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1、制造过程 材料冷热加工零件装配整台机器,设计过程 受力分析计算应力提出材料性能指标选材,设计者必须掌握各种材料的知识，才能合理选择材料，成为一名优秀的设计大师，否则，只能“纸上谈兵”,掌握材料知识的重要性,合金化特点 性能特点 热处理 应用,从四个方面,掌握材料知识,6-1合金结构钢,第六章 合金钢,又称普低钢，是普通碳钢加上少量合金元素形成的。,1、合金元素以 Mn为主（国外以Cr、Ni为主），最高锰含量可达1.8%，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素的主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度和韧性得到改善。,一、低合金结构钢,2 、常加入少量的P、Cu元素以提高钢
2、的耐大气腐蚀能力。,6-1合金结构钢,低合金结构钢合金化特点：,6-1合金结构钢,3、部分钢中加入少量稀土元素，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，提高钢的工艺性能和力学性能。 4、碳含量一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性。 5、对S、P含量要求不太高，可使用平炉或转炉生产，十分经济。,6-1合金结构钢,常见牌号及其用途,15MnTi 中压锅炉,14MnMoV（Re） 高压锅炉,16Mn 中低压力容器,12Mn 锅炉,14MnVTiRe 铁路、大型巨轮用钢,Q345Q460,6-1合金结构钢,二、易切削钢,易切削钢性能特点,易切削钢具有良好的切削加工性能，但
3、力学性能相对较低，一般不进行热处理。适合于批量大，但对性能要求不高的零件。,易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，通过相应的工艺使其具有良好的切削加工性能。,（一）性能要求,6-1合金结构钢,（二）对合金化和组织的要求,适量C、Mn力学性能和切削性能。 加入S、Pb、Ca等元素提高切削性能。 S+MnMnS易切夹杂物。 常温下Pb在钢中不固溶而呈单相Pb微粒均匀分布。,C强度提高,6-1合金结构钢,三、 渗碳钢,（一）渗碳钢的化学成分,渗碳钢广泛用于承受较强烈的冲击和磨损的场合，如齿轮、凸轮、活塞销等零件。,2、主加元素Mn和Cr 2% 提高淬透性、固溶强化。,1、含碳量 0
4、.10%0.25 % 心部低碳M 回综合力学性能好。,3、辅加元素W、Mo、V、Ti防止渗碳时晶粒长大。,4、Ni 4.5%提高淬透性、提高强度和韧性。,6-1合金结构钢,（二）热处理特点,渗碳+淬火+低温（180200）回火,温度 碳势 时间,6-1合金结构钢,（三）常用的合金渗碳钢,1、低淬透性钢 15Cr、20Cr、15Mn、20Mn,2、中淬透性钢 20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A,特点：合金元素总量4%，淬透性和力学性能较高。,应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如齿轮、联轴节、齿轮轴、花键套轴等。,特点：价格低、淬透性低、心部强度低。,应用：凸轮轴、
5、活塞销、小齿轮。,3、高淬透性钢 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A,特点：合金元素总量7.5%，淬透性高。,应用：重载和强烈磨损的大型零件，如大型齿轮、曲轴等。,6-1合金结构钢,例 以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。,技术要求： 渗碳层厚度1.21.6mm， 表面碳浓度为1.0%， 齿顶硬度5860HRC， 心部硬度3045HRC。,锻造正火加工齿轮渗碳预冷淬火、低温回火喷丸磨齿（精磨）,1、工艺路线,6-1合金结构钢,2、热处理的作用,为了改善锻造状态的不正常组织， 以利于切削加工。,20CrMnTi钢的渗碳
6、温度为920左右，经查手册得 知渗碳层厚1.21.6mm时所需渗碳时间为68h。,（2）渗碳,（3）淬火及低温回火,自渗碳温度预冷到870880直接油淬，再经200低温回火23h。表面层由于碳含量较高，淬火低温回火后基本上为回火马氏体组织，具有很高的硬度和耐磨性，心部为低碳回火马氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性 。,6-1合金结构钢,6-1合金结构钢,四、调质钢,调质钢 是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。,钢调质后的性能 ： 具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。,应用 在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等
7、。,6-1合金结构钢,(一) 化学成分,WC=0.25%0.5% 在相同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度 也越高，但塑性和韧性降低。碳含量过低使硬 度不足，过高使韧性不足。所以调质钢的含碳 量在中碳范围。,1.调质钢的含碳量,主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等 提高淬透性 提高强度 辅加元素：W、Mo等 防止第二类回火脆性,2.调质钢的合金化,6-1合金结构钢,(二) 热处理特点,下料,锻造,预备热处理,机加工,（调质）,（表面局部淬火）,精加工,成品,(1)退火 （合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火,(2)正火 （碳素钢或合金元素少的钢）,(3)（正火+）高温回火（650700）（合金
8、钢）,(4)调质（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工， 加工后不再进行热处理）,2.预备热处理,处理后硬度为180200HBS，便于机加工。,1.生产工艺路线,6-1合金结构钢,调质：淬火+高温回火,组织：回火索氏体（回火S）,性能：强度、塑性和韧性 均较高； 缺口敏感性小； 接触疲劳强度、 耐磨性较低。,回火S,3.调质处理,6-1合金结构钢,加热: 在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量） 中加热到单相奥氏体（830880 ）保温。,冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。,(1)淬火,6-1合金结构钢,回火是控制其力学性能的关键，一般采用 500600 回火。回火后采用水冷、油冷 （防
9、止第二类回火脆性）或空冷。,(2)回火,6-1合金结构钢,(3)表面局部淬火,对许多零件通过调质 处理能满足强韧性要 求，但局部对耐磨性 要求高，满足不了耐 磨性要求。对局部进 行感应淬火。,6-1合金结构钢,(三)常用调质钢及性能特点,1.碳素钢 淬透性差尺寸 强度低负荷较小的零件,2.合金钢 提高淬透性用于不同尺寸 提高强度用于较高应力,(1)Mn钢、Mn-B钢,强化作用大，但韧性和塑性较差，退火后硬度偏高。,(2) Cr钢、Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢,Cr提高淬透性，强度有所提高，对塑性、韧性影响不大；、 Mo、V不仅能增加淬透性，也能细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和
10、韧性； 如42CrMo、35CrMo、 40CrV钢,(3)Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢,钢中同时加入Cr、Ni两种元素，可获得更好的力 学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好 的淬透性，但Cr-Ni钢有回火脆性。,6-1合金结构钢,(四)典型零件应用举例,1 汽缸体 2 活塞 3 进气阀 4 排气阀 5 连杆 6 曲轴 7 凸轮 8 顶杆 9 齿轮 10 齿轮,内燃机关键零件 曲轴、连杆、连杆螺栓 齿轮、凸轮轴等,6-1合金结构钢,1.曲轴,作用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的机械功，以旋转的形式输出。,(1)曲轴的功用、工作条件及失效形式,. 很大的交变弯曲应力和扭转应力。 . 应力
11、集中严重。 . 轴颈处还承受摩擦力。,6-1合金结构钢,球铁、 45,(2)材料,40Cr、45Mn2、50Mn2,35CrMo、42CrMo、,18Cr2Ni4WA,下料锻造调质机加工感应淬火（或化学 热处理）（滚压） 精加工,(3)加工路线,调质安排在锻造和机加工之间； 机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理 （渗氮），提高耐磨性； 对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲 劳断裂。,应力大小不同可以选用不同材料： 满足性能要求； 最经济,6-1合金结构钢,2.连杆和连杆螺栓,轴瓦 巴氏合金,连杆,连杆 螺栓,性能要求： a.强度和刚度。 b.尽量减轻连杆质量。 c.大端及小端轴承可靠，耐磨
12、性好。 d.易于制造，成本低。,低速船用柴油机：选用优质碳素钢 如45钢 高速强载柴油机：选用优质高强度合金钢 如42CrMo 中等强度柴油机：选用合金结构钢 如40Cr,衬套 铜合金,下料 锻造调质机加工,6-1合金结构钢,连杆螺栓受力分析：,连杆螺栓材料：40Cr钢,连杆螺栓加工路线：,连杆螺栓及其热处理工艺,下料锻造退火（或正火）机加工 调质检验硬度加工螺纹装配,6-1合金结构钢,连杆组件用材：,铜合金,锡基或铅基巴氏合金,40C钢,6-1合金结构钢,3.齿轮和凸轮轴,受力特点：受力都较小，凸轮磨损。,材料：碳钢即可，如45钢,齿轮工艺路线： 下料锻造调质机加工（感应淬火） 装配,凸轮轴工艺路线： 下料锻造调质机加工 感应淬火（凸轮）精加工装配,
