1、河北工業大學金屬材料學課件(ppt)（優選）河北工業大學金屬材料學課件1、具有良好的力學性能（強調強度與韌性配合） 不同零件，對鋼強、塑、韌、疲勞、耐磨性等有不同要求。 一、機器零件用鋼的性能要求4.1 概述強度設計在彈性范圍內工作，根據比例極限p計算允許少量塑性變形的零件，根據屈服強度s或0.2計算4.1 概述一般為亞共析鋼，低合金或中合金，優質鋼或高級優質鋼。因此對機械零件用鋼必須進行熱處理強化以充分發揮鋼材的性能潛力。使用態：淬火態+回火 即強化態2.具有良好的冷熱加工工藝性能 如鍛造、沖壓、熱處理、車、銑、刨、磨等。韌性設計低溫沖擊韌性韌-脆轉化溫度斷裂韌性要求鋼材的韌脆轉變溫度比實際

2、工作低反映鋼材脆斷趨勢材料抵抗裂紋突然擴展能力 基本概念 鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。 鋼的淬透性 鋼的淬硬性 鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。 4.2結構鋼的淬透性 鋼的頂端淬火試驗 生產中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。 臨界淬火直徑高強螺栓柴油機連桿齒輪 淬透的鋼回火后可獲得高的強度和屈

3、強比，高的斷裂韌性KIC值，沖擊韌性值以及低的FATT50（）。 淬透后的鋼性能優越 研究鋼的淬透性的重要意義退火鋼b=690MPa淬火鋼b=1700MPa高的斷裂韌性KIC值低的FATT50（斷口面積轉化溫度）M的FATT50最低B 的FATT50要高于MP的FATT50最高 淬透層深度視零件的工作條件而定 零件類型 工作條件淬透程度的差異螺栓、銷釘等全截面受力 淬透軸類零件等表面應力大，中心應力小。 不淬透（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時，可選用冷卻能力較小的 淬火介質以減小淬火應力。（3）對受力大而復雜的工件，為確保組織性能均勻一致， 可選用淬

4、透性大的鋼。（4）當要求工件表面硬度高，而心部韌性好時，可選用 低淬透性鋼。 淬透性的應用 合金元素對淬透性的影響 鋼中常見的合金元素對增大淬透性的能力為： BMnMoCrSiNi，其中C元素也能增加淬透性，而且它決定了鋼的淬硬性。 增大淬透性，以合金元素完全溶于奧氏體中為前提，若以碳化物形式存在，則情況相反。 合金元素增加淬透性的能力 （1） 強、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如CrNiMoV 等。 （2） 對淬透性要求不高的合金，可采用單一合金元素加入，如40Cr 。 合金元素增加淬透性的多元少量原則顯然，合金鋼的淬透性一般大于碳鋼。三、機械零件用鋼的合金化特點主加元素B，Mn,Mo

5、,Cr,Si,Ni （由強到弱） 主要作用：淬透性和力學性能。輔加元素 Mo、W、V等 過熱敏感性，回脆，淬透性。合金元素在機器零件用鋼中的其他作用1）回火穩定性：韌；2）d：強韌3）固溶強化：強；4）防止第二類回火脆性：韌最佳范圍 獲得最佳性能稱為極限合金化理論 結構鋼常用范圍為：1.2%Si, 2%Mn，12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。 或是單獨加入，或是復合加入。完全淬透時，強度塑性，韌性。四、含碳量的選擇和回火溫度的確定1、低碳鋼（20,20Cr，18CrMnTi,18Cr2Ni4WA)回火溫度對低碳合金鋼機械性能的影響淬火組織：

6、M板+A 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo調質鋼的熱處理 預先熱處理：主要目的是保證零件的切削加工性能，依據其碳含量和合金元素的種類、數量不同，可進行正火、退火處理甚至正火高溫回火處理。 對于中碳鋼加熱到Ac3以上正火 對于合金含量少的加熱到Ac3以上完全退火d、帶狀程度 對于合金含量高的正火(有M) +高溫回火硬度最終熱處理： 通常: 淬火高溫回火 500650 特殊(要求強度高):中溫回火 400450 低溫回火 200250下料鍛造預備熱處理機加工(粗加工)調質機加工(半精

7、加工)表面淬火或氮化精加工。 40Cr正火組織45鋼850淬火（水）45鋼 850 C淬火620 C回火四、調質零件用鋼的發展動向 低碳馬氏體鋼 高密度位錯的板條M 如：石油鉆機提升系統的吊環、吊卡等中碳微合金化非調質鋼：在中碳鋼（wc =0.30%0.50%）中加入微量V、Ti、Nb等強化物形成元素。作用？ 按用途分兩大類：直接切削（控軋控冷）和鍛造（控鍛控冷）。 優點：簡化工序、節約能源、成本 高強度化:1300MPa級高強度螺栓(耐沿遲斷裂)3.3 彈簧鋼 一、組織性能要求 彈簧功能儲能減振彈簧類型板簧，螺簧；壓簧、拉簧和扭簧等板簧彎曲載荷螺簧扭轉應力疲勞破壞彈性減退高的彈性極限、屈強比

8、:保證吸收大量的彈性能而不產生塑性變形；高疲勞強度；有足夠的塑性和韌性：以防止沖擊斷裂 ； 其他要求:淬透性、冶金質量、表面質量；良好的熱處理和塑性加工性能，特殊條件下工作的耐熱性或耐蝕性要求等 ；過熱敏感性小，不易脫碳 典型的螺旋彈簧及板簧a)壓縮螺簧 b)拉伸螺簧 c)扭轉螺簧 d)單板簧 e)多板弓形簧 f)橢圓板簧二、化學成分 碳：wc0.6%-0.9%（碳素彈簧鋼） wc0.45%-0.70%（合金彈簧鋼） 較高的碳含量可保證高的彈性極限和疲勞極限合金元素：主加Si、Mn、Cr等，輔加Mo、W、V等 鉻和錳主要是提高淬透性，硅提高彈性極限，釩提高淬透性和細化晶粒。 硅、錳復合：高的彈

9、性極限，屈強比可達到0.80.9；硅、錳淬透性，硅有效回穩性；兩者復合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小 常用的硅錳系彈簧鋼有60Si2Mn 、 55SiMnVB、 鉻釩系60Si2CrVA、 50CrV等。基本工藝方式熱成形彈簧冷成形彈簧大型彈簧 熱成形后+淬、回火小型彈簧冷變形或熱處理強化+冷成形+低溫退火（時效）三、常用彈簧鋼及熱處理思考題： 大型彈簧為什么要先成形后強化，小型彈簧先強化后成形? 小型彈簧成形后為什么進行低溫退火?1、熱成型彈簧彈簧截面尺寸較大（10-15mm)扁鋼或圓鋼下料熱成型淬火+中溫回火表面噴丸處理加熱壓彎或卷繞60Si2Mn 870淬火，420-450 回火，組

10、織：T回40-45HRC(42HRC彈性極限好）提高-1，可降低表面粗糙度2、冷成型彈簧截面尺寸10mm的各種小型彈簧可采用冷成形（如冷卷、冷軋），如儀表中的螺旋彈簧、發條及彈簧片等。 鉛浴等溫淬火冷拉彈簧鋼絲拔絲完全奧氏體化鉛浴等溫處理拉拔卷簧低溫退火片狀T碎化細片狀P或者T880-950拉拔較大的內應力和脆性 冷拉彈簧拔絲再結晶退火冷拔拉拔卷簧低溫退火到尺寸600-680定型處理60Si2Mn鋼原始組織,30.7HRC60Si2Mn鋼870淬火（油），62HRC 60Si2Mn鋼870淬火（油），450回火1h, 42HRC3.4 表面強化態鋼 零件在滑動、滾動、接觸應力、摩擦等工況下工作

11、 磨損和接觸疲勞是主要失效形式 表面應具有高硬度、高接觸疲勞抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韌性 滲碳鋼、滲氮鋼、感應加熱淬火鋼等 這類鋼適宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通過某種工藝使零件表面硬度高耐磨而心部具有較好強韌性配合以滿足要求。 典型零件有齒輪、凸輪、鏈條等1、滲碳鋼的成份及合金化一般含碳量在0.120.25 保證得到強韌性好的板條M常用合金化元素 Mn、Cr、Ni、 B主加淬透性 Ti、V、W、Mo細化晶粒 影響滲碳層性能: 表層碳量(硬度)、碳化物形態、表層濃度梯度和滲層深度等。一、合金滲碳鋼Cr 、 Mo 、W 、Ti 、V、 Mn （K形成元素）使表層碳含量增多；降低層

12、深和滲速；Si、Ni、Co、Al等（非K形成元素）使表層碳含量減少；增加層深和滲速。 例如： 使碳濃度梯度平緩；d；滲碳性能； 對表層K形態有不同影響， Cr使碳化物呈粒狀， W、Mo、V（強K形成元素）和Si（非K形成元素） 使碳化物呈條網狀。 滲層含碳量：通常0.80.9，過高促使 碳化物沿晶析出，脆性增加；過低則硬度不足。 心部含碳量：接近0.20.25，過高淬火后 心部脆性增加， 過低易使表面硬化層剝落。心部強度滲層厚度表層強度外應力距離表面碳濃度太高滲層太淺 滲碳零件受力與滲層厚度的關系 滲碳層深度根據零件需要確定。原則上，滲碳層深度應大于零件的最大切應力深度。 2、常用滲碳鋼低載荷

13、零件活塞銷等低淬透性（15，20）中低載荷零件高速中載荷零件高載荷零件齒輪、小軸齒輪、軸大型齒輪、軸一定淬透性（20Cr，20MnV）中淬透性（20MnVB）高淬透性（20Cr2Ni4）柴油機凸輪軸按淬透性可分為低、中和高淬透性鋼三類 20Cr鋼（低）：不宜滲碳后直接淬火。20CrV鋼可直接淬火。20CrMnTi（高）鋼特點: Cr、Mn復合，淬透性好，D油約40mm； 較高耐磨性和強韌度，特別是低溫韌度較好； 滲碳工藝性較好，晶粒長大傾向小，可直接淬火，變形也比較小。但有塊狀TiN。 廣泛制造汽車、拖拉機變速箱齒輪，離合器軸和車輛上的傘齒輪及主動軸等。3、常用滲碳鋼的熱處理 18Cr2Ni4

14、WA、20Cr2Ni4A：高淬透性 由于合金元素多，所以工藝可變程度大，獲得的組織性能也較復雜。 18Cr2Ni4WA可作為調質鋼，低碳馬氏體鋼，也可作為滲碳鋼。滲碳和淬火工藝較復雜。主要用于要求高綜合力學性能和高耐磨性的重要 件，如航空發動機齒輪等。 工藝：預處理：正火F+細P 心部韌性好 滲碳：900950原子擴散快/細晶粒鋼d小滲碳后的熱處理工藝有直接淬火一次淬火二次淬火？。細晶粒鋼可用直接淬火。 20CrMnTi： 3.5 滾動軸承鋼一、滾動軸承鋼的工作特點及性能要求 滾動軸承由內、外圈和滾動體（珠、柱、錐、 針）及保持器組成。工作條件高負荷最大接觸應力可高達30005000MPa高轉

15、速循環周次高達每分鐘數萬次；高靈敏度 精度要求高磨損、麻點燥音失效形式 接觸疲勞破壞，麻點、剝落性能要求 高而均勻的硬度和耐磨性足夠淬透性和淬硬性，60HRC； 高接觸疲勞強度以免過早失效保證材質、組織； 一定韌度承受沖擊，以免碎裂； 尺寸穩定性好保證精度； 一定耐蝕性大氣、潤滑油腐蝕。關鍵因素 化學成分、冶金質量和加工工藝性能要求 二、軸承鋼的化學成分與冶金質量 冶金質量要求 純凈夾雜物要少：主要有各種氧化物（如A12O3）和硅酸鹽等；低氣體含量：O、H、N低P、S 含量0.02%，帶狀、縮松、偏析 危害程度依次遞減：A12O3、球狀不變形夾雜物、鋁硅酸鹽。接觸面小應力集中大易產生裂紋材質純

16、凈、組織均勻組織均勻 碳化物細小均布。主要有三類K：K液析 結晶時枝晶偏析而存在（直接從鋼液中結晶出碳化物） 需經高溫擴散退火，不允許液析嚴重； 帶狀K 軋制時二次碳化物偏析需經高溫擴散退火； 網狀K冷卻時在晶界析出正火合金化 高碳1%，加入Cr、Si、Mn等。如GCr15、GCr15SiMn。組織特點 經合適的熱處理，應得到組織： 細小均勻的奧氏體晶粒度58級；M中含0.50.6%C；隱晶M基體上分布細小均勻的粒狀K，體積分數約78%， 一般可有少量AR。 為提高-1，可設計M中含0.45%C，K體積分數約5%。鋼中總含碳量應化學成分 三、高碳鉻軸承鋼的熱處理 工藝特點是簡單而要求高。熱處理

17、特點 球化退火為最終淬火作組織準備淬回火工藝參數對疲勞壽命有很大影響一般采用保護氣氛加熱或真空加熱160保溫3h或更長回火，硬度6266HRC 要求消除AR 淬火后立即進行冷處理,而 后立即低溫回火。GCr15 850 C淬火一般白區占1/3,黑區占2/3，合格如果白區多，M針長，說明淬火溫度越高GCr15 880 C淬火GCr15鋼12005分加熱淬火 分析零件工作條件 確定主要失效抗力指標作為選材的基本依據 考慮工藝措施考察經濟性和生產成本選擇材料注意 要合理引用手冊上材料的力學性能數據 ； 盡量選用簡化加工工藝的材料 ； 零件材料選擇要考慮零件的綜合成本選擇材料的基本思路及方法1、齒輪類

18、零件 不同機械的齒輪，其工作條件差別很大，所 以在選擇材料和熱處理工藝上也有很大不同。機床齒輪 載荷不大，工作平穩，一般無大的沖擊力，轉速也不高。常選用調質鋼制造，如45、40Cr、42SiMn等鋼， 熱處理工藝為正火或調質，高頻感應加熱淬火一般工藝路線為： 備料 鍛造 正火(退火) 粗加工 調質處理 半精加工 高頻淬火+ 回火 磨削典型零件材料選擇與工藝分析汽拖齒輪 汽車、拖拉機上的變速箱齒輪、主被動齒輪屬于重載荷齒輪，常承受一定程度的沖擊載荷。一般都采用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi等，進行滲碳熱處理。一般工藝路線為： 備料鍛造 正火 粗加工 滲碳+淬火+回火 噴丸 磨削重載齒輪 航空發動機齒輪和一些重型機械上的齒輪承受高速和重載，一般多采用高淬透性滲碳鋼，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等鋼。工藝路線較復雜： 備料 模鍛 正火+高溫回火 機械加工 滲碳 高溫回火 機械加工 淬火+回火 精加工 檢驗。 軸是各類機械中最基本零件，也是關鍵零部件。它直接影響精度和使用壽命。 各種軸的尺寸差別很大，一般鐘表的軸直徑在0.5mm以下，而汽輪機轉子軸直徑可達1m以上。2、軸類零件服役條件主要共同點 傳遞扭矩，交變性，有時會承受 彎曲、拉壓負荷； 都有軸承支承，軸頸處受磨損， 需要較高的硬度，耐磨性好； 大多數承受一定的沖擊和過載。主要失效方式 斷裂、疲