第3章 机械制造结构钢
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合金元素作用： 提高淬透性（主要作用）；固溶强化； 细晶强化； 弥散强化
三、调质钢的种类与分级
常用调质钢按淬透性大小可分为几级： 1）40，45，45B 2）40Cr，45Mn2, 45MnB, 35MnSi 3）35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ，40CrNi 4）40CrMnMo, 35SiMn2MoV，40CrNiMo
➢ 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。
§3.1 概述
机械制造结构钢是指用于制造各种机械零件 （轴、齿轮、紧固件、轴承等）的一类钢种, 也称机器零件用钢。
变速箱 变速齿轮
拨叉
§3.1 概述
连杆
轴
§3.1 概述
电气机车大轴
磨床主轴
§3.1 概述
汽轮机转子
汽轮机转子 （AETC公司）
钢的淬火与回火
• 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。
低温回火
中温回火
高温回火
回火温度 150-250℃ 350-500℃
500-650℃
回火组织 回火目的
应用
M回
T回
S回
在保留高硬度、高 耐磨性的同时，降 低内应力。
提高e及s，
同时使工件具有 一定韧性 。
获得良好的综合力学性能， 即在保持较高的强度同时， 具有良好的塑性和韧性。
概念 成分、合金化与分类 组织 热处理 性能
一、调质钢概念
结构钢在淬火与高温回火（500-650℃）后 具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好 的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调 质钢。
二、调质钢的成分、合金化
成分
0.25~0.45%C的C钢或中、低合金钢。
合金化
Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, B, ( Nb, Ti, Al )
二、成分与合金化
• 提高钢的切削加工性—加工成型性能。
常用改善钢的切削加工性能的合金元素有：S、Pb、 Ca、Te（碲）、Se（硒） MnS、CaS、MnTe、PbTe、MnSe、PbSe等 一般认为，当钢的硬度为179~229HBW时，其切削性 能最佳。 低碳钢，采用正火处理，提高片状P数量，改善切削 性能；高碳钢，球化处理，使硬度降低。
适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。
适用于 弹簧热处理
广泛用于各种结构件如轴、 齿轮等热处理。也可作为要 求较高精密件、量具等预备
热处理。
● 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。
五、钢种
调质钢 非调质机械结构钢 弹簧钢 滚动轴承钢 低碳马氏体钢 渗碳钢 氮化钢 低淬透性钢 耐磨钢
§3.2 调质钢
依据 不同成分的调质钢只要其淬透性相当，当淬火及高 温回火后，其性能相近
三、调质钢的种类与分级
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、40Mn2、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 概述
二、成分与合金化
•主要有 C素和合金亚共析钢； •合金元素—Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、B等。 •提高钢的淬透性—影响钢的力学性能。 •含碳量的选择和回火温度的确定—影响零件的使用性 能和寿命。 •提高钢的切削加工性—加工成型性能。
二、成分与合金化
• 提高钢的淬透性—影响钢的力学性能。 马氏体相变及其随后的回火是综合利用了固溶强化、 晶界强化、位错强化和第二相强化，获得马氏体成为 钢的重要强化手段。 对于淬火高温回火钢来说，尽管马氏体和非马氏体 组织经高温回火后的硬度相近，但非马氏体组织使钢 的塑性和韧性，特别是冷脆倾向明显变差，并降低钢 的疲劳强度。机器零件必须具备足够淬透性。 大截面尺寸零件，合金元素增加淬透性作用更显著。
提高钢的淬透性，要加入合金元素 （低） Ni→Si→Cr→Mo→Mn→B （高）
钢的淬火Baidu Nhomakorabea回火
• 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷 却的工艺。
• 一、回火的目的 • 1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂.
2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆 性大，回火可调整硬度、韧性。
三、强化方式
四种基本强化形式
位错强化
细晶强化
固溶强化
沉淀强化
马氏体强化
位错强化 + 固溶强化 + 沉淀强化 （ + 细晶强化）
形变热处理
位错强化 + 沉淀强化+马氏体强化
四、热处理
一般都要通过热处理（淬火+回火） 1）马氏体回火后比F+P具有较好的综合室温机械性能; 2）淬透的零件比未淬透的零件具有较好的机械性能 。
钢的淬火与回火
• 3、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发 向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平 衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
• 4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用
回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。
未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置 使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行 回火。
二、成分与合金化
• 含碳量的选择和回火温度的确定—影响零件的使用性 能和寿命。 回火温度的确定决定钢的最后组织状态，回火工艺在 某种程度上决定了零件的使用性能和寿命。 为了保证钢有较好的耐磨性和接触疲劳强度，钢淬火 后应进行低温回火。 马氏体的硬度与钢中含碳量有关，随着钢中含碳量的 增多，马氏体的硬度也随之提高。
§3.1 概述
叶轮、转子
§3.1 概述
某军舰汽轮机主轴
§3.1 概述
齿轮
曲轴
汽车万向节
连杆
§3.1 概述
弹簧
板弹簧
离合器弹簧
拉力弹簧 蝶形弹簧
§3.1 概述
滚珠
滚珠轴承
履带
破碎机颚板
挖掘机斗齿
§3.1 概述
一、工作条件与性能要求
反复载荷—较高的疲劳强度。 短时超负荷—较高的区服强度、抗拉强度以及较高的 断裂抗力。 相对滑动或滚动—耐磨性及接触疲劳强度。 形状复杂—较高的韧性、低的缺口敏感性。 良好的切削加工性能、热处理工艺性能、一定的耐腐 蚀性能
Metal Materials Science
主要内容
概述 调质钢 ★★ 非调质机械结构钢 ★★ 弹簧钢 低碳马氏体钢 合金渗碳钢 氮化钢、 低淬透性钢
耐磨钢
零件材料选择基本原则与思路
教学要求
➢ 基本要求：
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。
三、调质钢的种类与分级
常用调质钢按淬透性大小可分为几级： 1）40，45，45B 2）40Cr，45Mn2, 45MnB, 35MnSi 3）35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ，40CrNi 4）40CrMnMo, 35SiMn2MoV，40CrNiMo
➢ 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。
§3.1 概述
机械制造结构钢是指用于制造各种机械零件 （轴、齿轮、紧固件、轴承等）的一类钢种, 也称机器零件用钢。
变速箱 变速齿轮
拨叉
§3.1 概述
连杆
轴
§3.1 概述
电气机车大轴
磨床主轴
§3.1 概述
汽轮机转子
汽轮机转子 （AETC公司）
钢的淬火与回火
• 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。
低温回火
中温回火
高温回火
回火温度 150-250℃ 350-500℃
500-650℃
回火组织 回火目的
应用
M回
T回
S回
在保留高硬度、高 耐磨性的同时，降 低内应力。
提高e及s，
同时使工件具有 一定韧性 。
获得良好的综合力学性能， 即在保持较高的强度同时， 具有良好的塑性和韧性。
概念 成分、合金化与分类 组织 热处理 性能
一、调质钢概念
结构钢在淬火与高温回火（500-650℃）后 具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好 的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调 质钢。
二、调质钢的成分、合金化
成分
0.25~0.45%C的C钢或中、低合金钢。
合金化
Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, B, ( Nb, Ti, Al )
二、成分与合金化
• 提高钢的切削加工性—加工成型性能。
常用改善钢的切削加工性能的合金元素有：S、Pb、 Ca、Te（碲）、Se（硒） MnS、CaS、MnTe、PbTe、MnSe、PbSe等 一般认为，当钢的硬度为179~229HBW时，其切削性 能最佳。 低碳钢，采用正火处理，提高片状P数量，改善切削 性能；高碳钢，球化处理，使硬度降低。
适用于各种高碳 钢、渗碳件及表 面淬火件。
适用于 弹簧热处理
广泛用于各种结构件如轴、 齿轮等热处理。也可作为要 求较高精密件、量具等预备
热处理。
● 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。
五、钢种
调质钢 非调质机械结构钢 弹簧钢 滚动轴承钢 低碳马氏体钢 渗碳钢 氮化钢 低淬透性钢 耐磨钢
§3.2 调质钢
依据 不同成分的调质钢只要其淬透性相当，当淬火及高 温回火后，其性能相近
三、调质钢的种类与分级
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、40Mn2、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 概述
二、成分与合金化
•主要有 C素和合金亚共析钢； •合金元素—Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、B等。 •提高钢的淬透性—影响钢的力学性能。 •含碳量的选择和回火温度的确定—影响零件的使用性 能和寿命。 •提高钢的切削加工性—加工成型性能。
二、成分与合金化
• 提高钢的淬透性—影响钢的力学性能。 马氏体相变及其随后的回火是综合利用了固溶强化、 晶界强化、位错强化和第二相强化，获得马氏体成为 钢的重要强化手段。 对于淬火高温回火钢来说，尽管马氏体和非马氏体 组织经高温回火后的硬度相近，但非马氏体组织使钢 的塑性和韧性，特别是冷脆倾向明显变差，并降低钢 的疲劳强度。机器零件必须具备足够淬透性。 大截面尺寸零件，合金元素增加淬透性作用更显著。
提高钢的淬透性，要加入合金元素 （低） Ni→Si→Cr→Mo→Mn→B （高）
钢的淬火Baidu Nhomakorabea回火
• 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷 却的工艺。
• 一、回火的目的 • 1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂.
2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆 性大，回火可调整硬度、韧性。
三、强化方式
四种基本强化形式
位错强化
细晶强化
固溶强化
沉淀强化
马氏体强化
位错强化 + 固溶强化 + 沉淀强化 （ + 细晶强化）
形变热处理
位错强化 + 沉淀强化+马氏体强化
四、热处理
一般都要通过热处理（淬火+回火） 1）马氏体回火后比F+P具有较好的综合室温机械性能; 2）淬透的零件比未淬透的零件具有较好的机械性能 。
钢的淬火与回火
• 3、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发 向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平 衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
• 4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用
回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。
未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置 使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行 回火。
二、成分与合金化
• 含碳量的选择和回火温度的确定—影响零件的使用性 能和寿命。 回火温度的确定决定钢的最后组织状态，回火工艺在 某种程度上决定了零件的使用性能和寿命。 为了保证钢有较好的耐磨性和接触疲劳强度，钢淬火 后应进行低温回火。 马氏体的硬度与钢中含碳量有关，随着钢中含碳量的 增多，马氏体的硬度也随之提高。
§3.1 概述
叶轮、转子
§3.1 概述
某军舰汽轮机主轴
§3.1 概述
齿轮
曲轴
汽车万向节
连杆
§3.1 概述
弹簧
板弹簧
离合器弹簧
拉力弹簧 蝶形弹簧
§3.1 概述
滚珠
滚珠轴承
履带
破碎机颚板
挖掘机斗齿
§3.1 概述
一、工作条件与性能要求
反复载荷—较高的疲劳强度。 短时超负荷—较高的区服强度、抗拉强度以及较高的 断裂抗力。 相对滑动或滚动—耐磨性及接触疲劳强度。 形状复杂—较高的韧性、低的缺口敏感性。 良好的切削加工性能、热处理工艺性能、一定的耐腐 蚀性能
Metal Materials Science
主要内容
概述 调质钢 ★★ 非调质机械结构钢 ★★ 弹簧钢 低碳马氏体钢 合金渗碳钢 氮化钢、 低淬透性钢
耐磨钢
零件材料选择基本原则与思路
教学要求
➢ 基本要求：
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。