机械制造结构--钢概述
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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
（2）韧-脆转化温度；
（3）断裂韧性。
合金结构钢曲轴
第二节 结构钢的淬透性
基本概念
➢ 钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其
合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到 马氏体组织。
低碳马氏体结构钢wk.baidu.com
W(C)<0.3%,淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状 马氏体，具有高的强度和良好的韧性。
由于低碳钢的淬透性较小，一般采用低碳低合金钢。加 入Ni等元素，可改善室温和低温韧性和断裂韧性，具有高 强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。
这对长期在450～550℃范围工作的部件尤为重要。
第四节 低温回火状态下使用的结构钢
低温回火钢的显微组织及力学性能
淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱 和α相中的固溶强化，ε-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强 化及马氏体相变的冷作强化。
其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体α相中 的碳。碳含量越高，马氏体强度越高，但韧性下降。
（1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如 Cr－Ni－Mo－V 等。
（2） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素 加入，如40Cr 。
显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。
第三节 调 质 钢
钢种分类(根据热处理原理）
1）调质钢 （淬火高温回火） 2）弹簧钢 （淬火中温回火） 3）轴承钢 （淬火低温回火） 4）超高强度钢 （淬火低温回火） 5）渗碳（氮）钢 （化学热处理） 6）易削钢 （一般供应或正火状态）
低合金超高强度结构钢
这类钢属于中碳钢， W(C)＝0.27～45%,在此范围内， C含量越高，合金强度越高。
加入一定量的合金元素，可提高钢的淬透性，保证高 强度的获得。随着合金强度的提高，钢出现脆性的倾向， 可通过提高钢的纯净性，降低钢中的夹杂物、气体及有害 杂质元素H、O、Sn等元素的含量。
第五节 高合金超高强度结构钢
大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有 效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。
➢ 钢的淬硬性 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，
淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。
钢的顶端淬火试验
➢ 临界淬火直径
生产中也常用临界淬火直 径表示钢的淬透性。所谓临界 高强螺栓 淬火直径，是指圆棒试样在某 介质中淬火时所能得到的最大 淬透直径（即心部被淬成半马 氏体的最大直径），用Do表示 。在相同冷却条件下，Do越大 ，钢的淬透性越好。
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）
柴油机连杆 齿轮
研究钢的淬透性的重要意义
➢ 淬透后的钢性能优越 淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比，高的断裂韧
性KIC值，冲击韧性值以及低的FATT50（℃）。
➢ 淬透层深度视零件的工作条件而定
零件类型 螺栓、销钉等 轴类零件等
工作条件
全截面受力 表面应力大， 中心应力小。
淬透程度的差异 淬透 不淬透
低淬透性钢。
合金元素对淬透性的影响
➢ 合金元素增加淬透性的能力 钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为：
B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，其中C元素也能增加淬透性， 而且它决定了钢的淬硬性。
增大淬透性，以合金元素完全溶于奥氏体中为前提， 若以碳化物形式存在，则情况相反。
➢ 合金元素增加淬透性的多元少量原则
网带式淬火炉
➢ 淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）
➢ 淬透性的应用
（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致； （2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的
淬火介质以减小淬火应力。 （3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，
可选用淬透性大的钢。 （4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用
机械制造结构钢
第一节 结构钢的强度与脆性 第二节 结构钢的淬透性 第三节 调质钢 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 第五节 高合金高强度结构钢 第六节 轴承钢 第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 其它机械制造结构钢
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
调质钢的组织
淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相 基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，即回火屈氏体或 回火索氏体组织。
根据不同合金元素和回火工艺的差异，组织上区别 主要是基体α相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大 的程度。
合金元素对调质钢的影响
➢ 发展历程举例 40 → 40Mn → 40CrMn → 40CrMnSi
40 → 40Cr → 40CrNi → 40CrNiMo
低淬透性
中淬透性
高淬透性
➢ 前提 调质钢的强度取决于
α相的强度 碳化物的弥散强化作用
Si、Mn、Ni：溶于α相起固溶强化作用；其中Mn、Ni 可降低韧-脆转化温度，而Si则升高韧-脆转化温度。
C元素（0.3～0.5％）：保证有足量碳化物存在，以 获得比较高的强度。
Cr-Ni调质钢经650℃回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性
冷却方式
炉冷 空冷 油冷 水冷
室温冲击值/J 9.4 23.5 59.8 74.6
➢ 高温回火脆性举例（二）
➢ 高温回火脆性的原因及解决办法
主要原因：钢中的杂质元素P、Sn等，在原奥氏体晶界的 平衡偏聚引起晶界脆化。
措施： （1）在回火最高温度保温后快冷，可消除脆化倾向。 （2）通过添加Re、Mo、W、Ti等可降低高温回火脆性，
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。
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
（2）韧-脆转化温度；
（3）断裂韧性。
合金结构钢曲轴
第二节 结构钢的淬透性
基本概念
➢ 钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其
合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到 马氏体组织。
低碳马氏体结构钢wk.baidu.com
W(C)<0.3%,淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状 马氏体，具有高的强度和良好的韧性。
由于低碳钢的淬透性较小，一般采用低碳低合金钢。加 入Ni等元素，可改善室温和低温韧性和断裂韧性，具有高 强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。
这对长期在450～550℃范围工作的部件尤为重要。
第四节 低温回火状态下使用的结构钢
低温回火钢的显微组织及力学性能
淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱 和α相中的固溶强化，ε-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强 化及马氏体相变的冷作强化。
其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体α相中 的碳。碳含量越高，马氏体强度越高，但韧性下降。
（1） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如 Cr－Ni－Mo－V 等。
（2） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素 加入，如40Cr 。
显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。
第三节 调 质 钢
钢种分类(根据热处理原理）
1）调质钢 （淬火高温回火） 2）弹簧钢 （淬火中温回火） 3）轴承钢 （淬火低温回火） 4）超高强度钢 （淬火低温回火） 5）渗碳（氮）钢 （化学热处理） 6）易削钢 （一般供应或正火状态）
低合金超高强度结构钢
这类钢属于中碳钢， W(C)＝0.27～45%,在此范围内， C含量越高，合金强度越高。
加入一定量的合金元素，可提高钢的淬透性，保证高 强度的获得。随着合金强度的提高，钢出现脆性的倾向， 可通过提高钢的纯净性，降低钢中的夹杂物、气体及有害 杂质元素H、O、Sn等元素的含量。
第五节 高合金超高强度结构钢
大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有 效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。
➢ 钢的淬硬性 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，
淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。
钢的顶端淬火试验
➢ 临界淬火直径
生产中也常用临界淬火直 径表示钢的淬透性。所谓临界 高强螺栓 淬火直径，是指圆棒试样在某 介质中淬火时所能得到的最大 淬透直径（即心部被淬成半马 氏体的最大直径），用Do表示 。在相同冷却条件下，Do越大 ，钢的淬透性越好。
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）
柴油机连杆 齿轮
研究钢的淬透性的重要意义
➢ 淬透后的钢性能优越 淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比，高的断裂韧
性KIC值，冲击韧性值以及低的FATT50（℃）。
➢ 淬透层深度视零件的工作条件而定
零件类型 螺栓、销钉等 轴类零件等
工作条件
全截面受力 表面应力大， 中心应力小。
淬透程度的差异 淬透 不淬透
低淬透性钢。
合金元素对淬透性的影响
➢ 合金元素增加淬透性的能力 钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为：
B＞Mn＞Mo＞Cr＞Si＞Ni，其中C元素也能增加淬透性， 而且它决定了钢的淬硬性。
增大淬透性，以合金元素完全溶于奥氏体中为前提， 若以碳化物形式存在，则情况相反。
➢ 合金元素增加淬透性的多元少量原则
网带式淬火炉
➢ 淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材P43）
➢ 淬透性的应用
（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致； （2）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的
淬火介质以减小淬火应力。 （3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，
可选用淬透性大的钢。 （4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用
机械制造结构钢
第一节 结构钢的强度与脆性 第二节 结构钢的淬透性 第三节 调质钢 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 第五节 高合金高强度结构钢 第六节 轴承钢 第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 其它机械制造结构钢
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
调质钢的组织
淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相 基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，即回火屈氏体或 回火索氏体组织。
根据不同合金元素和回火工艺的差异，组织上区别 主要是基体α相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大 的程度。
合金元素对调质钢的影响
➢ 发展历程举例 40 → 40Mn → 40CrMn → 40CrMnSi
40 → 40Cr → 40CrNi → 40CrNiMo
低淬透性
中淬透性
高淬透性
➢ 前提 调质钢的强度取决于
α相的强度 碳化物的弥散强化作用
Si、Mn、Ni：溶于α相起固溶强化作用；其中Mn、Ni 可降低韧-脆转化温度，而Si则升高韧-脆转化温度。
C元素（0.3～0.5％）：保证有足量碳化物存在，以 获得比较高的强度。
Cr-Ni调质钢经650℃回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性
冷却方式
炉冷 空冷 油冷 水冷
室温冲击值/J 9.4 23.5 59.8 74.6
➢ 高温回火脆性举例（二）
➢ 高温回火脆性的原因及解决办法
主要原因：钢中的杂质元素P、Sn等，在原奥氏体晶界的 平衡偏聚引起晶界脆化。
措施： （1）在回火最高温度保温后快冷，可消除脆化倾向。 （2）通过添加Re、Mo、W、Ti等可降低高温回火脆性，
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。