第3章 机器零件用钢

第3章 机械制造结构钢 （机器零件用钢） 根据钢的生产工艺和用途，可分为： 调质钢、非调质钢、低碳马氏体钢 第3章 机械制造结构钢 （机器零件用钢） 根据钢的生产工艺和用途，可分为： 调质钢、非调质钢、低碳马氏体钢 弹簧钢、轴承钢、渗碳钢、氮化钢、耐磨钢等。

3.1 概 述 一、机器零件用钢的性能要求（表3.1） （1）具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。 3.1 概 述 一、机器零件用钢的性能要求（表3.1） （1）具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。 （2）具有良好的力学性能 不同零件对钢的强度、塑性、韧性、疲劳强度、 耐磨性等有不同要求。 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。

二、机器零件用钢合金化特点 主加元素 Cr，M n，Si，Ni 主要作用： ↑淬透性和力学性能 Mo，W，V ，B等 辅加元素 主要作用：↓过热敏感性，↓回火脆性 ↑提高淬透性。 辅加元素 获得最佳性能→称为极限合金化理论。 结构钢常用范围为： <1.2％Si，<2％Mn， 1-2 ％Cr，1-4％Ni， <0.5％Mo, <0.2％V, <0.1％Ti，0.4-0.8％W 或单独加入，或是复合加入 最佳范围

（1）若要求良好的综合力学性能，零件选材途径： 三、零件材料和工艺选择途径 （1）若要求良好的综合力学性能，零件选材途径： ① 低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。 为 ↑耐磨性，可进行渗碳处理； 如：汽车、拖拉机齿轮 ② 回火索氏体型，选择中碳钢、中碳合金钢 采用淬火+高温回火 为↑耐磨性，可进行高频淬火或氮化处理 如：轴类零件

（2）如要求更高的硬度，则适当牺牲塑韧性。 可选择中碳钢、中碳合金钢，采用淬火+低温回火 如低合金中碳马氏体钢。农业机械应用较多。 （3）如要求高的弹性极限和屈服强度，又要求有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹簧钢 （4）零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性能和一 定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火 如轴承钢

应该明确： 不同机器零件的服役条件和失效方式不同，主要的失效判据也不同， →应合理选择钢的含碳量和热处理工艺。 ①一般情况下，某零件的制造材料并不唯一，可以用不同牌号的钢来制造；如：20CrMnTi、20CrMnMo制造汽车齿轮 ②某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件。 如：40Cr， 调质处理（轴类），调质处理+高频淬火（齿轮） ③某零件用某一材料制造，其热处理工艺也可以不同(表3.2) 如：40Cr齿轮，正火、调质处理、调质处理+高频淬火 在满足使用性能要求的前提下，尽可能选择成本低廉的材料和简单的处理工艺。

对调质钢、弹簧钢、轴承钢，需要整体强化 整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力。 主要失效形式：疲劳破坏 基本情况 主要性能指标 σ-1 、σb 、AK、 KIC 总体上要求良好的综合力学性能 基本情况 主要制造轴、杆、轴承类等机器零件 如连杆、螺栓、主轴、半轴等。 这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。 主要应用

M7150A砂轮主轴 汽车半轴 a)一端法兰式 b)二端花键式 c)变截面台阶式 汽车\拖拉机用连杆

上图 S7332螺纹磨床丝杠 下图 T615K镗床镗杆

3.2 调质钢 调质钢：经过调质处理即淬火 及高温回火后使用的结构钢。 具有良好的综合力学性能，在 机器零件中用量最大。 圆锥齿轮 柴油机凸轮轴 调质钢：经过调质处理即淬火 及高温回火后使用的结构钢。 具有良好的综合力学性能，在 机器零件中用量最大。 应用：轴类、连杆、齿轮

3.2 调质钢 一、淬透性原则 淬透性相近的同类调质钢，可相互代用。 0.25～0.45％C的合金钢 经调质后室温性能的变化 屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率的变化

Ni：↑基体韧度，Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆； Mo：↑淬透性，细晶，↑回稳性，↓↓回脆倾向； 二、合金化及常用钢 含碳量在0.25～0.45％，常用合金元素作用： Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向； Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向； Ni：↑基体韧度，Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆； Mo：↑淬透性，细晶，↑回稳性，↓↓回脆倾向； V：有效细晶，↓↓过热敏感性，溶入A↑淬透性， ↑回稳性

在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。DC为油淬临界直径。 低淬透性钢：DC＜30~40mm，有40Cr、40Mn2, 40MnB, 42SiMn，35CrMo，42Mn2V（45 ＃）等。 中淬透性钢：DC：40~60mm，有40CrNi， 42CrMo，40CrMn，30CrMnSi等。 高淬透性钢：DC>60~100mm，有40CrNiMo, 40CrMnMo，37CrNi3等。

图3-3 不同合金化对钢淬透性的影响（Dc：油淬临界直径）

分析比较：40Cr →40CrNi →40CrNiMo 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 淬透性 回稳性 塑韧性 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo 回脆性 思考：以 Mn代Ni，在性能上有什么差别？

三、调质钢的热处理特点 1.预备热处理 目的：改善切削加工性，改善粗晶组织和带状组织。 合金含量较少的钢： 轧制和锻造后为P，一般采用在AC3线以上加热正火。 合金含量较多的钢： 轧制和锻造后为M，一般采用 AC3线以上加热正火 + 高温回火，使硬度由HB380～550降至HB207～240，以利于切削加工。

三、调质钢的热处理特点 2.最终热处理 ① 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。 ② 回火：根据性能确定回火温度，因此回火是调质钢 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。 ③ 表面处理：要求较高的强、韧、塑性配合及良好的 耐磨性时，经调质处理后，局部进行高频淬火。如对耐 磨性要求更高，可用氮化钢在调质后进行氮化处理。

常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途

常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途

调质钢要点： 选择调质钢方法以及应注意的事项： (1) 所选择钢在热处理时应有足够的淬透性，以满足使用性能要求； ◆调质钢是一种中碳钢或中碳合金钢 ◆调质钢在淬火＋高温回火后具有优良的综合机械性能 ◆调质钢淬火温度：AC3温度＋30～50℃； ◆调质钢回火温度：取决于最终所需要的强韧性指标 选择调质钢方法以及应注意的事项： (1) 所选择钢在热处理时应有足够的淬透性，以满足使用性能要求； (2) 确定钢材的淬火、回火温度，以及冷却介质。 (3) 充分考虑调质处理时的回火脆性和防止措施。

调质钢的五大性能指标： σb 、σs 、ψ、δ、AK 四、调质钢强韧性化工艺发展 调质钢的五大性能指标： σb 、σs 、ψ、δ、AK AK是一次大能量冲击性能指标，大部分机械零件在小 能量多冲条件下工作，用 AK很难准确反映。有些重要零件 以断裂韧度K IC 来衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温 回火态好。零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性 和韧性宜高些；冲击能量小时，强度应高些，塑性韧性低些， 以达最佳配合。

如复合热处理，即热处理强化、表面处理 及形变强化工艺结合起来。 如汽车转向节圆角处进行高频淬火处理后， 疲劳寿命提高50倍。 综合强化 工艺 如滚压、喷丸等冷变形方法也能提高零件 寿命。 冷变形 既能节约能源、简化工序，又能细化组织， 提高零件强韧性。如柴油机连杆，已普遍 使用锻造余热淬火工艺。 锻造 余热淬火

3.3 非调质机械结构钢（微合金非调质钢） 非调质（机械结构）钢：通过微合金化、控制轧制（锻制） 和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近 调质钢力学性能的方法。 中碳钢中加入微量Ti、Nb、V等 锻轧后冷却过程中弥散析出稳定碳（氮）化物 使钢性能达到调质 钢水平

3.3 非调质机械结构钢 一、微合金元素对强韧化的贡献 非调质钢组织：F+P+弥散析出K（第一代非调质钢） 主要强化作用：细化组织和相间沉淀析出(F中析出) 微合金化元素：Ti、Nb、V、N等， V是主要Me ，起沉淀析出强化作用； Nb 、Ti起细晶强化作用 非调质钢生产的主要目标是细化组织 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等—— 主要贡献是细化组织。

二、获得最佳强韧化的工艺因素 沉淀强化 工艺参数 是关键 相间 析出 细化组织 控制轧制 控制冷却 细化组织和 沉淀析出要协调 工艺因素 决定各种强化机制的效果

三 、组织因素对强韧性贡献的大小 间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量 一般认为可以提高150～400MPa，甚至可以 达到600MPa。 细化组织强化量大约在50～300MPa。 其它强化机制都不同程度地降低韧度。

四 、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢 微合金非调质钢：经历了三个阶段的发展 铁素体-珠光体型组织：第一代非调质钢 低碳贝氏体组织：第二代非调质钢 为得到高强度高韧度，开发了低碳贝氏体非调质钢 代替Cr-Mo调质钢 低碳马氏体组织：第三代非调质钢 直接从锻造温度淬火而产生自回火得到细小均匀 的K和板条M。 F-P、B、低碳M型微合金非调质钢应用于制作 汽车发动机曲轴、连杆、汽车前桥等

四 、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢 非调质钢已经不限于中碳范围 不同的成份的钢种（碳钢，合金钢），强化机制不同； 同一钢种，工艺不同，强化机制的效果也不同； 所以钢的组织、性能也有很大的差异。

3.4 弹簧钢 弹簧是一种使用很广泛的机械零件, 其主要作用在于储存能量和减轻震动。 汽车板簧 火车螺旋弹簧

3.4 弹簧钢 汽车板簧 大型热卷弹簧 热卷大弹簧 弹簧丝

3.4 弹簧钢 一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能 储能减震 根据外形分为： 板簧、螺旋弹簧； 根据用途分为： 压簧、拉簧和扭簧等 弹簧类型

板弹簧：用于机车、汽车、拖拉机，联结车轮和车架。 受力：以反复弯曲应力为主。 提高其使用寿命措施：提高疲劳强度。

螺旋弹簧：不管是受压或受拉，主要承受扭转应力。主要破坏方式：疲劳，疲劳源一般在内表面。

（a）压缩弹簧 （b）拉伸弹簧 （d）单板弹簧 （c）扭转弹簧 （e）叠型弹簧 （f）椭圆弹簧 典型的螺旋弹簧及板簧

扭杆弹簧 (a)实芯扭杆 (b)串联式扭杆 卡簧（圈）基本形状 碟形弹簧截面

3.4 弹簧钢 一、弹簧的服役条件及性能要求

板簧 弯曲应力 疲劳破坏 弹性减退 螺簧 扭转应力 高的弹性极限бe、屈强比бs/ бb→弹性↑ 高的疲劳强度б-1→避免早期疲劳破坏 有足够的塑性和韧性→不产生脆性断裂 足够的淬透性→保证бe和疲劳强度 其它要求：冶金质量，表面质量。

有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳 思考题： 为什么弹簧要求 有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳 等缺陷？

二、常用弹簧钢及强化工艺 碳素弹簧钢：65、70、75、85钢 C: 0.62～0.9%，Mn: 0.5～0.8%， Si: 0.15～0.37% 合金弹簧钢： 65Mn、 60Si2Mn、 50CrVA 合金化：0.40～0.74%C + Si、Mn、Cr、V等 Cr 、Mn：主要提高淬透性 Si：提高弹性极限 V：提高淬透性和细化晶粒。

常用硅锰板弹簧有60Si2Mn,55Si2Mn等 60Si2Mn： Si 、Mn复合，强化F，→ ↑бe ，бs/бb可 达到0.8～0.9； Si、Mn↑淬透性，Ms不过分↓，开裂倾向小 Si ↑回稳性，但↑脱碳倾向； Mn ↑过热敏感性 Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较Si钢、 Mn钢为小。

常用螺旋弹簧有50CrVA等 50CrVA： Cr、V均提高回稳性，韧性好； V细化晶粒，降低过热敏感性； 含Si少，脱碳敏感性减低，热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的 阀门弹簧、活塞弹簧。

热成型 弹簧 基本 工艺 方式 冷成型 弹簧 小型 弹簧 大型弹簧 形状复杂 弹簧 热成型→ 淬火+中温回火→喷丸 热成型 弹簧 基本 工艺 方式 冷变形或热处理强化 →冷成型→低温退火 →喷丸 冷成型 弹簧 小型 弹簧

火车缓冲压缩螺旋弹簧热成形的三种热处理工艺 （a）常规热处理（b）热卷簧余热淬火（c）高温形变热处理

思考题： 大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形？ 小型弹簧成形后为什么进行低温退火？

热处理 工艺 淬火+ 中温回火 回火 屈氏体 具有一定的冲击韧度，较高的弹性 极限、屈强比、最高的疲劳强度。

60Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系 55Si2Mn钢疲劳强度 随回火温度的变化

形变强化可提高弹簧的使用寿命，板簧最适合形变强化 滚压、喷丸等冷变形强化都能有效的提高板簧使用寿命，如结合高温形变热处理则更好。 板簧喷丸作用举例： 疲劳强度（MPa） 板厚/mm 未喷丸 喷丸 应力喷丸 13 390 470 800 11 350 700 850

喷丸处理也称喷丸强化：是减少零件疲劳，提高寿命的有效方法之一。 喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力；同时可减轻或消除弹簧表面缺陷（如小裂纹、凹凸缺口及脱碳层等，从而提高弹簧的疲劳强度。 喷丸强化分为一般喷丸和应力喷丸。一般处理时，钢板在自由状态下，用高速钢丸打击钢板的里面，使其表面产生预压应力。以减少工作中钢板表面的拉应力，增加使用寿命。应力喷丸处理是将钢板在一定的作用力下的预先弯曲，然后进行喷丸处理。

3.5 滚动轴承钢 一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求 滚动轴承由内、外套圈和滚动体（珠、柱、锥、针）及保持器组成。 滚动轴承及其受到载荷分布情况

滚子轴承 圆柱滚子推力轴承 圆锥滚子推力轴承 滚针保持架组件

滚珠轴承 滚针轴承 滚柱轴承

3.5 滚动轴承钢 工 作 条 件 一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求 高负荷：最大接触应力高达3000～5000MPa 高转速：循环周次可高达每分钟数万次，且滚动体 与套圈、保持架之间还有相对滑动，产生相对摩擦 工 作 条 件 高灵敏度：精度要求高，若产生磨损、麻点→噪音 滚动体和套圈工作面还受到含有水分或杂质的润滑 油的化学浸蚀 某些情况下，轴承零件承受复杂的扭力或冲击负荷 轴承工作条件复杂、苛刻，正常失效形式：疲劳剥落，即接触疲劳破坏。

性 能 要 求 关键因素 化学成分、冶金质量和加工工艺 ①高而均匀的硬度和耐磨性→足够淬透性和淬硬性， >60HRC； ②高接触疲劳强度→以免过早失效→保证材质,组织 ③高的弹性极限和一定的冲击韧性→承受冲击， 以免破碎； ④尺寸稳定性好→保证精度； ⑤一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀； ⑥具有良好的冷热加工工艺性能。 性 能 要 求 关键因素 化学成分、冶金质量和加工工艺

二、轴承钢的冶金质量 接触面积小 应力集中大 材质纯净、组织均匀 易产生裂纹 纯净→夹杂物要少：主要有各种 氧化物（如Al2O3）和硅酸盐等。 危害程度依次递减： Al2O3 、 球状不变形夹杂、硅酸盐等。 冶金 质量 要求

氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响

三、轴承钢的成分与原始组织 成分 高碳低铬轴承钢，如GCr15钢，0.95~1.10%C，1.4~1.65%Cr。其优点：  加工工艺性好，便于得到较稳定而均匀的组织和高而稳定的硬度； 具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能； 具有比较满意的防锈性能； 具有合适的弹性和韧性； 价格较低。 因而获得广泛的应用。

三、轴承钢的成分与原始组织 成分 ①碳：0.95~1.10%，是决定高硬度、高接触疲劳强度、高耐磨性的主要因素。 实践证明： 同样硬度下，耐磨性(M+碳化物)＞耐磨性(M) ②铬：1.40～1.65%， 提高淬透性； 部分溶于铁素体； 部分溶于渗碳体，形成稳定的合金渗碳体(Fe,Cr)3C； 提高马氏体的低温回火稳定性。

三、轴承钢的成分与原始组织 ③硅、锰： 进一步提高淬透性，节约铬，GCr9SiMn是GCr15钢的代用品； 适量的硅还能明显提高钢的强度和弹性极限。 ④磷、硫： 严格限制磷、硫含量。磷促使晶粒长大并增加钢的脆性，增加淬火开裂倾向；硫会增加钢中硫化物夹杂。 ⑤氧、氮： 有害元素，应尽量降低轴承钢中气体含量。

三、轴承钢的成分与原始组织 2.原始组织 ①原始组织必须无缩孔、皮下气泡、白点和过烧； ②严格控制非金属夹杂物； ③严格控制疏松级别； ④改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。

碳化物细小均布。主要有三类K： K液析→结晶时枝晶偏析而引起→ 高温扩散退火，不允许液析严重； 带状K→压制时二次碳化物偏析→ 高温扩散退火。 网状K→冷却时在晶界析出→正火 原始 组织 均匀

三、轴承钢的成分与原始组织 2.原始组织 GCr15锻造后冷速不当易出现网状碳化物组织 GCr15锻造后的网状碳化物

四、铬轴承钢的热处理 球化退火（预先处理）和 淬火＋低温回火（最终热处理） 1.GCr15钢的球化退火 目的:   降低硬度，改善其切削加工性； 获得均匀细粒状珠光体，为最终热处理做组织准备。

球化退火（预先处理）和淬火＋低温回火（最终热处理） 四、铬轴承钢的热处理 球化退火（预先处理）和淬火＋低温回火（最终热处理） GCr15钢制轴承套圈的球化退火工艺及组织

四、铬轴承钢的热处理 GCr15钢退火温度：770～810℃，790℃最适宜 退火后组织：均匀分布的球状P 。 T过高，碳化物溶解过多，γ成分均匀，冷却后得到粗片层Ｐ或大块聚集碳化物，使硬度偏高。 Ｔ过低，片状渗碳体溶解不充分，γ成分不均匀，冷却时碳化物沿原片层析出，形成细小的链状碳化物，使硬度偏高。 碳化物的形状取决于Ｔ，碳化物的弥散度取决于冷速，冷速越大，碳化物的弥散度越大，硬度越高。 退火后组织：均匀分布的球状P 。

四、铬轴承钢的热处理 2.GCr15钢的最终热处理 轴承零件淬火后一般要满足以下的要求： 加热时获得均匀细小的γ晶粒 ；  淬火后组织：隐晶Ｍ基体上分布着均匀细小的碳化物  淬火组织硬度：62～66 HRC；（对磨试样） GCr15钢的未溶碳化物数量应占7%～9%，残余γ量小于10％，γ中溶解0.50%～0.60%C、0.8%Cr，保证淬透性和淬硬性。  淬火后表面不应有氧化脱碳及软点。

四、铬轴承钢的热处理 轴承钢的一般热处理工艺为淬火＋低温回火。 GCr15钢最终热处理工艺

四、铬轴承钢的热处理 GCr15淬火组织：隐晶M+ 均匀细小的粒状碳化物+残γ GCr15 淬火组织

四、铬轴承钢的热处理 精密轴承： 稳定化处理：-70 ~-80℃冷处理 120~150 ℃附加回火

回火温度对GCr15钢力学性能的影响

轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体的影响

五、常见铬轴承钢 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途

六、其它轴承钢简介 1.特大型轴承用钢（渗碳轴承钢） 外径大于450mm的轴承 用于轧钢机械、矿山挖掘机械，受较大冲击负荷。 要求表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，且心部有一定的韧性、足够的强度和硬度，可选用渗碳轴承钢制造。 如：G20Cr2Ni4、 G20CrNi2Mo、G20Cr2Mn2Mo   渗层：4~5mm，930~ 940℃，渗碳 80~120小时   具体材料与工艺见渗碳钢一节。 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途

六、其它轴承钢简介 2.不锈轴承钢 化工机械、石油矿井机械、海洋船舶、原子反应等设备中的某些轴承在各种腐蚀环境中工作。 各国的不锈轴承钢的化学成分大体相同，一般采用高碳M不锈钢。 如: 9Cr18、 9Cr18Mo（未溶Cr7C3）     具体材料与工艺见不锈钢一节。 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途

六、其它轴承钢介绍 3.高温轴承钢 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 具体材料与工艺见高速钢一节。 航空发动机、宇航飞行器、燃汽轮机等装置中的轴承在高温、 高速、高载荷下工作，工作温度已超过300℃。 要求轴承的材料有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗 氧化性和耐腐蚀性，良好的尺寸稳定性和高温下长的寿命。 GCr15轴承钢最高工作温度不超过180℃，否则将发生硬度降 低，尺寸稳定性降低的问题。 高温轴承钢主要有高速钢、高铬M不锈钢、高温渗碳钢三类。 如：Cr4Mo4V，W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2 ， W9Cr4V2； Cr15Mo4、Cr15Mo4V2； 12Cr2Ni3Mo5、10Cr4Ni4Mo4V     具体材料与工艺见高速钢一节。 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途

轴承钢在淬火热处理后，硬度检验时不允许有明显软点，为什么？ 思考题 轴承钢在淬火热处理后，硬度检验时不允许有明显软点，为什么？ 如出现软点，可能有哪些因素造成的？

3.6 低碳马氏体钢 低碳钢或低碳合金钢经淬火+低温回火处理，得到 低M组织作为应用状态的钢。 没有独立钢类，但有专门开发的低碳M钢。 3.6 低碳马氏体钢 低碳钢或低碳合金钢经淬火+低温回火处理，得到 低M组织作为应用状态的钢。 没有独立钢类，但有专门开发的低碳M钢。 低碳马氏体结构钢的组织与性能特征： 位错板条M＋板条相界残余A薄膜＋板条内部M自回火析出 的细小分散K，可实现强、韧、塑性的最佳配合。

3.6 低碳马氏体钢 一、基本性能和成分特点 基本 性能 成 分 特 点 0.15～0.25％C，→以保证淬火后获得板条M 3.6 低碳马氏体钢 一、基本性能和成分特点 基本 性能 成 分 特 点 0.15～0.25％C，→以保证淬火后获得板条M + Cr,Mo,Si,Mn,V等 →↑淬透性等性能。 15MnVB,20SiMn2MoV,25SiMn2MoV是我国研制开发的, 已获得广泛应用。

3.6 低碳马氏体钢 二、低碳马氏体与中碳调质钢相比的差异 含碳量由中碳降低为低碳（≤0.25%）； 2.冷脆倾向较小（可在严寒地区使用）； 3.在静载荷下具有低的缺口敏感性； 4.具有低的疲劳缺口敏感度； 5.更好的强、塑、韧性的配合。

3.6 低碳马氏体钢 三、低碳马氏体钢良好的工艺性能 ①冷变形能力良好； ②焊接性能优良； ③热处理时脱碳倾向小； ④淬火变形和开裂倾向小。

3.6 低碳马氏体钢 四、低碳马氏体合金化的方向 1、保证低碳马氏体钢的淬透性； 2、有利于提高低温回火抗力； 3、能改善低碳马氏体钢机械性能的元素； 4、结合我国资源条件可考虑加入Mn、Si、Mo、B、V等元素。     渗碳钢和普通低合金结构钢可作为低M钢使用。

3.6 低碳马氏体钢 五、低碳马氏体钢的热处理 淬火+低温回火（150-200℃）。 图7-6-1 低碳马氏体钢金相组织

3.6 低碳马氏体钢 六、低碳马氏体结构钢应用 在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业 机械制造工业中得到了广泛的应用 应 用 实 例

3.6 低碳马氏体钢 六、低碳马氏体结构钢应用 实例2： 3.6 低碳马氏体钢 六、低碳马氏体结构钢应用 实例2： 原来用40Cr制造的高强度冷镦螺栓，现改为15MnVB低碳M钢,低碳M钢有明显的优点： 1、冷镦性好，零件开裂少，成品率提高； 2、搓丝性能好，搓丝模具使用寿命长； 3、加热时脱碳倾向小； 4、材料价格低，降低成本。

3.7 合金渗碳钢 某些机器零件：齿轮、凸轮、活塞销等 服役条件： （1）零件在滑动、滚动相对运动下工作，有摩擦； 3.7 合金渗碳钢 某些机器零件：齿轮、凸轮、活塞销等 服役条件： （1）零件在滑动、滚动相对运动下工作，有摩擦； （2）承受交变弯曲应力和接触疲劳应力； （3）一定的冲击力。 失效形式：过量磨损、表面脱落、断裂 其机械性能要求： （1）表面具有高硬度和高耐磨性； （2）具有高的接触疲劳强度、 （3）心部具有良好的综合力学性能。

各种类型的齿轮

3.7 合金渗碳钢 用低碳钢进行渗C，使表面到中心具有从高C(0.8～1.1%C)到低C(0.10～0.25%C)连续过渡的化学成分。 3.7 合金渗碳钢 用低碳钢进行渗C，使表面到中心具有从高C(0.8～1.1%C)到低C(0.10～0.25%C)连续过渡的化学成分。 零件表面层：具有高强度、高耐磨性； 零件心部：具有适当的强度和较好的韧性。　 对于一般零件： ①渗碳层的含C量限制为0.8～1.1%C； ②渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内。

3.7.1 渗碳钢的合金化 保证心部得到强韧性好的板条M 一般含碳量在0.12～0.25% 常用合金化元素 Mn、Cr、Ni主要↑淬透性 3.7.1 渗碳钢的合金化 保证心部得到强韧性好的板条M 一般含碳量在0.12～0.25% 常用合金化元素 Mn、Cr、Ni主要↑淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒 渗碳层性能：表层碳含量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。

合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响

渗碳零件受力与渗碳厚度的关系

3.7.1 渗碳钢的合金化 渗碳温度：910～930℃。 钢表面的固溶碳极限由A在渗碳T时对碳的饱和溶解度决定 3.7.1 渗碳钢的合金化 渗碳温度：910～930℃。 钢表面的固溶碳极限由A在渗碳T时对碳的饱和溶解度决定 如超过溶解度，在表面层中会出现碳化物。 渗碳扩散层的厚度决定于： ①碳在奥氏体中的极限溶解度； ②碳在奥氏体中的扩散速度； ③扩散的时间。

3.7.1 渗碳钢的合金化 渗碳扩散层的厚度决定于： ①碳在奥氏体中的极限溶解度； ②碳在奥氏体中的扩散速度； ③扩散的时间。 3.7.1 渗碳钢的合金化 渗碳扩散层的厚度决定于： ①碳在奥氏体中的极限溶解度； ②碳在奥氏体中的扩散速度； ③扩散的时间。 因此，渗C T↑，C 在A中的极限溶解度↑； C 在A的扩散速度↑， 达到相同厚度的扩散层所需要的渗碳时间越↓ 但是，渗C T↑ ，奥氏体晶粒长大的倾向性↑。

前两个因素加速渗C，有利于渗C层的加深，而后一因素不利于渗C层的加深。 3.7.1 渗碳钢的合金化 一般地讲，碳化物形成元素对渗C的作用： ①增大钢表面吸收C原子的能力； ②增大渗碳层中的C浓度； ③阻碍C原子在奥氏体中的扩散。 前两个因素加速渗C，有利于渗C层的加深，而后一因素不利于渗C层的加深。   总的效果是Cr、Mo等元素加大渗C层的厚度，Ti减小渗C层的厚度。

3.7.1 渗碳钢的合金化 非碳化物形成元素对渗C的作用： Ni、Si：减慢渗速，不利于渗C层的加深； 3.7.1 渗碳钢的合金化 非碳化物形成元素对渗C的作用： Ni、Si：减慢渗速，不利于渗C层的加深； Mn：加速渗C，且不过分地增多渗C层中的C含量，不会在渗层中产生多量的大块碳化物。

3.7.1 渗碳钢的合金化 在设计渗碳钢的化学成分时，除了考虑渗层的组织和性能外，还必须考虑零件的心部强度、钢的淬透性、表面残余应力和钢的渗碳工艺性能等，由此来调整各种合金元素的配比。

3.7.2 常用渗碳钢 渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下： 3.7.2 常用渗碳钢 渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下： ①15、20； ②20Cr、20MnV（低淬透性） ③20CrMnTi、 20CrMnMo、 20CrMn（中淬透性） ④18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A（高淬透性） 承受较大冲击载荷，不宜采用含碳较高的渗碳钢； 承受大负荷的重要零件，最好使零件淬透，心部为低M。 18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢，也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要件，如航空发动机齿轮等。

3.7.2 常用渗碳钢 20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可以 20CrMnTi钢特点： 3.7.2 常用渗碳钢 20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可以 20CrMnTi钢特点： 广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。 ①Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm ②较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好； ③渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 渗碳后的热处理 工艺有 直接淬火 细晶粒钢可用直接淬火 一次淬火 二次淬火。

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 一般渗碳钢热处理工艺： 渗碳→淬火（直接淬火或重新加热淬火）→低温回火。 3.7.3 渗碳钢的热处理特点 一般渗碳钢热处理工艺： 渗碳→淬火（直接淬火或重新加热淬火）→低温回火。 以20CrMnTi钢为例讨论其热处理工艺规范。

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 20CrMnTi钢渗碳后预冷到870~880℃直接淬火，先预冷再淬火目的： ①减少淬火变形 3.7.3 渗碳钢的热处理特点 20CrMnTi钢渗碳后预冷到870~880℃直接淬火，先预冷再淬火目的： ①减少淬火变形 ②渗碳层中析出Fe3CⅡ，淬火时减少渗C层的残A量 经过这种处理后，20CrMnTi钢可以获得耐磨性较高的渗碳层，而且零件心部具有较高的强度和良好的韧性。

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 高淬透性渗碳钢20Cr2Ni4A钢制齿轮渗碳及随后热处理规范如图7-4-5所示

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 18Cr2Ni4A渗碳后空冷组织

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 高淬透性渗C钢Me较多，渗层含C、Me量高，导致Ms↓，渗碳层残A中多，使表面硬度↓。↓残A数量的方法有： 3.7.3 渗碳钢的热处理特点 高淬透性渗C钢Me较多，渗层含C、Me量高，导致Ms↓，渗碳层残A中多，使表面硬度↓。↓残A数量的方法有： 1. 淬火后冷处理(-60～-100℃)，使残A →M； 2. 渗C正火后进行一次高温回火（600～620℃），从M 及残A中析出碳化物，再加热到较低温度(Ac1+30～50℃) 淬火，碳化物不再溶入A中，减少A中C及Me含量，使 Ms↑，淬火后残余A↓ ； 3. 表面喷丸，使渗层中的残A →M 。

3.7.3 渗碳钢的热处理特点 典型渗碳钢种的成分、热处理、性能和用途见表7-9。 表7-4-2典型渗碳钢的热处理和机械性能

3.8 氮化钢 服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受到交变的疲劳应力。这类零件主要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢进行渗氮处理。

3.8.1 概 述 1、钢经过氮化处理的优点 ①可明显提高零件疲劳强度和耐磨性； ②具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力； ③零件的变形量很小； ④氮化层在较高的温度仍能保持其硬度。 用途：要求疲劳强度高、耐磨性好、尺寸精度高的机器零件，如镗床、磨床的主轴、主轴套筒、蜗杆、柴油机上的曲轴等，往往采用氮化处理。 2、氮化处理的缺点 生产周期长，成本高。

3.8.1 概 述 3、氮化处理后的性能： 零件氮化后的机械性能要求根据使用条件而异。 ①表面硬度： 要求高耐磨性的零件，表面硬度高达900～1000HV； 要求高疲劳强度的零件，表面硬度可为500～800HV。 ②心部硬度： 氮化处理前零件经调质处理，硬度为200～300HV，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部仍然具有良好的综合机械性能。

3.8.2 氮化钢的合金化 1.合金元素与钢的氮化工艺 氮化工艺要求： ①氮化表面具有高硬度； ②氮化表面的脆性能满足要求； ③获得足够深的氮化层深度； ④尽可能缩短氮化时间。

3.8.2 氮化钢的合金化 1.合金元素与钢的氮化工艺 根据与氮的亲和力大小，合金元素可以分为： ①氮化物形成元素(Al、Ti、Nb、V、Cr、Mo、W）等 形成超显微的氮化物颗粒，强化α相。 阻碍氮原子向内部扩散, 减少层深。 ②非氮化物形成元素（如Ni、Si、Cu等） 阻碍氮原子的吸收，降低表面氮浓度，减少层深。

3.8.2 氮化钢的合金化 1.合金元素与钢的氮化工艺 图7-5-1 钢中合金元素对氮化层深度及表面硬度的影响 3.8.2 氮化钢的合金化 1.合金元素与钢的氮化工艺 图7-5-1 钢中合金元素对氮化层深度及表面硬度的影响 图7-5-2 不同合金钢在相同条件下氮化后的硬度分布曲线

合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 （550℃氮化24h)

3.8.2 氮化钢的合金化 2.钢的淬透性和淬火工艺问题 ①Al：与氮形成超显微的氮化物质点，强化α； ②Cr、Mo：增大钢的淬透性； ③钢中含Ti、Nb、V时，提高淬火温度，使碳化物溶于A中，增大钢的淬透性。

3.8.2 氮化钢的合金化 2.钢的淬透性和淬火工艺问题 要使扩散进入α相的N与V、Mo、Cr、Al等原子形成超显微的氮化物，对α相基体起硬化作用，在调质处理淬火时，使这些元素较多地溶入A，淬火时被保留在M中。

3.8.2 氮化钢的合金化 3. 合金元素与回火 Cr、Mo、V元素溶入M时，分别使钢在400～500℃、500～600℃、550～650℃回火时保持高的强度。 Mo使钢在510～580℃氮化长期保温和随后炉冷时，不致产生回火脆化。

3.8.3 氮化钢的热处理特点 淬火→高温回火→氮化 其中 淬火→高温回火 （调质钢） 其中 氮化 （热处理工艺学）； 3.8.3 氮化钢的热处理特点 淬火→高温回火→氮化 其中 淬火→高温回火 （调质钢） 其中 氮化 （热处理工艺学）； 氮化层的厚度一般是0.3～0.5mm。 图7-5-3 钢的氮化组织

3.8.4 典型氮化钢种 38CrMoAlA、38Cr2WVAlA、30CrNi2WVA、30Cr3WA 氮化钢的合金化有以下几点： ①为达到高硬度，可利用Al、 V 、 Cr、 Mo、W 等元素。若硬度＜900HV，采用含Cr、 Mo、W的钢种； 若＞900HV，采用含强氮化物形成元素Al的钢种等； ②为获得足够的淬透性，Cr、 Mo、Mn是有效的元素； ③为使钢在500～580℃长时保温而保持强度，Mo、V是有效元素； ④为防止或减轻回火脆性, 加入0.2～0.5%Mo。

氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢。国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得最高氮化层硬度，达到900～1000HV。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的硬度控制在500～800HV。

工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定，同时也为获得好的氮化层作组织准备。

思考题: 某精密镗床主轴用38CrMoAlA钢制，某重型齿轮铣床主轴用20CrMnTi制造，某普通车床主轴用40Cr钢制造。试分析比较说明它们各自应采用什么样的热处理工艺及最终的组织和性能特点

3.9 低淬透性钢 低淬透性钢：指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低的钢。 主要采用表面感应加热淬火 感应加热淬火与渗碳、氮化相比，特点有： 3.9 低淬透性钢 低淬透性钢：指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低的钢。 主要采用表面感应加热淬火 感应加热淬火与渗碳、氮化相比，特点有： 不改变化学成分，表面硬化、心部保持高塑性和韧度； 表面局部加热，零件的淬火变形小； 加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象； 表面形成残余压应力，提高疲劳强度。 与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性和疲劳抗力不如渗碳工艺。

感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢 3.9 低淬透性钢 感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢 专门用于中、小模数（m=3~8)的齿轮 应用 特点 得到沿着轮廓分布硬化层→“仿形硬化”

硬化层分布（右图为仿形硬化层） 降低钢淬透性措施： ↓Mn、Si、Ni、Cr含量； 加入Ti，形成TiC不溶于A，冷却时成为P相变时 的核心，降低淬透性。 国家标准有55Ti、60Ti、70Ti等。

3.10 高锰耐磨钢 耐磨钢：一般指高锰钢。 高锰钢是指含0.9～1.4%C和11～14%Mn的钢，其相图如下：

高冲击载荷,高压力,加工硬化，表层得到M，心部A 一、特点 高冲击载荷,高压力,加工硬化，表层得到M，心部A 1000～1100℃得到单一A 水韧处理，保持A，高韧性 表层高耐磨性,心部良好冲击韧性 满足使用要求 加工硬化快，切削加工困难，一般限于做铸件使用。 制造要求高耐磨性并承受冲击载荷的零件，如锤式破碎机械的锤头、腭式破碎机齿板、挖掘机斗齿、球磨机衬板、路轨道岔等

球磨机 挖掘机 颚式破碎机

二、高锰钢的化学成分 ① C含量最合适范围为1.15～1.25%； ② Mn可以扩大γ相区， ↑ A的稳定性； ③ Mn、C比(Mn/C)一般控制在9～11，以保证获得A组织； ④ 耐磨性要求较高、冲击韧性要求略低、形状不太复杂或薄壁零件，C含量选1.2～1.3%，Mn含量为11～14％，Mn、C比取低限 ⑤ 冲击韧性要求较高、耐磨性要求略低、形状复杂或厚壁零件，C选0.9～1.1%，Mn10～13%，Mn、C比可适当提高

二、高锰钢的化学成分 ⑥ Si：↑固溶体硬度和强度，但↓A中的碳含量，冷却时促使碳化物析出，↓冲击韧性和耐磨性；Si还促进表面脱碳。在脱氧充分条件下，Si 含量不宜高； ⑦ 尽量↓P含量。当P含量较高时，沿晶界析出易熔的共晶磷化物，使冲击韧性↓ ，增加开裂倾向 。

三、高锰钢的热处理 （1）水韧处理加热T应＞Acm，一般为1050～1100℃，在一定保温时间下，K全部溶入A中 （2）高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/4～1/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生裂纹；

（3）铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免K析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水温不宜超过30℃，水冷后水温应小于60℃； ？？ 三、高锰钢的热处理 （3）铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免K析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水温不宜超过30℃，水冷后水温应小于60℃； ？？ 如果冷却不足，沿奥氏体晶界将析出碳化物，引起附近区域预先分解（生成屈氏体），冲击韧性下降。 （4）水韧处理后不宜再进行250～350℃的回火处理,也不宜在250～350℃以上温度环境中使用。 ？？

高锰钢经水韧处理能得到全部A，而缓冷却得到大量M。为什么？ 思考题 高锰钢经水韧处理能得到全部A，而缓冷却得到大量M。为什么？

三、高锰钢的热处理 具有很高的加工硬化能力，冷变形后可达到450～600HB。

在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往往不一定好。 四、高锰钢的耐磨性及应用 大形变在A基体中产生大量层错、形变孪晶、ε和α马氏体而硬化。表面硬度从原来200HBW左右可↑到500HBW以上，硬化深度可达10～20mm，而心部仍保持A，所以能承受较大冲击载荷而不破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展——“前赴后继”。 在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往往不一定好。 耐 磨 机 理

四、高锰钢的耐磨性及应用 广泛应用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的零件，如各式碎石机的衬板、颚板、磨球，挖掘机斗齿、坦克的履带板等。

五、典型钢种 ZGMn13型： ZGMn13-1 （C 1.10％～1.50％）用于低冲击件；

低合金耐磨钢及石墨钢 自学

3.11 易切削钢 在钢中加入一种或几种元素，形成一种有利于切削加工的夹杂物，来改善钢材的被切削性的钢种。 常使用的易切削元素有多种： 3.11 易切削钢 在钢中加入一种或几种元素，形成一种有利于切削加工的夹杂物，来改善钢材的被切削性的钢种。 常使用的易切削元素有多种： 其中以硫、铅、钙、硒为主。 S是使用最广泛和较为成熟的元素。 钢中有足够的Mn时,硫以塑性的MnS非金属夹杂物的形式存在，热加工时沿压延方向排列，破坏金属的整体性，成为无数个微小的缺口，减少切削时使金属撕裂所需的能量，切削时易断屑； MnS有滑润作用，本身硬度低(HV190)，减少刀具磨损，提高表面质量。

3.11 易切削钢 硫系易切削钢中，硫含量大多在0.08～0.35%范围内。 3.11 易切削钢 硫系易切削钢中，硫含量大多在0.08～0.35%范围内。 近来发展了低硫系易切削钢，即在一般机械结构碳钢中，含有0.04～0.07%S，机械性能不变，但有一定程度的易切削性，这种钢在国外正被广泛使用于汽车制造等工业部门。

3.12 零件材料选择基本原则及实例 一、选择材料的基本原则 （1）材料使用性能要求→最大限度发挥材料潜力 3.12 零件材料选择基本原则及实例 一、选择材料的基本原则 （1）材料使用性能要求→最大限度发挥材料潜力 （2）材料的工艺性能→加工工艺性能良好 （3）经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等，零件的总成本与零件寿命的关系 （4）其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能性、环境协调性等。

二、零件的加工工艺路线 基本上可分为三类： （1）性能要求不高的零件 一般是铸铁或碳钢制造。其工艺路线比较简单： 毛坯→正火（退火）→机械加工→成形零件。 如直接用型材加工，则不需要进行热处理。 （2）性能要求较高的零件 合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线： 毛坯→预先热处理（正火、退火）→机械粗加工→ 最终热处理（淬火、回火或渗碳淬火等） →精加工。

二、零件的加工工艺路线 （3）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。一般工艺路线为： 毛坯→预先热处理（正火、退火）→机械粗加工→ 热处理（调质）→半精加工→氮化处理→精加工→ 去应力退火→零件。

三、选择材料的基本思路及方法 分析零件工作条件 确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据 考察经济性和生产成本 考虑工艺措施 选择材料 要合理引用手册上材料的力学性能数据；尽量选用简化加工工艺的材料；零件材料选择要考虑零件的综合成本 注 意

四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件 不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。 载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢。 热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火 机 床 齿 轮 一般工艺路线为： 备料→锻造→正火→粗加工→调质处理→半精加工→高频淬火+回火→磨削

四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件 汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，进行渗碳热处理。 汽 拖 齿 轮 一般工艺路线为： 备料→锻造→正火→粗加工→渗碳+淬火+回火→喷丸→磨削

四、典型零件材料选择与工艺分析 重 载 齿 轮 1、齿轮类零件 航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等钢。 重 载 齿 轮 工艺路线较复杂： 备料→模锻→正火+高温回火→机械加工→渗碳→高温回火→机械加工→淬火+回火→精加工→检验

轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响机械的精度和使用寿命。 四、典型零件材料选择与工艺分析 2、轴类零件 轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响机械的精度和使用寿命。 各类轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径可达1m以上。

四、典型零件材料选择与工艺分析 2、轴类零件 ①传递扭矩，有交变性，有时会承受弯曲、拉压负荷； ②都有轴承支撑，轴颈处受磨损，需要较 高的硬度，耐磨性好； ③大多数承受一定的冲击和过载。 服役条件主要共同点 断裂、疲劳断裂和过量变形。轴类零件主要是按强度来选材，并考虑一定的韧度和耐磨性。 主要失效方式

四、典型零件材料选择与工艺分析 2、轴类零件 目前常用轴的材料及工艺如下 ： （1）轻载主轴。如普通车床主轴；负荷小；冲击 力不大，磨损也不严重，一般采用45钢。整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。 （2）中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火。

四、典型零件材料选择与工艺分析 2、轴类零件 目前常用轴的材料及工艺如下 ： （3）重载主轴。如组合机床主轴，负荷较大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi钢制造，渗碳淬火。 （4）高精度主轴。如精密镗床主轴，虽然负荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经调质后氮化处理，可满足要求。

小 结 材料学的主线： 服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用。 寻求最佳方案，充分发据材料潜力。

材料的成分、工艺、组织、性能间的关系

合金化基本原则：多元适量，复合加入。 （2）扬长避短。合金元素一般都有优缺点,为克服不足，可以复合加入来相互弥补。 （1）提高性能。提高淬透性等性能，复合作用不是线性相加。如Cr-Ni复合。 （2）扬长避短。合金元素一般都有优缺点,为克服不足，可以复合加入来相互弥补。 如：Si-Mn，Mn-V配合 （3）改善碳化物类型与分布。某些元素的加入会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性能。如Cr、V

合金元素适量：主要是作用，也有经济性问题 （1）有的元素增多后，会降低材料塑韧性.如低碳构件钢中的Si、Mn含量。 （2）有些合金元素增多，会恶化K分布。如轴承钢中的Cr。 （3）有的元素含量过多，会改变K类型，增加热处理过程难度。如V，Mo含量。 （4）合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加。

补充作业 请介绍调质钢的成分特点和常规热处理工艺。 请介绍弹簧钢的成分特点和常规热处理工艺。 请介绍轴承钢的成分特点和常规热处理工艺。 请介绍渗碳钢的成分特点和常规热处理工艺。