机械材料知识讲解

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1、第3章 常用材料及选用 文件整理人:张建林 2008-6-10 3.1 碳钢 含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢,简称碳钢 3.1.1 碳钢的分类 分为低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%) 和高碳钢(Wc0.60%)。 1、按含碳量分类 2、按质量分类 1）普通质量碳钢（Ws0.050%、Wp0.045%） 不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢 筋钢、铁道用一般碳素钢等。 2）优质碳钢（Ws0.035%、Wp0.035%） 3）高级优质碳钢（Ws0.020%、Wp0.030%） 3、按用途分类 1）碳素结构钢 主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般

2、属于低碳 钢和中碳钢。 2）碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳 钢。 3)铸钢 主要用于制造形状复杂、难以用压力加工方法成型的铸 件。 此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢 和半镇静钢等 3.1.2 碳钢的牌号、性能和应 用 1、碳素结构钢 牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号 、脱氧方法符号四部分顺序组成。 质量等级有：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示 Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040% ；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。 脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静

3、钢）、 TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。 例：Q235AF。 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。 例：45钢（SC45)。含碳量为0.45； 又分为 普通含锰量（WMn0.7%）和较高含锰量（WMn =0.7% 1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。 例：65Mn钢。 脱氧方法表示法同碳素结构钢。 高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。 3、碳素工具钢 牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc 的千分数）表示。 例：T12。 碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经 淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑

4、性较 低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。 如：锉刀、卡尺等 1。低合金高强度结构钢 3.2合金钢 3.2.1合金元素在钢中的作用 3.2.2低合金高强度结构钢和合金结构钢 成分特点：在低碳钢（Wc0.2%）的基础上加入少量的锰 、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。 性能特点：强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性 好、耐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低。 低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出20%25%， 代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。例 ：南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235节省钢材15%以 上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结构件 及低温下工作的

5、构件等。 4、铸钢 牌号：用“ZG” 表示。 牌号有两种表示方法： 以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该 牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值 ，两组数字间用“” 隔开。 例： ZG230450。 以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示 铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均 碳含量0.1时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各 主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百 分数。 例：ZG15Cr1MolV。 1）合金渗碳钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活 塞销等机械零件。 性能要

6、求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性 能，心部高的韧性和足够的强度。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.10.25,以保证零件心部有良 好的塑性和韧性。加入Cr、Mn、Ni、Ti、V、W、Mo、B等 以提高钢的淬透性，细化晶粒，在渗碳层获得均匀细小 的耐磨碳化物。热处理：渗碳后淬火、低温回火。 (3）常用合金渗碳钢 分低淬透性合金渗碳钢（如20Cr、20MnV）、中淬透性合 金渗碳钢（如20CrMnTi）、高淬透性合金渗碳钢（如 18Cr2Ni4WA）三类。 2.合金结构钢 2）合金调质钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车、机床等机器中重要的零件。 性能要求：良好的综合力

7、学性能。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.250.50，保证良好的综合力 学性能。加入Cr、Mn、Si、Ni、B等提高淬透性、强化铁 素体、细化晶粒、提高耐回火性等。 热处理：调质处理 (3）常用合金调质钢 分低淬透性合金调质钢（如40Cr）、中淬透性合金调质 钢（如35CrMo、38CrMoAl）、高淬透性合金调质钢（如 40CrNiMo、40CrMnMo）三类。 3.2.3 合金弹簧钢 (1）用途及性能要求 用途：机械和仪表中各种弹性元件。 性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足 够的塑性和韧性。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.50.7%

8、,保证高的弹性极限。加入 Mn、Si、Cr、Mo、W、V、B等以提高钢的淬透性、细化晶粒 、耐回火性、强化铁素体、提高弹性和屈强比等。 冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。 热成形弹簧：淬火、中温回火 (3）常用合金弹簧钢 分硅锰系合金弹簧钢（如60Si2Mn）、硅铬系合金弹簧钢、 铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如50CrVA）。 3.2.4 滚动轴承钢 1）用途及性能要求 用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外 套圈等。 性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲 劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。 2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.951.15

9、，保证高硬度、高耐 磨性。加入Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，提高钢的 淬透性、耐磨性和接触疲劳强度。 热处理：球化退火、淬火和低温回火。 3）常用轴承钢 高碳铬轴承钢（GCr15应用最广）和无铬轴承钢。 一.普通低合金钢 Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。 压力容 器 南京长江大 桥 Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。 万吨远洋轮 二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢 1.对渗碳钢的性能要求: 2.对渗碳钢的含碳量的要求: 低碳 3.渗碳钢的热处理特点: 渗碳 -

10、 淬火 + 低温回火(180200) 表硬里韧 Wc 0.25 % Wc = 0.150.25 % 合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。 表层:M回+Fe3C+A残 心部:F+P 表层:M回+Cm+A残 心部:低碳M回 +F 碳素渗碳钢合金渗碳钢 化学成分热处理后的组织 4.合金渗碳钢的牌号 20 Mn2 Ti A 等级:高级优质 含钛量WTi1.5 % 含锰量WMn 2 % 含碳量WC 20 %00 5.典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性合金渗碳

11、钢 钢含合金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。 柴油机凸轮轴 活塞销( 20Cr ) 5.典型合金渗碳钢种介绍 高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。 柴油机曲轴 4.合金调质钢的牌号 40Cr 40Mn 40MnB 35CrMo 38 Cr Mo Al A 25Cr2Ni4WA 5.典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢 钢含合金元素总量3 %。 40Cr、40MnB等。 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 % 左

12、右。 38 CrSi、35 CrMo 等。 圆 锥 齿 轮 柴油机凸轮轴 常用于制造较小的齿轮、 轴、螺栓等零件。 5.典型合金调质钢种介绍 高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 % 10 %。 制造大截面重载荷零件，如 曲轴等用高淬透性的零件等 。 38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 25 Cr2 Ni4 W A等。 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线 四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢 1.对弹簧钢的性能要求: 高的e、高的s/ b、高的-1、良好的韧韧。 2.对弹簧钢含碳量的要求: 中、高碳。 3.热成型弹簧钢的热处理特点: 淬火 + 中温回火( 450550 ) 碳素弹簧

13、钢合金弹簧钢 化学成分热处理后的组织 Wc = 0.60.9 %Wc = 0.50.7 % 合金元素: Si、Mn、 Cr、V、W、Mo等。 T回 制造尺寸小于 815mm的 小型弹弹簧。 T回 制造尺寸在2025 mm左右的弹弹簧。 4.合金弹簧钢的牌号 65 65 Mn 55 Si 2 Mn 60 Si 2 Mn 50 Cr V A 50 Cr Mn A 55 Si Mn Mo V Nb 5.冷成形弹簧生产工艺特点 用于生产尺寸小于815mm的小型弹弹簧,常用弹弹 簧钢丝钢丝 (片)冷绕绕成形,其制造方法有: v T组织组织 冷成型+200300去应应力 退火。60、75、85、65 Mn

14、。 v T回组织组织 冷成型+去应应力退火。 v 退火组织组织 冷成型+淬火+中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。 汽车板簧 大型热卷弹簧 热卷大弹簧 簧弹丝 五.滚动轴承钢 ( bearing steel ) 1.性能要求:v高的硬度强度和耐磨性; v高的接触疲劳强度; v足够的韧性和耐蚀性; v高的纯净度; 滚珠轴 承 滚针轴承滚柱轴承 五.滚动轴承钢 ( bearing steel ) 2.化学成分特点: 高碳, Wc = 0.91.1%。 主加Cr, 0.41.65 % 辅加Si、Mn。 优质钢材。 五.滚动轴承钢 ( bearing steel ) 3.热处理

15、特点: 球化退火+ 淬火+ 低温回火 极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体 4.滚动轴承钢的牌号 G Cr9 Si Mn 含Mn量WMn1.5 % 含Si量WSi1.5 % 含Cr量WCr 0.9 % 滚动轴承钢 5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线 锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火 磨削加工 稳定化处理 ( 120 130；5 10h ) 3.2.5 合金工具钢 合金刃具钢 ( alloy cutting steel ) 合金模具钢 ( alloy die steel ) 合金量具钢( alloy measuring steel ) 量 具 刃

16、具 模 具 二.合金刃具钢 种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。 牌号 : 合金元素及含量 千分之几的含碳量（0.9） 9 Si Cr W18 Cr4 V 1.低合金刃具钢 1.性能要求:高硬度、高耐磨性、有一 定的红硬性、强度和韧性, 工作温度不超过300。 2.化学成分特点:*高碳 *加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。 3.热处理特点: 球化退火 淬火 + 低温回火 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线 板 牙 2.高速钢 ( high speed steel ) (1) 性能要求: 高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时 ,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。 高速钢 - 锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢 车刀铣刀钻头 (2) 化学成分特点: