機(jī)械工程材料6-1

1、制造過(guò)程制造過(guò)程 材料材料冷熱加工冷熱加工零件零件裝配裝配整臺(tái)機(jī)器整臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程 受力分析受力分析計(jì)算應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力提出材料性能指標(biāo)提出材料性能指標(biāo)選材選材設(shè)計(jì)者必須掌握各種材料的知識(shí)，才能合理選擇材料，設(shè)計(jì)者必須掌握各種材料的知識(shí)，才能合理選擇材料，成為一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)大師，否則，只能成為一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)大師，否則，只能“紙上談兵紙上談兵”掌握材料知識(shí)的重要性掌握材料知識(shí)的重要性合金化特點(diǎn)合金化特點(diǎn)性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)熱處理熱處理應(yīng)用應(yīng)用從四個(gè)方面從四個(gè)方面掌握材料知識(shí)掌握材料知識(shí)6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼第六章第六章 合金鋼合金鋼又稱(chēng)又稱(chēng)普低鋼，普低鋼，是普通碳鋼加上少量合金元素形成的。是

2、普通碳鋼加上少量合金元素形成的。1、合金元素合金元素以以 Mn為主（國(guó)外以為主（國(guó)外以Cr、Ni為主），為主），最高錳含量可最高錳含量可達(dá)達(dá)1.8%，并輔以少量的，并輔以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。等元素。合金合金元素的主要作用是強(qiáng)化鐵素體，細(xì)化鐵素體晶粒，使鋼的強(qiáng)元素的主要作用是強(qiáng)化鐵素體，細(xì)化鐵素體晶粒，使鋼的強(qiáng)度和韌性得到改善。度和韌性得到改善。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼2 、常加入少量的常加入少量的P、Cu元素以提高鋼的耐大氣腐蝕能力。元素以提高鋼的耐大氣腐蝕能力。6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼合金化特點(diǎn)：低合金結(jié)構(gòu)鋼合金化特點(diǎn)：6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼3、部

3、分鋼中加入少量、部分鋼中加入少量稀土元素稀土元素，以減少鋼中有害雜，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。藝性能和力學(xué)性能。4、碳含量一般、碳含量一般低于低于0.2%，以保證良好的焊接性、冷以保證良好的焊接性、冷成型性和低溫韌性。成型性和低溫韌性。5、對(duì)、對(duì)S、P含量要求不太高含量要求不太高，可使用平爐或轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，可使用平爐或轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，十分經(jīng)濟(jì)。十分經(jīng)濟(jì)。6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼常見(jiàn)牌號(hào)及其用途常見(jiàn)牌號(hào)及其用途15MnTi 中壓鍋爐中壓鍋爐14MnMoV（Re） 高壓鍋爐高壓鍋爐16Mn 中中低壓力容器低壓力

4、容器12Mn 鍋爐鍋爐14MnVTiRe 鐵路、大型巨輪用鋼鐵路、大型巨輪用鋼Q345Q4606-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼二、易切削鋼二、易切削鋼易切削鋼性能特點(diǎn)易切削鋼性能特點(diǎn) 易切削鋼具有良好的切削加工性能，但力學(xué)性能相對(duì)較易切削鋼具有良好的切削加工性能，但力學(xué)性能相對(duì)較低，一般不進(jìn)行熱處理。適合于批量大，但對(duì)性能要求不高低，一般不進(jìn)行熱處理。適合于批量大，但對(duì)性能要求不高的零件。的零件。 易切削鋼易切削鋼是在低碳、中碳或高碳的鋼中加一種或幾種合是在低碳、中碳或高碳的鋼中加一種或幾種合金元素，通過(guò)相應(yīng)的工藝使其具有金元素，通過(guò)相應(yīng)的工藝使其具有良好的切削加工性能。良好的切削加工性能。（一）性

5、能要求（一）性能要求6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼（二）對(duì)合金化和組織的要求（二）對(duì)合金化和組織的要求 適量適量C、Mn力學(xué)性能和切削性能力學(xué)性能和切削性能。 加入加入S、Pb、Ca等元素等元素提高切削性能提高切削性能。 S+MnMnS易切夾雜物。易切夾雜物。 常溫下常溫下Pb在鋼中不固溶而呈單相在鋼中不固溶而呈單相Pb微粒均勻分布。微粒均勻分布。（三）常用的易切削結(jié)構(gòu)鋼（三）常用的易切削結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)編號(hào)Y12、Y15、Y20、Y30、Y40、Y40Mn C強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼三、三、 滲碳鋼滲碳鋼（一）滲碳鋼的化學(xué)成分（一）滲碳鋼的化學(xué)成分 滲碳鋼廣泛用于承受較強(qiáng)烈的沖擊和磨

6、損的場(chǎng)合，如齒輪、滲碳鋼廣泛用于承受較強(qiáng)烈的沖擊和磨損的場(chǎng)合，如齒輪、凸輪、活塞銷(xiāo)等零件。凸輪、活塞銷(xiāo)等零件。2、主加元素、主加元素Mn和和Cr 2% 提高淬透性、固溶強(qiáng)化。提高淬透性、固溶強(qiáng)化。1、含碳量、含碳量 0.10%0.25 % 心部心部低碳低碳M 回回綜合力學(xué)性能好。綜合力學(xué)性能好。3、輔加元素、輔加元素W、Mo、V、Ti防止?jié)B碳時(shí)晶粒長(zhǎng)大。防止?jié)B碳時(shí)晶粒長(zhǎng)大。4、Ni 4.5%提高淬透性、提高強(qiáng)度和韌性。提高淬透性、提高強(qiáng)度和韌性。6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼（二）熱處理特點(diǎn)（二）熱處理特點(diǎn)滲碳滲碳+淬火淬火+低溫（低溫（180200）回火）回火9009201%1.2%碳勢(shì)碳勢(shì)表面

7、表面碳濃碳濃度度溫度溫度碳勢(shì)碳勢(shì)時(shí)間時(shí)間油油冷冷緩冷緩冷油油冷冷1802006-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼（三）常用的合金滲碳鋼（三）常用的合金滲碳鋼1、低淬透性鋼、低淬透性鋼 15Cr、20Cr、15Mn、20Mn2、中淬透性鋼、中淬透性鋼 20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A特點(diǎn)：特點(diǎn)：合金元素總量合金元素總量4%，淬透性和力學(xué)性能較高。，淬透性和力學(xué)性能較高。應(yīng)用：應(yīng)用：承受中等沖擊載荷的耐磨零件，如齒輪、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。聯(lián)軸節(jié)、齒輪軸、花鍵套軸等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：價(jià)格低、淬透性低、心部強(qiáng)度低價(jià)格低、淬透性低、心部強(qiáng)度

8、低。 應(yīng)用：應(yīng)用：凸輪軸、活塞銷(xiāo)、小齒輪。凸輪軸、活塞銷(xiāo)、小齒輪。3、高淬透性鋼、高淬透性鋼 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A特點(diǎn)：特點(diǎn)：合金元素總量合金元素總量7.5%，淬透性高。，淬透性高。應(yīng)用：應(yīng)用：重載和強(qiáng)烈磨損的大型零件，如大型齒輪、曲軸等。重載和強(qiáng)烈磨損的大型零件，如大型齒輪、曲軸等。滲滲碳碳前前緩緩冷冷爐爐滲滲碳碳后后6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 例例 以以20CrMnTi合金滲碳鋼制造的汽車(chē)變速齒輪為例，說(shuō)明其合金滲碳鋼制造的汽車(chē)變速齒輪為例，說(shuō)明其熱處理方法的選定和工藝的安排。熱處理方法的選定和工藝的安排。 技術(shù)要求：技術(shù)要求： 滲碳層厚度滲碳層厚度

9、1.21.6mm， 表面碳濃度為表面碳濃度為1.0%， 齒頂硬度齒頂硬度5860HRC， 心部硬度心部硬度3045HRC。鍛造鍛造正火正火加工齒輪加工齒輪滲碳滲碳預(yù)冷淬火、低溫回火預(yù)冷淬火、低溫回火噴丸噴丸磨齒（精磨）磨齒（精磨） 1 1、工藝路線(xiàn)、工藝路線(xiàn)6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼2 2、熱處理的作用、熱處理的作用為了改善鍛造狀態(tài)的不正常組織，為了改善鍛造狀態(tài)的不正常組織，以利于切削加工。以利于切削加工。 20CrMnTi鋼的滲碳溫度為鋼的滲碳溫度為920左右，經(jīng)查手冊(cè)得左右，經(jīng)查手冊(cè)得知滲碳層厚知滲碳層厚1.21.6mm時(shí)所需滲碳時(shí)間為時(shí)所需滲碳時(shí)間為68h。 （2 2）滲碳）滲碳（3 3

10、）淬火及低溫回火）淬火及低溫回火 自滲碳溫度預(yù)冷到自滲碳溫度預(yù)冷到870880直接油淬，再經(jīng)直接油淬，再經(jīng)200低溫回低溫回火火23h。表面層由于碳含量較高，淬火低溫回火后基本上為回。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(qiáng)度和足夠的沖擊韌性氏體組織，具有高的強(qiáng)度和足夠的沖擊韌性 。（1 1）正火）正火空冷空冷950970 溫度溫度6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼溫度溫度/時(shí)間時(shí)間/t/t950970正火正火空冷空冷920 68h氣體滲碳?xì)怏w滲碳預(yù)冷預(yù)冷870880油

11、冷油冷20023h回火回火6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼四、調(diào)質(zhì)鋼四、調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼 是指經(jīng)過(guò)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。是指經(jīng)過(guò)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)后的性能鋼調(diào)質(zhì)后的性能 ： 具有高的強(qiáng)度、良好的塑性與韌性的配合，即具有良好的綜具有高的強(qiáng)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。合力學(xué)性能。 應(yīng)用應(yīng)用 在機(jī)械制造中最常用的一類(lèi)鋼。如柴油機(jī)連桿和連桿螺栓及在機(jī)械制造中最常用的一類(lèi)鋼。如柴油機(jī)連桿和連桿螺栓及曲軸、汽車(chē)半軸、機(jī)床主軸等。曲軸、汽車(chē)半軸、機(jī)床主軸等。 6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(一一) 化學(xué)成分化學(xué)成分 WC=0.25%0.5%在相

12、同回火溫度下，含碳量越高，硬度、強(qiáng)度在相同回火溫度下，含碳量越高，硬度、強(qiáng)度也越高，但塑性和韌性降低。也越高，但塑性和韌性降低。碳含量過(guò)低使硬碳含量過(guò)低使硬度不足，過(guò)高使韌性不足。度不足，過(guò)高使韌性不足。所以調(diào)質(zhì)鋼的含碳所以調(diào)質(zhì)鋼的含碳量在中碳范圍。量在中碳范圍。1.調(diào)質(zhì)鋼的含碳量調(diào)質(zhì)鋼的含碳量主加元素：主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等等 提高淬透性提高淬透性 提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度輔加元素：輔加元素：W、Mo等等 防止第二類(lèi)回火脆性防止第二類(lèi)回火脆性2.調(diào)質(zhì)鋼的合金化調(diào)質(zhì)鋼的合金化6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(二二) 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn)下料下料 鍛造鍛造預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理機(jī)加工機(jī)加工（調(diào)質(zhì)）（

13、調(diào)質(zhì)）（表面局部淬火）（表面局部淬火）精加工精加工成品成品(1)(1)退火退火 （合金鋼）完全退火、不完全退火和等溫退火（合金鋼）完全退火、不完全退火和等溫退火(2)(2)正火正火 （碳素鋼或合金元素少的鋼）（碳素鋼或合金元素少的鋼）(3)(3)（正火（正火+ +）高溫回火高溫回火（650700）（合金鋼）（合金鋼）(4)(4)調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)（對(duì)強(qiáng)度和硬度要求較低，調(diào)質(zhì)后進(jìn)行機(jī)加工，（對(duì)強(qiáng)度和硬度要求較低，調(diào)質(zhì)后進(jìn)行機(jī)加工， 加工后不再進(jìn)行熱處理）加工后不再進(jìn)行熱處理） 2.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理處理后硬度為處理后硬度為180200HBS，便于機(jī)加工。便于機(jī)加工。1.生產(chǎn)工藝路線(xiàn)生產(chǎn)工藝路線(xiàn)6-1合金

14、結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)：調(diào)質(zhì)：淬火淬火+ +高溫回火高溫回火組織：組織：回火索氏體（回火索氏體（回火回火S）性能：性能：強(qiáng)度、塑性和韌性強(qiáng)度、塑性和韌性 均較高；均較高； 缺口敏感性?。蝗笨诿舾行孕?； 接觸疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、 耐磨性較低。耐磨性較低?；鼗鸹鼗餝3.調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼加熱加熱: 在箱式爐（批量較?。┗蜻B續(xù)爐（大批量）在箱式爐（批量較?。┗蜻B續(xù)爐（大批量） 中加熱到單相奧氏體（中加熱到單相奧氏體（830880 ）保溫。）保溫。冷卻：冷卻：碳素鋼水冷；合金鋼油冷或水淬油冷。碳素鋼水冷；合金鋼油冷或水淬油冷。(1)(1)淬火淬火6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼回火

15、是控制其力學(xué)性能的關(guān)鍵，一般采用回火是控制其力學(xué)性能的關(guān)鍵，一般采用 500600 回火?；鼗鸷蟛捎盟?、油冷回火?；鼗鸷蟛捎盟?、油冷（防止第二類(lèi)回火脆性）或空冷。（防止第二類(lèi)回火脆性）或空冷。(2)(2)回火回火6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(3)表面局部淬火表面局部淬火感應(yīng)淬火部位感應(yīng)淬火部位對(duì)許多零件通過(guò)調(diào)質(zhì)對(duì)許多零件通過(guò)調(diào)質(zhì)處理能滿(mǎn)足強(qiáng)韌性要處理能滿(mǎn)足強(qiáng)韌性要求，但局部對(duì)耐磨性求，但局部對(duì)耐磨性要求高，滿(mǎn)足不了耐要求高，滿(mǎn)足不了耐磨性要求。對(duì)局部進(jìn)磨性要求。對(duì)局部進(jìn)行感應(yīng)淬火。行感應(yīng)淬火。6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(三三)常用調(diào)質(zhì)鋼及性能特點(diǎn)常用調(diào)質(zhì)鋼及性能特點(diǎn)1.碳素鋼碳素鋼 淬透性差

16、淬透性差尺寸尺寸 強(qiáng)度低強(qiáng)度低負(fù)荷較小的零件負(fù)荷較小的零件 2.合金鋼合金鋼 提高淬透性提高淬透性用于不同尺寸用于不同尺寸 提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度用于較高應(yīng)力用于較高應(yīng)力(1)Mn鋼、鋼、Mn-B鋼鋼強(qiáng)化作用大，但韌性和塑性較差，退火后硬度偏高。強(qiáng)化作用大，但韌性和塑性較差，退火后硬度偏高。 (2) Cr鋼、鋼、Cr-Mo鋼、鋼、Cr-Mn鋼、鋼、Cr-V鋼鋼Cr提高淬透性，強(qiáng)度有所提高，對(duì)塑性、韌性影響不大；、提高淬透性，強(qiáng)度有所提高，對(duì)塑性、韌性影響不大；、 Mo、V不僅能增加淬透性，也能細(xì)化組織，防止第二類(lèi)回火脆性，提高不僅能增加淬透性，也能細(xì)化組織，防止第二類(lèi)回火脆性，提高塑性和韌性；塑性和

17、韌性； 如如42CrMo、35CrMo、 40CrV鋼鋼 (3)Cr-Ni鋼、鋼、Cr-Ni-Mo鋼鋼鋼中同時(shí)加入鋼中同時(shí)加入Cr、Ni兩種元素，可獲得更好的力兩種元素，可獲得更好的力學(xué)性能，高的強(qiáng)度、韌性和塑性，同時(shí)也有很好學(xué)性能，高的強(qiáng)度、韌性和塑性，同時(shí)也有很好的淬透性，但的淬透性，但Cr-Ni鋼有回火脆性。鋼有回火脆性。6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(四四)典型零件應(yīng)用舉例典型零件應(yīng)用舉例1 汽缸體汽缸體 2 活塞活塞 3 進(jìn)氣閥進(jìn)氣閥 4 排氣閥排氣閥 5 連桿連桿 6 曲軸曲軸 7 凸輪凸輪 8 頂桿頂桿 9 齒輪齒輪 10 齒輪齒輪內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件曲軸、連桿、連桿螺栓曲軸

18、、連桿、連桿螺栓齒輪、凸輪軸等齒輪、凸輪軸等6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼1.曲軸曲軸作用：作用：匯集所有氣缸內(nèi)燃燒氣體所做的機(jī)械功，匯集所有氣缸內(nèi)燃燒氣體所做的機(jī)械功，以旋轉(zhuǎn)的形式輸出。以旋轉(zhuǎn)的形式輸出。(1)(1)曲軸的功用、工作條件及失效形式曲軸的功用、工作條件及失效形式 . 很大的交變彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。很大的交變彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 . 應(yīng)力集中嚴(yán)重。應(yīng)力集中嚴(yán)重。 . 軸頸處還承受摩擦力。軸頸處還承受摩擦力。 磨損、斷裂磨損、斷裂6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼球鐵、球鐵、 45(2)(2)材料材料40Cr、45Mn2、50Mn235CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA下料下料鍛造鍛

19、造調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)機(jī)加工機(jī)加工感應(yīng)淬火（或化學(xué)感應(yīng)淬火（或化學(xué)熱處理）熱處理）（滾壓）（滾壓） 精加工精加工(3)(3)加工路線(xiàn)加工路線(xiàn)v 調(diào)質(zhì)安排在鍛造和機(jī)加工之間；調(diào)質(zhì)安排在鍛造和機(jī)加工之間；v 機(jī)加工后對(duì)軸頸進(jìn)行感應(yīng)淬火或化學(xué)熱處理機(jī)加工后對(duì)軸頸進(jìn)行感應(yīng)淬火或化學(xué)熱處理 （滲氮），提高耐磨性；（滲氮），提高耐磨性；v 對(duì)過(guò)度圓角進(jìn)行滾壓提高疲勞強(qiáng)度，防止疲對(duì)過(guò)度圓角進(jìn)行滾壓提高疲勞強(qiáng)度，防止疲 勞斷裂。勞斷裂。應(yīng)力大小不同可以選用不應(yīng)力大小不同可以選用不同材料：同材料： 滿(mǎn)足性能要求；滿(mǎn)足性能要求； 最經(jīng)濟(jì)最經(jīng)濟(jì)6-1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼2.連桿和連桿螺栓連桿和連桿螺栓軸瓦軸瓦巴氏合金巴氏合金連桿連桿連桿連桿螺栓螺栓爆排進(jìn)壓爆排進(jìn)壓連桿：大壓小拉連桿：大壓小拉受力分析：受力分析：性能要求：性能要求： a.強(qiáng)度和剛度。強(qiáng)度和剛度。 b.盡量減輕連桿質(zhì)量。盡量減輕連桿質(zhì)量。 c.大端及小端軸承可靠，