《机械制造结构钢》ppt课件

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1、Chapter 3 机械制造结构钢,主 要 内 容,调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 渗碳钢 氮化钢 马氏体结构钢 特殊用途钢,基本要求： 了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要求、化学成分特点和热处理特点； 掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。 重点与难点： 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。,教学要求,Chapter 3 机械制造结构钢,一、应用背景 机械制造结构钢也称机器零件用钢，是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。 如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机

2、床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,拨叉,变速齿轮,变速箱,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,齿轮,曲轴,汽车万向节,连杆,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,弹簧,拉力弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,3.0 引言,板弹簧,Chapter 3 机械制造结构钢,滚珠,滚珠轴承,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,3.0 引言,Chapter 3 机器零件用合金结构钢,二、机械制造结构钢的服役条件 主要是承受

3、拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,三、机器零件用钢对力学性能要求 要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好； 要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。,3.0 引言,Chapter

4、3 机械制造结构钢,对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。 机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能，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。,Chapter 3 机械制造结构钢,一、调质钢的化学成分特点 碳 中碳，碳含量一般在0.3%0.5%； 钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度。 碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,2. 合

5、金元素 主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni； 辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、 B等。 重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,合金元素的作用： 提高淬透性； Cr、Mn、Si、Ni溶于相，起固溶强化作用。 Cr、Mo、W、V等阻碍相的再结晶，也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使钢保持高硬度。 加入Mo、W来防止回火脆性。 V、Ti、Al起细化晶粒的作用。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,二、对调质钢的淬透性要求,调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求

6、。 例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到最大的张应力，随着离表面的距离增大，应力逐渐减低，所以只要求在淬火轴的1/2半径处达到80马氏体即可。 例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。 需要根据淬透性曲线来选择钢种。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,三、调质钢的热处理特点 1 预备热处理 为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进行预备热处理。 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火。,3.1 调质钢,Chapter

7、3 机械制造结构钢,合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由HB380550降至HB207240，可以顺利地进行切削加工。 2 最终热处理 （1）淬火 将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,（2）回火 根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。 （3）表面处理 某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要

8、求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,四、调质钢的合金元素与机械性能,1 调质钢的硬度 回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用，并可用下式表示： H=HF + S 式中：H为钢高温回火后的硬度； HF为铁素体的硬度； 为碳化物的强化系数； S为碳化物颗粒的总表面积。 上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,2 回火温度与调质

9、钢综合机械性能的关系,当调质钢淬火成马氏体，在450650温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,3 调质钢在高温回火后的韧性 (1) 合金元素与调质钢的韧性 碳：是降低调质钢冲击韧性的元素。 在保证钢调质后的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透性的低碳合金钢。 锰：调质钢中加入2%的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但含锰量超高2后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧性恶化。 镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。

10、 磷：对钢的冲击韧性危害甚大。它提高脆性转化温度，降低冲击值，因此在高级优质钢中的含磷量限制在0.035%，为了进一步改善钢的韧性，甚至应把含磷量降低到0.02%以下。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,(2) 调质钢的高温回火脆性 回火脆性与冷却速度关系 某些调质钢在高温回火并以不同速度冷却后，钢的硬度、拉伸强度、屈服强度、断面收缩率和延伸率等性能没有明显差别，但是缓慢冷却的试样的冲击韧性却明显低于快速冷却的试样，见表3-1。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,表3-1,回火脆性与回火保温时间的关系 在500550之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延长

11、，脆化程度曲线上的温度越来越高。 回火脆性与钢种的关系 碳素钢高温回火脆性是不敏感的； 钢中加入锰或铬后就成为敏感的了；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加增大； 单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回火脆性； 钼、钨是降低高温回火脆性的元素；,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢, 避免或减轻回火脆性的措施 a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火； b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间； c.回火后采用快冷的工艺方法； d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量； e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到650后快冷的方法来恢复。,3.1 调质钢,Ch

12、apter 3 机械制造结构钢,五、常用调质钢的成分、热处理、 机械性能和用途,表3-2 常用调质钢的成分和用途,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,表3-3 常用调质钢的热处理和机械性能,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,典型调质钢及其应用：合金调质钢的钢种很多，按淬透性的高低可分为低、中、高淬透性三类。 低淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为30mm40mm。典型钢种是40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。这类钢的淬透性较低，通常只用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40M

13、nB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,连 杆,3.1 调质钢,轴,Chapter 3 机械制造结构钢,中淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为40mm60mm。 典型钢种是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。这类钢含有较多的合金元素。 主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。35CrMo、40CrMn等钢可用于500以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,电气机车大轴,磨床主轴,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,汽轮机转子

14、,汽轮机转子 （AETC公司）,3. 1 调质钢,叶轮、转子,3. 1 调质钢,高淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为60mm100mm。 典型钢种是37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。这类钢多半是铬镍钢，较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，并获得优良的机械性能。 40CrNiMoA钢主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,某军舰汽轮机主轴,3. 1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械

15、制造结构钢,一、弹簧的工作条件 弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。 弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。 板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架之间联结的作用。受力则以反复弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度。 螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,二、对弹簧的性能要求 1 具有高的强度极限，特别是弹性极限e，还要求有高的屈强比s/b，以提高强度的利用率。 2 具有高的疲劳极限。 3 具

16、有良好的表面状态 疲劳性能对于表面状态很敏感。所以要求弹簧钢的表面不应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物铁皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。 4 具有较好的工艺性能 具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,三、弹簧钢的化学成分特点 1 碳含量 碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%0.9%， 合金弹簧钢的碳含量为0.45%0.7%。 碳含量过低，达不到高强度的要求； 碳含量过高，钢的脆性很大。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,2 加入Si、Mn Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。 Si含量高时增大C石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,