1、工程材料学（EngineeringMaterials）,第三章 结构钢,结构钢概述,工作特点,结构钢概述,性能要求,结构钢概述,结构钢概述,结构钢以工艺性能为主，力学性能为辅。从成分上看，构件用钢应是低碳的(加C0.2)，钢轨除外，大部分构件通常是在热轧空冷(正火)状态下使用，有时也在回火状态下使用。结构钢的基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体。这种组织状态便决定了构件用钢具有一系列性能特点，如具有屈服、冷脆及时效等现象。,结构钢的性能特点,结构钢的力学性能特点,结构钢的屈服现象,结构钢的冷脆现象,结构钢的性能特点,结构钢的力学性能特点,随着试验温度的降低，构件用钢的屈服点显著升高，且出现断裂
2、特征，由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。,结构钢的冷脆现象,结构钢的性能特点,结构钢的力学性能特点,结构钢的性能特点,结构钢的力学性能特点,结构钢的应变时效、淬火时效,结构钢的性能特点,结构钢的力学性能特点,结构钢的应变时效、淬火时效,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的冷变形性能,钢材的变形抗力，它决定钢材制成必要形状的部件的难易程度,钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或其他缺陷的可能性,钢材在冷变形后性能的变化，即危害性或可利用性,结构钢的性能
3、特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的冷变形性能,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的冷变形性能,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的焊接性能,金属在焊接过程中，其焊缝区、半熔化区及热影响区发生小范围的复杂冶金过程、熔化过程及热处理过程，使各处形成不同的组织,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的焊接性能,钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接脆性,凝固脆性,热影响区的时效脆性,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的焊接性能,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的焊接性能,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构
4、钢的焊接性能,凝固脆性,结构钢的性能特点,结构钢的工艺性能特点,结构钢的焊接性能,热影响区的时效脆性,结构钢的性能特点,结构钢的耐大气腐蚀性能,微电池现象，是指在一块钢板里构成有许多个微小的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。,微电池现象示意图,结构钢的性能特点,结构钢的耐大气腐蚀性能,减少微电池数量,C与S含量增多时，会使第二相质点(碳化物与硫化物)数量增多，从而导致腐蚀速度加快。所以构件用钢的含碳量和含硫量加以限制。,提高基体的电极电势,向钢中加入能与-Fe形成固溶体并能提高其电极电势的合金元素(如Q、Ni、Ti等元素)。,利用钝化效应,所谓钝化效应是指通过改变钢表面状态而造成基体金属表面部分
5、电极电势升高的现象。最常采用的钝化措施是在金属表面形成一层致密的氧化膜。这种氧化膜使钢的表面与电介质隔开，从而使阳极反应受到阻碍。,结构钢的性能特点,结构钢的耐大气腐蚀性能,结构钢概述,碳素结构钢,合金结构钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢,低合金高强度结构钢,易切削结构钢,分类,碳素结构钢,普通碳素结构钢又称普碳钢，其产量约占钢总产量的70-80，其中大部分用作钢的结构件，少量用作机器零件。由于普碳钢易于冶炼，价格低廉，性能也基本满足了一般构件的要求，所以工程上用量很大。普碳钢常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。为了满足工艺性能和使用性能的要
6、求，其w(C)：0.2。,普通碳素结构钢,据国家标准GB700-88，将普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255及Q275等五类。,普通碳素结构钢牌号：主要依据钢材的厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值进行划分，然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。,普通碳素结构钢牌号中符号的意义如下： Q代表钢的屈服点字母。A、B、C、D反映碳素结构钢中有害元素(S、P)含量多少的质 量等级符号，按字母顺序，等级中含S、P量下降。F、b、Z、TZ表示脱氧方法的符号。其中：F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢。,普通碳素结构钢,碳素结构钢,例如,碳素结构钢,普通碳素结构钢,碳素结构
7、钢,普通碳素结构钢,碳素结构钢,普通碳素结构钢,沸腾钢：脱氧不完全的碳素钢。一般用锰铁和少量铝脱氧后，钢水中还留有高于碳氧平衡的氧量，与碳反应放出一氧化碳气体。因此，在浇注时钢水在钢锭模内呈沸腾现象，故称为沸腾钢。,镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。,半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。,碳素
8、结构钢,普通碳素结构钢,热处理工艺快冷正火,低碳沸腾钢加热到Ac3以上并在水中急冷，可在提高强度(特别是屈服强度)的同时，大大降低其冷脆、应变时效及淬火时效的倾向。经这种处理所得组织为细晶粒铁素体与细片状的珠光体(伪共析体)，所以确切地说应叫快冷正火。沸腾钢经快冷正火后，甚至可以具有比相同含碳量的镇静钢更好的性能。,碳素结构钢,普通碳素结构钢,普碳钢经快冷正火后，有时为了消除应力，还要在400左右回火。通常将普碳钢在950加热后水冷和在400 回火处理，称水韧处理。经此处理后可使时效倾向性大为降低。,热处理工艺快冷正火,采用快冷正火的好处是大大发挥了普碳钢的性能潜力，不利之处是增加一道热处理工
9、序，提高了成本。但可将此工艺与生产实际结合起来进行，如在热轧后直接喷水冷却，生产上叫热轧淬火，不过叫热轧快冷正火更确切些。,普通碳素结构钢,碳素结构钢,碳素结构钢新旧牌号对照和用途,碳素结构钢,优质碳素结构钢,钢号用平均碳含量的万分数的数字 表示。 08F （F表沸腾钢）; 20A（后有“A”表示高级优质钢） ; 45，15Mn （表示含Mn量高） 。 制作各种较重要的机器零件，一般进行热处理。 08F 塑性好，冷冲压件 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧,例如,汽车曲轴,碳素结构钢,优质碳素结构钢,常用优质碳素结构钢的性质及应用范围
10、,碳素结构钢,优质碳素结构钢,冷冲压薄板用钢主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件，如车身、驾驶室、各种仪器及机器的外壳等。这些构件一般对强度要求不高，但却要求钢板有良好的冷冲压性能、应变时效敏感性。,冷冲压薄板钢通常采用优质低碳钢，用量最大的是08钢，要求含Si和P量愈低愈好，对钢中Mn和S的含量也应加以限制。,冷冲压薄板钢要求具有细小而均匀的铁素体晶粒(67级)。,冷冲压薄板钢对渗碳体的数量与分布也有要求。,合金结构钢,两位数字+元素符号+数字+ 脱氧方法、质量等级,合金结构钢编号,平均含碳量万分之几,该元素的百分之几,WMe18-20，K50；室温纵向K80J/cm2，横向K60J
11、/cm2；-40或经时效处理后,K值下降不得低于室温值的50。 (4)时效敏感性要小 碳、氮、硅、铜等时效敏感性，铝、钒、钛、铌等时效敏感性。,合金含量 TiV 。,微珠光体低合金高强度结构钢,合金结构钢,Nb、V、Ti的作用,沉淀相与沉淀强化Ti和Nb的碳化物和氮化物及V的氮化物具有足够低的固溶度和高的稳定性。因此，一般微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。,改变钢的显微组织Ti、Nb、V等合金碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和
12、珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C,N)和V(C,N)的粒子更细小。,低碳贝氏体钢,合金结构钢,低碳贝氏体钢,合金结构钢,低碳马氏体钢,合金结构钢,针状铁素体钢,合金结构钢,针状铁素体钢,合金结构钢,典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。成分范围：C0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有时还加0.06%V或0.01%Ti。性能指标：屈服强度470MPa，伸长率20%，室温冲击值80J，并具有好的低温韧性。焊接性能良好。抗H2S腐蚀性好。,合金元素的作用Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低 BS点，使针状的铁素体在450以下形 成；也是固溶强化元素。M
13、o有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；Mo与Mn联合使用还有利于得 到细晶粒的针状铁素而不是粗大的多边形铁素体。Nb通过沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地产生沉淀强化，并且在奥氏体热轧 时，沉淀相Nb(C,N)也可以细化晶粒。,双相钢,合金结构钢,双相钢,合金结构钢,低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后s可达500700MPa。,双相钢,合金结构钢,合金结构钢,低合金高强度钢的发展趋势,合金结构钢,合金渗碳钢,使用条件,渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销
14、等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。,合金结构钢,合金渗碳钢,渗碳钢零件，通常只要求表面强化、心部具有一定的强韧性配合即可。表面高硬度、高耐磨性的获得通常采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，因此称这类钢为渗碳钢。碳素渗碳钢的缺点：淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢具有更高的性能。,背景,合金结构钢,合金渗碳钢,表面具有高的弯曲、接触疲劳强度
15、和高的耐磨性,性能要求,心部具有高强度和韧性,主要用途,主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。,有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。,合金结构钢,合金渗碳钢,化学成分特点,低碳：一般在0.12% 0.25%，主要目的是为了保证心部有良好 的韧性。,(2)合金化,加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。,加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物,对于
16、一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.81.1%C(2)渗碳层的深度控制在0.62.0mm之内。,合金结构钢,合金渗碳钢,碳化物形成元素对渗碳的作用(a)增大钢表面吸收碳原子的能力(b)增大渗碳层表面碳浓度(c)阻碍碳在奥氏体中的扩散。,前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不利于渗碳层的加厚。总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。,碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。,非碳化物形成元素对渗碳的作用,总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。,加速C扩散，降低表层C浓度，易形成平缓的C浓度梯度,Si：增C困难
17、,较少加入,合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响,合金结构钢,合金渗碳钢,合金结构钢,合金渗碳钢,预先热处理,热处理特点,正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机 械加工。对珠光体型钢通常用在800左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，既细化晶粒又改善切削加工性能。对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在Ac1以下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，这样可使马氏体型钢的硬度由380550HB降低到207240HB，以顺利地进行切削加工。,合金结构钢,合金渗碳钢,最终热处理,热处理特点,(1)渗碳,渗碳零件的渗碳过程大都是在910930温度进行的。钢表面的固溶碳极限是由
18、奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在奥氏体中的极限溶解度，在表面层中就会出现碳化物。,碳在奥氏体中的极限溶解度碳在奥氏体中的扩散速度扩散的时间,渗碳扩散层的厚度决定于：,合金结构钢,合金渗碳钢,(2)淬火和低温回火,热处理特点,最终热处理,20CrMnTi钢齿轮的热处理规范,采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性，而对基体性能要求不高。,主要用于渗碳后不容易过热的钢种。,合金结构钢,合金渗碳钢,热处理特点,最终热处理,淬火和低温回火后的组织,使零件具有更好的强硬度与韧塑性的配合,合金结构钢,合金渗碳钢,热处理特点,最终热处理,渗碳后先进行空冷，即正火处理，使组织细化，而
19、后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有较高要求时，可采用这种工艺。主要用于渗碳后容易过热的钢种，如20Cr、20Mn2等。,渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。,第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高，870左右，目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体。第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能的要求。最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。,航空发动机齿轮(可达GB10095-88 4级),合金结构钢,合金渗碳钢,热处
20、理特点,最终热处理,这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。,合金结构钢,合金渗碳钢,典型合金渗碳钢及其应用,低淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量2 %。15Cr、20Cr、20Mn2。只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。,活塞销( 20Cr ),中淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量在25% 左右。20 CrMn、 20CrMnTi、20Mn2TiB。具有良好的机械性能和工艺性能。用于中等载荷的抗冲击和耐磨件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器轴、如变速箱齿轮等。,柴油机凸轮轴,合金结构钢,合金渗碳钢,典型合金渗碳钢及其应用,高
21、淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量大于5 %。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。具有很好的韧性和低温冲击韧性。用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。,柴油机曲轴,合金结构钢,合金渗碳钢,例：20CrMnTi制造汽车变速齿轮,锻造正火机械加工渗碳预冷淬火+低温回火喷丸磨齿,合金结构钢,合金渗碳钢,典型渗碳钢的成分,合金结构钢,合金渗碳钢,典型渗碳钢的热处理和机械性能,合金结构钢,合金渗碳钢,出现的问题及两种减少残余A方法问题： 高淬透性渗碳钢（如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA）含有较多的合金元素，渗碳后表层C浓度也很高，将导致钢的Ms点大幅度下
22、降，使淬火后在表层产生大量残余A，降低硬度和疲劳强度。措施：在淬火前进行一次或几次高温回火(高于600)，使碳化物从M和残余A中析出，随后的淬火加热选用较低的加热温度，使这些析出的碳化物不再溶入A，Ms点回升，减少淬火后残余A;在淬火后立即进行冷处理(-60-100)，使残余A继续转变为M;同时采用上述两种方法减少残余A。,使用条件,合金结构钢,合金调质钢,用于受力较复杂的重要结构零件。如汽车后桥半轴、 连杆、螺栓以及各种轴类零件。 良好的综合力学性能,连杆,合金结构钢,合金调质钢,碳素调质钢中加入合金元素后形成的经调质处理后使用的结构钢,碳素调质钢的缺点对于要求高水平的综合机械性能的零件，如
23、连杆、高强螺栓、飞机发动机轴等，要求整个截面都有较高的强韧性。截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要要求受力较大的表面有较好的性能，心部要求可低些。碳素调质钢淬透性低，热处理变形大等缺点限制了它在这些重要机件上的应用。,背景,合金结构钢,合金调质钢,良好的综合机械性能（高的屈服强度和疲劳极限，良好的冲击韧性和塑性，轴的局部要有一定的耐磨性）足够的淬透性（淬透性是选用调质钢的依据）良好的工艺性能,性能要求,合金结构钢,合金调质钢,化学成分特点,中碳：碳含量一般在0.3%0.5%，属于中碳。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。合金元素,主加合金元素：Cr、Mn、
24、Si、Ni；辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、 B等。,重要的调质钢，一般都含有多种合金元素,合金结构钢,合金调质钢,化学成分特点,加入合金元素Cr 、Mn 、Si 、Ni 、B等以提高淬透性。Cr、Mo、W、V等可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高硬度，同时还阻碍相的再结晶，保持细小的晶块结构，也能保持足够高的强度。V、Ti、Al起细化晶粒的作用加入少量抑制回火脆性的合金元素。由于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。,合金元素的作用,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，用快速冷却难以抑制这类回火脆性，
25、因此通常在这类钢中加入Mo、W来防止回火脆性。,合金结构钢,合金调质钢,阻碍r晶粒长大元素,提高回火稳定性元素,Cr，W，Mo，V,Ti，V，W，Mo,降低回火脆性性元素,W，Mo,强韧化基体组织元素,Si，Mn，固溶强化，V，W，Mo：弥散强化，Ni：韧化,合金结构钢,合金调质钢,热处理特点预备热处理,合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火或退火处理。,合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火（650700），使马氏体型钢的强度由HB380550降至HB2072
26、40，可以顺利地进行切削加工。,合金结构钢,合金调质钢,热处理特点最终热处理,淬火,将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。,回火,根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。,表面处理,某些零件除要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。,合金结构钢,合金调质钢,回火温度与调质钢综合机械性能的关系,40Cr钢的回火温度与力学性能的关系,当调质钢淬火成马氏体，在4
27、50650温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。,合金结构钢,合金调质钢,调质钢的高温回火脆性,回火脆性与冷却速度关系,避免或减轻回火脆性的措施？,合金结构钢,合金调质钢,常用调质钢的成分和用途,合金结构钢,合金调质钢,常用调质钢的热处理和机械性能,合金结构钢,合金调质钢,典型调质钢及其应用,合金调质钢的钢种很多，按淬透性的高低可分为低、中、高淬透性三类。,低淬透性合金调质钢： 油淬临界直径最大为30mm40mm。 典型钢种：40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。 用途：通常只用
28、于制造尺寸较小的重要零件，如机床主轴、变速齿轮、 汽车、拖拉机的连杆螺栓、传动轮等。,40Cr钢是应用最广泛的合金调质钢，40MnB、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。,合金结构钢,合金调质钢,低淬透性合金调质钢：,连杆,轴,合金结构钢,合金调质钢,中淬透性合金调质钢：油淬临界直径最大为40mm60mm。 典型钢种：是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。用途：主要用于制造截面尺寸较大、负载较重的零件，例如曲轴、连杆等。 35CrMo、40CrMn等钢可用于500以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。,
29、汽轮机转子,合金结构钢,合金调质钢,高淬透性合金调质钢：油淬临界直径最大为60mm100mm。 典型钢种：是37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。用途：主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。,某军舰汽轮机主轴,合金结构钢,合金调质钢,服役条件,工艺路线,下料锻造退火(或正火)粗加工调质处理精加工成品,例如,合金结构钢,合金调质钢,合金结构钢,合金调质钢,40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,合金结构钢,合金弹簧钢,弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。它是利用弹性 变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能 量来起
30、驱动作用。,工作条件,弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架之间联结的作用。受力则以反复弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度。螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳。,合金结构钢,合金弹簧钢,性能要求,具有高的强度极限，特别是弹性极限e，还要求有高的屈强比s/b，以提高强度的利用率。 具有高的疲劳极限。具有良好的表面状态 疲劳性能对于表面状态很敏感，所以要求弹簧钢的表面不应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物铁皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽量预防表面缺陷和减轻
31、表面脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。具有较好的工艺性能 具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。,合金结构钢,合金弹簧钢,化学成分特点,碳含量：碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%0.9%， 合金弹簧钢的碳含量为0.45%0.7%。,合金元素,主加合金元素：Mn、Si、Cr；辅加合金元素：W、 Mo、 V、Nb等。,Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。 Si含量高时增大C石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。,合金结构钢,合金弹簧
32、钢,合金元素,化学成分特点,Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。,弹簧钢的纯度,对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢（P0.04%，S0.04%）或高级优质钢（P0.035%，P0.035%）。,合金结构钢,合金弹簧钢,热处理特点,冷成形弹簧,定义：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。热处理工艺：冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200400的去应力退火。用途：由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，所以通常只能制造尺寸小于8mm的小型弹
33、簧。,合金结构钢,合金弹簧钢,热处理特点,冷成形弹簧三种制造方法,铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝钢丝加热到Ac3(Accm)+100200，完全奥氏体化，再在铅浴（480540）中进行等温淬火，得到塑性高的索氏体组织，经冷拔后绕卷成形，再进行消除应力的低温退火（200300）。油淬回火弹簧钢丝，冷拔钢丝退火后，冷绕成弹簧，再进行淬火+中温回火处理，得到回火托氏体组织。硬拉弹簧钢丝冷拔至要求尺寸后，利用淬火+回火来进行强化，在冷绕成弹簧，并进行去应力退火之后不再热处理。,合金结构钢,合金弹簧钢,热处理特点,热成形弹簧,常用热轧钢丝在热态下成型，然后淬火中温回火。一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢
34、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，进行淬火及中温回火，以获得所要求的性能。 在成形及热处理过程中，要特别注意防止表面产生氧化脱碳及伤痕。弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。,合金结构钢,合金弹簧钢,典型弹簧钢及应用实例,碳素弹簧钢65、70、75和85钢。碳素钢经热处理后可以得到较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。合金弹簧刚65Mn。与碳素弹簧钢比较，具有稍高的淬透性，脱碳倾向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。故使用于制造截面尺寸为815mm的小型弹簧。,合金结构钢,合金弹簧钢,60Si2Mn。主要用于制造汽车、拖拉机和机
35、车上的板簧（1012mm厚）和螺旋弹簧（直径为2025mm）等，淬透性和性能高于65Mn。硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向，故应特别注意防护。,典型弹簧钢及应用实例,合金弹簧刚,50CrVA。这类钢可用于制造350-400下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。 Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。,合金结构钢,合金弹簧钢,典型弹簧钢及应用实例,合金弹簧刚,合金结构钢,合金弹簧钢,汽车板簧,大型热卷弹簧,热卷大弹簧,弹簧丝,合金结构钢,合
36、金弹簧钢,典型弹簧钢的成分和用途,典型弹簧钢的热处理和机械性能,合金结构钢,合金弹簧钢,合金结构钢,合金弹簧钢,弹簧钢的制作过程,热成形 一般用于大中型和形状复杂弹簧，热成形后淬火和中温回火。 工艺：扁钢剪断机械加工(倒角钻孔等)加热压弯淬火中温回火喷丸冷成形 适用于小尺寸弹簧，用已强化的弹簧钢丝冷成形后再进行去应力退火。 工艺：已经强化的弹簧钢丝绕簧去应力退火磨端面喷丸第二次去应力退火发蓝。,合金结构钢,合金弹簧钢,例如,选材：55SiMnMoV,扁钢（圆钢）下料 加热压弯成型卷绕 淬火 中温回火 喷丸 成品,工艺路线,弹簧钢的淬火:温度一般为830880，温度过高易发生晶粒粗大和脱碳现象。
37、淬火加热后在5080油中冷却，冷至100150 时取出进行中温回火。,弹簧钢的回火:回火温度根据对弹簧的使用性能要求选择，一般是在480550范围回火,合金结构钢,合金弹簧钢,汽车板簧,喷丸处理进行表面强化，使弹簧表面层产生残余压应力，提高其疲劳强度,板簧喷丸处理示意图,例如,合金结构钢,滚动轴承钢,工作条件,滚动轴承的作用是支撑轴。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚轮、滚针）和保持架四部分组成。其中除保持架用低碳钢（08钢）薄板冲制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。 滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力（高达1800MPa5000MPa）和周期性的交变载荷(频
38、率达数万次/分) 。,用于制造各种滚动轴承零件如轴承套和滚动体的专用钢种。也可用于精密量具、模具等耐磨件,合金结构钢,滚动轴承钢,工作条件,滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件条件下工作的轴承，常与大气、水蒸气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。 滚动轴承损坏正常形式：疲劳剥落，即接触疲劳破坏。,合金结构钢,滚动轴承钢,性能要求,高的淬硬性和必要的淬透性；高而均匀的硬度和耐磨性；高的接触疲劳性能；高的弹性极限和一定的冲击韧性；尺寸要精确而经久稳定；一定的抗腐蚀能力；良好的工艺性能。,合金结构钢,滚动轴承钢,牌号,合金结构钢,滚
39、动轴承钢,化学成分特点,高碳 为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%1.15%，属于过共析钢。,一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体； 另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性。 过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物而降低其性能。,合金结构钢,滚动轴承钢,化学成分特点,加入主加合金元素铬Cr的作用是提高钢的淬透性、耐磨性（形成细小合金渗碳体）和钢的耐腐蚀性能。,钢中部分铬形成的合金渗碳体(Fe,Cr)3C在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经热处理后可以得到较细的组织；碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定
40、性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。适宜的铬含量为0.40%1.65%。,合金结构钢,滚动轴承钢,化学成分特点,加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。,大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性，通常加入Mn、Si提高淬透性，适量的Si（0.40%0.60%）还能明显地提高钢的强度和弹性极限；加入V一部分溶于奥氏体，提高淬透性，另一部分形成碳化钒VC，提高钢的耐磨性并防止过热。通常无铬钢中都含有钒。,降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提高冶金质量。,由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以要求S0.02%，P0.027%，一般采用电渣重熔、电
41、炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。,合金结构钢,滚动轴承钢,滚动轴承钢的原始组织要求,轴承由原材料质量引起的失效占65。因此必须严格控制冶金质量。,钢的纯净度冶炼过程中带来的夹杂包括：塑性夹杂物（硫化物和塑性的铁锰硅酸盐）、脆性夹杂物（氧化铝、尖晶石类氧化物及氮化物）、点状夹杂物（含钙镁的铝酸盐）点状、脆性夹杂物与基体弹塑性变形不协调，引起应力集中，易产生微裂纹，接触疲劳寿命 ；塑性夹杂物易随基体一起塑变，对钢的危害较小。总之，为了减轻非金属夹杂物对滚动轴承钢性能的危害，不仅要降低钢中夹杂物数量，而且要控制其类型、尺寸、形态和分布，理想的状态是数量少，塑性好，尺寸小，并呈细条均匀分布。,
