辊钢，调质 处理
例证
一种Cr-Ni调质钢经淬火650℃回火后以不同速度冷
却，其室温冲击值如下：
650℃回火后冷却方式
室温冲击值/J
炉冷
9.4
空冷
23.5
油冷
59.8
水冷
74.6
可逆回火脆性：若将已经回火脆化的钢再在650℃保
温后快冷，则钢的脆化倾向就可消除；
②金属材料的屈服强度σs与断裂强度σf
a.这两个性能指标是金属材料的基本性能特征；
b.当金属材料的屈服强度低于断裂强度时，垂直于力 作用方向的平面上产生的应力先达到屈服强度，就 会发生塑性变形;
c.如果金属材料的屈服强度等于或高于断裂强度，垂 直于力作用方向的平面上产生的应力先达到断裂应 力，就会发生脆性断裂;
具有一定的耐蚀性。
4、结构钢的强度与脆性 上面所述，机械零件的主要失效形式是变形和断裂。 为保证机械零件正常运转，传统设计只考虑钢的弹 性和塑性； 弹性设计：有的根据弹性来设计，在弹性范围内工 作，根据比例极限σp来计算； 有些零件只允许少量塑性变形，可根据屈服强度σs 或σ0.2来塑性设计（实际中在许用应力与以上应力之间 加上一个安全系数）, 实际也是从强度出发。 上述两种情况都是只考虑了强度的强度设计。 对于结构件，只考虑强度是很危险的。
4）冲击韧性低：在相近的硬度下比较，淬成全部马 氏体后回火的钢的冲击韧性优于未淬成全部马氏 体的钢，表现在较高的冲击韧性值与较低的脆性 转化温度。
(2)淬火后组织中马氏体量测定的方法
1）金相法；2）用硬度法得知，因为马氏体的硬度 主要决定于马氏体中的含碳量，钢淬火后的硬度 又与组织中的马氏体量有关。
如热处理后的尺寸非均一性、变形的不一致性，会 影响装配性能、工作平稳性以及零件的使用寿命等。 因此，在冶金生产厂，要根据对狭窄淬透性带的要 求，来保证成分的一致性（微调）。
（6）CCT曲线分析合金元素对钢淬透性的影响 钢中常用的合金元素对增大淬透性的能力按下列顺
序依次增大：镍、硅、铬、钼、锰、硼。
合金元素铬、锰、镍、硅等是强烈促进钢的高温回 火脆性倾向的，碳素结构钢对高温回火脆性是不敏感 的； 合金元素钼、钨、钛可减轻合金调质钢感受高温回 火脆性。 在冶金上怎样来冶炼纯净钢是一个重要的方向，包 括有色低熔点元素的去除。 （5）调质钢的分类
在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级 的，也就是根据合金元素含量多少来分级。 最普通的调质钢是碳素调质钢； 要求淬透性较高的钢有：40Cr、45Mn2、40MnB、 35SiMn。
承受交变载荷的构件，若在高于一定的应力水平下长 期工作，就容易发生疲劳断裂。
疲劳裂纹
疲劳裂纹
疲劳断口
裂纹源在一个氧化铝夹杂物处，以夹杂物为疲劳源，周 围是光滑细微的疲劳源区，由此，向四周呈放射状快速 扩展断裂
Al2O3
由Al2O3产生的表面裂纹劈开 金属表面向下扩展
浅表面裂纹与表面裂纹已经 连接，即将产生剥落
f
K IC
1
(a) 2
式中a为材料裂纹突然扩展时裂纹尺寸之半；对于一定 显微组织的钢材，KIC是一定值。
a采用超声波(或其它方法)测定, KIC通过专门的实验 测定（对于一定的组织，它是一定的），那么就可以 计算σf的值，就可以进行工程设计了。
对于高强钢（高强材料），必须进行这种断裂韧性 的计算与设计，否则非常危险（very Dangerous)！！
塑性、韧性指标是考虑到零件的安全性，避免发 生突然事故、过载断裂而提出的。
为什么对于机械结构钢要强调强度与塑性的配合？
a. 多年来，人们为了减轻零件重量，在追求提高钢 的强度方面取得了很大的进展，使钢的强度达到很 高的水平：
举例： 中碳回火索氏体钢、低碳马氏体钢：
σb :1200—1400MPa; 中碳低合金马氏体钢：
Impact Energy /J
300 250 200 150 100
50 0 -130
Charpy results for Nb AR simulated samples
-110
-90
-70
-50
-30
-10
Te m pe rature /C
base 950 1050 1350
(夏氏冲击试样)冲击功与试验温度的关系
（3）组织
马氏体经过高温回火后的金相组织是回火索氏体 或屈氏体，这种组织是在经过再结晶的细晶粒的铁 素体上分布着弥散的粒状碳化物。
它的显微组织根据含有不同合金元素而引起的回 火稳定性的差别和回火温度，从而导致基体α相是否 完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大的程度。 （4）合金调质钢的一个特殊问题：高温回火脆性 它表现在高温回火后的冷却速度严重地影响到钢的 韧—脆转化温度：冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈 低，韧-脆转化温度愈高。
零件的损坏情况可以归纳为：变形和断裂。
3、性能要求
针对以上分析的主要失效形式，对机械制造用钢 的最基本要求：
在零件整个截面上具有足够高的屈服强度和抗拉强 度，以防止过载变形和断裂；
具有高的疲劳强度以防止交变负荷下的疲劳断裂；
在零件整个截面上具有足够的塑性和韧性，以防止 冲击或过载下的突然断裂；
d.脆性断裂：材料没有发生宏观塑性变形或仅仅发生 少量塑性变形的断裂；
e.塑性断裂：经过较大量的塑性变形后的断裂。 塑性断口
Baidu Nhomakorabea
沿晶脆性断口
解理 脆性断口
f. 温度对金属材料σs和σf的影响 降低温度，σs迅速增高，而σf略有降低，发生脆断； 较高温度，σf>σs，塑性断裂（位错易动）。
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！！
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：
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。
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；
6、调质钢
（1）调质钢定义： 结构钢在淬火成马氏体并在500--650℃之间温度回 火，这种热处理称调质处理； 经过这种热处理的结构钢具有强度、塑性及韧性 的良好配合，很大一部分机械零件是经过淬火及高 温回火后使用的； 适合于这种热处理的钢种称为调质钢。 （2）调质钢的合金化及热处理的主要原则 保证钢具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有 足够厚的马氏体层； 在高温回火后零件获得所预期的综合性能。
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。