3第3章机器零件用钢

1第3章机器制造结构钢1、了解机械制造结构钢的服役条件，理解主要失效形式、性能要求和合金化特点，掌握强韧化机理；2、理解调质钢、非调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、低碳马氏体钢、合金渗碳钢、氮化钢、耐磨钢的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；3、理解零件材料选择的基本原则和思路并简单运用。机械制造结构钢的强度和脆性；各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；零件材料选择的基本原则和思路。各钢种的主要失效形式、性能要求和强韧化机理；运用理论知识选择零件材料。5多媒体+讲授，案例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。3.1概述一、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2钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。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%Si,2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，0.5%Mo，0.2%V,0.1%Ti，0.4~0.8%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1、对于要求良好综合力学性能，零件选①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.②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。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。3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调质钢基本情况：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劳破坏。主要性能指标σ-1、Rm、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。1、淬透性原则淬透性相同的同类调质钢，可互相代用。0.25~0.45%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透对屈强比的影响。2、合金化及常用钢含碳量在0.25~0.45%。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4径：低淬透性合金钢:DC30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等。中淬透性合金钢:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等。高淬透性合金钢:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等。分析比较：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性40CrNiMo40CrNi40Cr；回脆性40CrNiMo40CrNi40Cr回稳性40CrNiMo40CrNi40Cr；塑韧性40CrNi40Cr40CrNiMo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：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。锻造余热淬火：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。53.3非调质机械结构钢一、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、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。复合微合金化非调质钢典型成分牌号CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03Mo30ΧΓΦΤ(俄)0.300.551.00.60≤0.2≤0.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11MoNC33HFB(日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日)0.35~0.400.15~0.351.30~1.600.05~0.1545VNbN(中)0.440.140.790.100.110.02N6二、获得最佳强韧化的工艺因素相间沉淀析出示意图三、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150~400MPa，甚至可达到600MPa。细化组织强化量大约在50~300MPa，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。7Mn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。(,),,mmpppRRCUCURCUfDffDD+1/21/21/2,,()()mmrmprrmpmpRRCUCUdRddRR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是析出强化增量。3.4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8典型的螺旋弹簧及板簧其他要求: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0.60~1.05％,低合金弹簧钢在0.40~0.74％C。+Si、Mn、Cr、V等合金元素。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。9常用硅锰板簧钢有60Si2Mn、55Si2Mn等。60Si2Mn：①Si、Mn复合,强化F,→↑σe，σs/σb可达到0.8~0.9；②Si/Mn↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;③Si有效↑回稳性,但↑脱C倾向;④Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小。常用螺旋弹簧钢有50CrVA等，50CrVA：①Cr、V均↑回稳性,韧性好；②V细化晶粒,↓过热敏感性;③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。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?10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。左：60Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系右：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13390470800113507008503.5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：11①高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa②高转速→循环周次高达每分钟数万次；③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性能要求：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12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接触面小→应力集中大→易产生裂纹→材质纯净、组织均匀。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。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（回火隐晶马氏体＋碳化物）网状碳化物×13带状碳化物碳化物液析三、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62~66HRC，如要求消除AR→淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。合金化：高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、GCrl5SiMn。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5~8级；M中含0.5~0.6%C；隐晶M基体上分布细小均匀的粒状K，体积分数约7~8%，一般可有少量AR。负荷较小时,为提高σ-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↓。左回火温度对GCr15钢力学性能的影响右轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响1-GCr15，850℃淬火；142-Cr15SiMn，830℃淬火1-GCr15，850℃淬火2-Cr15SiMn，830℃淬火思考题：轴承钢在淬火热处理后,硬度检验时不允许有明显的软点,为什么?如出现软点,可能有哪些因素造成的?3.6低碳马氏体钢没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢。低碳结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位错板条M→强度、韧度和塑性的最佳配合。基本性能：抗拉强度σb，1150~1500MPa；屈服强度σs,950~1250MPa；≥40%；伸长率δ，≥10%；冲击韧度AK≥6J。这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，常规的力学性能甚至优于调质钢。1成分、工艺特点成分特点：0.15~0.25%C，→以保证淬火后获得板M+Cr、Mo、Si、