3 机械制造结构钢

3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
四、机械性能
1 硬度
回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物 的弥散强化作用，并可用下式表示： H=HF + α S 式中：H为钢高温回火后的硬度； HF为铁素体的硬度；α 为碳化物的强化系数； S为碳化物颗粒的总表面积。 上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素 体中的固溶程度，碳化物的数量和弥散程度与硬 度有着密切的关系。
1.
碳 中碳，碳含量一般在0.3%~0.5%； 钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分 数以获得高的强度。 碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过 高则韧性下降。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
2. 合金元素
主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni； 辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、 B等。 重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。

Chapter 3 机械制造结构钢
变速箱
变速齿轮
拨叉
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
连
杆
轴
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
电气机车大轴
磨床主轴
3.1 调质钢
汽轮机转子
汽轮机转子 （AETC公司）
3. 1 调质钢
叶轮、转子
3. 1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
炉冷
9.6
空冷
24
油冷
61
水冷
76
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
②回火脆性与回火保温时间的关系
在350～600℃等温回火保温时间愈长，室温冲击 韧性愈恶化，韧脆转化温度愈高，如教材图4-8。
③回火脆性与化学成分的关系
• 碳素钢对高温回火脆性是不敏感的； • 铬、锰、镍、硅强烈促进回火脆性倾向； • 钼、钨降低高温回火脆性； • 稀土元素降低高温回火脆性。
机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。

3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
3.1 调质钢
• 结构钢在淬火+高温回火后具有良好的综合 机械性能，即有较高的强度，良好的塑性 和韧性，这类钢称为调质钢，主要用于制 造轴、齿轮类零件。
Chapter 3 机械制造结构钢
一、化学成分特点
0.420.50
0.370.45 0.270.34
0.500.80
0.500.80 0.801.10
0.170.37
0.200.40 0.901.20 0.801.10 0.801.10
主轴、 齿轮
重要轴 类、重 要齿轮 高速 轮轴
40Cr 30CrMn Si
40CrNi Mo
0.370.44
0.500.80
3 韧性
(1) 合金元素对韧性的影响 碳：降低冲击韧性 在保证钢的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在 较低范围内。 锰：加入量<2%，钢的冲击韧性有所改善，能稍降低韧脆转 化温度；但含量＞2％后，冲击韧性恶化，韧脆性转化温 度升高。 镍：改善钢的冲击韧性，使韧脆转化温度下降。 硅：降低韧性，韧脆性转化温度升高。 磷：对冲击韧性危害甚大。提高韧脆转化温度，降低冲击值。 高级优质钢中的含磷量限制在≤0.035%，为了进一步改善 钢的韧性，甚至把含磷量降低到0.02%以下。
某军舰汽轮机主轴
3. 1 调质钢
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齿轮
曲轴
汽车万向节
连杆
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
弹簧
拉力弹簧
板弹簧
离合器弹簧
蝶形弹簧
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
滚珠
滚珠轴承
3.0 引言
Chapter 3 机械制造结构钢
履带 铁轨分道叉
破碎机颚板
合金元素 Si Mn Cr Ni
含量范围(wt%) 合金元素
含量范围 (wt%) .
Leabharlann Baidu
0.6-1.4 V
0.8-1.8 W
0.8-1.7 Ti
1.0-4.5 Al B
Mo
0.1-0.5
0.05-0.2
0.6-1.2
0.05-0.1
0.5-1.2
<0.004
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
3.1 调质钢
3.2 低温回火状态下使用的结构钢
一、低温回火钢的显微组织及力学性能
1 显微组织及强度
• 回火马氏体。
• 碳在α相过饱和—固溶强化；ε-Fe2.4C与基 体共格—沉淀强化；马氏体相变强化。 • 含碳量在0.2-0.5%时，抗拉强度与碳含量 呈线性增加关系: Rm=2880C%+800MPa.
2 回火脆性 • 淬火钢在250-350℃范围内有低温回火脆性， 含杂质元素极低的超纯钢不产生低温回火 脆性，图4-9。 • 锰、铬加剧低温回火脆性，Mn ＞2％，淬 火态也可得到沿晶淬断，低温回火脆化倾 向进一步加剧。 • 钼改善低温回火脆性，但不能消除。 • 硅、铝将低温回火脆化范围推向350 ℃以 上。
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。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
表3-1
(2) 高温回火脆性
①回火脆性与冷却速 度关系 冷却速度愈慢，室温 冲击韧性愈低，韧脆 转化温度愈高。
处理条件
冷却 方式
室温冲击值
（J/cm2）
40CrNi钢820℃淬火 650℃回火 40CrNi钢820℃淬火 650℃回火 40CrNi钢820℃淬火 650℃回火 40CrNi钢820℃淬火 650℃回火
• 不同成分的合金调质钢经淬火、回火到相同 抗拉强度时，屈服强度、延伸率和断面收缩 率相近。只要淬透性相当，可以互换。
Chapter 3 机械制造结构钢
五、常用调质钢的成分、热处理、机械性能 和用途
表3-2 常用调质钢的成分和用途
主要化学成分（%）
钢号 C 45 Mn Si Cr Ni Mo 用途
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
2 回火温度与综合机械性能的关系
当调质钢淬火成马氏 体，在450～650℃ 温度范围内回火时， 随着回火温度的升高， 硬度、抗拉强度，屈 服强度等不断降低， 而延伸率、断面收缩 率及冲击韧性等不断 上升。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
二、低碳马氏体结构钢 1 显微组织和性能 • C<0.3%时，淬火马氏体为位错型的板条马 氏体，具有高强度和良好韧性。 • 低温回火后综合力学性能优于中碳调质钢， 并且冷脆倾向小，有低缺口敏感度。
• 合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织 多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3 线以上加热进行正火，随后再进行一次高 温回火，使马氏体型钢的强度由HB380～ 550降至HB207～240，可以顺利地进行切 削加工。 2 最终热处理 （1）淬火 • 将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温 度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件 尺寸大小和钢的淬透性加以选择。
Chapter 3 机械制造结构钢
主要内容
3.1 调质钢 3.2 低温回火状态下使用的结构钢 3.3 高合金超高强度结构钢 3.4 轴承钢 3.5 渗碳钢和氮化钢 3.6 其他机械制造结构钢 • 非调质结构钢 • 弹簧钢 • 易削钢 • 高锰钢
Chapter 3 机械制造结构钢
教学要求
基本要求：
0.200.40
0.800.90
1.251.75
0.150.25
航空 发动机 机轴 3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
表3-3 常用调质钢的热处理和机械性能
热处理 钢号 淬火/ ℃ 回火/ ℃ 毛坯 尺寸/ mm ≤10 Rm/MPa 机械性能 Rp0.2/ MPa ≥350 A/ % ≥17 Ψ/ % ≥38 Αk/ J ≥45

低淬透性碳素调质钢： 45钢、45B钢，用于截面尺寸较小或不要 求完全淬透的零件。

低淬透性合金调质钢： 40Cr、45Mn2、40MnB、 35SiMn等，油 淬临界直径最大为30mm~40mm。通常用 于制造一般尺寸的重要零件。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
中淬透性合金调质钢：
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
（2）回火
根据所要求的性能来决定回火温度，高温回火时
应考虑回火脆性问题。
（3）表面处理
某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，
往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键
部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后， 在局部部位进行高频感应表面淬火。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
④ 避免或减轻回火脆性的措施
• 尽可能缩短回火保温时间；
• 回火后采用快冷；
• 采用含钼、钨钢种，并尽可能降低钢中的磷、 锡、锑含量； • 对已感受回火脆性的钢，用重新加热到
650℃后快冷的方法来恢复。
3.1 调质钢
4 机械性能
• 碳素调质钢与合金调质钢相比，经淬火、回 火到相同抗拉强度和硬度时，屈服强度和延 伸率相近，但断面收缩率稍低，图4-7。
二、对淬透性的要求
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。 • 例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受 到最大的张应力，随着离表面的距离增大，应力 逐渐减低，所以只要求在淬火轴的1/2半径处达到 80％马氏体即可。 • 例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个 截面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在 整个截面上淬成马氏体。 需要根据淬透性曲线来选择钢种。
挖掘机斗齿
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。
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。
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。
了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要 求。 掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴 承钢等的典型牌号。

重点：

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。
Chapter 3 机械制造结构钢
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。 各种齿轮、轴（杆）类、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。
合金元素的作用：
提高淬透性； Cr、Mn、Si、Ni溶于α相，起固溶强化作 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
Chapter 3 机械制造结构钢
45
850水
600空
≥650
40Cr
850油
500油
520油
≤25
≤25
≥1000
≥1100
≥800
≥900
≥9
≥10
≥45
≥45
≥60
≥50
30CrMnSi 880油
40CrNiMo 850油
600油
≤30
≥1100
≥900
≥12
≥55
≥100
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
典型调质钢及其应用：
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢
三、热处理特点
1 预备热处理
为了便于切削加工和改善钢件因热加工不 当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进 行预备热处理。
• 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织 多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线 以上加热进行正火。
3.1 调质钢
Chapter 3 机械制造结构钢