剑桥少儿英语教材介绍

工程材料A 第三章 机器零件用钢 机电工程学院 第三章 机器零件用钢 一、概述 二、调质钢 三、弹簧钢 四、渗碳钢 五、滚动轴承钢 六、特殊用途钢 §3-1 概 述 前 言 一、机器零件用钢------用于制造各种机器零件所用的钢种。 二、用途---各种轴类零件、齿轮、弹簧或轴承等，是机械制造业中广泛使用并用量较大的钢种。 三、零件用钢以力学性能为主、工艺性能为辅。 1、力学性能要求 ⑴较高的疲劳强度或耐久强度； ⑵高的σs 、σb及较高的断裂抗力； ⑶良好的耐磨性和接触疲劳强度； ⑷较高的韧性，以降低缺口敏感性。 使用状态：淬火+回火态，即强化态。 第三章 机器零件用钢 三、零件用钢以力学性能为主、工艺性能为辅。 影响零件用钢力学性能的主要因素： ①含C量； ②回火温度； ③合金元素的种类和数量。 2、工艺性能要求 生产工艺： 型材→改锻→毛坯热处理→切削加工→最终热处理→磨削 主要工艺性能：切削加工性；热处理性能 第三章 机器零件用钢 §3-1 概 述 §3-1 概 述 学习要点： 1、机械零件服役条件（受力形式）、失效形式等 2、按零件服役技术要求，设计合金钢（化学成分要求，C含量、加入合金元素等；材料牌号的规律性），材料种类、系列，典型材料牌号 3、材料的热处理工艺、热处理后的组织要求，典型的热处理工艺、组织形貌 4、满足服役条件的热处理后（组织）的机械性能 第三章 机器零件用钢 §3-1 概 述 常用工具（Fe-C相图、热处理工艺曲线、热处理工艺） 第三章 机器零件用钢 §3-1 概 述 常用工具（合金元素影响、淬火曲线、材料C曲线） 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 调质钢--经过淬火+高温回火(调质处理)而使用的结构钢。 调质处理后的组织：回火S，具有良好的综合机械性能， 即强度高、塑性和韧性好，是应用最广的机器零件用钢。 一、调质钢的工作条件及性能要求 1. 工作条件 重要机械零件，受力复杂（多应力载荷） 2.力学性能要求 指标： σb≈800~1100MPa, σ 0.2≈700~1000MPa, δ=9~15﹪,ψ=45~55 ﹪ , αk≈60~120J/c㎡, Tk≦-40℃。 3、失效形式：疲劳断裂 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 二、组织特点 组织：中碳回火S（淬火M 高温回火） 分布：基体F中弥散强化相（粒状碳化物） 三、化学成分 ⒈ 含C量：一般在0.3～0.5﹪。 a. 含C量↓，不易淬硬，回火后硬度不足； b. 含C量↑，则韧性不足。 ⒉主加元素： Mn(<2﹪) 、Si(<2﹪)、 Cr (<2﹪)、 Ni (<4.5﹪)、 B (<0.004﹪) 作用：a. ↑淬透性； b. 强化F。 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 ⒊ 辅加元素： 少量的W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素。 作用： a. 细化晶粒； b. ↑回火稳定性； c. ↑强韧性。 其中W、Mo：防止第二类回火脆性。 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 四、热处理 ⒈ 预备热处理（机加工前的热处理工艺） 目的：降低硬度，细化晶粒，改善组织（消除不良组织和防止不良组织和防止白点产生）。 第三章 机器零件用钢 ① 碳钢和合金含量低的钢：正火或退火； ② 合金元素较多、淬透性较好的钢：正火+高温回火或完全退火； ③ 硼钢：正火+高温回火。 在750℃左右慢冷易产生“硼脆”现象，避免采用退火。 §3-2 调质钢 ⒉ 最终热处理（机加工后（半成品）热处理） 钢材的性能达到零件使用条件下的性能要求。多采用调质热处理。 目的：获得具有良好综合力学性能的回火S。 第三章 机器零件用钢 7500X 1000X 最终性能取决于回火温度的选择： ① 当要求高塑性、高韧性及一定的强度时： 500～600℃回火，获得回火S； ② 要求表面有良好的耐磨性时： 再进行表面淬火或化学热处理（如氮化处理）； ③ 要求零件有较高的强度和适当的塑性、韧性时： 200～250℃回火，获得回火M；或采用约450 ℃回火，获得回火T。 §3-2 调质钢 应用举例 42CrMo 第三章 机器零件用钢 汽缸螺栓性能要求： b900N/mm2 s700N/mm2 HB＝300～341 12％ 、 50％ αKU 80J/cm2 工艺过程：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工 问：正火工艺参数选择？ §3-2 调质钢 五、常用调质钢 根据淬透性的高低，分为三类： ① 低淬透性调质钢 40、45钢（d0水=8~17㎜）45Mn2、40Cr、38CrSi、 40CrV、40MnVB （d0油=30~40㎜）； ② 中淬透性调质钢 常用的有Cr-Mo钢（35CrMo、42CrMo）、Cr-Mn钢（40CrMn）、Cr-Mn-Si钢（35CrMnSi） 及Cr-Ni钢 （40CrNi） （d0油=40~60㎜） ； 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 ③ 高淬透性调质钢： 常用的有：Cr-Mn-Mo钢（40CrMnMo）、Cr-Ni-Mo 钢（40CrNiMo） 、25Cr2Ni4WA等 （d0油=40~60㎜） 表3.1（说明下页） 六、调质零件用钢的发展方向（自学） 七、材料牌号的说明 1、C含量：40--0.4%C 2、合金元素：Cr--0.5-1.49%；Cr2—1.5-2.49%；余推 ：GB/T 699-1999 优质碳素结构钢 GB/T 3077-1999 合金结构钢 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 常用材料的成分、热处理、机械性能、用途 第三章 机器零件用钢 §3-2 调质钢 常用材料的成分、热处理、机械性能、用途 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 弹簧----重要的基础零部件之一 按其使用场合和结构外形的不同分为：板弹簧和螺旋弹簧。 弹簧钢-----用以制造弹簧或制造类似弹簧性能的零件的钢 一、工作条件及性能要求 根据工作条件不同，弹簧可分为： ① 缓冲与吸振弹簧； ② 控制机构运动的弹簧； ③ 贮存及输出能量的弹簧； ④ 测量载荷与功的弹簧。 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 失效形式： 疲劳断裂和由于塑性变形而失去作用。 弹簧钢应具有如下性能： ⑴ 高的弹性极限、屈服极限和高的屈强比σs/σb； ⑵ 高的疲劳极限； ⑶ 一定的塑性和韧性； ⑷ 良好的耐热性和抗蚀性。 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 二、化学成分 弹簧钢分为：碳素弹簧钢、合金弹簧钢 1. 含C量： 碳钢：0.6～0.9﹪，得到高弹性极限和疲劳极限； 合金弹簧钢： 0.45～0.7﹪。 2. 主加元素： Mn (<1.3﹪) 、Si(<3﹪)、Cr(<1﹪)。 作用： ①↑淬透性。淬火+中温回火后整个截面上获得均匀的回火T； ② 强化F，有效地提高机械性能，Si的加入使σs/σb →1； ③↑回火稳定性。 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 3. 辅加元素： 少量的Mo、W、V、Nb等。 作用： ① 减少Si-Mn弹簧钢易产生的氧化和脱碳倾向； ② 进一步提高淬透性和回火稳定性； ③ 细化晶粒； ④ 提高耐热性。 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 三、常用弹簧钢 (GB/T 1222-2007 弹簧钢) 1.碳素弹簧钢 一般用高碳钢，如：65～85、60Mn、65Mn、75Mn。 2.合金弹簧钢 60Si2Mn是最常用的钢号。50CrV的淬透性更高，Cr、V提高回火稳定性。 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 四、热处理 根据成型方法分为： 冷成型和热成型两类。 1. 冷成型弹簧的热处理 对于小型弹簧(<8㎜的螺旋 弹簧或弹簧钢带等),可以在热处 理强化或冷变形强化后成型,即用 冷拔钢丝冷卷成型。 按强化工艺不同分为： 1）、铅浴等温淬火冷拔钢丝 2）、冷拔钢丝 3）、淬火回火钢丝 冷卷成型后加低温回火（去应力） 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 第三章 机器零件用钢 2、热成型弹簧的热处理（一般直径大于10mm热卷成型） 热处理工艺：淬火+中温回火 组织：回火屈氏体 其他：1）：防晶粒长大（Si脱碳，Mn晶粒长大） 2）：回火温度合理 3）：防石墨化（Si含量高） §3-3弹簧钢 加工路线： 下料→加热压弯或卷绕→淬火→中温回火→喷丸， 喷丸：强化并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。(也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命)。 第三章 机器零件用钢 1000X 7500X 七、材料牌号的说明 §3-3弹簧钢 常用材料的成分、热处理、机械性能、用途 第三章 机器零件用钢 §3-3弹簧钢 常用材料的成分、热处理、机械性能、用途 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 渗碳钢：经渗碳（或碳氮共渗）后→淬火＋低温回火后使用的钢，一般为低碳碳素结构钢(15、20)和低碳合金结构钢(如20CrMnTi)。 用途：主要用于制造要求高耐磨性、承受高 接触应力和冲击载荷的重要零件。 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 一、工作条件及性能要求 ①、表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性； ②、心部良好强韧性； ③、较好的淬透性以保证渗碳件的心部性能，在高的渗碳温度（930℃）和长的渗碳时间下奥氏体晶粒长大倾向小，以便于渗碳后直接淬火。 失效形式：疲劳断裂+磨损 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 二、化学成分 ①、低碳：0.1%～0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷； ②、合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度； ③、碳化物：辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 ④、合金元素对工艺性能影响 A、C曲线； B、表层C浓度： 碳化物形成元素加强渗碳 C、材料晶粒度： 强碳化物元素晶粒细小 D、热处理工艺 本质细晶粒钢渗碳温度可略高 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 三、热处理 化学热处理方法 1、低含量Me，难过热：渗碳+直接淬火+低温回火 2、低含量Me，易过热：渗碳+缓冷+重新加热淬火+低温回火 3、较高含量Me，高性能：渗碳+缓冷+重新加热二次淬火+低温回火 4、较高含量Me，高淬透性：渗碳+缓冷+高温回火+重新加热淬火+低温回火 或：渗碳+直接淬火+深冷处理（去残余A）+低温回火 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 工艺曲线 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 应用(20CrMnTi热处理工艺) 第三章 机器零件用钢 工艺路线： 下料 →锻造 →正火 →机加工 →齿形加工 →渗碳 →预冷淬火 →低温回火 →喷丸 →精磨 §3-4 渗碳钢 渗层组织 第三章 机器零件用钢 淬火+低温回火 表层：细针状回火高碳马氏体＋粒状碳化物＋少量残余托氏体，硬度一般为58～64HRC； 心部：依据钢的淬透性不同为铁素体＋屈氏体、或低碳马氏体，硬度35～45HRC，ακ≥60J/cm2。 渗碳后缓冷组织 §3-4 渗碳钢 四、常用渗碳钢 1.低强度渗碳钢：b﹤800MPa；低淬透性渗碳钢。 如：10、20、20Mn2、20MnV、15Cr等。套筒、链条。 2. 中强度渗碳钢： b在800~1200MPa，中淬透性渗碳钢。 如：20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo、20MnVB等。 制作汽车齿轮。 3. 高强度渗碳钢： b≧1200MPa；高淬透性渗碳钢。 如：20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo； 坦克齿轮、飞机齿轮。 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 常用材料成分、性能和用途 第三章 机器零件用钢 §3-4 渗碳钢 常用材料成分、性能和用途 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 滚动轴承钢： 制造：各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种。 也可：制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 一、工作条件及性能要求 服役条件：高达2000～5000MPa的交变接触应力和极大的摩擦力，还将受到大气、水及润滑剂的浸蚀； 性能要求： 1）高的接触疲劳强度； 2）高的淬硬性和淬透性，保证高硬度(61~65HRC)和耐磨性； 3）弹性极限高并有一定的韧性和耐蚀性； 4）良好的尺寸稳定性（组织稳定性） 。 失效形式：主要损坏形式有接触疲劳(麻点剥落)、磨损和腐蚀等。 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 二、化学成分 1、含碳量： 0.95%～1.15%C，保证轴承钢高强度和硬度，形成足够的合金渗碳体，提高耐磨性； 2、 0.40%～1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。 3、大型轴承 加入Si、Mn、Mo等元素以进一步提高淬透性和强度；对无铬轴承钢还应加入V元素，形成VC以保证耐磨性并细化钢基体晶粒。 4、高冶金质量 低夹杂物、低S、P含量 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 三、热处理、牌号 牌号：GCr15；Cr4Mo4V；9Cr18Mo 含义：G--滚动轴承，Cr—1.5% 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 三、热处理、牌号 ①预先热处理____球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备； ②最终热处理____淬火+低温回火（180℃~240℃） ，决定轴承钢的性能，得到高硬度（62~66HRC）和高耐磨性。 ③冷处理____为了较为彻底消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度，淬火后进行一般进行冷处理(-60℃~﹣80℃)，在磨削加工后进行低温时效处理等。 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 三、热处理、牌号 第三章 机器零件用钢 热处理工艺参数的合理选取 问题：如何选取？ 工艺路线： 下料 →锻造 →正火 →球化退火 →机械加工 →加热淬火 →深冷处理 →低温回火 →喷丸 →精磨 §3-5 滚动轴承钢 三、热处理、牌号 第三章 机器零件用钢 淬火温度对组织、性能影响 基体组织：高碳针状回火M+粒状碳化物+少量残余A §3-5 滚动轴承钢 常用材料成分、性能和用途 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 常用材料成分、性能和用途 第三章 机器零件用钢 §3-5 滚动轴承钢 四、发挥轴承钢性能潜力的途径（自学） 1、淬火时组织转变特性 2、M中C浓度对性能影响 3、碳化物影响 4、残余应力影响 5、短时快速加热淬火 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢 分类 低温用钢 耐磨钢 无磁钢 易切钢 大锻件用钢 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 低温用钢 低温钢：工作温度在-20～ -269℃之间的工业用钢钢。 用 途：钢铁冶金、化工、冷冻设备、液体燃料的制备与贮运装置、海洋工程与极地机械设施等。 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 一、性能要求 1.低温下有足够的强度； 2.有足够的韧性； 3.良好的焊接性能； 4.较好的耐蚀性。 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 二、成分与组织特点 1.低碳 一般wc＜0.20%。 2.Mn、Ni对低温韧性有利，Ni最明显；V、Ti、Nb、Al可细化晶粒而进一步改善低温韧性。 3.严格控制损害韧性的P、Si等元素含量。 4.面心立方结构（如奥氏体钢、铝、铜金属）的低温韧性良好。 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 三、低温钢的种类与常用钢号 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 三、低温钢的种类与常用钢号 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 在南极低温超过了－50℃；液化气； 温度降低，冲击韧性降低；一般18-8不锈钢、高Mn钢及Cu、Al等面心结构材料在低温下不易脆化。 中国低温钢：16Mn、09Mn2V、09MnTiCuRE、06MnNb、06AlCu、06AlNbCuN、20Mn23Al、15Mn26Al4 国外低温钢： ①大于－42℃ 低碳(≤0.25%)+Si-Mn 正火后使用 ②－42～－196℃ 低碳(0.17～0.21％)、低(中)镍 ③－196～－296℃ 奥氏体不锈钢 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢--低温用钢 低温钢（压力容器） 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢-大锻件用钢 大锻件用钢 1、大锻件用钢----大型、大截面、高性能要求零件的用钢 2、机械性能：良好的综合机械性能 3、特点：组织粗大、不均匀； 必须锻造获得细晶 必须缓冷，减少残余应力 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢-大锻件用钢 4、大锻件用钢的选用 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢-大锻件用钢 5、大锻件用钢的锻后热处理 目的：防白点；均匀成分；细化组织、消除残余应力 工艺：加热、冷却、淬火后+回火缓冷 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢-大锻件用钢 第三章 机器零件用钢 §3-6 特殊用途钢 第三章 机器零件用钢