第八章調(diào)制鋼

第八章調(diào)制鋼1第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼滲碳鋼氮化鋼第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三基本要求：

了解各類鋼的服役條件、對鋼的基本性能要求、化學(xué)成分特點和熱處理特點；掌握常用調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、滾動軸承鋼等的典型牌號。重點與難點：各類鋼的化學(xué)成分特點、合金元素的作用、強韌化機制及熱處理特點。

教學(xué)要求Chapter5機械制造結(jié)構(gòu)鋼第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

一、應(yīng)用背景機械制造結(jié)構(gòu)鋼也稱機器零件用鋼，是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于制造各種機械零件所用的鋼種，故此得名。如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、軸承及高強度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設(shè)備、飛機及火箭等裝置上。

5.0引言Chapter5機械制造結(jié)構(gòu)鋼第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三撥叉變速齒輪變速箱5.0引言Chapter5機械制造結(jié)構(gòu)鋼第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三齒輪曲軸汽車萬向節(jié)連桿3.0引言Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三彈簧拉力彈簧離合器彈簧蝶形彈簧3.0引言板彈簧Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三滾珠滾珠軸承5.0引言Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三履帶鐵軌分道叉破碎機顎板挖掘機斗齒5.0引言Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三3.0引言Chapter3機器零件用合金結(jié)構(gòu)鋼

二、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的服役條件主要是承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，或者是它們中的多種載荷的交互作用。服役環(huán)境是大氣、水和潤滑油，溫度在-50℃~+100℃范圍之間。機器零件要求結(jié)構(gòu)緊湊、運轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確以及零件間有合適的公差配合等。由此便決定機器零件用鋼在性能上要求與工程構(gòu)件用鋼有所不同。5.0引言Chapter5機械制造結(jié)構(gòu)鋼第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三

三、機器零件用鋼對力學(xué)性能要求要求強度和韌性以保證機器零件體積小、結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好；要求有良好的疲勞性能與耐磨性等。因此對機器零件用鋼必須進行熱處理強化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力，所以機器零件用鋼的使用狀態(tài)通常為淬火加回火態(tài)，即強化態(tài)。5.0引言Chapter5機械制造結(jié)構(gòu)鋼第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三對鋼材的其它工藝性能（如冶煉性能、澆注性能、可鍛性能等）也有要求，但一般問題不大。

機器零件用鋼通常以力學(xué)性能為主，工藝性能為輔。

5.0引言Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)質(zhì)鋼1．調(diào)質(zhì)鋼的基本特點：①具有中等的碳含量；②熱處理工藝為：淬火＋500～650℃高溫回火；③具有良好的強度、塑性及韌性配合。2.調(diào)質(zhì)鋼的合金化及熱處理的主要原則：①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；②鋼在高溫回火后能獲得預(yù)期的綜合機械性能。第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三3.調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分：①碳含量一般在0.3～0.5%之間；②主加合金元素：

③輔加合金元素：

④重要的調(diào)質(zhì)鋼一般都含有多種合金元素。

鋼合金元素SiMnCrNi含量范圍(wt%)

0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlBMin.(wt%)

Max.

0.1

0.50.05

0.20.6

1.20.05

0.10.5

1.2<0.004

－第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三4.調(diào)質(zhì)鋼的組織：調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)淬火＋高溫回火后的金相組織是回火索氏體（多邊形鐵素體＋粒狀碳化物）。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三二、對調(diào)質(zhì)鋼淬透性的要求：調(diào)質(zhì)零件上馬氏體層的厚度應(yīng)根據(jù)零件在工作時經(jīng)受應(yīng)力的類型及大小來確定，并據(jù)此來確定對淬透性的要求。例如：某些軸類零件，它們承受彎曲應(yīng)力，表面受到最大的張應(yīng)力，隨著離表面距離的增大，應(yīng)力逐漸減小，所以只要求在淬火后軸的1/2半徑處達到80％馬氏體即可。典型的鋼種40，40Cr，42CrMo的淬透性曲線見圖7-1-2。圖7-1-2典型的鋼種40,40Cr,42CrMo的淬透性曲線

(括號內(nèi)是淬火加熱溫度)第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三三、調(diào)質(zhì)鋼的合金元素與機械性能1.調(diào)質(zhì)鋼的硬度馬氏體經(jīng)高溫回火后的金相組織是回火索氏體（多邊形的鐵素體＋粒狀碳化物）?；鼗鹚魇象w的硬度取決于鐵素體的硬度和碳化物的彌散強化作用，并可用下式表示：H=HF＋αS式中：H為鋼高溫回火后的硬度；HF為鐵素體的硬度；α為碳化物的強化系數(shù)；S為碳化物顆粒的總表面積。上式說明：鐵素體的晶粒大小，合金元素在鐵素體中的固溶程度，碳化物的數(shù)量和碳化物的彌散程度與調(diào)質(zhì)鋼的硬度有著密切的關(guān)系。

第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三例1：高溫回火后Si、Mn、Ni等元素固溶在鐵素體中，提高了調(diào)質(zhì)后的硬度。見圖7-1-3。圖7-1-3Si對調(diào)質(zhì)鋼回火后硬度的影響第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三例2：Cr、Mo、W、V等元素阻止?jié)B碳體在高溫回火時的長大，增加了碳化物顆粒的總表面積，使鋼在高溫回火后，保持較高的硬度。見圖7-1-4。圖7-1-4Cr、Mo等對調(diào)質(zhì)鋼回火后硬度的影響第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三2.回火溫度與調(diào)質(zhì)鋼綜合機械性能的關(guān)系：當(dāng)調(diào)質(zhì)鋼淬火成馬氏體，在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火時，隨著回火溫度的升高，硬度、抗拉強度，屈服強度等不斷降低，而延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性等不斷上升。見圖7-1-5：圖7-1-540Cr鋼淬火并回火后的機械性能變化趨勢第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三3.調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火后的韌性(1)調(diào)質(zhì)工藝與鋼的韌性對同一化學(xué)成分的鋼，淬火后經(jīng)不同溫度的回火，可以得到一系列不同等級的強度值。鋼調(diào)質(zhì)后的強度越高，其常溫的沖擊韌性越低。見圖7-1-6。圖7-1-6含0.45%碳的Cr-Mo-V鋼，處理到不同強度后的沖擊韌性

第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三(2)合金元素與調(diào)質(zhì)鋼的韌性碳：是降低調(diào)質(zhì)鋼沖擊韌性的元素，見圖7-1-7：圖7-1-7碳與調(diào)質(zhì)鋼的沖擊韌性第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三碳：在保證鋼調(diào)質(zhì)后的硬度及強度的前提下，應(yīng)把鋼中碳含量限制在較低的范圍內(nèi)。對于重要的零件，一般選用高淬透性的低碳合金鋼。磷：對鋼的沖擊韌性危害甚大。它提高脆性轉(zhuǎn)化溫度，降低沖擊值，因此在高級優(yōu)質(zhì)鋼中的含磷量限制在≤0.035%，為了進一步改善鋼的韌性，甚至應(yīng)把含磷量降低到0.02%以下。錳：調(diào)質(zhì)鋼中加入<2%的錳后，鋼的沖擊韌性有所改善，但含錳量超過2％后，鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度反而升高，沖擊韌性惡化。鎳：可改善鋼的沖擊韌性，使脆性轉(zhuǎn)化溫度不斷下降。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三(3)調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性①回火脆性與冷卻速度關(guān)系：某些調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火并以不同速度冷卻后，緩慢冷卻試樣的沖擊韌性明顯低于快速冷卻的試樣，見下表7-1：表7-1-1一種Cr-Ni鋼經(jīng)650℃回火并以不同速度冷卻后的沖擊值處理條件

冷卻方式

室溫沖擊值

（J/cm2）

40CrNi鋼820℃淬火650℃回火

爐冷

9.6

40CrNi鋼820℃淬火650℃回火

空冷

24

40CrNi鋼820℃淬火650℃回火

油冷

61

40CrNi鋼820℃淬火650℃回火

水冷

76

第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三②回火脆性與回火保溫時間的關(guān)系:高溫回火脆化現(xiàn)象還表現(xiàn)在鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度的升高。在高溫回火溫度范圍內(nèi)保溫時間與發(fā)生回火脆化程度的關(guān)系如圖7-1-8所示。圖7-1-8高溫回火保溫時間與回火脆化程度示意圖第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三圖中，曲線上的溫度表示著沖擊試驗時鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，這個溫度越高，表明鋼感受的回火脆化的程度越嚴(yán)重；每條曲線代表在不同溫度保溫產(chǎn)生脆化程度所需的時間，在500～550℃之間回火發(fā)生得最快；隨著保溫時間的延長，脆化程度曲線上的溫度越來越高。在600℃以上溫度回火，雖然在回火溫度內(nèi)沒有回火脆性現(xiàn)象，但回火以后緩慢冷卻，也會產(chǎn)生脆化，而回火以后快速冷卻，則可避免回火脆性。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三③避免或減輕回火脆性的措施：a.避免在易發(fā)生高溫回火脆性的溫度范圍內(nèi)回火；

b.盡可能縮短在回火脆性溫度內(nèi)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.對已感受回火脆性的鋼，用重新加熱到650℃后快冷的方法來恢復(fù)。第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三四、未淬透的調(diào)質(zhì)鋼的性能比較：

以上討論的都是鋼淬透成全馬氏體組織，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的機械性能。如果鋼在淬火時沒有淬透，工件在調(diào)質(zhì)后的性能將有很大的不同。淬透成全馬氏體的鋼與未淬透的鋼提高調(diào)節(jié)回火溫度的高低可達到兩者具有相同的硬度或相同的抗拉強度，但是這兩者的屈服強度、斷面收縮率、沖擊韌性、疲勞強度等因原始金相組織的不同而有明顯的差別。見圖7-1-9和圖7-1-10：第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三圖7-1-9金相組織與調(diào)質(zhì)鋼的疲勞強度第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三圖7-1-10金相組織對鋼的沖擊韌性的影響第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三五、調(diào)質(zhì)鋼的熱處理特點：1.預(yù)備熱處理：為了便于切削加工和改善鋼件因熱加工不當(dāng)而造成的粗晶組織和帶狀組織，需要進行預(yù)備熱處理。合金含量較少的鋼在軋制和鍛造后的組織多半是珠光體，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進行正火。而合金含量較多的鋼在軋制和鍛造后的組織則為馬氏體組織，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進行正火，隨后再進行一次高溫回火，使馬氏體型鋼的強度由HB380～550降至HB207～240，可以順利地進行切削加工。正火的目的是細化晶粒，減少組織中的帶狀程度，并調(diào)整好硬度，便于機械加工。第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期三①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(zhì)根據(jù)鋼件尺寸大小和鋼的淬透性加以選擇。②回火：根據(jù)所要求的性能來決定回火溫度，因此回火是使調(diào)質(zhì)鋼的性能定型化的重要工序。高溫回火時應(yīng)考慮鋼材的回火脆性問題。③表面處理：某些零件除了要求較高的強、韌、塑性配合以外，往往還要有良好的耐磨性。為此，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在局部部位進行高頻感應(yīng)表面淬火。如對耐磨性要求更高，可用氮化鋼在調(diào)質(zhì)后進行氮化處理。2.最后熱處理:第32頁，共33頁，2023年，2月20日，星期