第三章 机械制造结构钢.ppt

第三章机械制造结构钢制造各种机械零件：轴、齿轮、轴承、紧固件、连接件等。
工作特点：承受各种载荷，且周期作用。
性能要求：足够高的强度、塑性、韧性和疲劳强度。第一节结构钢的强度、脆性、淬透性强度的提高，往往带来韧性、塑性的恶化
材料设计时：
若在弹性范围内，根据比例极限σp来计算，称为弹性设计。
若允许少量塑性变形，根据屈服强度σs来计算，称为塑性设计。
意外情况：在应力远低于屈服强度下还会发生变形和断裂。因此脆性也非常重要，要进行韧性设计。韧性指标：a-冲击韧性
b-韧-脆转化温度
c-断裂韧性KIC：材料抵抗裂纹突然扩展的能力

断裂强度：

α-裂纹突然扩展时裂纹尺寸之半2.结构钢的淬透性合金元素对淬透性有促进作用，按下列顺序依次增大：镍、硅、铬、钼、锰、硼
碳也能增加淬透性，但如果形成了未溶碳化物，则降低淬透性。
淬透性乘子f：合金元素增加钢淬火时临界直径尺寸的能力。

淬火后，圆棒达到中心50％马氏体的直径长度临界直径
DI＝DIC×fSi×fMn×fCr×fNi×…
在确定合金元素增大临界直径DI之前，首先要确定碳的作用与奥氏体晶粒尺寸的作用。
顶端淬火曲线：合金结构钢的淬透性表征
第二节调质钢2.性能相似性（2）碳素调质钢与合金调质钢经淬火回火到相同强度和硬度，它们的σs和δ值很相近，但断面收缩率ψ值上存在差别。3.高温回火脆性一种Cr-Ni调质钢经淬火650℃回火后以不同速度冷却，其室温冲击值如下：

650℃回火后冷却方式室温冲击值/J
炉冷9.4
空冷23.5
油冷59.8
水冷74.6
（2）在350～600℃范围等温回火保持时间愈长，不管回火后冷却快慢，其在室温的冲击韧性愈恶化，韧-脆转化温度愈高。导致高温回火脆性的原因：杂质元素P、Sn、锑、砷等在原奥氏体晶界的偏聚引起晶界脆化。
预防与消除措施：
a-钼、钨、钛，可减轻高温回火脆性
b-稀土元素La、Ce能和杂质元素形成稳定的化合物
c-已经脆化的钢再在650℃保温后快冷，可消除脆化倾向。第三节低温回火结构钢（3）含碳量与抗拉强度σb的关系：
w（C）＝0.2～0.5％

σb＝288000w（C）+800MPa

w（C）＝0.2～0.3％，回火马氏体保持较好的韧性和较低的FATT50（℃）

w（C）>0.3％，随着钢强度继续升高，钢的韧性特别是断裂韧性下降显著（4）低温回火脆性防止措施：2.低碳马氏体结构钢3.低合金超高强度结构钢对于低、中强度钢，随之钢的强度不断升高，钢的缺口强度也随之上升。但在高强度钢范围内，随着钢的强度升高，其缺口强度反而下降。
产生原因：
碳含量高；
杂质元素：H氢脆；P偏聚晶界，晶界脆性；O、S降低韧性
改善方法：提高钢的纯净度
缺点：脆性；脱碳；热处理后变形较大；焊接性不好第四节高合金超高强度结构钢1.马氏体时效钢中合金元素的作用钼和钴复合加入，使沉淀强化效应进一步加强。
（3）杂质元素破坏塑性和韧性，须严格控制
碳：碳与钼、钛、铌形成碳化物在晶界析出，降低韧性与缺口强度σN，并减少其有效含量，使强化效应减少。
氮：形成TiN和NbN，容易导致裂纹。
硅与锰：虽有强化作用，但对韧性有害
硫：形成硫化物，降低钢的横向韧性。2.马氏体时效钢的热处理3.马氏体时效钢的强化作用分类4.马氏体时效钢的高塑性、高韧性
存在大量可动位错，没有受到碳、氮间隙原子的钉扎。
400～500℃时效时，相变引起的显微应力被松弛。
第五节渗碳钢和氮化钢（2）渗碳钢的含碳量合金元素对渗碳层厚度的影响：（a）碳化物形成元素：增大钢表面吸收碳原子的能力，增加渗碳层表面碳浓度，有利于增加渗碳层深度；另一方面又阻碍碳在奥氏体中扩散，因而不利于渗碳层增厚。
铬、锰、钼有利于渗碳层增厚，钛减小渗碳层厚度。
（b）非碳化合物形成元素：降低钢表面吸收碳原子能力，减小渗碳层浓度，加速碳在奥氏体中扩散。
镍、硅不利于渗碳层增厚。2.氮化钢（2）合金元素作用：形成氮化物，起弥散强化作用。
最有效的氮化元素是铝、铌、钒，其次铬、钼、钨（3）氮化处理提高疲劳强度和耐磨性的原因
a-表面形成高硬度的γ’-Fe4N和ε-Fe3-2N
b-氮原子与合金元素形成氮化物，弥散强化作用，提高强度、硬度
c-表面渗入氮原子后体积膨胀，表面产生了压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。