机械结构用钢
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❖很显然，欲满足机械结构用钢的性能要求，必须对其 进行热处理强化，才能充分发挥钢材的性能潜力。M相 变及随后的回火转变综合应用了固溶强化、沉淀强化、 细晶强化和相变强化的机理，是最重要、最经济的强化 手段。
2. 淬透性
❖淬透性对机械结构用钢具有十分重要的意 义。淬透的钢可获得高强度、高屈强比、 高疲劳强度和高冲击韧度，以及低的韧脆 转折温度（TK）。钢中合金元素可明显提 高钢的淬透性。对淬透性要求不高的合金 结构钢，才采用单一的合金元素合金化方 案；要求较高淬透性者均采用多元少量的 合金元素综合合金化方法。
5.3 Steels for mechanical
structure 机械结构用钢
❖5.3.1 Brief introduction of structural steels ❖结构钢综述 ❖5.3.2 Steels for hardening and tempering ❖调质钢 ❖5.3.3 Case hardening steels 表面硬化钢 ❖5.3.4 Ultrahigh-strength steels 超高强度钢 ❖5.3.5Spring steels 弹簧钢 ❖5.3.6 Bearingsteels 滚动轴承钢 ❖5.3.7 Free-cutting steels ❖5.3.8 Cast steels 铸钢
4. 碳含量与热处理工艺的选择
❖综合力学性能要求较高的零件，如各类轴、连杆、 螺栓等，应选用调质钢，即中碳钢或中碳合金钢， 采用调质处理，使其获得较高强度的同时也有较 高的韧度。
❖较高碳含量的碳素钢和合金钢属于弹簧钢，可用 来制造弹簧，为了保证弹簧钢的高弹性极限和疲 劳强度，应采用淬火+中温回火的热处理工艺。 ❖轴承应选用高碳的滚动轴承钢制作，经淬火+低 温回火后的轴承，具有高硬度、高耐磨性和高的 接触疲劳抗力以及适当的韧度。
❖如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在 多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击 载荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。其 主要失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载 荷所引起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导 致的脆性断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损， 工件本身由于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。 因此，要求其具有良好的综合力学性能（即既要有高强 度，又要求良好塑、韧性）。
5.3.1 Brief introduction of structural steels 结构钢综述
❖机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢 种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结 构等，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。 ❖1. 工作条件与性能要求 ❖2. 淬透性 ❖3. Me在机器结构钢中的作用 ❖4. 碳含量与热处理工艺的选择 ❖5. 机器结构钢的分类
❖3. 热处理特点
❖（1）预先热处理 退火或正火。 ❖（2）最终热处理 调质（组织为回火索氏体） 或调质＋局部表面淬火、低温回火。
4. 常用调质钢
❖（1）低透性调质钢（ D0油＜30～40mm） 如45 （U20452）、40Cr（A20402）等； ❖（2）中淬透性调质钢（ D0油＜40～60mm ）如 42CrMo（A30352)、38CrMoAlA(A33382)等 ❖（3）高淬透性调质钢（D0油＞60mm）如 40CrNiMoA(A50403)等。 ❖某40Cr钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路 线如下所示: 下料→锻造→正火→ 粗机加工→调质→精加工→装配。
5. 调质零件用钢的新进展Biblioteka Baidu
❖（1）低碳马氏体钢
表5- 低碳马氏体15MnVB钢与调质40Cr钢性能对比
钢 状 硬 σb σs δ5 ψ
aK
aK（-
号 态 度 /MP /MPa /% /% /J·c 50℃）
/H a
m-2 /J·cm-
RC
2
15M 低 43 135 1133 12.6 51 95
nVB 碳M 38 3 800 9 45 60
连杆螺栓及其热处理工艺 曲轴
2. 化学成分特点
❖（1）中碳 ❖（2）合金化原则 主加元素：Cr、Ni、Mn、Si 及微量B等，主要作用为提高淬透性，强化F；辅 加元素：W、Mo、V、Ti等，主要作用为细化晶 粒、进一步提高钢的淬透性，W、Mo还起着防止 第二类回火脆性作用。另外W、Mo、V、Cr、Si 等还可有效提高钢的回火稳定性。
1. 工作条件与性能要求
❖主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往 是几种载荷同时作用。可以是恒载或变载，作用力的方 向是单向或反复的。工作环境是大气、水和润滑油，温 度在-50℃~+100℃范围之间。
❖一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂。为保证 机械零件正常工作，必须要求有良好力学性能，如足够 高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。
5. 机械结构用钢的分类
❖按热处理工艺特点和用途不同， 将其分为调质钢、表面硬化钢 （渗碳钢、渗氮钢）、超高强 度钢、弹簧钢、滚动轴承钢及 易切削钢等。
5.3.2 Steels for hardening
and tempering 调质钢
❖调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。
❖1. 工作条件、常见失效形式与性能要求
3. Me在机器结构钢中的作用
❖主加元素：（B）、Mn、Cr、Si、Ni ❖提高淬透性，强化F， ❖提高综合力学性能 ❖附加元素： Ti、V、W、Mo ❖ 细化晶粒，提高回火稳定性， ❖ 抑制第二类回火脆性（W、Mo）
4. 碳含量与热处理工艺的选择
❖碳是机械结构用钢中最主要的元素，溶入A的碳 量不仅直接决定了M的硬度，而且对M的形态及 回火后的组织性能有很大影响。 ❖对不重要的机器零件，当综合力学性能要求不 高（硬度≤229HBS）时，可选用中碳钢经正火 即可。 ❖表面要求耐磨性好及高的接触疲劳抗力，整体 又承受冲击负荷心部要求较高强韧性的零件，如 汽车、拖拉机变速箱齿轮，应选用渗碳钢，即低 碳钢或低碳合金钢，采用渗碳、淬火和低温回火 的热处理工艺。
2. 淬透性
❖淬透性对机械结构用钢具有十分重要的意 义。淬透的钢可获得高强度、高屈强比、 高疲劳强度和高冲击韧度，以及低的韧脆 转折温度（TK）。钢中合金元素可明显提 高钢的淬透性。对淬透性要求不高的合金 结构钢，才采用单一的合金元素合金化方 案；要求较高淬透性者均采用多元少量的 合金元素综合合金化方法。
5.3 Steels for mechanical
structure 机械结构用钢
❖5.3.1 Brief introduction of structural steels ❖结构钢综述 ❖5.3.2 Steels for hardening and tempering ❖调质钢 ❖5.3.3 Case hardening steels 表面硬化钢 ❖5.3.4 Ultrahigh-strength steels 超高强度钢 ❖5.3.5Spring steels 弹簧钢 ❖5.3.6 Bearingsteels 滚动轴承钢 ❖5.3.7 Free-cutting steels ❖5.3.8 Cast steels 铸钢
4. 碳含量与热处理工艺的选择
❖综合力学性能要求较高的零件，如各类轴、连杆、 螺栓等，应选用调质钢，即中碳钢或中碳合金钢， 采用调质处理，使其获得较高强度的同时也有较 高的韧度。
❖较高碳含量的碳素钢和合金钢属于弹簧钢，可用 来制造弹簧，为了保证弹簧钢的高弹性极限和疲 劳强度，应采用淬火+中温回火的热处理工艺。 ❖轴承应选用高碳的滚动轴承钢制作，经淬火+低 温回火后的轴承，具有高硬度、高耐磨性和高的 接触疲劳抗力以及适当的韧度。
❖如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在 多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击 载荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。其 主要失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载 荷所引起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导 致的脆性断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损， 工件本身由于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。 因此，要求其具有良好的综合力学性能（即既要有高强 度，又要求良好塑、韧性）。
5.3.1 Brief introduction of structural steels 结构钢综述
❖机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢 种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结 构等，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。 ❖1. 工作条件与性能要求 ❖2. 淬透性 ❖3. Me在机器结构钢中的作用 ❖4. 碳含量与热处理工艺的选择 ❖5. 机器结构钢的分类
❖3. 热处理特点
❖（1）预先热处理 退火或正火。 ❖（2）最终热处理 调质（组织为回火索氏体） 或调质＋局部表面淬火、低温回火。
4. 常用调质钢
❖（1）低透性调质钢（ D0油＜30～40mm） 如45 （U20452）、40Cr（A20402）等； ❖（2）中淬透性调质钢（ D0油＜40～60mm ）如 42CrMo（A30352)、38CrMoAlA(A33382)等 ❖（3）高淬透性调质钢（D0油＞60mm）如 40CrNiMoA(A50403)等。 ❖某40Cr钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路 线如下所示: 下料→锻造→正火→ 粗机加工→调质→精加工→装配。
5. 调质零件用钢的新进展Biblioteka Baidu
❖（1）低碳马氏体钢
表5- 低碳马氏体15MnVB钢与调质40Cr钢性能对比
钢 状 硬 σb σs δ5 ψ
aK
aK（-
号 态 度 /MP /MPa /% /% /J·c 50℃）
/H a
m-2 /J·cm-
RC
2
15M 低 43 135 1133 12.6 51 95
nVB 碳M 38 3 800 9 45 60
连杆螺栓及其热处理工艺 曲轴
2. 化学成分特点
❖（1）中碳 ❖（2）合金化原则 主加元素：Cr、Ni、Mn、Si 及微量B等，主要作用为提高淬透性，强化F；辅 加元素：W、Mo、V、Ti等，主要作用为细化晶 粒、进一步提高钢的淬透性，W、Mo还起着防止 第二类回火脆性作用。另外W、Mo、V、Cr、Si 等还可有效提高钢的回火稳定性。
1. 工作条件与性能要求
❖主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往 是几种载荷同时作用。可以是恒载或变载，作用力的方 向是单向或反复的。工作环境是大气、水和润滑油，温 度在-50℃~+100℃范围之间。
❖一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂。为保证 机械零件正常工作，必须要求有良好力学性能，如足够 高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。
5. 机械结构用钢的分类
❖按热处理工艺特点和用途不同， 将其分为调质钢、表面硬化钢 （渗碳钢、渗氮钢）、超高强 度钢、弹簧钢、滚动轴承钢及 易切削钢等。
5.3.2 Steels for hardening
and tempering 调质钢
❖调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。
❖1. 工作条件、常见失效形式与性能要求
3. Me在机器结构钢中的作用
❖主加元素：（B）、Mn、Cr、Si、Ni ❖提高淬透性，强化F， ❖提高综合力学性能 ❖附加元素： Ti、V、W、Mo ❖ 细化晶粒，提高回火稳定性， ❖ 抑制第二类回火脆性（W、Mo）
4. 碳含量与热处理工艺的选择
❖碳是机械结构用钢中最主要的元素，溶入A的碳 量不仅直接决定了M的硬度，而且对M的形态及 回火后的组织性能有很大影响。 ❖对不重要的机器零件，当综合力学性能要求不 高（硬度≤229HBS）时，可选用中碳钢经正火 即可。 ❖表面要求耐磨性好及高的接触疲劳抗力，整体 又承受冲击负荷心部要求较高强韧性的零件，如 汽车、拖拉机变速箱齿轮，应选用渗碳钢，即低 碳钢或低碳合金钢，采用渗碳、淬火和低温回火 的热处理工艺。