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1、5.3 Steels for mechanical 5.3 Steels for mechanical structurestructure机械结构用钢机械结构用钢机械结构用钢机械结构用钢 vvv5.3.1Briefintroductionofstructuralsteels5.3.1Briefintroductionofstructuralsteels5.3.1Briefintroductionofstructuralsteelsvvv结构钢综述结构钢综述结构钢综述结构钢综述结构钢综述结构钢综述 vvv5.3.2Steelsforhardeningandtempering5.3.2Steel
2、sforhardeningandtempering5.3.2Steelsforhardeningandtemperingvvv调质钢调质钢调质钢调质钢调质钢调质钢 vvv5.3.3Casehardeningsteels5.3.3Casehardeningsteels5.3.3Casehardeningsteels表面硬化钢表面硬化钢表面硬化钢表面硬化钢表面硬化钢表面硬化钢 vvv5.3.4Ultrahigh-strengthsteels5.3.4Ultrahigh-strengthsteels5.3.4Ultrahigh-strengthsteels超高强度钢超高强度钢超高强度钢超高强度钢超高
3、强度钢超高强度钢 vvv5.3.5Springsteels5.3.5Springsteels5.3.5Springsteels弹簧钢弹簧钢弹簧钢弹簧钢弹簧钢弹簧钢 vvv5.3.6Bearingsteels5.3.6Bearingsteels5.3.6Bearingsteels滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢 vvv5.3.7Free-cuttingsteels5.3.7Free-cuttingsteels5.3.7Free-cuttingsteels易削钢易削钢易削钢易削钢易削钢易削钢 vvv5.3.8Caststeels5.3.8Caststeels5.3.8C
4、aststeels铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢2021/9/2315.3.1Briefintroductionof5.3.1Briefintroductionofstructuralsteelsstructuralsteels结构钢综述结构钢综述结构钢综述结构钢综述 vv机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构等
5、，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机构等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机构等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机构等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。械、电站设备、飞机及火箭等装置上。械、电站设备、飞机及火箭等装置上。械、电站设备、飞机及火箭等装置上。vv1.1.工作条件与性能要求工作条件与性能要求工作条件与性能要求工作条件与性能要求vv2.2.淬透性淬透性淬透性淬透性vv3.Me3.Me在机器结构钢中的作用在机器结构钢中的作用在机器结构钢中的作用在机器结构钢中的作用vv4.4.碳含量与热处理工艺的选择碳含量与热处理工艺的选择碳含量与热处理工艺的
6、选择碳含量与热处理工艺的选择vv5.5.机器结构钢的分类机器结构钢的分类机器结构钢的分类机器结构钢的分类2021/9/2321.1.工作条件与性能要求工作条件与性能要求vv主主主主要要要要承承承承受受受受拉拉拉拉、压压压压、弯弯弯弯、扭扭扭扭、冲冲冲冲击击击击、疲疲疲疲劳劳劳劳应应应应力力力力，且且且且往往往往往往往往是是是是几几几几种种种种载载载载荷荷荷荷同同同同时时时时作作作作用用用用。可可可可以以以以是是是是恒恒恒恒载载载载或或或或变变变变载载载载，作作作作用用用用力力力力的的的的方方方方向向向向是是是是单单单单向向向向或或或或反反反反复复复复的的的的。工工工工作作作作环环环环境境境境是
7、是是是大大大大气气气气、水水水水和和和和润润润润滑滑滑滑油油油油，温温温温度在度在度在度在-50-50+100+100范围之间。范围之间。范围之间。范围之间。vv一一一一般般般般机机机机械械械械零零零零件件件件的的的的主主主主要要要要失失失失效效效效形形形形式式式式是是是是变变变变形形形形和和和和断断断断裂裂裂裂。为为为为保保保保证证证证机机机机械械械械零零零零件件件件正正正正常常常常工工工工作作作作，必必必必须须须须要要要要求求求求有有有有良良良良好好好好力力力力学学学学性性性性能能能能，如如如如足足足足够够够够高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。高的
8、强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。vv很很很很显显显显然然然然，欲欲欲欲满满满满足足足足机机机机械械械械结结结结构构构构用用用用钢钢钢钢的的的的性性性性能能能能要要要要求求求求，必必必必须须须须对对对对其其其其进进进进行行行行热热热热处处处处理理理理强强强强化化化化，才才才才能能能能充充充充分分分分发发发发挥挥挥挥钢钢钢钢材材材材的的的的性性性性能能能能潜潜潜潜力力力力。MM相相相相变变变变及及及及随随随随后后后后的的的的回回回回火火火火转转转转变变变变综综综综合合合合应应应应用用用用了了了了固固固固溶溶溶溶强强强强化化化化、沉沉沉沉淀淀淀淀强强强强化化化
9、化、细细细细晶晶晶晶强强强强化化化化和和和和相相相相变变变变强强强强化化化化的的的的机机机机理理理理，是是是是最最最最重重重重要要要要、最最最最经经经经济济济济的的的的强强强强化化化化手段手段手段手段。2021/9/2332.2.淬透性淬透性淬透性淬透性vv淬淬透透性性对对机机械械结结构构用用钢钢具具有有十十分分重重要要的的意意义义。淬淬透透的的钢钢可可获获得得高高强强度度、高高屈屈强强比比、高高疲疲劳劳强强度度和和高高冲冲击击韧韧度度，以以及及低低的的韧韧脆脆转转折折温温度度（TK）。钢钢中中合合金金元元素素可可明明显显提提高高钢钢的的淬淬透透性性。对对淬淬透透性性要要求求不不高高的的合合金
10、金结结构构钢钢，才才采采用用单单一一的的合合金金元元素素合合金金化化方方案案；要要求求较较高高淬淬透透性性者者均均采采用用多多元元少少量量的的合合金金元元素素综综合合合金化方法。合金化方法。2021/9/2343.Me在机器结构钢中的作用在机器结构钢中的作用v主加元素：主加元素：（B）、）、Mn、Cr、Si、Nivv提高淬透性，强化提高淬透性，强化F，vv提高综合力学性能提高综合力学性能v附加元素：附加元素：Ti、V、W、Movv细化晶粒，提高回火稳定性，细化晶粒，提高回火稳定性，vv抑制第二类回火脆性（抑制第二类回火脆性（W、Mo）2021/9/2354.碳含量与热处理工艺的选择碳含量与热处
11、理工艺的选择vv碳碳碳碳是是是是机机机机械械械械结结结结构构构构用用用用钢钢钢钢中中中中最最最最主主主主要要要要的的的的元元元元素素素素，溶溶溶溶入入入入A A的的的的碳碳碳碳量量量量不不不不仅仅仅仅直直直直接接接接决决决决定定定定了了了了MM的的的的硬硬硬硬度度度度，而而而而且且且且对对对对MM的的的的形形形形态态态态及回火后的组织性能有很大影响。及回火后的组织性能有很大影响。及回火后的组织性能有很大影响。及回火后的组织性能有很大影响。vv对对对对不不不不重重重重要要要要的的的的机机机机器器器器零零零零件件件件，当当当当综综综综合合合合力力力力学学学学性性性性能能能能要要要要求求求求不不不不
12、高高高高（硬硬硬硬度度度度229HBS229HBS）时时时时，可可可可选选选选用用用用中中中中碳碳碳碳钢钢钢钢经经经经正正正正火火火火即即即即可。可。可。可。vv表表表表面面面面要要要要求求求求耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性好好好好及及及及高高高高的的的的接接接接触触触触疲疲疲疲劳劳劳劳抗抗抗抗力力力力，整整整整体体体体又又又又承承承承受受受受冲冲冲冲击击击击负负负负荷荷荷荷心心心心部部部部要要要要求求求求较较较较高高高高强强强强韧韧韧韧性性性性的的的的零零零零件件件件，如如如如汽汽汽汽车车车车、拖拖拖拖拉拉拉拉机机机机变变变变速速速速箱箱箱箱齿齿齿齿轮轮轮轮，应应应应选选选选用用用用渗渗渗渗碳碳碳
13、碳钢钢钢钢，即即即即低低低低碳碳碳碳钢钢钢钢或或或或低低低低碳碳碳碳合合合合金金金金钢钢钢钢，采采采采用用用用渗渗渗渗碳碳碳碳、淬淬淬淬火火火火和和和和低低低低温温温温回回回回火火火火的热处理工艺。的热处理工艺。的热处理工艺。的热处理工艺。2021/9/2364.碳含量与热处理工艺的选择碳含量与热处理工艺的选择vv综综综综合合合合力力力力学学学学性性性性能能能能要要要要求求求求较较较较高高高高的的的的零零零零件件件件，如如如如各各各各类类类类轴轴轴轴、连连连连杆杆杆杆、螺螺螺螺栓栓栓栓等等等等，应应应应选选选选用用用用调调调调质质质质钢钢钢钢，即即即即中中中中碳碳碳碳钢钢钢钢或或或或中中中中碳
14、碳碳碳合合合合金金金金钢钢钢钢，采采采采用用用用调调调调质质质质处处处处理理理理，使使使使其其其其获获获获得得得得较较较较高高高高强强强强度度度度的的的的同同同同时时时时也也也也有有有有较较较较高的韧度。高的韧度。高的韧度。高的韧度。vv较较较较高高高高碳碳碳碳含含含含量量量量的的的的碳碳碳碳素素素素钢钢钢钢和和和和合合合合金金金金钢钢钢钢属属属属于于于于弹弹弹弹簧簧簧簧钢钢钢钢，可可可可用用用用来来来来制制制制造造造造弹弹弹弹簧簧簧簧，为为为为了了了了保保保保证证证证弹弹弹弹簧簧簧簧钢钢钢钢的的的的高高高高弹弹弹弹性性性性极极极极限限限限和和和和疲疲疲疲劳强度，应采用淬火劳强度，应采用淬火劳
15、强度，应采用淬火劳强度，应采用淬火+中温回火的热处理工艺。中温回火的热处理工艺。中温回火的热处理工艺。中温回火的热处理工艺。vv轴轴轴轴承承承承应应应应选选选选用用用用高高高高碳碳碳碳的的的的滚滚滚滚动动动动轴轴轴轴承承承承钢钢钢钢制制制制作作作作，经经经经淬淬淬淬火火火火+低低低低温温温温回回回回火火火火后后后后的的的的轴轴轴轴承承承承，具具具具有有有有高高高高硬硬硬硬度度度度、高高高高耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性和和和和高高高高的的的的接触疲劳抗力以及适当的韧度。接触疲劳抗力以及适当的韧度。接触疲劳抗力以及适当的韧度。接触疲劳抗力以及适当的韧度。2021/9/2375.5.机械结构用钢的分类机
16、械结构用钢的分类机械结构用钢的分类机械结构用钢的分类v按热处理工艺特点和用途不同，按热处理工艺特点和用途不同，将其分为调质钢、表面硬化钢将其分为调质钢、表面硬化钢（渗碳钢、渗氮钢）、超高强度（渗碳钢、渗氮钢）、超高强度钢、弹簧钢、滚动轴承钢及易切钢、弹簧钢、滚动轴承钢及易切削钢等。削钢等。2021/9/2385.3.2Steelsforhardeningandtempering调质钢调质钢vv调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。vv
17、1.1.工作条件、常见失效形式与性能要求工作条件、常见失效形式与性能要求工作条件、常见失效形式与性能要求工作条件、常见失效形式与性能要求vv如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击载多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击载多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击载多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击载荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。其主要荷作用，在轴颈或花
18、键等部位还存在较剧烈摩擦。其主要荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。其主要荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。其主要失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载荷所引失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载荷所引失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载荷所引失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载荷所引起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导致的脆性起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导致的脆性起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导致的脆性起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导致的脆性断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损，工件本身由断裂；在摩擦副的配
19、合处承受强烈摩擦磨损，工件本身由断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损，工件本身由断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损，工件本身由于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。因此，要求其于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。因此，要求其于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。因此，要求其于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。因此，要求其具有良好的综合力学性能（即既要有高强度，又要求良好具有良好的综合力学性能（即既要有高强度，又要求良好具有良好的综合力学性能（即既要有高强度，又要求良好具有良好的综合力学性能（即既要有高强度，又要求良好塑、韧性）。塑、韧性）。塑、韧性）。塑、韧性）。2021/9/239
20、曲曲轴轴连杆螺栓及其热处理工艺连杆螺栓及其热处理工艺2021/9/23102.化学成分特点化学成分特点vv（1 1）中碳）中碳）中碳）中碳vv（2 2）合金化原则）合金化原则）合金化原则）合金化原则 主加元素：主加元素：主加元素：主加元素：CrCr、NiNi、MnMn、SiSi及微量及微量及微量及微量B B等，主要作用为提高淬透性，强化等，主要作用为提高淬透性，强化等，主要作用为提高淬透性，强化等，主要作用为提高淬透性，强化F F；辅；辅；辅；辅加元素：加元素：加元素：加元素：WW、MoMo、V V、TiTi等，主要作用为细化晶等，主要作用为细化晶等，主要作用为细化晶等，主要作用为细化晶粒、进
21、一步提高钢的淬透性，粒、进一步提高钢的淬透性，粒、进一步提高钢的淬透性，粒、进一步提高钢的淬透性，WW、MoMo还起着防止还起着防止还起着防止还起着防止第二类回火脆性作用。另外第二类回火脆性作用。另外第二类回火脆性作用。另外第二类回火脆性作用。另外WW、MoMo、V V、CrCr、SiSi等还可有效提高钢的回火稳定性。等还可有效提高钢的回火稳定性。等还可有效提高钢的回火稳定性。等还可有效提高钢的回火稳定性。v3.热处理特点热处理特点vv（1 1）预先热处理）预先热处理）预先热处理）预先热处理 退火或正火。退火或正火。退火或正火。退火或正火。vv（2 2）最终热处理）最终热处理）最终热处理）最终
22、热处理调质（组织为回火索氏体）调质（组织为回火索氏体）调质（组织为回火索氏体）调质（组织为回火索氏体）或调质局部表面淬火、低温回火。或调质局部表面淬火、低温回火。或调质局部表面淬火、低温回火。或调质局部表面淬火、低温回火。2021/9/23114.常用调质钢常用调质钢 vv（1 1）低透性调质钢）低透性调质钢）低透性调质钢）低透性调质钢（D0D0油油油油303040mm40mm）如如如如4545（U20452U20452）、）、）、）、40Cr40Cr（A20402A20402）等；）等；）等；）等；vv（2 2）中淬透性调质钢）中淬透性调质钢）中淬透性调质钢）中淬透性调质钢（D0D0油油油油
23、404060mm60mm）如）如）如）如42CrMo42CrMo（A30352)A30352)、38CrMoAlA(A33382)38CrMoAlA(A33382)等等等等vv（3 3）高淬透性调质钢）高淬透性调质钢）高淬透性调质钢）高淬透性调质钢（D0D0油油油油60mm60mm）如）如）如）如40CrNiMoA(A50403)40CrNiMoA(A50403)等。等。等。等。vv某某某某40Cr40Cr钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产加工工艺路线如下所示线如下所示线
24、如下所示线如下所示:下料下料下料下料锻造锻造锻造锻造正火正火正火正火粗机加工粗机加工粗机加工粗机加工调质调质调质调质精加工精加工精加工精加工装配。装配。装配。装配。2021/9/23125.调质零件用钢的新进展调质零件用钢的新进展v（1）低碳马氏体钢）低碳马氏体钢表表表表5-5-低碳马氏体低碳马氏体低碳马氏体低碳马氏体15MnVB15MnVB钢与调质钢与调质钢与调质钢与调质40Cr40Cr钢性能对比钢性能对比钢性能对比钢性能对比钢钢钢钢号号号号状状状状态态态态硬硬硬硬度度度度/H/H/H/HRCRCRCRCb b b b/MP/MP/MP/MPa a a as s s s/MP/MP/MP/M
25、Pa a a a5 5 5 5/%/%/%/%/%/%/%/%a a a aK K K K/Jcm/Jcm/Jcm/Jcm-2 2 2 2a a a aK K K K（-50505050）/JcmJcmJcmJcm-2-2-2-215M15M15M15MnVBnVBnVBnVB40C40C40C40Cr r r r低低低低碳碳碳碳M M M M调调调调质质质质态态态态43434343383838381351351351353 3 3 31001001001000 0 0 0113311331133113380080080080012.612.612.612.69 9 9 95151515145
26、454545959595956060606070707070404040402021/9/2313为为进进一一步步提提高高劳劳动动生生产产率率、节节约约能能源源、降降低低成成本本，近近年年来来世世界界各各国国正正在在研研制制开开发发非非调调质质钢钢，以以取取代代需需淬淬、回回火火的的调调质质钢钢。非非调调质质钢钢的的化化学学成成分分特特点点是是在在中中碳碳碳碳钢钢成成分分的的基基础础上上添添加加微微量量(WMe0.2%)的的V、Ti、Nb等等元元素素，所所以以俗俗称称微微合合金金非非调调质质钢钢。其其突突出出优优点点是是不不需需淬淬、回回火火处处理理，它它通通过过控控制制轧轧制制或或锻锻造造工
27、工艺艺，在在空空冷冷条条件件下下即即可可使使零零件件获获得得较较满满意的综合力学性能，其显微组织为意的综合力学性能，其显微组织为F+P。其其强强韧韧化化机机制制是是靠靠微微合合金金元元素素在在热热变变形形加加工工后后冷冷却却时时，从从F中中析析出出弥弥散散的的K或或氮氮化化物物质质点点形形成成沉沉淀淀强强化化，同同时时又又通通过过控控制制P与与F量量的的比比例例与与P的的片片层层间间距距、细细化化晶晶粒粒等等途途径径，来来保保证证其其强强度度和和良良好好韧韧性性的的配配合合。目目前前该该钢钢存存在在的的主主要要缺缺点点是是塑塑性性、冲冲击击韧韧性性偏偏低低，因因而而限限制制了了它它在在强强冲冲
28、击条件下的应用。击条件下的应用。为为了了满满足足汽汽车车工工业业迅迅速速发发展展对对高高强强韧韧性性非非调调质质钢钢的的需需要要，近近年年来来又又发发展展了了B型型和和M型型微微合合金金非非调调质质钢钢，这这两两类类钢钢在在锻锻轧轧后后的的冷冷却却中中即即可可获获得得B和和M或或以以M为为主主的的组组织织，其其成成分分特特点点是是降降碳碳并并适适当当添添加加Mn、铬铬、钼钼、钒钒、硼硼，使使钢钢在在获获得得高高于于900MPa抗抗拉拉强强度度的的同同时时保保持持足足够够的的塑塑性性和韧性。和韧性。（2）中碳微合金非调质钢）中碳微合金非调质钢2021/9/2314（2）中碳微合金非调质钢）中碳微
29、合金非调质钢v我国已在多种型号的汽车曲轴、连杆上成功应用微合金非调质钢，例如我国一气我国已在多种型号的汽车曲轴、连杆上成功应用微合金非调质钢，例如我国一气CA15型汽车发动机曲轴采用非调质钢型汽车发动机曲轴采用非调质钢YF45V代替原代替原45钢正火或调质，其力学性能钢正火或调质，其力学性能（如表（如表5-910所示）符合所示）符合CA15曲轴产品要求。中碳微合金非调质钢的开发应用有着曲轴产品要求。中碳微合金非调质钢的开发应用有着广阔的发展前景。广阔的发展前景。vv表表表表5-9105-910非调质钢与调质钢力学性能的对比非调质钢与调质钢力学性能的对比非调质钢与调质钢力学性能的对比非调质钢与调
30、质钢力学性能的对比材料材料材料材料b b b b/MpaMpaMpaMpas s s s/MPaMPaMPaMPa5 5 5 5/%/%/%/%/%A A A AK K K K/J/J/J/J 硬度硬度硬度硬度/HBS/HBS/HBS/HBSYF45VYF45VYF45VYF45V（非（非（非（非调质钢调质钢调质钢调质钢）45454545（正火）（正火）（正火）（正火）45454545（调质调质调质调质）77977977977965265265265278478478478447347347347336036036036051951951951916.516.516.516.523.023.0
31、23.023.019.019.019.019.03333333340404040434343432727272735353535868686862202202202202402402402401701701701701951951951952102102102102402402402402021/9/23155.3.3Casehardeningsteels表面硬化钢表面硬化钢vv1.1.概述概述概述概述 v此类钢适于制造通过某种热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧此类钢适于制造通过某种热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧性适当的零件，由于表层具有较高的残余压应力而使其疲劳性能显著性适当的零件，
32、由于表层具有较高的残余压应力而使其疲劳性能显著提高。欲达表硬内韧效果，有以下三种选择：提高。欲达表硬内韧效果，有以下三种选择：v（1）承受剧烈冲击、接触应力较大且要求耐磨的零件，宜采用低）承受剧烈冲击、接触应力较大且要求耐磨的零件，宜采用低碳钢渗碳淬火工艺；碳钢渗碳淬火工艺；v（2）圆柱形或形状较简单零件，采用中碳钢的高频（或中频）感）圆柱形或形状较简单零件，采用中碳钢的高频（或中频）感应加热表面淬火工艺；应加热表面淬火工艺；v（3）机床主轴、丝杠和发动机曲轴等要求尺寸精确的零件，一般）机床主轴、丝杠和发动机曲轴等要求尺寸精确的零件，一般采用渗氮处理工艺，加热温度低，热处理变形小。采用渗氮处理
33、工艺，加热温度低，热处理变形小。v此外，激光表面热处理等新工艺也逐步被采用。此外，激光表面热处理等新工艺也逐步被采用。2021/9/23162.渗碳钢渗碳钢 vv（1 1）工作条件、常见失效形式与性能要求）工作条件、常见失效形式与性能要求）工作条件、常见失效形式与性能要求）工作条件、常见失效形式与性能要求v此类钢主要用于在承受较强烈摩擦磨损和较大冲击载荷此类钢主要用于在承受较强烈摩擦磨损和较大冲击载荷条件下工作的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，条件下工作的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。此类零件常见的失效形式主内燃机上的凸轮、活塞销等。此类零件常见的失效形
34、式主要有工作表面承受较大的接触疲劳载荷而引起的局部破坏要有工作表面承受较大的接触疲劳载荷而引起的局部破坏（俗称麻点剥落），承载较重而引起的工作表面过度磨损，（俗称麻点剥落），承载较重而引起的工作表面过度磨损，或是由于工作时承受的冲击载荷过大而导致的断裂等。因或是由于工作时承受的冲击载荷过大而导致的断裂等。因此，这类零件工作时要求其表面硬而耐磨，而零件心部则此，这类零件工作时要求其表面硬而耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受较大冲击载荷作用，即要求有较高的韧性和强度以承受较大冲击载荷作用，即“表硬内韧表硬内韧”是其主要性能要求。是其主要性能要求。2021/9/23172.渗碳钢渗碳钢v
35、v（2）化学成分特点）化学成分特点v低碳低碳(Wc=0.10.25%)：实际为渗碳件心部实际为渗碳件心部的含碳量，这对保证工件心部有足够塑、韧性是十分必要的含碳量，这对保证工件心部有足够塑、韧性是十分必要的。若碳含量过低，表面的渗碳层易于剥落的。若碳含量过低，表面的渗碳层易于剥落;碳含量过高，碳含量过高，则心部塑、韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低则心部塑、韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。弯曲疲劳强度。v合金化原则：合金化原则：其主加元素为其主加元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等，提高心部淬透性和强化等，提高心部淬透性和强化F;辅加元素辅加元素W、Mo、V、Ti等，
36、等，用以细化晶粒、进一步提高心部淬透性。用以细化晶粒、进一步提高心部淬透性。2021/9/23182.渗碳钢渗碳钢vv（3）热处理特点）热处理特点预先热处理一般为正火预先热处理一般为正火；最终热处理一般为渗碳后进行淬火及低温回火，最终热处理一般为渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度、高耐磨性的表层及强而韧的心部。以获得高硬度、高耐磨性的表层及强而韧的心部。图图图图 渗碳后常用热处理工艺渗碳后常用热处理工艺渗碳后常用热处理工艺渗碳后常用热处理工艺 1 1直接淬火法；直接淬火法；直接淬火法；直接淬火法；2 2一次淬火法；一次淬火法；一次淬火法；一次淬火法；3 3二次淬火法二次淬火法二次淬火法二次
37、淬火法2021/9/2319（4）渗碳钢经最终热处理后的）渗碳钢经最终热处理后的组织特征组织特征vv经最终热处理后的组织应为:v表层表层由回火由回火M加粒状合金加粒状合金K及少量残余及少量残余A组成组成;v心部心部由低碳回火由低碳回火M及少量及少量F(淬透时淬透时)或或F加加M(未淬透时未淬透时)组成组成。2021/9/2320（5）常用渗碳钢）常用渗碳钢 vv低淬透性低淬透性(低强度低强度)渗碳钢渗碳钢(D0水水2035mm，WMe2%,b800MPa）vv常用钢种有常用钢种有20(U20202)、20Cr(A20202)等，其淬透性低，只适用等，其淬透性低，只适用于受力不大、对心部强度要求
38、不高的小于受力不大、对心部强度要求不高的小型、耐磨渗碳件，如套筒、活塞销等。型、耐磨渗碳件，如套筒、活塞销等。2021/9/2321（5）常用渗碳钢）常用渗碳钢vv中淬透性中淬透性(中强度中强度)渗碳钢渗碳钢(D0油油2560mm，WMe=25%，b=8001200MPa)常用钢种有常用钢种有常用钢种有常用钢种有20CrMnTi(A26202)20CrMnTi(A26202)等，这类钢等，这类钢等，这类钢等，这类钢的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般机器中较为重要的渗碳件
39、，如汽车、拖拉机变机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机变机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机变机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机变速齿轮及活塞销等。因含有速齿轮及活塞销等。因含有速齿轮及活塞销等。因含有速齿轮及活塞销等。因含有TiTi或或或或V V等阻碍等阻碍等阻碍等阻碍A A晶粒晶粒晶粒晶粒长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在渗碳后预冷至渗碳后预冷至渗碳后预冷至渗碳后预冷至860860左右直接淬火、然后低温左右直接淬火、然后低温左右直接淬火、然后低温左右直接淬火
40、、然后低温回火。回火。回火。回火。2021/9/2322（5）常用渗碳钢）常用渗碳钢vv高淬透性高淬透性(高强度高强度)渗碳钢渗碳钢(D0油油100mm，WMe，b1200MPa)常用钢种有常用钢种有18Cr2Ni4WA(A52183)等。等。由于具有很高的淬透性、心部强度很高，由于具有很高的淬透性、心部强度很高，因此这类钢可用于制造截面较大的重负因此这类钢可用于制造截面较大的重负荷渗碳件，如航空发动机变速齿轮、轴荷渗碳件，如航空发动机变速齿轮、轴等。等。2021/9/2323（5）常用渗碳钢）常用渗碳钢v某某20CrMnTi钢制钢制CA-10B载重汽车变速箱中间轴的三载重汽车变速箱中间轴的三
41、档齿轮的加工工艺路线如下档齿轮的加工工艺路线如下:下料下料锻造锻造正火正火加加工齿形工齿形渗碳渗碳(930)、预冷淬火、预冷淬火(830)+低温回火低温回火(200)磨齿。磨齿。（6）新的进展）新的进展近年来，生产中采用渗碳钢直接淬火并低温回火，以近年来，生产中采用渗碳钢直接淬火并低温回火，以获得低碳获得低碳M组织，用以制造某些要求综合力学性能较高组织，用以制造某些要求综合力学性能较高的零件，如传递动力的轴、重要的螺栓等。在某些场合的零件，如传递动力的轴、重要的螺栓等。在某些场合下，它还可代替中碳钢的调质处理。下，它还可代替中碳钢的调质处理。2021/9/2324例：例：20CrMnTi钢制汽
42、车变速齿轮钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线热处理工艺曲线2021/9/23253.渗氮钢简介渗氮钢简介 v渗氮钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢（如渗氮钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢（如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA钢等）。渗钢等）。渗氮钢零件一般经过调质处理、切削加工和在氮钢零件一般经过调质处理、切削加工和在500570之间的氮化处理过程。零件经渗氮之间的氮化处理过程。零件经渗氮处理后具有以下特点：处理后具有以下特点：v（1）不需再进行任何热处理即可得到非常高）不需再进行任何热处理即可得到非常高的表面硬度，因而耐磨性能优越，咬死和擦伤的表面硬度，因而耐磨性能优越，咬死和擦伤的倾向小
43、；的倾向小；v（2）有一定的耐热性，在低于渗氮温度下加）有一定的耐热性，在低于渗氮温度下加热时可保持高硬度，改善抗腐蚀性能；热时可保持高硬度，改善抗腐蚀性能；2021/9/23263.渗氮钢简介渗氮钢简介 v（3）可提高钢件的疲劳强度，改善对缺口的敏感性。）可提高钢件的疲劳强度，改善对缺口的敏感性。v（4）由于氮化处理温度较低，热处理变形小，因此特）由于氮化处理温度较低，热处理变形小，因此特别适合于尺寸精度要求较高或最终热处理要求变形小的别适合于尺寸精度要求较高或最终热处理要求变形小的机械零件（如机床丝杆、镗杆，大马力内燃机曲轴等）。机械零件（如机床丝杆、镗杆，大马力内燃机曲轴等）。v应当说明
44、的是，随着渗氮新工艺的发展，如氮碳共渗、应当说明的是，随着渗氮新工艺的发展，如氮碳共渗、离子氮化等工艺的采用，可通过氮化处理工艺改善性能离子氮化等工艺的采用，可通过氮化处理工艺改善性能的钢种逐渐增多，如中碳合金结构钢、铬钢、铬钼钢、的钢种逐渐增多，如中碳合金结构钢、铬钢、铬钼钢、铬钒钢、镍铬钼钢、铬锰钛钢、铬含量（质量分数）铬钒钢、镍铬钼钢、铬锰钛钢、铬含量（质量分数）5%的模具钢的模具钢H11和和H13，F和和M系列不锈钢，系列不锈钢，A不锈钢和沉淀不锈钢和沉淀硬化不锈钢等。硬化不锈钢等。2021/9/23275.3.4Ultrahigh-strengthsteels超高强度钢超高强度钢 v
45、通常认为，抗拉强度超过通常认为，抗拉强度超过1500MPa或屈服强度超过或屈服强度超过1380MPa的合的合金结构钢为超高强度钢。金结构钢为超高强度钢。v 1.1.性能要求性能要求性能要求性能要求v（1）很高的强度、比强度（其比强度与铝合金接近）和疲劳强度）很高的强度、比强度（其比强度与铝合金接近）和疲劳强度在静载荷和动载荷条件下，能承受很高的工作应力，从而可减轻结构重量。在静载荷和动载荷条件下，能承受很高的工作应力，从而可减轻结构重量。为保证极高的强度，此类钢充分利用了为保证极高的强度，此类钢充分利用了M强化、细晶强化、化合物弥散强化强化、细晶强化、化合物弥散强化与溶质固溶强化等多种机制的复
46、合强化作用。与溶质固溶强化等多种机制的复合强化作用。v（2）足够的韧性）足够的韧性评价此钢韧性的指标是材料的断裂韧性。具有较高断评价此钢韧性的指标是材料的断裂韧性。具有较高断裂韧性的超高强度钢，在复杂的环境下能承受高的工作应力，不致发生低应裂韧性的超高强度钢，在复杂的环境下能承受高的工作应力，不致发生低应力脆断。而改善韧性的关键是提高钢的纯净度（降低杂质力脆断。而改善韧性的关键是提高钢的纯净度（降低杂质S、P含量和非金含量和非金属夹杂物含量）、细化晶粒（如采用形变热处理工艺）并减小对碳的固溶强属夹杂物含量）、细化晶粒（如采用形变热处理工艺）并减小对碳的固溶强化的依赖程度（故超高强度钢一般是中低
47、碳、甚至是超低碳钢）。化的依赖程度（故超高强度钢一般是中低碳、甚至是超低碳钢）。2021/9/23282.类别、典型牌号及热处理类别、典型牌号及热处理 vv（1）低合金超高强度钢）低合金超高强度钢它是在合金调质它是在合金调质钢基础上发展起来的，其钢基础上发展起来的，其WC=0.30%0.45%，WMe总量总量=5%左右。通过淬火和回火，或者等温左右。通过淬火和回火，或者等温淬火处理，可获得淬火处理，可获得M回火，或回火，或B下下+M回的混合组回的混合组织，以达到高强度和良好的韧性。织，以达到高强度和良好的韧性。其典型牌号有其典型牌号有30CrMnSiNi2A、32Si2Mn2MoVA、45Cr
48、NiMo1VA（D6AC）等，）等，此类钢的生产成本较低、用途广泛，主要用于制此类钢的生产成本较低、用途广泛，主要用于制造飞机结构件，如主起落架的支柱、轮叉、机翼造飞机结构件，如主起落架的支柱、轮叉、机翼主梁；固体火箭发动机壳体、炮筒、高压气瓶和主梁；固体火箭发动机壳体、炮筒、高压气瓶和高强度螺栓等。高强度螺栓等。2021/9/23292.类别、典型牌号及热处理类别、典型牌号及热处理vv（1）低合金超高强度钢）低合金超高强度钢提高钢的纯净度是改善断裂韧性的关键。为了降低钢中气体和非金属提高钢的纯净度是改善断裂韧性的关键。为了降低钢中气体和非金属夹杂物，通常采用电弧炉或真空感应炉冶炼铸成电极再经
49、真空自耗重熔。夹杂物，通常采用电弧炉或真空感应炉冶炼铸成电极再经真空自耗重熔。如如45CrNiMo1VA钢分别采用四种冶炼工艺，均经过钢分别采用四种冶炼工艺，均经过900正火，正火，880油油淬，淬，550回火，其抗拉强度为回火，其抗拉强度为1520MPa。而断裂韧性却相差很大，见下。而断裂韧性却相差很大，见下表。表。表表表表5-5-45CrNiMo1VA 45CrNiMo1VA钢钢钢钢的断裂的断裂的断裂的断裂韧韧韧韧性性性性冶冶炼炼工工艺艺性能性能真空感真空感应应炉加真炉加真空自耗重熔空自耗重熔真空感真空感应应炉炉加加电电渣重熔渣重熔电电弧炉加弧炉加真空自耗真空自耗电电弧炉加弧炉加电电渣重熔
50、渣重熔断裂断裂韧韧性性/MPam/MPam3/23/2104.3104.3104.7104.786.786.784.184.12021/9/23302.类别、典型牌号及热处理类别、典型牌号及热处理vv（2）二次硬化型超高强度钢）二次硬化型超高强度钢系指通过淬火系指通过淬火+高温回火后，析出特殊合金高温回火后，析出特殊合金K而达到弥散强化（二次硬而达到弥散强化（二次硬化）效果的超高强度钢。主要包括化）效果的超高强度钢。主要包括Cr-Mo-V型中碳中合金型中碳中合金M热作模具钢、高韧性热作模具钢、高韧性9Ni-4Co型和型和10Ni-14Co型高韧性型高韧性超高强度钢。超高强度钢。vH型（型（Cr