1、2022/9/201第三章 機械制造結構鋼機械制造結構鋼：用于制造各種機械零件：如：軸類、齒輪、緊固件、軸承和高強度結構應用汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設備、飛機及火箭等工作條件：承受拉、壓、彎、扭、沖擊、疲勞應力等；一般要求：足夠高的強度、塑性、韌性和疲勞強度等；分類（按工藝和用途）：調質鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度結構鋼、滲碳鋼、滲氮鋼、彈簧鋼、軸承鋼和易削鋼等；屬特殊鋼（年產量）：占總鋼產量的3-5%.上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/202第一節 結構鋼的強度與脆性中碳回火索氏體鋼低碳馬氏體鋼中碳低合金馬氏體鋼 b:1400-2000MPa微碳馬氏體時效

2、鋼 b:1900-2300MPa形變馬氏體時效鋼 b:2400-3200MPa高碳冷拉鋼絲 b:3000-4000MPab:1400-2000MPa上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/203碳與鋼的強度和塑性上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/204韌性指標延伸率斷面收縮率沖擊韌性韌脆轉化溫度斷裂韌性上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/205第二節 結構鋼的淬透性合金元素與淬透性上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/206淬透性可用“末端淬火法”來測定(見GB225-63)。 上海大學寶鋼特鋼

3、分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/207淬火試樣斷面上馬氏體量和硬度的變化 上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/208利用淬透性曲線比較鋼的淬透性 上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/209合金元素與淬透性上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/2010(a)完全淬透; (b)淬透較大厚度; (c)淬透較小厚度 淬透性不同的鋼調質后機械性能的比較 上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/2011第三節 調質鋼淬火+高溫回火用鋼上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/

4、2012調質鋼組織特點:相基體上分布有極細小的顆粒狀碳化特;回火屈氏體或回火索氏體體,其主要區別在于基體相是否完全再結晶和碳化物顆粒聚集長大程度;根據片間距的不同，分片狀珠光體；細片狀珠光體（又稱索氏體）；極細片狀珠光體（又稱屈氏體）?；鼗鹎象w實際是極細片狀珠光體，指的是片間距，0.1m，顯微鏡下觀察呈黑色。 上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術調質鋼的基本特征：具有中等含碳量的結構鋼 經過加熱淬火成馬氏體，并在500650之間高溫回火具有強度、塑性及韌性良好配合的鋼。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術132022/9/2014調質鋼強度取決于相的

5、強度和碳化物的彌散強化作用;相固溶強化元素:硅、錳、鎳等；阻礙相再結晶元素：鉻、鉬、鎢、釩等；阻礙碳化特聚集長大元素：鉻、鉬、鎢和釩、鈮，其中鈮的效果不可忽視?；鼗鸫嘈裕焊邷鼗鼗鸫嘈裕伤芑鼗鸫嘈裕?；快冷消除。低溫回火脆性，加硅、鋁推遲，避免250-350回火，降低磷、錫、銻等雜質元素上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術調質鋼的合金化主要原則：保證鋼具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足夠厚 的馬氏體層，并使馬氏體保持細的隱晶組織。鋼在高溫回火后能獲得預期的綜合機械性能。調質鋼化學成分 含碳量一般在0.30.5%之間； 主加合金元素(wt%)： Si：0.6-1.4；Mn：0.8-

6、1.8；Cr：0.8-1.7；Ni：1.0-4.5 重要的調質鋼，一般都含有多種合金元素2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術15對調質鋼的淬透性的要求： 調質零件上馬氏體層的厚度應根據零件在工作時經受應力的類型及大小來確定，并據此來確定對淬透性的要求。例如：某些軸類零件，它們承受彎曲力，表面受到最大的張應力，隨著離表面的距離增大，應力逐漸減低，所以只要求在淬火后軸的1/2半徑處達到80馬氏體即可。例如：某些重要的銷釘或螺栓，在工作時，整個截面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在整個截面上淬成馬氏體。回火溫度與調質鋼綜合機械性能的關系 2022/9/20上海大學寶

7、鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術16調質鋼的高溫回火脆性回火脆性與冷卻速度關系： 回火脆性與回火保溫時間的關系 回火脆性與鋼種的關系 碳素鋼不敏感；錳鋼或鉻鋼敏感；硅錳鋼、鉻錳鋼回火脆化傾向性更大； 鉬是降低結構鋼高溫回火脆性的元素； 避免或減輕回火脆性的措施：a.避免在易發生高溫回火脆性的溫度范圍內回火；b.盡可能縮短在回火脆溫度內的回火時間；c.回火后用快冷的工藝方法；d.采用含鉬鋼種，并盡可能降低鋼中的磷、錫、銻含量；e.對已感受回火脆的鋼，用重新加熱到650后快冷的方法來恢復。 2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術17調質鋼的組織調質鋼經淬火和高溫回

8、火后的金相組織是回火索氏體。調質鋼的熱處理特點：預備熱處理：為了便于切削加工、改善鋼件因熱加工不當而造成的粗晶組織和帶狀組織，需要進行預備熱處理正火。最后熱處理淬火：將鋼件加熱至AC3線以上進行淬火，淬火溫度由鋼的成分來決定，淬火介質根據鋼件尺寸大小和鋼的淬透性加以選擇?；鼗?，根據所要求的性能來決定回火溫度， 因此回火是使調質鋼的性能定型化的重要工序。高溫回火時應考慮鋼材的回火脆性問題。 2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術182022/9/2019調質鋼回火溫度與性能上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/2020熔煉 鍛造 退火 調質處理

9、 成品非調質調質鋼上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術2022/9/2021非調質鋼上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術 第二節 彈簧鋼彈簧是一種使用很廣泛的機械零件。其主要作用在于儲存能量和減輕震動。彈簧鋼應有如下的要求：1 要具有高的強度極限：特別是彈性極限e，還要求有高的屈強比s/b，以提高強度的利用率。2 要具有高的疲勞極限：一般說來，強度極限越高，疲勞極限也相應地增高。疲勞性能對于聯結的表面狀態很敏感。3 要具有較好的工藝性能：具有一定的塑性和淬透性，過熱敏感性要小，不易脫碳。彈簧用鋼在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分

10、公司上海大學模具材料及處理技術22彈簧鋼的成分及熱處理特點彈簧鋼的化學成分：碳含量：0.460.75%；錳含量：0.50.8%；硅含量：0.150.37%。典型鋼種 加Mn 加Si 6565Mn60Si2Mn 加Cr,V5050CrV熱處理特點彈簧鋼的熱處理一般為淬火中溫回火。見圖組織為回火屈氏體2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術232022/9/2024彈簧鋼的熱處理工藝上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術 第三節 軸承鋼軸承鋼的性能要求：1. 高的淬硬性和必要的淬透性；2. 軸承要有高的耐磨性；3. 高的接觸疲勞性能；4. 高的彈性極限和一定的沖

11、擊韌性；5. 尺寸要精確而經久穩定；6. 一定的抗腐蝕能力；7. 為滿足大生產的需要，軸承鋼具有良好的工藝性能。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術25軸承鋼的成分軸承鋼中沿用最久的是高碳鉻軸承鋼，如GCr15鋼。、碳：選用過共析的碳含量。、鉻：滾動軸承鋼中的鉻含量范圍為0.40至1.65%。、硅、錳：硅、錳可以提高淬透性，節約鉻的使用。、磷、硫：嚴格的限制。、氧、氮：盡量降低軸承鋼中氣體含量。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術26鉻軸承鋼的熱處理軸承零件一般要經過球化退火（預先處理）淬火低溫回火（最終熱處理）顯微組織是回火馬氏體基

12、體上分布著均勻細小的碳化物淬火組織硬度為HRC6466；回火組織硬度為HRC62642022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術27 第四節 滲碳鋼 有不少機器零件（如齒輪），在工作時零件整體受到周期性變化的扭轉或彎曲力的作用，并且零件與零件表面之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。 這些零件對材料的機械性能要求：1、材料具有高的屈服強度、高的彎曲疲勞性能；2、材料表面具有高的接觸疲勞強度和高的耐磨性。 利用低碳結構鋼進行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳(0.81.1%C)到低碳(0.100.25%C)連續過渡的化學成分。 零件表面層具有高強度、高耐磨性； 零件心部具有

13、適當的強度和較好的韌性。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術28 一、根據心部要求分析滲碳鋼種的合金化問題：1、選擇滲碳鋼首先要確定鋼的含碳量 滲碳鋼的含碳量影響零件的心部強度，采用較低(0.100.25%C)的碳含量 而心部具有足夠的硬度和良好的沖擊韌性。2、選擇滲碳鋼時必須考慮滲碳鋼的淬透性 滲碳結構鋼按照鋼的淬透性分級如下：(1)15、20；(2)20Cr、20MnV;(3)18CrMnTi、20CrMn(4)12CrNi3A、22CrMnMo 其中一些鋼的淬透性曲線見圖 。 2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術29 二.根據滲

14、碳工藝分析滲碳鋼種的合金化問題 一般地講，碳化物形成元素對滲碳的作用：、增大鋼表面的吸收碳原子的能力；、增大滲碳層中的碳濃度；、阻礙碳原子在奧氏體中的擴散。 前兩因素加速滲碳，有利于滲碳層的加厚，而后一因素不利于滲碳層的加厚。 總的效果是鉻、鉬等元素加大滲碳層的厚度，鈦減小滲碳層的厚度。 非碳化物形成元素對滲碳的作用： 總的效果是鎳、硅、銅等元素減慢滲碳，不利于滲碳層的加厚； 錳是加速滲碳有效的元素，它不過分地增多滲碳層中的碳含量，不會在滲碳層中產生多量的大塊碳化物。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術302022/9/2031 合金元素與表面碳濃度合金元素對滲層

15、表面含碳量和滲碳層厚度的影響上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術 滲碳零件的滲碳過程大都是在910930溫度進行的。 鋼表面的固溶碳極限是由奧氏體在滲碳溫度時對碳的飽和溶解度決定的。如超過碳在奧氏體中的極限溶解度，在表面層中就會出現碳化物。 滲碳擴散層的厚度決定于：、碳在奧氏體中的極限溶解度；、碳在奧氏體中的擴散速度；、擴散的時間。 因此，滲碳的溫度越高， 碳在奧氏體中的極限溶解度就越大； 碳在奧氏體的擴散速度也越大，為了達到相同厚度的擴散層所需要的滲碳時間也就越短。 但是滲碳溫度越高，奧氏體晶粒長大的傾向性越大。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術32滲碳鋼的熱處理特點 一般滲碳鋼的熱處理工藝： 滲碳淬火（直接淬火或重新加熱淬火）低溫回火。2022/9/20上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及處理技術332022/9/2034 滲碳鋼熱處理工藝1上海大學寶鋼特鋼分公司上海大學模具材料及