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。
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§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。
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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
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汽缸螺栓性能要求:
b900N/mm2
s700N/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㎜) ;
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§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
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§3-2 调质钢
常用材料的成分、热处理、机械性能、用途
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§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。
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§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。
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§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。
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§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。
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§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。
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§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)。
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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
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§3-3弹簧钢
常用材料的成分、热处理、机械性能、用途
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§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。
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§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
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§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。
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§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
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§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。
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§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。
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§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%
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§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
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§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