機械工程材料6-1

制造過程材料→冷熱加工→零件→裝配→整臺機器設(shè)計過程受力分析→計算應(yīng)力→提出材料性能指標→選材設(shè)計者必須掌握各種材料的知識，才能合理選擇材料，成為一名優(yōu)秀的設(shè)計大師，否則，只能“紙上談兵”掌握材料知識的重要性合金化特點性能特點熱處理應(yīng)用從四個方面掌握材料知識§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼第六章合金鋼又稱普低鋼，是普通碳鋼加上少量合金元素形成的。1、合金元素以Mn為主（國外以Cr、Ni為主），最高錳含量可達1.8%，并輔以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素的主要作用是強化鐵素體，細化鐵素體晶粒，使鋼的強度和韌性得到改善。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼2、常加入少量的P、Cu元素以提高鋼的耐大氣腐蝕能力?！?-1合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼合金化特點：§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼3、部分鋼中加入少量稀土元素，以減少鋼中有害雜質(zhì)的影響，改善夾雜物的形狀和分布，提高鋼的工藝性能和力學(xué)性能。4、碳含量一般低于0.2%，以保證良好的焊接性、冷成型性和低溫韌性。5、對S、P含量要求不太高，可使用平爐或轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，十分經(jīng)濟。§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼常見牌號及其用途15MnTi中壓鍋爐14MnMoV（Re）高壓鍋爐16Mn中低壓力容器12Mn鍋爐14MnVTiRe鐵路、大型巨輪用鋼Q345~Q460§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼二、易切削鋼易切削鋼性能特點

易切削鋼具有良好的切削加工性能，但力學(xué)性能相對較低，一般不進行熱處理。適合于批量大，但對性能要求不高的零件。

易切削鋼是在低碳、中碳或高碳的鋼中加一種或幾種合金元素，通過相應(yīng)的工藝使其具有良好的切削加工性能。（一）性能要求§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼（二）對合金化和組織的要求適量C、Mn→力學(xué)性能和切削性能。加入S、Pb、Ca等元素→提高切削性能。

S+Mn→MnS易切夾雜物。常溫下Pb在鋼中不固溶而呈單相Pb微粒均勻分布。（三）常用的易切削結(jié)構(gòu)鋼編號Y12、Y15、Y20、Y30、Y40、Y40MnC↑→強度提高§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼三、滲碳鋼（一）滲碳鋼的化學(xué)成分

滲碳鋼廣泛用于承受較強烈的沖擊和磨損的場合，如齒輪、凸輪、活塞銷等零件。2、主加元素Mn和Cr<2%→提高淬透性、固溶強化。1、含碳量0.10%~0.25%

心部低碳M

回→綜合力學(xué)性能好。3、輔加元素W、Mo、V、Ti→防止?jié)B碳時晶粒長大。4、Ni<4.5%→提高淬透性、提高強度和韌性。§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼（二）熱處理特點滲碳+淬火+低溫（180~200℃）回火900~920℃1%~1.2%碳勢表面碳濃度溫度碳勢時間油冷緩冷油冷180~200℃§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼（三）常用的合金滲碳鋼1、低淬透性鋼15Cr、20Cr、15Mn、20Mn2、中淬透性鋼

20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A特點：合金元素總量4%，淬透性和力學(xué)性能較高。應(yīng)用：承受中等沖擊載荷的耐磨零件，如齒輪、聯(lián)軸節(jié)、齒輪軸、花鍵套軸等。特點：價格低、淬透性低、心部強度低。應(yīng)用：凸輪軸、活塞銷、小齒輪。3、高淬透性鋼12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A特點：合金元素總量<7.5%，淬透性高。應(yīng)用：重載和強烈磨損的大型零件，如大型齒輪、曲軸等。滲碳前緩冷爐滲碳后§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼例以20CrMnTi合金滲碳鋼制造的汽車變速齒輪為例，說明其熱處理方法的選定和工藝的安排。技術(shù)要求：

滲碳層厚度1.2～1.6mm，

表面碳濃度為1.0%，齒頂硬度58～60HRC，

心部硬度30～45HRC。鍛造→正火→加工齒輪→滲碳→預(yù)冷淬火、低溫回火→噴丸→磨齒（精磨）1、工藝路線§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼2、熱處理的作用為了改善鍛造狀態(tài)的不正常組織，以利于切削加工。20CrMnTi鋼的滲碳溫度為920℃左右，經(jīng)查手冊得知滲碳層厚1.2～1.6mm時所需滲碳時間為6～8h。

（2）滲碳（3）淬火及低溫回火自滲碳溫度預(yù)冷到870～880℃直接油淬，再經(jīng)200℃低溫回火2～3h。表面層由于碳含量較高，淬火低溫回火后基本上為回火馬氏體組織，具有很高的硬度和耐磨性，心部為低碳回火馬氏體組織，具有高的強度和足夠的沖擊韌性。（1）正火空冷950~970℃溫度§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼溫度/℃時間/t950~970正火空冷9206~8h氣體滲碳預(yù)冷870~880油冷200℃2~3h回火§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼四、調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼

是指經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后使用的碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼調(diào)質(zhì)后的性能：

具有高的強度、良好的塑性與韌性的配合，即具有良好的綜合力學(xué)性能。

應(yīng)用

在機械制造中最常用的一類鋼。如柴油機連桿和連桿螺栓及曲軸、汽車半軸、機床主軸等。

§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼(一)化學(xué)成分

WC=0.25%~0.5%在相同回火溫度下，含碳量越高，硬度、強度也越高，但塑性和韌性降低。碳含量過低使硬度不足，過高使韌性不足。所以調(diào)質(zhì)鋼的含碳量在中碳范圍。1.調(diào)質(zhì)鋼的含碳量主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等提高淬透性提高強度輔加元素：W、Mo等防止第二類回火脆性2.調(diào)質(zhì)鋼的合金化§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼(二)熱處理特點下料鍛造預(yù)備熱處理機加工（調(diào)質(zhì)）（表面局部淬火）精加工成品(1)退火

（合金鋼）完全退火、不完全退火和等溫退火(2)正火

（碳素鋼或合金元素少的鋼）(3)（正火+）高溫回火（650~700℃）（合金鋼）(4)調(diào)質(zhì)（對強度和硬度要求較低，調(diào)質(zhì)后進行機加工，加工后不再進行熱處理）2.預(yù)備熱處理處理后硬度為180~200HBS，便于機加工。1.生產(chǎn)工藝路線§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)：淬火+高溫回火組織：回火索氏體（回火S）性能：強度、塑性和韌性均較高；缺口敏感性小；接觸疲勞強度、耐磨性較低?；鼗餝3.調(diào)質(zhì)處理§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼加熱:在箱式爐（批量較小）或連續(xù)爐（大批量）中加熱到單相奧氏體（830~880℃）保溫。冷卻：碳素鋼水冷；合金鋼油冷或水淬油冷。(1)淬火§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼回火是控制其力學(xué)性能的關(guān)鍵，一般采用500~600℃回火。回火后采用水冷、油冷（防止第二類回火脆性）或空冷。(2)回火§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼(3)表面局部淬火感應(yīng)淬火部位對許多零件通過調(diào)質(zhì)處理能滿足強韌性要求，但局部對耐磨性要求高，滿足不了耐磨性要求。對局部進行感應(yīng)淬火。§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼(三)常用調(diào)質(zhì)鋼及性能特點1.碳素鋼

淬透性差→尺寸強度低→負荷較小的零件2.合金鋼提高淬透性→用于不同尺寸

提高強度→用于較高應(yīng)力(1)Mn鋼、Mn-B鋼強化作用大，但韌性和塑性較差，退火后硬度偏高。

(2)Cr鋼、Cr-Mo鋼、Cr-Mn鋼、Cr-V鋼Cr提高淬透性，強度有所提高，對塑性、韌性影響不大；、Mo、V不僅能增加淬透性，也能細化組織，防止第二類回火脆性，提高塑性和韌性；如42CrMo、35CrMo、40CrV鋼(3)Cr-Ni鋼、Cr-Ni-Mo鋼鋼中同時加入Cr、Ni兩種元素，可獲得更好的力學(xué)性能，高的強度、韌性和塑性，同時也有很好的淬透性，但Cr-Ni鋼有回火脆性。§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼(四)典型零件應(yīng)用舉例1汽缸體2活塞3進氣閥4排氣閥5連桿6曲軸7凸輪8頂桿9齒輪10齒輪內(nèi)燃機關(guān)鍵零件曲軸、連桿、連桿螺栓齒輪、凸輪軸等§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼1.曲軸作用：匯集所有氣缸內(nèi)燃燒氣體所做的機械功，以旋轉(zhuǎn)的形式輸出。(1)曲軸的功用、工作條件及失效形式Ａ.很大的交變彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。Ｂ.應(yīng)力集中嚴重。Ｃ.軸頸處還承受摩擦力。磨損、斷裂§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼球鐵、45(2)材料40Cr、45Mn2、50Mn235CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA下料→鍛造→調(diào)質(zhì)→機加工→感應(yīng)淬火（或化學(xué)熱處理）→（滾壓）→精加工(3)加工路線

調(diào)質(zhì)安排在鍛造和機加工之間；機加工后對軸頸進行感應(yīng)淬火或化學(xué)熱處理（滲氮），提高耐磨性；對過度圓角進行滾壓提高疲勞強度，防止疲勞斷裂。應(yīng)力大小不同可以選用不同材料：

①滿足性能要求；②最經(jīng)濟§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼2.連桿和連桿螺栓軸瓦巴氏合金連桿連桿螺栓爆排進壓連桿：大壓小拉受力分析：性能要求：

a.強度和剛度。

b.盡量減輕連桿質(zhì)量。c.大端及小端軸承可靠，耐磨性好。

d.易于制造，成本低。低速船用柴油機：選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼如45鋼

高速強載柴油機：選用優(yōu)質(zhì)高強度合金鋼如42CrMo

中等強度柴油機：選用合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr襯套銅合金下料→鍛造→調(diào)質(zhì)→機加工§6-1合金結(jié)構(gòu)鋼連桿螺栓受力分析：連桿螺栓材料：40Cr鋼拉應(yīng)力連桿螺栓加工路線：連桿螺栓及其熱處理工藝下料→鍛造→退火（或正火）→機加工→調(diào)質(zhì)→檢驗硬度→