工程材料學(xué)第3章-機(jī)器零件用鋼

一.力學(xué)性能要求：

高強(qiáng)度（高硬度），高疲勞強(qiáng)度（低抗疲勞斷裂能力，一定的循環(huán)應(yīng)力作用下N次不發(fā)生斷裂，保持足夠的韌性），彈性極限（材料產(chǎn)生最大彈性形變所能承受的最大應(yīng)力）鋼中得到M（量多）是獲得這些性能的基本保證，M量多→實驗證明：σs

疲勞強(qiáng)度，沖擊韌度，塑脆Tk→綜合力學(xué)性能提高

見

圖3-1

圖3-2

圖3-31.提高淬透性：（構(gòu)件鋼就不用考慮這點，也不用特意提高淬透性的Me）低→高Ni，Si，Cr，Mo，Mn，B2.提高回火穩(wěn)定性：Si，Cr，Mo，W，V，Ti等推遲或延續(xù)回火進(jìn)行T回↑→高強(qiáng)度同時（保溫），高韌性T回相同→合金鋼可獲得高強(qiáng)度（比碳鋼）3.細(xì)化晶粒：Ti，V（零件用鋼加入）4.固溶強(qiáng)化：強(qiáng)化α使彈性極限提高5.防止第二類回火脆性：Mo，W（調(diào)質(zhì)鋼，高T回）6.改善鋼的被切削性能：S,RE→易斷屑；潤滑作用

根據(jù)零件使用條件（服役）來選擇：要求高耐磨，心部高韌性（沖擊）→

低C，低合金鋼，滲C+淬火+低溫回火→

滲C鋼綜合力學(xué)性能高（強(qiáng)韌性）→中C，中C合金鋼，淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)鋼高彈性極限和疲勞抗力→中高C，中高C合金鋼，淬火+中溫回火→彈簧鋼高硬，高耐磨，高接觸疲勞抗力→高C合金鋼，球化退火+淬火+低溫回火→軸承鋼用途

主要用于制造汽車、拖拉機(jī)中的變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)上的凸輪軸、活塞銷等機(jī)器零件。這類零件在工作中遭受強(qiáng)烈的摩擦磨損，同時又承受較大的交變載荷，特別是沖擊載荷。（圖）

性能要求

(1)表面滲碳層硬度高

以保證優(yōu)異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。

(2)心部具有高的韌性和足夠高的強(qiáng)度

心部韌性不足時，在沖擊載荷或過載作用下容易斷裂；強(qiáng)度不足時，則較脆的滲碳層易碎裂、剝落。

(3)有良好的熱處理工藝性能

在高的滲碳溫度（900℃～950℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。

1.低C：Wc=0.10-0.25%保證零件心部有足夠高的韌性

2.加入提高淬透性的合金元素：Cr，Ni，Mn，B，W→提高心部淬透性，獲得低CM3.細(xì)化晶粒：強(qiáng)Ti，V,中CemW，Mo等，形成穩(wěn)定的合金Cem阻礙長大4.改善滲C的性能：Cem形成元素：使表層C↑，心部C↓，陡，C擴(kuò)散受阻非Cem形成元素：Ni表層C↓，心部C↑，平緩，加速C擴(kuò)散但Si使表層加入C困難，使?jié)BC速度降低，所以滲C鋼中不加SiMe元素在鋼中的作用并不單一，而是多重性：Cr→提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高滲C的濃度，與Ni作用改善滲C分布Ni，Cr為主要元素+其它輔助的元素（Ti，V，W，Mo，B）常用鋼種及牌號合金滲C鋼按其淬透性分為三類：低淬透性滲C鋼：典型鋼種20Cr，這類鋼淬透↓，心部強(qiáng)度↓適用沖擊力較小的表面耐磨件，小齒輪，小軸等中淬透性滲C鋼：典型鋼種20CrMnTi，這類鋼淬透↑，良好的機(jī)械性能和工藝性能，滲C過度層比較均勻，熱處理變形小。用于制造承受高速中載，要求抗沖擊和表面耐磨的零件。汽車，拖拉機(jī)上的重要零件，齒輪。為了節(jié)約Cr，我國采用20MnVB，但這個鋼不穩(wěn)定，變形大。

高淬透性滲C鋼：典型鋼種18Cr2NiWA和20Cr2Ni4A這類鋼含有較多的Cr，Ni，淬透性很高，具有良好的韌性，特別是低溫沖擊韌性。適用制造大截面，高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)，坦克中的重要齒輪，曲軸

常用滲碳鋼的牌號、成分、性能及用途熱處理和組織性能

1.熱處理工藝：滲C+淬火+低溫回火，過硬，要采用預(yù)先熱處理，改善鋼的切削加工性，正火(α+Р)改善帶狀組織（軋制時）2.滲C：900-950℃10h對滲C（900-950℃10h）時易過熱鋼，滲C后正火處理，清除粗大組織，然后進(jìn)行淬火；淬火工藝因C鋼而異，查熱處理手冊。如圖

3.組織性能熱處理后，表面滲碳層的組織為合金滲碳體+回火馬氏體+少量殘余奧氏體組織，硬度為60HRC～62HRC

心部組織與鋼的淬透性及零件截面尺寸有關(guān)：

完全淬透時為低碳回火馬氏體，硬度為40HRC～48HRC；多數(shù)情況下是屈氏體、回火馬氏體和少量鐵素體，硬度為25HRC～40HRC

心部韌性一般都高于700kJ/m2第三節(jié)調(diào)質(zhì)鋼

調(diào)質(zhì)鋼：是指經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用的鋼。

用途：調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件，如機(jī)床齒輪、主軸、汽車發(fā)動機(jī)曲軸、連桿、螺栓等。圖

一性能要求

調(diào)質(zhì)件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復(fù)雜，要求高的綜合機(jī)械性能，即具有高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。合金調(diào)質(zhì)鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。（對截面受力均勻的零件，完全淬透；對截面受力不均勻的截面，如彎曲應(yīng)力的傳動軸，表面淬透，要求表面較好性能，心部可低一些）。要求得到回火索氏體組織：二成分特點1.中C

Wc=0.3-0.5%(0.40居多)2.Me的作用

按淬透性高低可分為三類：表

1.低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：最典型的鋼種是40Cr，油淬臨界直徑為30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件2.中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：

35CrMo,油淬臨界直徑為40mm～60mm，加入鉬不僅可提高淬透性，而且可防止第二類回火脆性3.高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：

如40CrNiMo鋼，油淬臨界直徑為60mm～100mm，鉻鎳鋼中加入適當(dāng)?shù)你f，不但具有好的淬透性，還可消除第二類回火脆性。用于制造大截面，重載荷零件合金調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。合金調(diào)質(zhì)鋼淬透性較高，一般都用油淬，淬透性特別大時甚至可以空冷，這能減少熱處理缺陷。合金調(diào)質(zhì)鋼的最終性能決定于回火溫度。一般采用500℃～650℃回火。通過選擇回火溫度，可以獲得所要求的性能。為防止第二類回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韌性的提高。圖

四

熱處理和組織性能合金調(diào)質(zhì)鋼常規(guī)熱處理后的組織是回火索氏體，用于螺栓、連桿等。表面要求耐磨的零件（如齒輪、主軸），再進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火及低溫回火，表面組織為回火馬氏體，表面硬度可達(dá)55HRC～58HRC。心部組織是回火索氏體。合金調(diào)質(zhì)鋼淬透調(diào)質(zhì)后的屈服強(qiáng)度約為800MPa,沖擊韌性在800kJ/m2，心部硬度可達(dá)22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透時，性能顯著降低。

第四節(jié)彈簧鋼（專用結(jié)構(gòu)鋼）

合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。一組織、性能要求彈簧是利用彈性變形吸收能量以緩和震動和沖擊，或依靠彈性儲能來起驅(qū)動作用1.性能要求：a.高的彈性極限σe，尤其是高的屈強(qiáng)比σs/σb以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力和較大的承載能力b.高的疲勞強(qiáng)度σr

→防止在震動和高變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂；零件表面的脫C，會使σr

↓，（表面達(dá)到高C）c.足夠高的塑性和韌性→以免受沖擊時脆斷d.良好的工藝性→利于成型，不易脫C，過熱敏感性小e.耐熱性，耐蝕性→在此環(huán)境下工作，閥門彈簧2.組織要求

要想滿足以上性能要求，一般彈簧鋼得到回火托氏體組織實驗證明：回火托氏體組織是獲得高的彈性極限σe，高的σs的最佳組織如圖

二成分特點1.

中、高碳高的屈強(qiáng)比要求彈簧鋼的碳含量比調(diào)質(zhì)鋼高，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.50%～0.70%。碳含量過高時，塑性、韌性降低，疲勞抗力也下降。2.加入Si，Mn提高淬透性：強(qiáng)化基體；提高回火穩(wěn)定性；Si易使表面脫C；Mn使鋼易過熱；3.重要用途的彈簧鋼還必須加入Cr、V、W等元素防止脫C，過熱，改善Si，Mn的不利影響，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和淬透性，Si-Cr彈簧鋼不易脫C，本身形成Cr-V，V晶粒細(xì)小，耐沖擊性好，強(qiáng)度小。此外，彈簧的冶金質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度有很大的影響，所以彈簧鋼均為優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。

見表合金彈簧鋼大致分兩類：1.以Si，Mn為主要Me的彈簧鋼：代表鋼種65Mn，60Si2Mn，價格便宜，淬透性明顯優(yōu)于碳素彈簧鋼，Si、Mn的復(fù)合合金化，性能比只用Mn的好得多。這類鋼主要用于汽車、拖拉機(jī)上的板簧和螺旋彈簧。2.含Cr，W，V等合金元素的彈簧鋼：50CrVA，含Cr、V、W等元素的彈簧鋼。Cr、V復(fù)合合金化，不僅大大提高鋼的淬透性，而且還提高鋼的高溫強(qiáng)度、韌性和熱處理工藝性能。這類鋼可制作在350℃～400℃溫度下承受重載的較大彈簧。三鋼種和牌號四.加工、熱處理與性能

彈簧按加工熱處理可分兩類1.熱成型彈簧：用熱扎鋼絲或鋼板制成，然后淬火+中回火（450-550℃）獲得回火屈氏體，具有很高σs

，σe并有一定的塑、韌性適用于制作較大型彈簧2.冷成型彈簧：小尺寸彈簧用冷拔彈簧絲（片）卷成，具有三種制造方法：a.淬鉛冷拔鋼絲：Ac3以上+450℃-505℃鉛中淬火，獲得適合于冷拔的托氏體組織+冷拔（多次）；規(guī)定尺寸σs可達(dá)1600Mpa+低溫退火（200-300℃，1h），使彈簧定形。

b.油淬回火鋼絲：（油淬回火450-500℃）鋼絲，屈組織+冷拔（規(guī)定尺寸）+（淬火油，回火）+卷成彈簧+去應(yīng)力退火c.冷拔鋼絲：冷拔尺寸（規(guī)定尺寸）+退火（應(yīng)力）200-300℃+冷卷成型+（淬，回火）總之，不論如何卷制，冷，熱，最終獲得屈（托）組織，使彈簧具有所要求的性能第五節(jié)滾動軸承鋼（專用結(jié)構(gòu)鋼）主要用來制造滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱、滾針）、內(nèi)外套圈等，屬專用結(jié)構(gòu)鋼從化學(xué)成分上看它屬于工具鋼，所以也用于制造精密量具、冷沖模、機(jī)床絲杠等耐磨件圖一性能要求：

軸承的構(gòu)造及負(fù)荷分布：

圖1.高的接觸疲勞強(qiáng)度

軸承元件如滾珠和套圈，運動時為點或線接觸，接觸處一壓應(yīng)力高達(dá)3000Mpa；應(yīng)力交變次數(shù)每分鐘達(dá)幾萬次，往往造成接觸疲勞破壞，產(chǎn)生麻點或剝落，所以要提高疲勞強(qiáng)度2.高的硬度和耐磨性滾動體和套圈之間不但有滾動摩擦，而且有滑動摩擦，軸承也常因為過度磨損而失效，因此必須具有高而均勻的HB，一般為62HRC-64HRC。3.足夠的韌性和耐蝕性

要求在大氣和潤滑油介質(zhì)中有一定的耐蝕能力，良好的尺寸穩(wěn)定性。軸承在受到?jīng)_擊力，易發(fā)生破裂。4.高的冶金質(zhì)量

軸承鋼中非金屬夾雜和碳化物的不均勻性對鋼的性能尤其是接觸疲勞強(qiáng)度影響很大。因此，軸承鋼一般采用電爐冶煉和真空去氣處理

二成分特點1.高碳：0.95-1.15%保證高硬度，高耐磨性和高強(qiáng)度2.Cr為基體合金元素：

Cr要適宜，否則過高使A’↑，Cem分布不均勻，使HB，疲勞強(qiáng)度降低3.加入Si，Mn，VSi，Mn進(jìn)一步提高淬透性，便于制造大型軸承；V部分溶于γ中，部分形成Cem(VC)，提高鋼的耐磨性，防止過熱。三.鋼種和牌號滾珠軸承鋼的鋼號、成分、熱處理和用途

軸承鋼分兩類：一類Cr軸承鋼一類加入Si，Mn，Mo，V牌號：

G“滾”+Cr（符號）+數(shù)字：表示含Cr量的千分之一，含C不標(biāo)出，其它的與結(jié)構(gòu)鋼編法一樣。典型鋼種GCr15四.熱處理及組織性能

軸承鋼的熱處理主要為球化退火、淬火和低溫回火

1.球化退火：預(yù)先熱處理為球化退火,目的可降低鋼的硬度，利于切削加工；獲得細(xì)的球狀P和過剩的細(xì)狀碳化物，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。（均勻的細(xì)粒狀P，這樣的組織在淬火加熱時，Cem顆粒細(xì)小，容易溶解，使γ有較高的合金度，成分比較均勻，保證鋼的淬透性和淬硬性及淬火組織的均勻性，而且這樣的組織在淬火加熱時不易粗化，加熱T范圍寬，淬火變形小，開裂傾向小，淬火質(zhì)量高而且穩(wěn)定，使鋼在淬火回火后得到最佳的力學(xué)性能）2.淬火和低溫回火圖

淬火T要適當(dāng):

淬火溫度要求十分嚴(yán)格，溫度過高會過熱，晶粒長大，使韌性和疲勞強(qiáng)度下降，且易淬裂和變形；溫度過低，則奧氏體中溶解的鉻量和碳量不夠，鋼淬火后硬度不足。

低溫回火：回火T應(yīng)根據(jù)鋼種來選擇

GCr15鋼的淬火溫度嚴(yán)格控制在820℃～840℃范圍內(nèi),回火溫度一般為150℃～160℃3.組織：軸承鋼淬火后的組織為極細(xì)的回火馬氏體、均勻分布的粒狀碳化物以及少量殘余奧氏體。GCr15鋼淬火、回火后的顯微組織精密軸承必須保證在長期存放和使用中不變形。引起變形和尺寸變化的原因主要是存在有內(nèi)應(yīng)力和殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了穩(wěn)定尺寸，淬火后可立即進(jìn)行“冷處理”（-60℃～-50℃），并在回火和磨削加工后，進(jìn)行低溫時效處理（120℃～130℃,保溫5h～10h）。續(xù)續(xù)返回Fanhui返回返回續(xù)GCr15鋼淬火溫度對機(jī)械性能的影響返回GCr15鋼的淬火溫度嚴(yán)格控制在820℃～840℃范圍內(nèi),回火溫度一般為150℃～160℃。

類別

鋼號主要化學(xué)成分w/%熱處理/℃機(jī)械性能（不小于）退火狀態(tài)HB應(yīng)用舉例CMnSiCrNiMoV其它淬火/℃回火/℃毛坯尺寸/mmσb/MPaσs/MPaδ5/%ψ%AkU2/J

低淬透性鋼450.42～0.500.50～0.800.17～0.37

830～840水580～640空＜100≥600≥355≥16≥40≥39197主軸、曲軸、齒輪、柱塞等40MnB0.37～0.441.10～1.400.17～0.37

B0.0005～0.0035850油500水，油25980785104547207同上40MnVB0.37～0.441.10～1.400.17～0.37

0.05～0.10B0.0005～0.0035850油520水，油25980785104547207可代替40Cr及部分代替40CrNi作重要零件，也可代替38CrSi作重要銷釘40Cr0.37～0.440.50～0.800.17～0.370.80～1.10

0.07～0.12

850油520水，油2598078594547207作重要調(diào)質(zhì)件如軸類件、連桿螺栓、進(jìn)氣閥和重要齒輪等

中淬透性鋼38CrSi0.35～0.430.30～0.601.00～1.301.30～1.60

900油600水，油25980835125055255作載荷大的軸類件及車輛上的重要調(diào)質(zhì)件30CrMn-Si0.27～0.340.80～1.100.90～1.200.80～1.10

880油520水，油251080885104539229高強(qiáng)度鋼、作高速載荷砂輪軸、車輛上內(nèi)外摩擦片等35CrMo0.32～0.400.40～0.700.17～0.370.80～1.10

0.15～0.25

850油550水，油25980835124563229重要調(diào)質(zhì)件，如曲軸、連桿及代40CrNi作大截面軸類件

常用調(diào)質(zhì)鋼的牌號、成分、熱處理、性能及用途

續(xù)

高淬透性鋼

38CrMoAl0.35～0.420.30～0.600.20～0.451.35～1.65

0.15～0.25

A10.70～1.10940水，油640水，油30980835145071229作氮化零件，如高壓閥門，缸套等

37CrNi30.34～0.410.30～0.600.17～0.371.20～1.603.00～3.50

820油500水，油251130980105047269作大截面并要求高強(qiáng)度、高韌性的零件40CrMnMo0.37～0.450.90～1.200.17～0.370.90～1.20

0.20～0.30

850油600水，油25980785104563217相當(dāng)于40CrNiMo的高級調(diào)質(zhì)鋼25Cr2Ni4-WA0.21～0.280.30～0.600.17～0.371.35～1.654.00～4.50

W0.80～1.20850油550水251080930114571369作機(jī)械性能要求很高的大斷面零件

40CrNiMo-A0.37～0.440.50～0.800.17～0.370.60～0.901.25～1.650.15～0.25

850油600水，油25980835125578269作高強(qiáng)度零件，如航空發(fā)動機(jī)軸，在＜500℃工作的噴氣發(fā)動機(jī)承載零件返回鋼號主要成分

w%熱處理機(jī)械性能應(yīng)用范圍CMnSiCr其它淬火/℃回火/℃σs

/MPaσb

/MPaδ10

/%ψ

/%650.62～0.700.50～0.800.17～0.37≤0.25

－840(油)5008001000935截面＜15mm的小彈簧700.62～0.750.50～0.800.17～0.37≤0.25－830(油)4808501050830850.82～0.900.50～0.800.17～0.37≤0.25－820(油)4801000115063065Mn0.62～0.700.90～1.200.17～0.37≤0.25

830(油)5408001000830截面≤25mm的彈簧，例如車箱緩沖卷簧55Si2Mn0.52～0.650.60～0.901.50～2.00≤0.35

870(油或水)4801200130063060Si2Mn0.56～0.640.60～0.901.50～2.00≤0.35

870(油)4801200130052555Si2MnB0.52～0.600.60～0.901.50～2.00≤0.35B0.0005～0.004870(油)4801200130063060Si2CrA0.56～0.640.40～0.701.40～1.800.70～1.00

870(油)42016001800δ5620截面≤30mm的重要彈簧，例如小型汽車、載重車板簧，扭桿簧，低于350℃的耐熱彈簧60Si2CrVA0.56～0.640.40～0.701.40～1.800.90～1.20V0.1～0.2850(油)41017001900δ562050CrVA0.46～0.540.50～0.800.17～0.370.80～1.10

850(油)50011501300δ594055CrMnA0.52～0.600.65～0.950.17～0.370.65～0.95V0.1～0.2850(油)500σ0.211001250δ5635

常用彈簧鋼的牌號、成分、熱處理、性能及用途（摘自GB/T1222-1985）

返回試述滲碳鋼的合金化和熱處理特點試分析20CrMnTi9SiCr40CrNiMo40Cr60Si2MnGCr15鋼中合金元素的作用什么叫調(diào)質(zhì)鋼，為什么調(diào)質(zhì)鋼大多數(shù)是中碳鋼或中碳合金鋼。合金元素在鋼中的作用是什么。調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行高溫回火的目的是什么。為什么鉻軸承鋼要有高的含碳量，鉻在軸承鋼中起什么作用。為什么彈簧鋼大多數(shù)是中高碳鋼。合金元素在彈簧鋼中的作用是什么。進(jìn)行中溫回火的目的是什么說明下列牌號屬于那種鋼，并說明數(shù)字和符號的含義:Q34520CrMnTi40CrGCr1560Si2Mn凸輪機(jī)構(gòu)撥叉變速齒輪返回類別鋼號主要化學(xué)成分w/%熱處理/℃機(jī)械性能（不小于）毛坯尺寸/mm應(yīng)用舉例CMnSiCrNiV其它滲碳預(yù)備處理淬火回火σb

/MPa

σs/MPaδ

/%ψ/%AkU2/J

低淬透性150.12～0.180.35～0.650.17～0.37

930880～900空770～800水200≥500≥30015≥55

＜30活塞銷等20Mn20.17～0.241.40～1.800.17～0.37

930850～870880油2007855