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1、u 概述概述u 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性u 整体强化态钢整体强化态钢u 表面强化态钢表面强化态钢u 其他机械制造结构钢其他机械制造结构钢第第3章章 机械制造结构钢机械制造结构钢用途用途 制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。成分成分 C：0.080.65%Me：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、B等。等。通常合金元素含量不超过通常合金元素含量不超过5%，少数钢在，少数钢在510%。
2、质量质量 一般为优质钢，少数为高级优质钢。一般为优质钢，少数为高级优质钢。按用途分类按用途分类 渗碳钢、低碳马氏体钢、调质钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。渗碳钢、低碳马氏体钢、调质钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。3.1 概述概述按热处理状态来分按热处理状态来分（2）在整体淬火回火状态下使用的钢种：）在整体淬火回火状态下使用的钢种：弹簧钢：在淬火中温回火状态下使用弹簧钢：在淬火中温回火状态下使用 滚动轴承钢：在淬火低温状态下使用滚动轴承钢：在淬火低温状态下使用 超高强度钢：包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏超高强度钢：包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏体型钢、二次硬化型超高强度钢和马
3、氏体时效钢。体型钢、二次硬化型超高强度钢和马氏体时效钢。调质钢调质钢在淬火高温回火状态下使用在淬火高温回火状态下使用（1）一般供应或正火状态下使用的钢种）一般供应或正火状态下使用的钢种3.1 概述概述（4）高频淬火用钢）高频淬火用钢高、中频淬火后低温回火使用高、中频淬火后低温回火使用 （3）在化学热处理后使用的钢种）在化学热处理后使用的钢种3.1 概述概述3.1 概述概述机器零件用钢的服役条件：机器零件用钢的服役条件：1、承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是多种载荷的交互作用。服役环境是摩擦等力的作用，或者是多种载荷
4、的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。范围之间。2、机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有、机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。因此机器零件用钢在性能上的要求与工合适的公差配合等。因此机器零件用钢在性能上的要求与工程构件用钢有所不同。程构件用钢有所不同。3.1 概述概述 机器零件用钢对力学性能要求：机器零件用钢对力学性能要求：1、要求一定的强度和韧性，以保证机器零件体积小、结构紧、要求一定的强度和韧性，以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好凑及安全性好;2、要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。、要求有良好
5、的疲劳性能与耐磨性等。因此对机器零件用钢因此对机器零件用钢必须进行热处理强化必须进行热处理强化以充分发挥钢材的以充分发挥钢材的性能潜力。性能潜力。3.1 概述概述机器零件对工艺性能的要求：机器零件对工艺性能的要求：主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为：主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为：型材型材改锻改锻预先热处理预先热处理粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工 其中以其中以切削加工性能和热处理工艺性能切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要为机器零件用钢的主要工艺性能；工艺性能；对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）对钢材的其它工艺性能
6、（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。也有要求，但一般问题不大。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.1 概述概述机器零件用钢合金化特点：机器零件用钢合金化特点：主加主加元素元素 Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：主要作用：淬透性和力学性能。淬透性和力学性能。辅加辅加元素元素 Mo、W、V等。等。过热敏感性，过热敏感性，回火脆性，回火脆性，淬透性。淬透性。最佳最佳范围范围 结构钢常用范围：结构钢常用范围：1.2%Si，2%Mn，12%Cr，14%Ni，0.5%Mo，0.2%V，0.1%Ti，0.40.8%W。单独
7、加入或复合加入。单独加入或复合加入。有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低碳构件钢中的碳构件钢中的Si、Mn含量。含量。有些元素增多，会恶化有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢的分布。如轴承钢中的中的Cr。有的元素含量过多，会改变有的元素含量过多，会改变K类型，增加热类型，增加热处理过程的难度。如处理过程的难度。如V、Mo含量。含量。合金元素的作用往往不是随量的增加而线性合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。地增加的。3.1 概述概述3.1 概述概述零件材料和工艺选择途径：零件材料和工艺选择途径：低碳马氏体型结构钢，采用淬火低碳马氏体型结构钢，
8、采用淬火+低温回火。低温回火。为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机齿轮类为代表。齿轮类为代表。回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高高温回火。为了提高耐磨性，可进行渗氮处理或高温回火。为了提高耐磨性，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。轴类零件频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。为典型。1、对对于要求良好于要求良好综综合力学性能，零件合力学性能，零件选选材的途径材的途径为为：3.1 概述概述2、如要求更高的、如要求更高的强强度，度，则则适当适当牺牺牲塑牲塑韧韧性。可性。可选择选择中碳
9、中碳钢钢，采用低温回火工，采用低温回火工艺艺。如低合金中碳。如低合金中碳马马氏体氏体钢钢。农农用用机械机械应应用用较较多。多。3、如要求高的、如要求高的弹弹性极限和屈服性极限和屈服强强度，又要有度，又要有较较高的塑性高的塑性和和韧韧度，度，则选择则选择中高碳中高碳钢钢，进进行中温回火。如行中温回火。如弹弹簧簧钢钢。4、零件要求高、零件要求高强强度、高硬度、高接触疲度、高硬度、高接触疲劳劳性和一定的塑性和一定的塑性和性和韧韧度，可用高碳度，可用高碳钢钢，淬火，淬火+低温回火。如低温回火。如轴轴承承钢钢。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 一、结构钢的强化一、结构钢的强化1.位错强化位错
10、强化 在再结晶温度以下，随着形变量增大，在晶体内产生均匀分布在再结晶温度以下，随着形变量增大，在晶体内产生均匀分布的高密度位错或不均匀分布的胞状结构（即位错密度低的区域被的高密度位错或不均匀分布的胞状结构（即位错密度低的区域被高密度位错墙所分割），位错密度升高，硬度上升、塑性和韧性高密度位错墙所分割），位错密度升高，硬度上升、塑性和韧性下降。下降。0Gb1/2 金属的流变应力；金属的流变应力；0退火金属的流变应力；退火金属的流变应力；系数，系数，0.5；G切变模量；切变模量；b柏氏矢量；柏氏矢量；位错密度位错密度 途径：冷形变，相变过程中的切变。途径：冷形变，相变过程中的切变。3.2 结构钢的
11、强度与脆性结构钢的强度与脆性 2.细晶强化细晶强化s=0+kyd-1/2 d：淬火前奥氏体晶粒尺寸。（淬火回火钢）：淬火前奥氏体晶粒尺寸。（淬火回火钢）措施：措施：未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒。多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒。3.固溶强化固溶强化 （1）利用碳的固溶强化。）利用碳的固溶强化。具有多型性转变是进行淬火的必要条件。具有多型性转变是进行淬火的必要条件。1%C：可使：可使s 增高增高550MPa，但，但C在在-Fe中溶解度中溶解度0.025%。（2）利用合金元素的固溶强化。）利用合金元素的固溶强化。利用利用Mn，Si，Cr，
12、Ni等在等在相中的固溶强化。相中的固溶强化。1%Mo：在：在-Fe中溶解度中溶解度30%，但其提高，但其提高s 的强化系数只有的强化系数只有11MPa/%。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 4.沉淀强化沉淀强化 将多量的合金元素溶入将多量的合金元素溶入铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。合金钢：析出碳化物。合金钢：析出碳化物。马氏体时效钢：析出金属间化合物（马氏体时效钢：析出金属间化合物（Ni3Ti，Ni3Mo，Fe2Mo等）。等）。5.马氏体强化马氏
13、体强化 来源于：固溶强化，沉淀强化，相变冷作硬化。前两项合计占来源于：固溶强化，沉淀强化，相变冷作硬化。前两项合计占85%90%。析出物的数量；析出物的数量；析出物本身特性；析出物本身特性；析出物尺寸和弥散度。析出物尺寸和弥散度。影响因素影响因素3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 二、结构钢的脆性断裂二、结构钢的脆性断裂 零件的损坏主要分为变形和断裂。零件的损坏主要分为变形和断裂。韧性断裂：经过大量的塑性变形后的断裂。韧性断裂：经过大量的塑性变形后的断裂。脆性断裂：没有发生较大量的塑性变形或仅脆性断裂：没有发生较大量的塑性变形或仅 仅发生少量塑性变形的断裂。仅发生少量塑性变形的断裂。
14、分类分类3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 1.脆性断裂：脆性断裂：金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标。金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标。（1）来自强化：）来自强化：s，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。（2）来自脆化：）来自脆化：生产、加工过程中产生了缺陷，生产、加工过程中产生了缺陷，s不增加，而不增加，而f 下降。下降。sTk，sf，韧性断裂；，韧性断裂；Tf，脆性断裂。，脆性断裂。3.韧韧-脆转变温度脆转变温度Tk的测量的测量（1）低强度钢、中强度钢；）低强度钢、中强度钢；有明显脆性转变温度，常用冲击试验法来
15、测量。有明显脆性转变温度，常用冲击试验法来测量。必须避免在脆转温度以下使用。必须避免在脆转温度以下使用。（2）高强度钢）高强度钢 没有明显的韧没有明显的韧-脆转变温度。脆转变温度。室温下冲击功也很低，被认为是半脆性材料，必须用其它性能室温下冲击功也很低，被认为是半脆性材料，必须用其它性能指标来衡量抗脆断能力。指标来衡量抗脆断能力。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 4.断裂断裂韧韧性性 kIC kIC：金属材料抵抗材料中裂：金属材料抵抗材料中裂纹纹突然突然扩扩展的能力，是高展的能力，是高强强度度钢结钢结构构设计设计的依据。的依据。在高在高强强度度钢钢中存在有微小的裂中存在有微小的裂纹
16、纹，当裂，当裂纹纹尺寸增大到一定尺寸尺寸增大到一定尺寸时时，裂，裂纹纹突然突然扩扩展，零件展，零件发发生脆断。生脆断。a：裂：裂纹纹突然突然扩扩展展时时裂裂纹纹的尺寸之半。的尺寸之半。对对一定一定组织组织、结结构的材料来构的材料来说说，kIC为为定定值值，是其内部，是其内部组织组织的的特征性能。特征性能。随着随着钢钢的屈服的屈服强强度的增高，其冲度的增高，其冲击韧击韧性和断裂性和断裂韧韧性不断下降。性不断下降。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 5.表面缺陷的敏感性表面缺陷的敏感性 金属材料和内部金属材料和内部总总是存在着或大或小的裂是存在着或大或小的裂纹纹。尺寸小于。尺寸小于检验检
17、验方法灵敏度的裂方法灵敏度的裂纹则纹则潜伏在工件内部而未被潜伏在工件内部而未被检测检测出来，它出来，它们们在在设设计应计应力下不致使工件力下不致使工件马马上上发发生突然断裂，但是在生突然断裂，但是在长时间长时间的无数次的无数次周期周期变变化的化的应应力作用下，将逐力作用下，将逐渐扩渐扩大，当大，当扩扩大到一定尺寸后，所大到一定尺寸后，所余下来界面不能余下来界面不能负负担所加的外力，工件就会担所加的外力，工件就会发发生生韧韧性断裂或脆性性断裂或脆性断裂，所以断裂，所以疲疲劳劳断裂是引起机械零件破坏的最常断裂是引起机械零件破坏的最常见见的方式。的方式。低、中低、中强强度度钢钢：钢钢的的强强度上升，
18、缺口度上升，缺口强强度也上升。度也上升。高高强强度度钢钢：钢钢的的强强度上升，缺口度上升，缺口强强度反而下降。度反而下降。3.3 整体强化态钢整体强化态钢 整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，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。大部分是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏；其主要失效形式是疲劳破坏；主要性能指标主要性能指标-1-1、Rb、Ak、KIC等。等。总体上要求良好的综合力学性能。总体上要求良好的综合力学性能。基基本本情情况况 主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质杆、螺栓、主轴、半轴等
19、。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。主主要要应应用用3.3 整体强化态钢整体强化态钢一、调质钢一、调质钢淬透性原则淬透性原则:淬透性相近的同类调质钢，可互相代用。淬透性相近的同类调质钢，可互相代用。屈服强度相同的碳钢和合金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断面收缩率变化0.250.45%C的合金钢经调的合金钢经调质后室温性能变化质后室温性能变化（一）调质钢的用途与性能要求（一）调质钢的用途与性能要求 1.用途用途 常采用淬火常采用淬火+高温回火工艺，制造要求较高综合机械性能的齿轮、高温回火工艺，制造要求较高综合机械性
20、能的齿轮、轴、拉杆等零件，在机械零件中用量最大。实际上，还可采用正火、轴、拉杆等零件，在机械零件中用量最大。实际上，还可采用正火、等温淬火、低温回火等工艺手段。等温淬火、低温回火等工艺手段。结构钢抗拉强度与硬度的关系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结构钢是否淬透对屈强比的影响3.3 整体强化态钢整体强化态钢3.3 整体强化态钢整体强化态钢2.性能要求性能要求（1）良好的良好的综综合机械性能；合机械性能；HHF+S。HF：铁铁素体基体的硬度。（素体基体的硬度。（铁铁素体的晶粒大小；合金元素素体的晶粒大小；合金元素的固溶的固溶强强化。）化。）：碳化物的：碳化物的强强化系数。化
21、系数。S：碳化物：碳化物颗颗粒粒总总表面表面积积。（碳化物的分散度越大，碳化物。（碳化物的分散度越大，碳化物的的颗颗粒越粒越细细，其，其总总表面表面积积就越大，弥散就越大，弥散强强化作用越大。）化作用越大。）H：钢钢高温回火后的硬度。高温回火后的硬度。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（2）足足够够的淬透性的淬透性 单单向均匀拉、向均匀拉、压压、剪切：心部、剪切：心部90%马马氏体。氏体。弯扭弯扭：离：离轴轴的表面的表面1/41/2R（半径）（半径）处处90%马马氏体。氏体。曲曲轴轴：离表面：离表面1/4R处处50%马马氏体。氏体。（3）防止高温回火脆性防止高温回火脆性3.3 整体强化态钢整体强
22、化态钢（二）（二）调质钢调质钢的合金化的合金化 1.调质钢调质钢的化学成分特点的化学成分特点 0.25%0.45%钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。含量过高则韧性下降。中碳中碳 提高淬透性。提高淬透性。Cr、Mo、W、V等：阻碍碳化物在高温回火等：阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高硬度；时的聚集长大，保持钢的高硬度；Mn：会增大过热敏感性；：会增大过热敏感性；Cr有回火脆性倾向；有回火脆性倾向；Mo、V：细化晶粒；：细化晶粒；Mo：降低
23、回火脆性；：降低回火脆性；V：降低过热敏感性。：降低过热敏感性。Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、B等等 3.3 整体强化态钢整体强化态钢 调质处理是淬火后进行高温回火，回火温度调质处理是淬火后进行高温回火，回火温度又正好处于第二类回火脆性的温度范围。又正好处于第二类回火脆性的温度范围。高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性，高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性，合金调质钢一般用于制造大截面零件，用快速合金调质钢一般用于制造大截面零件，用快速冷却难以抑制这类回火脆性，因此通常在这类冷却难以抑制这类回火脆性，因此通常在这类钢中加入钢中加入Mo、W来防止回火脆性。来防止回火脆性。抑抑制制回回火火
24、脆脆性性元元素素3.3 整体强化态钢整体强化态钢 在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。Dc为油淬为油淬临界直径。临界直径。低淬透性低淬透性合金钢：合金钢：Dc3040mm，有，有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等等 中淬透性中淬透性合金钢：合金钢：Dc：4060mm，有，有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等等 高淬透性高淬透性合金钢：合金钢：Dc60100mm，有，有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等等不同合金化不同合金化对钢对钢淬透性的影响（淬透性的影响（DC
25、为为油淬油淬临临界直径）界直径）3.3 整体强化态钢整体强化态钢3.3 整体强化态钢整体强化态钢二、微合金非调质钢二、微合金非调质钢 非调质钢是不进行调质处理而非调质钢是不进行调质处理而通过锻造时控制终锻温度及锻通过锻造时控制终锻温度及锻后的冷却速度后的冷却速度即可获得具有高强韧性的钢材。如即可获得具有高强韧性的钢材。如YF45V钢。钢。（一）微合金元素对强韧化的贡献（一）微合金元素对强韧化的贡献 非调质钢组织非调质钢组织：主要是：主要是F+P+弥散析出弥散析出K。主要强化作用主要强化作用：细化组织和相间沉淀。：细化组织和相间沉淀。微合金化元素微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素（等元素（V
26、的主要贡献是沉的主要贡献是沉淀强化）。淀强化）。多元适量，复合加入多元适量，复合加入：Nb-V-N和和Ti-V等（主要贡献是细化等（主要贡献是细化组织）。组织）。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）非（二）非调质钢调质钢强强韧韧化工化工艺艺 利用控利用控轧轧（锻锻）控冷技）控冷技术术来提高来提高钢钢的的强强韧韧性能。性能。1.控制控制轧轧（锻锻）形形变变温度和形温度和形变变量既能影响再量既能影响再结结晶温度和奥氏体晶粒大小，又晶温度和奥氏体晶粒大小，又影响形影响形变诱发变诱发析出的程度。适当开展析出的程度。适当开展较较低的低的终轧终轧（锻锻）温度，可有）温度，可有效地效地产产生形生形变诱发变
27、诱发析出的弥散析出的弥散质质点。同点。同时时，再，再结结晶晶驱动驱动力小，晶粒力小，晶粒可可进进一步一步细细化。化。形形变产变产生的生的应应力破坏了原有的力破坏了原有的热热平衡，使奥氏体中平衡，使奥氏体中C和和Me的平的平衡含量下降，同衡含量下降，同时时由于由于产产生了大量的位生了大量的位错错等缺陷，提供了碳化物脱等缺陷，提供了碳化物脱溶析出的溶析出的场场所，所，诱发诱发了碳化物的析出，而了碳化物的析出，而细细小弥散的第二相小弥散的第二相质质点可点可阻碍再阻碍再结结晶的晶的进进行。行。3.3 整体强化态钢整体强化态钢2.控制冷却控制冷却 加工后快冷，特加工后快冷，特别别是在是在800500之之
28、间间快冷能快冷能细细化晶粒化晶粒组组织织，阻止析出物，阻止析出物长长大，大，进进一步提高一步提高强强度和度和韧韧度。度。但但过过快的冷却又会使相快的冷却又会使相间间析出不能充分析出不能充分进进行，不能行，不能获获得好得好的的强强化效果。化效果。所以一般冷速控制在所以一般冷速控制在200。（2）直接从）直接从锻锻造温度淬火而造温度淬火而产产生自回火，得到生自回火，得到细细小均匀小均匀分布的碳化物和板条状分布的碳化物和板条状马马氏体，氏体，强强韧韧度达到合金度达到合金调质钢调质钢的的水平。水平。3.3 整体强化态钢整体强化态钢三、三、弹簧钢弹簧钢板簧：承受弯曲载荷；板簧：承受弯曲载荷；螺旋弹簧（压
29、簧、拉簧和扭簧）：主要承受扭转应力；螺旋弹簧（压簧、拉簧和扭簧）：主要承受扭转应力；主要失效形式为主要失效形式为疲劳破坏疲劳破坏；另一个常见的失效形式是；另一个常见的失效形式是弹性弹性减退减退，即弹簧材料长期在动、静载荷作用下，在室温发生塑，即弹簧材料长期在动、静载荷作用下，在室温发生塑性变形和弹性模量降低的现象。性变形和弹性模量降低的现象。（一）弹簧钢的特点（一）弹簧钢的特点 弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常
30、工作。包括板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。的正常工作。包括板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。3.3 整体强化态钢整体强化态钢1.性能要求性能要求 （1）高的屈服）高的屈服强强度和度和弹弹性极限，高的屈性极限，高的屈强强比，避免比，避免发发生永久生永久变变形。形。（2）高的疲）高的疲劳劳极限。极限。（3）足）足够够的冲的冲击韧击韧性和塑性。性和塑性。（4）足）足够够的淬透性。的淬透性。（5）在某些）在某些环环境下，境下，还还要求具有要求具有导电导电、导导磁、耐高温和耐磁、耐高温和耐蚀蚀性。性。2.组织组织 经经淬火淬火+中温回火后得到回火屈氏体中温回火后得到回火屈氏体组织组织。3.3 整体强化态钢整体
31、强化态钢（二）合金化（二）合金化 使弹簧具有很高的强度。使弹簧具有很高的强度。碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：0.601.05%C；合金弹簧钢：合金弹簧钢：0.400.74%C碳碳 淬透性；淬透性；固溶强化铁素体，固溶强化铁素体，Si 弹性极限；弹性极限；Si钢的回火稳定性，使其在相同的回火温度下钢的回火稳定性，使其在相同的回火温度下具有高的硬度和强度。具有高的硬度和强度。但但Si含量高时含量高时大大C石墨化石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。则易于使钢过热。Si、Mn 提高淬透性；提高淬透性；Mo（W）、）、V、为碳化物形成元素，它们可以防、为碳化物形成
32、元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，提高回火稳定性。止过热（细化晶粒）和脱碳，提高回火稳定性。Cr、Mo(W)、V、B 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（三）（三）弹弹簧簧钢钢的分的分类类及及热处热处理理 通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，再用冷成形方通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，再用冷成形方法制成一定形状的弹簧。如先作冷变形的高强度钢丝（钢琴丝）、法制成一定形状的弹簧。如先作冷变形的高强度钢丝（钢琴丝）、硬钢丝、不锈钢丝等。硬钢丝、不锈钢丝等。冷成形的弹簧在冷成形之后要进行冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200400的低温回火。由的低温回火。由于冷成形弹簧在成形之
33、前，钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。化状态，所以通常只能制造小型弹簧。冷冷成成形形弹弹簧簧钢钢 一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢材在热成形之前一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能，在热成形之后，进行淬火并不具备弹簧所要求的性能，在热成形之后，进行淬火+中温回火中温回火，以获得所要求的性能。，以获得所要求的性能。在热成形之后于在热成形之后于830870进行油冷淬火，然后再于进行油冷淬火，然后再于420520左右进行中温回火，获得回火屈氏体，渗碳体以细小的
34、颗粒分左右进行中温回火，获得回火屈氏体，渗碳体以细小的颗粒分布在布在相的基体上的组织。相的基体上的组织。热热成成形形弹弹簧簧钢钢3.3 整体强化态钢整体强化态钢 弹弹簧在簧在热处热处理后通常理后通常还还要要进进行行喷喷丸丸处处理，使表面理，使表面强强化并在表面化并在表面产产生残余生残余压应压应力以提高疲力以提高疲劳劳强强度，寿命提高度，寿命提高26倍。倍。在在实实用中，用中，还还可以根据可以根据钢钢材的表面状材的表面状态调态调整回火温度。整回火温度。如如钢钢材表面材表面质质量量较较好（好（经过经过磨削），可磨削），可选选用低限回火温度，以用低限回火温度，以保保证证高的高的弹弹性；性；如表面如表
35、面质质量欠佳，量欠佳，则则可可选选用上限回火温度，以提高用上限回火温度，以提高钢钢的的韧韧性，性，降低降低弹弹簧簧对对表面缺陷的敏感性。表面缺陷的敏感性。此外，在成形及此外，在成形及热处热处理理过过程中，要特程中，要特别别注意防止表面注意防止表面产产生氧化生氧化脱碳及脱碳及伤伤痕，防止疲痕，防止疲劳劳裂裂纹纹源的形成。源的形成。3.3 整体强化态钢整体强化态钢四、轴承钢四、轴承钢 （1）受力状况）受力状况（以（以单单列向心列向心滚动轴滚动轴承承为为例）例）高的接触高的接触应应力；力；滚动轴滚动轴承内外套圈与承内外套圈与滚动滚动体之体之间间呈点或呈点或线线接触，接触面接触，接触面积积极小，接触极
36、小，接触应应力达到力达到30005000MPa。扭扭转转、弯曲等交、弯曲等交变负变负荷；荷；既有既有滚动滚动摩擦，摩擦，还还有滑有滑动动摩擦。摩擦。受大气和受大气和润润滑滑剂剂的腐的腐蚀蚀作用。作用。正常破坏形式是接触疲正常破坏形式是接触疲劳劳破坏，其次是磨破坏，其次是磨损损使精度使精度丧丧失。失。滚动轴承的作用是支撑轴。轴承钢制造滚动轴承的内套、外滚动轴承的作用是支撑轴。轴承钢制造滚动轴承的内套、外套、滚动体。套、滚动体。（一）轴承钢的合金化（一）轴承钢的合金化 1.滚动轴承的工作条件及性能要求滚动轴承的工作条件及性能要求 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（2）疲劳裂纹的产生及扩展）疲劳裂纹
37、的产生及扩展 疲劳裂纹的产生疲劳裂纹的产生外因外因 在接触表面下在接触表面下0.786b深度处切应力达到最大值，在深度处切应力达到最大值，在高应力长时间运转下，这个区域产生剧烈的塑性变形。高应力长时间运转下，这个区域产生剧烈的塑性变形。（b：滚动体与套圈接触带的宽度）：滚动体与套圈接触带的宽度）A.回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体。回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体。强度降低；比容减小，引起附加张应力。强度降低；比容减小，引起附加张应力。B.存在非金属夹杂和粗大碳化物。存在非金属夹杂和粗大碳化物。内因内因3.3 整体强化态钢整体强化态钢 疲疲劳劳裂裂纹纹的的扩扩展展 裂裂纹纹沿切
38、沿切应应力方向力方向发发展，展，扩扩展方向与表面呈展方向与表面呈45夹夹角，沿内角，沿内部部组织组织、成分、成分、应应力不均匀区延伸至表面。力不均匀区延伸至表面。材料内部的各种缺陷、材料内部的各种缺陷、软软点和点和夹杂夹杂物的存在是物的存在是产产生疲生疲劳劳裂裂纹纹的主要原因，危害最大。的主要原因，危害最大。（3）性能要求）性能要求 高而均匀的硬度和耐磨性；高而均匀的硬度和耐磨性；高的接触疲高的接触疲劳劳强强度；度；高的高的弹弹性极限和一定的冲性极限和一定的冲击韧击韧性；性；尺寸尺寸稳稳定性好，保定性好，保证证工作工作时时的精度。的精度。一定的抵抗大气、一定的抵抗大气、润润滑油化学腐滑油化学腐
39、蚀蚀的能力；的能力；具有良好的冷、具有良好的冷、热热加工工加工工艺艺性。性。3.3 整体强化态钢整体强化态钢2.轴轴承承钢钢的的显显微微组织组织（以（以GCr15为为例）例）回火回火马马氏体基体上均匀分布着氏体基体上均匀分布着细细小小颗颗粒的碳化物，加上少量的粒的碳化物，加上少量的残余奥氏体，淬火后的晶粒度在残余奥氏体，淬火后的晶粒度在58级级以上。以上。回回火火马马氏氏体体 为板条马氏体和片状马氏体的混合型。固溶体中为板条马氏体和片状马氏体的混合型。固溶体中碳含量一般为碳含量一般为0.50.6%研究表明，马氏体基体含研究表明，马氏体基体含C量为量为0.45%。此时。此时疲劳寿命最高。疲劳寿命
40、最高。含含C量低时，马氏体强度低。量低时，马氏体强度低。含含C量高时，马氏体脆性大。量高时，马氏体脆性大。马氏体中碳浓度均匀，可以阻止裂纹扩展。马氏体中碳浓度均匀，可以阻止裂纹扩展。高碳区脆性大，低碳区强度低，裂纹通常沿高高碳区脆性大，低碳区强度低，裂纹通常沿高 碳区和低碳区的交界处扩展。碳区和低碳区的交界处扩展。3.3 整体强化态钢整体强化态钢未溶未溶碳化碳化物物提高耐磨性，并在淬火加热时细化奥氏体晶粒。提高耐磨性，并在淬火加热时细化奥氏体晶粒。数量为数量为78%（体积）；（体积）；均匀分布；均匀分布；颗粒颗粒细小，通常为细小，通常为0.50.6m；大小匀称。大小匀称。残余残余奥氏奥氏体体
41、少量残余奥氏体可阻碍裂纹形成和扩展。少量残余奥氏体可阻碍裂纹形成和扩展。吸收应变能，减少应力集中；吸收应变能，减少应力集中；产生加工硬化和相变强化。产生加工硬化和相变强化。残余奥氏体过多会降低硬度和耐磨性，并影响尺残余奥氏体过多会降低硬度和耐磨性，并影响尺寸稳定性。寸稳定性。淬火淬火晶粒晶粒度度细化晶粒可提高机械性能。细化晶粒可提高机械性能。马氏体组织的细化及改善碳浓度的均匀性。马氏体组织的细化及改善碳浓度的均匀性。提高强度和韧性。提高强度和韧性。提高抗裂纹扩展能力。提高抗裂纹扩展能力。3.3 整体强化态钢整体强化态钢高高碳碳 0.95-1.15%，保证马氏体的碳含量和未溶碳化，保证马氏体的碳
42、含量和未溶碳化物的数量。物的数量。Cr 主要作用是提高淬透性，促使淬火及回火后主要作用是提高淬透性，促使淬火及回火后整个截面上获得较均匀的组织；整个截面上获得较均匀的组织；部分形成比较稳定的（部分形成比较稳定的（Fe，Cr）3C。Mo，Mn，Si，V 进一步增加淬透性，用于制造大型轴承进一步增加淬透性，用于制造大型轴承。严格控制杂质元素（严格控制杂质元素（S，P）和残余元素（）和残余元素（Ni，Cu）含量）含量 GCr15的的化学化学成分成分 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）轴承钢的冶金质量（二）轴承钢的冶金质量 轴承钢由非金属夹杂物和碳化物不均匀性冶金质量缺陷造成的轴承钢由非金属夹杂物
43、和碳化物不均匀性冶金质量缺陷造成的失效占总失效的失效占总失效的65%。1.非金属夹杂物非金属夹杂物（1）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，显著降低疲劳寿命。于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，显著降低疲劳寿命。其影响与其影响与数量、类型、大小、形态和分布数量、类型、大小、形态和分布有关，需综合考虑。有关，需综合考虑。3.3 整体强化态钢整体强化态钢 夹杂物尺寸越大，危害也越大。夹杂物尺寸越大，危害也越大。2030m，急剧降
44、低疲劳寿命。，急剧降低疲劳寿命。在相同尺寸大小情况下，夹杂物的危害大小程度顺序为：在相同尺寸大小情况下，夹杂物的危害大小程度顺序为：刚玉刚玉尖晶石尖晶石点状不变形夹杂物点状不变形夹杂物半塑性夹杂物半塑性夹杂物塑性硅酸盐塑性硅酸盐硫化物硫化物 夹杂物的数量越多，寿命越低夹杂物的数量越多，寿命越低 夹杂物呈细条状塑性夹杂物危害较小，棱角锋锐的脆性夹杂物危害最大夹杂物呈细条状塑性夹杂物危害较小，棱角锋锐的脆性夹杂物危害最大分布均匀时危害小。分布均匀时危害小。非非金金属属夹夹杂杂物物对对轴轴承承钢钢疲疲劳劳寿寿命命的的影影响响 3.3 整体强化态钢整体强化态钢危害危害在球化退火和淬火时不能完全消除，在
45、球化退火和淬火时不能完全消除，明显增加零件的脆性明显增加零件的脆性形成形成A.终轧温度过高；终轧温度过高；B.轧后冷却速度过慢；轧后冷却速度过慢；C.钢锭中原始碳化物偏析大钢锭中原始碳化物偏析大消除消除正火处理正火处理网网状状碳碳化化物物2.轴承钢的碳化物不均匀性轴承钢的碳化物不均匀性3.3 整体强化态钢整体强化态钢 危害危害 A.退火后不易得到均匀的细粒状珠光体；退火后不易得到均匀的细粒状珠光体；B.淬火组织和硬度不均匀；淬火组织和硬度不均匀；C.机械性能呈各向异性；机械性能呈各向异性；D.降低接触疲劳强度性降低接触疲劳强度性 形成形成 钢锭有枝晶偏析，在各枝晶之间富集钢锭有枝晶偏析，在各枝
46、晶之间富集C和和Cr，富富C和富和富Cr区沿轧制方向延伸，在冷却过程中从区沿轧制方向延伸，在冷却过程中从奥氏体中析出碳化物，形成带状碳化物。奥氏体中析出碳化物，形成带状碳化物。消除消除扩散退火扩散退火带带状状碳碳化化物物3.3 整体强化态钢整体强化态钢危害危害颗粒大，硬度高，脆性大。颗粒大，硬度高，脆性大。容易剥落；容易剥落；疲劳裂纹发源地；疲劳裂纹发源地；硬度不均匀；硬度不均匀；机械性能呈现方向性；机械性能呈现方向性；淬火开裂淬火开裂 形成形成 在成分严重偏析时，局部地区达到共晶成分，形成在成分严重偏析时，局部地区达到共晶成分，形成莱氏体，未消除的莱氏体中的共晶莱氏体，未消除的莱氏体中的共晶
47、K在热加工时被压在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布。碎并沿轧向呈条带状分布。消除消除 将将Cr和和C量控制在中、下限；量控制在中、下限；1200扩散退火扩散退火液液 析析碳碳化化物物形态形态共晶碳化物在热加工时被压碎，并沿轧向呈条带状分布共晶碳化物在热加工时被压碎，并沿轧向呈条带状分布3.3 整体强化态钢整体强化态钢大大颗颗粒粒碳碳化化物物 正火消除网状碳化物时加热未溶解的碳化物正火消除网状碳化物时加热未溶解的碳化物颗粒，在正火保温和随后退火时继续长大而形颗粒，在正火保温和随后退火时继续长大而形成大颗粒。成大颗粒。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（三）轴承钢的热处理（三）轴承钢的热处理 轴承
48、钢的一般工艺路线为：锻（轧）轴承钢的一般工艺路线为：锻（轧）球化退火球化退火机械加工机械加工 淬火、回火淬火、回火磨加工磨加工 1.轴承钢的球化退火轴承钢的球化退火目目的的获得均匀细粒状珠光体组织获得均匀细粒状珠光体组织 降低硬度，便于切削加工；降低硬度，便于切削加工；为淬火作组织准备；为淬火作组织准备；消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔和冲压加工。消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔和冲压加工。3.3 整体强化态钢整体强化态钢合适硬度：合适硬度：HB205215加加热热温温度度 780810。控制加热温度是控制。控制加热温度是控制K形态的关键形态的关键温度过高：温度过高：K溶解过多，奥氏体成分均匀
49、，得到粗片状珠溶解过多，奥氏体成分均匀，得到粗片状珠 光体或大块聚集碳化物。光体或大块聚集碳化物。温度过低：温度过低：K没完全溶解和团聚，奥氏体中成分极不均匀，没完全溶解和团聚，奥氏体中成分极不均匀，得到片状或细小链状碳化物。得到片状或细小链状碳化物。球球化化退退火火工工艺艺保温时间：保温时间：46h，依具体情况而定，时间过长引起，依具体情况而定，时间过长引起K粗化。粗化。冷冷却却速速度度 冷却速度是控制碳化物弥散度的关键冷却速度是控制碳化物弥散度的关键连续冷却：连续冷却：2030h；等温冷却：等温冷却：700等温等温24h，再炉冷到，再炉冷到650出炉；出炉；冷速快：大量细密的碳化物（形核率
50、大，来不及长大）。冷速快：大量细密的碳化物（形核率大，来不及长大）。冷速慢：碳化物颗粒粗大。冷速慢：碳化物颗粒粗大。3.3 整体强化态钢整体强化态钢加加热热温温度度 930950加热：消除粗大网状碳化物。加热：消除粗大网状碳化物。850870加热；返修，消除细网状碳化物。加热；返修，消除细网状碳化物。正正火火工工艺艺冷冷却却速度速度50/min。空冷、风冷、喷雾、浸水等空冷、风冷、喷雾、浸水等2.轴承钢的正火轴承钢的正火 目的：目的：消除网状碳化物；消除网状碳化物；返修退火不合格品。返修退火不合格品。3.3 整体强化态钢整体强化态钢防氧化脱防氧化脱C：采用真空淬火或者保护气氛加热。：采用真空淬