工程材料学(第3章机器零件用钢)

《工程材料学(第3章机器零件用钢)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料学(第3章机器零件用钢)（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 机器零件用钢,根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。,一、机器零件用钢的性能要求 1、具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。 2、具有良好的力学性能 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。,3.1 概 述,二、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,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、.2%Si, 2%Mn， 12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。,三、零件材料和工艺选择途径, 低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温 回火。为耐磨性，可进行渗碳处理；汽车 拖拉机齿轮类为代表., 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火 +高温回火。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。轴类 零件为典型。,1、对于要求良好综合力学性能，零件选 材料的途径为：,2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧 性。可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如 低合金中碳马氏体钢。农业机械较多.,3、如要求高的弹性极限和

3、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。,辨 证 思 维,由于不同机器零件的服役条件和失效方式不同，主要的设计依据和失效判据也不同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理工艺。 应该明确: 一般情况下，某零件制造的材料并不是唯一的； 某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件； 某一零件用某一材料制造，其热处理工艺方法也可能是多种的。,3.2 整体强化态钢,基 本 情 况,整体强化态钢均承受拉、压、扭等交 变应力，大部分是整体受力。 其主要失效形式是疲

4、劳破坏， 主要性能指标-1 、 b、AK、KIC等。 总体上要求良好的综合力学性能。,主 要 应 用,主要制造轴、杆、轴承类等机器零件， 如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏 体钢、超高强度钢等。,汽车半轴 a)一端法兰式; b)二端花键式; c)变截面台阶式,M7150A砂轮主轴,汽拖用连杆,下图 T615K镗床镗杆,上图 S7332 螺纹磨床丝杠,3.2.1 调质钢,1、淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用,0.250.45%C的合金钢经调质后室温性能变化,屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化,结构钢抗拉强度与硬度的关系,结构钢是否淬

5、透对屈强比的影响,2、合金化及常用钢 含碳量在0.250.45%。常用合金元素作用：,Mn：淬透性，但过热倾向，回脆倾向；,Cr：淬透性，回稳性，但回脆倾向；,Ni:基体韧度， Ni-Cr复合淬透性，回脆 ；,Mo：淬透性,回稳性，细晶,回脆倾向；,V：有效细晶，(淬透性) ，过热敏感性。,在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。 DC为油淬临界直径,低淬透性合金钢: DC 3040mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等,中淬透性合金钢: DC:4060mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等,高淬透性合金钢: D

6、C60100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等,分析比较： 40Cr40CrNi40CrNiMo,淬透性,回脆性,回稳性,塑韧性,40CrNiMo 40CrNi 40Cr,40CrNiMo 40CrNi 40Cr,40CrNiMo 40CrNi 40Cr,40CrNi 40Cr 40CrNiMo,思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？,3、调质钢强韧化工艺的发展,正确 认识 性能 指标,AK是一次大能量冲击性能指标， 小能量多冲条件下工作的，很难正确 反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC 来衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性 能也不一定都是高温回火态好。零件

7、 在承受冲击能量大时，钢强度应低些， 塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。,综合 强化 工艺,如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍,冷变 形,锻造 余热 淬火,如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命,既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺,3.2.2 微合金非调质钢,一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织： 主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb

8、、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等 主要贡献是细化组织。,二、 获得最佳强韧化的工艺因素,相间 析出,沉淀强化,细化组织,工艺参数 是关键,细化组织和沉 淀析出要协调,控制轧制 控制冷却,决定各种强化机制的效果,三、 组织因素对强韧性贡献的大小,间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量 一般认为可提高150400 MPa，甚至可达 到600 MPa。 细化组织强化量大约在50 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66/ MPa。 其它强化机制都不同程度地降低韧度,C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72/ MPa、1.97/ MPa； Mn和Cr元素

9、的脆化矢量为零； Si为0.53/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。,在强化机制上，不同的成分和工艺是不同 的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。,Mn对非调质钢韧度的影响,V、Ti、Nb对 强度的影响,四 非调质钢的优化设计,通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高 强度和韧度的目的。 + CU为冲击韧性,Rm为抗拉强度,D是珠光体片间距,fp是珠光体 体积分数,dr为奥氏体晶粒大小, Rmp,复合微合金化非调质钢典型成分,3.2.3 弹簧钢,一、弹簧的服役条件及性能要求,弹簧功能,储能减振,弹簧类型,板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等

10、,典型的螺旋弹簧及板簧,压缩螺簧,拉伸螺簧,扭转螺簧,单板弹簧,椭圆板簧,叠形板簧,卡簧（圈）基本形状,碟形弹簧截面,扭杆弹簧 a)实芯扭杆b)串联式扭杆,板簧,弯曲载荷,螺簧,扭转应力,疲劳破坏 弹性减退,高的弹性极限e、屈强比s/b弹性 高的疲劳强度-1 避免早期疲劳破坏 有足够的塑性和韧性 不产生脆性断裂 足够的淬透性 保证e和整体强度,其他要求: 冶金质量、表面质量,思考题： 为什么弹簧要求有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳等缺陷?,二、常用弹簧钢及强化工艺,合金化： 含碳量在0.601.05,低合金弹簧钢在 0.400.74C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素

11、. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒.,60Si2Mn: Si、Mn复合,强化F,e， s/b可达到 0.80.9； Si / Mn 淬透性，Ms不过分,开裂倾向小; Si有效回稳性, 但脱C倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.,常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等,常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。,50CrVA : Cr 、V均回稳性, 韧性好； V 细化晶粒, 过热敏感性; 含Si少,脱C敏感性, 热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及300工作的阀 门弹簧.,基本 工艺 方式,热成形 弹簧,冷成形

12、弹簧,大型 弹簧,热成形后+ 淬、回火,小型 弹簧,冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温退火,火车缓冲压缩螺旋弹簧热成形的三种热处理工艺 a)常规热处理 b)热卷簧余热淬火 c)高温形变热处理,思考题： 大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形? 小型弹簧成形后为什么进行低温退火?,热处理 工艺,淬火和 中温回火,回火 屈氏体,具有一定的冲击韧度，较高的弹性极 限、屈强比和最高的疲劳强度,关键问题: 弹性参数和韧性参数之间的 平衡或最佳配合。,60Si2Mn钢力学性能与 回火温度的关系,55Si2Mn钢疲劳强度随 回火温度的变化,形变强化效果好,板簧最适合形变强化: 滚压、喷丸等冷变

13、形强化强化都能有效地提 高板簧使用寿命,如结合高温形变热处理则更好,板簧喷丸作用举例: 疲劳强度(MPa) 板厚/mm 未喷丸 喷丸 应力喷丸 13 390 470 800 11 350 700 850,3.2.4 滚动轴承钢,一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求 滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。,工 作 条 件,高负荷最大接触应力可高达30005000MPa,高转速 循环周次高达每分钟数万次；,高灵敏度 精度要求高磨损、麻点噪音,失效形式,接触疲劳破坏，麻点、剥落,滚动轴承及其受到载分布情况,滚针保持架组件,滚子轴承,圆柱滚子推力轴承,圆锥滚子推力轴承,性 能 要

14、求,高而均匀的硬度和耐磨性足够 淬透性和淬硬性，60HRC； 高接触疲劳强度以免过早失效 保证材质、组织； 一定韧度承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好保证精度； 一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。,关键因素,化学成分、冶金质量和加工工艺,二、轴承钢的冶金质量和合金化,冶金 质量 要求,纯净夹杂物要少：主要有各种 氧化物（如A12O3）和硅酸盐等； 危害程度依次递减：A12O3、球 状不变形夹杂、铝硅酸盐。,接触面小,应力集中大,易产生裂纹,材质纯净、组织均匀,氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响,组 织 均 匀,碳化物细小均布。主要有三类K： K液析 结晶时枝晶偏析而存在 高温扩散退火，不允许液析严

15、重； 带状K 轧制时二次碳化物偏析 高温扩散退火； 网状K冷却时在晶界析出正火,GCr15钢 淬火回火态 500 （回火隐晶马氏体碳化物）,网状碳化物 500,图 带状碳化物 500,图 碳化物液析 500,合金 化,高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、 GCrl5SiMn。 Cr含量 ?,组织 特点,经合适的热处理，应得到组织： 细小均匀的奥氏体晶粒度58级；M中 含0.50.6%C；隐晶M基体上分布细小均 匀的粒状K，体积分数约78%， 一般可 有少量AR。 负荷较小时,为提高-1，可设计M中 约含0.45%C，K体积分数约5%。钢中总 含碳量应,图 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系,图 GCr15轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系,三、高碳铬轴承钢的热处理 工艺特点是简单而要求高。,热 处 理 特 点,球化退火为最终淬火作组织准备,淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响,一般采用保护气氛加热或真空加热,160保温3h或更长回火，硬度6266HRC,如要求消除AR 淬火后立即冷处理, 而后立即低温回火。,图 回火温度对GCr15钢力学性能的影响,图 轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响 1- GCr15，850淬火；2-Cr15SiMn，8