金属材料学第3章机械制造结构钢资料
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机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上 发展起来的，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。
2020/6/29
变速箱
2020/6/29
变速齿轮
拨叉
齿轮
汽车万向节
2020/6/29
曲轴 连杆
弹簧
板弹簧
六、机器零件用结构钢的强度与 韧性
机器零件用结构钢均承受拉、压、扭
性
等交变应力，大部分是整体受力。
能 指 标
其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。
源自文库
总体上要求良好的综合力学性能。
强度设计：细晶强化、固溶强化、沉淀强化和位错强化 韧度设计：冲击韧性、韧脆转变温度、断裂韧性。
2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧 性。中碳钢，可选择采用低温回火工艺。如 低合金中碳马氏体钢。农业机械应用较多。
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 机器零件用钢 machinery constructional
steel
本章教学基本要求
□了解机器零件用钢的强韧化机制； □渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役
条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点 和热处理特点； □掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及 用途。
2020/6/29
本章内容
steel
调质件（螺杆）
• 淬火＋高温回火后使用 的中碳钢或中碳合金钢为 调质钢，是机械制造业中 用量最大的钢种。
2020/6/29
M7150A砂轮主轴 汽\拖用连杆
2020/6/29
汽车半轴 a)一端法兰式; b)二端花键式; c)变截面台阶式
S7332 螺纹磨床丝杠
2020/6/29
T615K镗床镗杆
• 3.1 概述 • 3.2 调质钢 • 3.3 非调质机械结构钢 • 3.4 弹簧钢 • 3.5 滚动轴承钢 • 3.7 合金渗碳钢 • 3.8 氮化钢 • 3.9 低淬透性钢 • 3.10 耐磨钢 • 3.11 零件材料选择基本原则与思路
2020/6/29
3.1概述
一、应用背景：
机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用 于制造各种机械零件的钢种。
• 淬火＋高温回火
• 淬火：Ac3以上，油淬。
A3
• 回火：500-650℃，获得
A1
回火索氏体，但应注意第
500-
二类回火脆性。
650℃
有时为了获得高强度，调质钢也 可进行低温（200-250℃） 回火， 适当牺牲塑性、韧性，获得回火马 氏体。
2020/6/29
图3-3高温回火工艺
调质钢组织特点
2020/6/29
四、机器零件对工艺性能的要求
机器零件用钢制造工艺繁多： 热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热 处理。 冷加工：车、铣、刨、磨…等等。
通常机器零件的制造工艺流程为：
型材 改锻
预先热处理 粗加工
最终热处理
精加工
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；
• 调质后得到回火索氏体，其特点 是：
• 1.铁素体基体上均匀分布的粒状 碳化物，起弥散强化，溶入基体 的碳与合金元素起固溶强化，这 样保证了高强度；
2020/6/29
五、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
2020/6/29
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。
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。
2020/6/29
三、机器零件用钢对力学性能要求
➢ 良好的强度和韧性 以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
因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以 充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢 的使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。
2020/6/29
本章内容
3.1 概述 3.2 调质钢
3.3 非调质机械结构钢 • 3.4 弹簧钢 • 3.5 滚动轴承钢 • 3.7 合金渗碳钢 • 3.8 氮化钢 • 3.9 低淬透性钢 • 3.10 耐磨钢 • 3.11 零件材料选择基本原则与思路
2020/6/29
3.2 调质钢 hadened and tempered
补充说明
• 优质碳素结构钢（G/T699—1999）： • 08F钢――汽车外壳、仪器仪表外壳（碳量
万分制） • 10－25――冷冲压件和焊接件，（渗碳钢） • 35－55――齿轮、轴类零件（调质钢） • 60－70――弹簧钢、钢丝绳 • 优质合金钢是在上述成分基础上添加一元
或多元合金构成。
2020/6/29
离合器弹簧
2020/6/29
拉力弹簧
蝶形弹簧
滚珠轴承
2020/6/29
调心球轴承
滚珠轴承
履带
铁轨分道叉
2020/6/29
破碎机颚板
挖掘机斗齿
二、机器零件用钢的服役条件
受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯 曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种 载荷的交互作用。
服役环境：大气、水和润滑油，温度在-50～100℃。
3.2.1 调质钢淬透性原则
图3-2屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率变化
图3-1 含0.25－0.45%C的合金钢 经调质后室温性能变化
2020/6/29
0.25-0.45%的合金钢经调质 后室温性能大致相同，强度差 异±10%，但断面收缩率差异 较大。
淬透性原则： 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
根据服役条件合理选择含碳量和热处理工艺； 2020/6/29 材料不是唯一的，热处理也是多种多样的。
七、零件材料和工艺选择途径9
1、对于要求良好综合力学性能， 轴类零件为典型:中碳钢 选择采用淬火+高温回火。回火索氏体型， 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。
2020/6/29
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变速箱
2020/6/29
变速齿轮
拨叉
齿轮
汽车万向节
2020/6/29
曲轴 连杆
弹簧
板弹簧
六、机器零件用结构钢的强度与 韧性
机器零件用结构钢均承受拉、压、扭
性
等交变应力，大部分是整体受力。
能 指 标
其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。
源自文库
总体上要求良好的综合力学性能。
强度设计：细晶强化、固溶强化、沉淀强化和位错强化 韧度设计：冲击韧性、韧脆转变温度、断裂韧性。
2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧 性。中碳钢，可选择采用低温回火工艺。如 低合金中碳马氏体钢。农业机械应用较多。
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 机器零件用钢 machinery constructional
steel
本章教学基本要求
□了解机器零件用钢的强韧化机制； □渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役
条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点 和热处理特点； □掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及 用途。
2020/6/29
本章内容
steel
调质件（螺杆）
• 淬火＋高温回火后使用 的中碳钢或中碳合金钢为 调质钢，是机械制造业中 用量最大的钢种。
2020/6/29
M7150A砂轮主轴 汽\拖用连杆
2020/6/29
汽车半轴 a)一端法兰式; b)二端花键式; c)变截面台阶式
S7332 螺纹磨床丝杠
2020/6/29
T615K镗床镗杆
• 3.1 概述 • 3.2 调质钢 • 3.3 非调质机械结构钢 • 3.4 弹簧钢 • 3.5 滚动轴承钢 • 3.7 合金渗碳钢 • 3.8 氮化钢 • 3.9 低淬透性钢 • 3.10 耐磨钢 • 3.11 零件材料选择基本原则与思路
2020/6/29
3.1概述
一、应用背景：
机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用 于制造各种机械零件的钢种。
• 淬火＋高温回火
• 淬火：Ac3以上，油淬。
A3
• 回火：500-650℃，获得
A1
回火索氏体，但应注意第
500-
二类回火脆性。
650℃
有时为了获得高强度，调质钢也 可进行低温（200-250℃） 回火， 适当牺牲塑性、韧性，获得回火马 氏体。
2020/6/29
图3-3高温回火工艺
调质钢组织特点
2020/6/29
四、机器零件对工艺性能的要求
机器零件用钢制造工艺繁多： 热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热 处理。 冷加工：车、铣、刨、磨…等等。
通常机器零件的制造工艺流程为：
型材 改锻
预先热处理 粗加工
最终热处理
精加工
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；
• 调质后得到回火索氏体，其特点 是：
• 1.铁素体基体上均匀分布的粒状 碳化物，起弥散强化，溶入基体 的碳与合金元素起固溶强化，这 样保证了高强度；
2020/6/29
五、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
2020/6/29
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。
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。
2020/6/29
三、机器零件用钢对力学性能要求
➢ 良好的强度和韧性 以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
因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以 充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢 的使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。
2020/6/29
本章内容
3.1 概述 3.2 调质钢
3.3 非调质机械结构钢 • 3.4 弹簧钢 • 3.5 滚动轴承钢 • 3.7 合金渗碳钢 • 3.8 氮化钢 • 3.9 低淬透性钢 • 3.10 耐磨钢 • 3.11 零件材料选择基本原则与思路
2020/6/29
3.2 调质钢 hadened and tempered
补充说明
• 优质碳素结构钢（G/T699—1999）： • 08F钢――汽车外壳、仪器仪表外壳（碳量
万分制） • 10－25――冷冲压件和焊接件，（渗碳钢） • 35－55――齿轮、轴类零件（调质钢） • 60－70――弹簧钢、钢丝绳 • 优质合金钢是在上述成分基础上添加一元
或多元合金构成。
2020/6/29
离合器弹簧
2020/6/29
拉力弹簧
蝶形弹簧
滚珠轴承
2020/6/29
调心球轴承
滚珠轴承
履带
铁轨分道叉
2020/6/29
破碎机颚板
挖掘机斗齿
二、机器零件用钢的服役条件
受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯 曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种 载荷的交互作用。
服役环境：大气、水和润滑油，温度在-50～100℃。
3.2.1 调质钢淬透性原则
图3-2屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率变化
图3-1 含0.25－0.45%C的合金钢 经调质后室温性能变化
2020/6/29
0.25-0.45%的合金钢经调质 后室温性能大致相同，强度差 异±10%，但断面收缩率差异 较大。
淬透性原则： 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
根据服役条件合理选择含碳量和热处理工艺； 2020/6/29 材料不是唯一的，热处理也是多种多样的。
七、零件材料和工艺选择途径9
1、对于要求良好综合力学性能， 轴类零件为典型:中碳钢 选择采用淬火+高温回火。回火索氏体型， 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。
2020/6/29