作业四.doc
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1.共析钢奥氏体等温转变产物的形成条件、组织形态及性能各有何特点？
答：
其等温转变在不同温度区间可能发生三种类型：
珠光体型转变（高温转变）；贝氏体型转变（中温转变）；马氏体型转变（低温转变）。
（1）、珠光体型转变:
转变的产物为珠光体、索氏体和托氏体。
其形成的条件为共析钢在727℃~550℃（实际温度要低于该值）之间等温转变就行。
温度在727℃~650℃之间，形成珠光体（层片之间距离比较大，如果在727℃附近保温时间较长，会形成球状珠光体）；在650℃~600℃之间，形成索氏体（放大千倍可以分辨出片层状）；在600℃~550℃之间（用电子显微镜可以看出片层状）。
其中片层间距离越小，P的强度、硬度、塑性和韧性都越高。
（2）、贝氏体型转变:
转变产物为贝氏体。
其形成的条件为共析钢在230℃~550℃（实际温度要低于该值）之间等温转变。
温度在350℃~550℃之间，形成上贝氏体。
在光学显微镜下可以明显见到成束的、自晶界向晶粒内部生成的铁素体条，它的分布具有羽毛状特征；在350℃~230℃之间形成下贝氏体，它容易被腐蚀，在显微镜下显黑色状。
其具有较高的硬度和耐磨性，它的强度、韧度和塑性均高于上贝氏体。
（3）、马氏体型转变:
转变产物为马氏体和残余奥氏体。
其形成条件为共析钢在230℃以下等温转变就行，当奥氏体中W（C）>1%时，得到的是片状马氏体（呈双凸透镜状），其硬度高脆性大；W（C）<0.2%时，形成板状马氏体（椭圆形截面的细长条状），其具有较高的强韧度；介于两者之间产生的是两种马氏体的混合物，其性能介于二者之间。
2.什么是淬火？
不同介质下淬火是为了获得什么组织，淬火后的钢可以直接使用吗？
为什么？
答：
淬火是将钢加热到临界点之上，保温后急速冷却（如水冷和油冷）的热处理操作。
不同介质下淬火是为了尽可能多的得到马氏体，同时最大限度的减小变形和开裂。
淬火后的钢不能直接使用，因为淬火后得到的马氏体不是热处理最终要求得到的组织，钢淬火后得到马氏体或贝氏体组织，这时候的马氏体或贝氏体组织是亚稳态组织，在一定条件下会自发转变为稳定组织，若淬火件不回火，则过一段时间后，马氏体或贝氏体组织发生转变——就体现为：
工件形状、尺寸发生变化。
同时，淬火时、冷却速度快、工件存在较大的内应力，所以必须及时回火消除，以免变形、开裂。
3.回火的目的是什么？
常用的回火方法有哪几种？
它们的组织和性能特点？
答：
钢回火的目的:
（1）、降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。
（2）、获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。
（3）、稳定工件尺寸
（4）、对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火,使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。
回火方法有：
（1）、低温回火，得到回火马氏体，提高了钢的韧性，同时保持很高的硬度
（2）、中温回火，得到回火托氏体，其具有较高的弹性极限，并且具有一定的韧度
（3）、高温回火，得到回火索氏体，具有较高的强度和高韧度
4.请在下列零件和构件中每类各选择两种，指出它们的工作条件和主要使用性能，确定它们的材料（要进行多种材料的选择并写出最终选材的依据），所选材料的牌号，组织和相，主要成形（或加工）方法，是否需要进行热处理，如果需要，说明热处理的主要目的，热处理工艺、热处理后的组织。
汽车零件：
连杆、曲轴、半轴、板簧、齿轮
机械零件和构件：
主轴轴承、涡轮、蜗杆、弹簧、普通车刀、高速切削车刀
答：
A、弹簧：
工作条件：
（1）弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。
（2）缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。
（3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。
使用性能：
弹性、冲击韧度、疲劳强度、弹性极限、屈强比、某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性
为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等
B、曲轴：
工作条件：
曲轴在工作中受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。
而且，应力分布极不均匀；曲轴颈与轴承还发生滑动摩擦。
使用性能：
冲击韧度、疲劳强度、硬度、抗拉强度、刚度
选材：
锻钢曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢制造，如30、45、35Mn2、40Cr、35CrMo等。
铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。
45：
抗拉强度：
不小于600Mpa；屈服强度：
不小于355Mpa；伸长率：
16%； 收缩率：
40%；冲击功：
39J；钢材交货状态硬度：
不大于未热处理：
229HBS； 退火钢：
197HBS
35Mn2：
抗拉强度（σb/MPa）：
≥835;屈服点（σs/MPa）：
≥685;断后伸长率（δ5/%）：
≥12;断面收缩率（ψ/%）：
≥45;冲击吸收功（Aku2/J）：
≥55;布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：
≤207
40Cr：
抗拉强度（σb/MPa）：
≥980;屈服点（σs/MPa）：
≥785;断后伸长率（δ5/%）：
≥9;断面收缩率（ψ/%）：
≥45;冲击吸收功（Aku2/J）：
≥47;布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：
≤207
35CrMo：
35CrM合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的35CrMo钢板蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃；冷变形时塑性中等，焊接性差。
低温至-110摄氏度，并具有高的静强度、冲击韧度及较高的疲劳强度、淬透性良好，无过热倾向，淬火变形小，冷变形时塑性尚可，切削加工性中等，但有第一类回火脆性，焊接性不好，焊前需预热至150~400摄氏度，焊后热处理以消除应力，一般在调质处理后使用，也可在高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用。
用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如轧钢机人字齿轮、曲轴、锤杆、连杆、紧固件，汽轮发动机主轴、车轴，发动机传动零件，大型电动机轴，石油机械中的穿孔器，工作温度低于400摄氏度的锅炉用螺栓，低于510摄氏度的螺母，化工机械中高压无缝厚壁的导管（温度450~500摄氏度，无腐蚀性介质）等；还可代替40CrNi用于制造高载荷传动轴、汽轮发动机转子、大截面齿轮、支承轴（直径小于500MM）等；工艺上的设备材料、管材、焊材等等。
抗拉强度σb（MPa）：
≥985（100） 屈服强度σs（MPa）：
≥835（85） 伸长率δ5（%）：
≥12 断面收缩率ψ（%）：
≥45 冲击功Akv（J）：
≥63 冲击韧性值αkv（J/cm²）：
≥78（8） 硬度：
≤229HB
综合上述分析，综合性能较好的是35CrMo，是制作曲轴的绝佳材料，在不考虑价格的前提下，选择这种材料最好，但是考虑到价格问题，可以选择35Mn2
工艺：
铸造→高温正火→高温回火→切削加工→轴颈气体渗碳
热处理：
热处理|淬火|加热温度/℃|第一次淬火:
850 热处理|淬火|加热温度/℃|第二次淬火:
— 热处理|淬火|冷却剂:
油 热处理|回火|加热温度/℃:
550 热处理|回火|冷却剂:
水、油
C、板簧：
工作条件：
汽车板簧一般是由若干片不等长的合金弹簧钢组合而成一组近似于等强度弹簧梁。
在悬架系统中除了起缓冲作用而外，当它在汽车纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，即可担负起传递所有各向的力和力矩，以及决定车轮运动的轨迹，起导向的作用，因此就没有必要设置其它的导向机构，另外汽车板簧是多片叠加而成，当载荷作用下变形时，各片有相对的滑动而产生摩擦，产生一定的阻力，促使车身的振动衰减，因此采用此种结构可以不装减振器。
使用性能：
板弹簧主要用于支撑运动部件（活塞或排出器）做往复运动，其主要性能指标包括疲劳强度、轴向刚度、径向刚度和自然频率等4个方面。
疲劳强度分析用于保证板弹簧在工作过程中最大应力不超过材料本身的疲劳极限以实现制冷机长寿命运行；刚度分析为活塞的直线往返运动提供尽可能大的径向刚度和适当的轴向刚度；模态分析可以得到板弹簧的自然频率，使得板弹簧的自然频率值避开压缩机的谐振频率。
因此，板弹簧的结构形式在提高制冷机可靠性和长寿命方面起到十分重要的作用[5_6J
选材：
汽车钢板弹簧在汽车行驶过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。
所以要求弹簧钢应有高的弹性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈强比，为防止在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有高的疲劳强度和耐蚀等性能。
其性能要求：
σ0.2≥1160MPa；σb≥1280MPa；δ10≥5％；ψ≥25％，
备选材料钢号有：
20Cr、40CrNiMn、60Si2Mn、65Mn。
下面比较一下这四种材料的性能及用途。
1、20Cr
该钢是我国目前产量最大的几个合金结构钢之一，用途广泛。
硬度较高。
且此钢比相同含碳量的碳素钢具有较好的淬透性、强度和韧度。
为了提高该模具钢的耐磨性，常进行渗碳处理（注意：
渗碳时钢的晶粒有长大倾向），然后进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧度。
常用于制造截面小于30mm的、形状简单的、转速较高的渗碳件或氰化件，如活塞销、小轴等；也可以用于调制钢零件。
2、40CrNiMn
高淬透性的调质钢，有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但白点敏感性高，有回火脆性。
焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。
应用：
一般制作强度高、塑性好的重要零部件，氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等；在低温回火或等温回火后可作超高强度钢使用。
3、60Si2Mn
由于硅含量高，其强度和弹性极限均比55Si2Mn高抗回火稳定性好，淬透性不高，易脱碳和石墨化。
主要用作汽车拖拉机上的板弹簧、螺旋弹簧等。
也用于制造承受交变载荷及高应力下工作的重要弹簧、抗磨损簧等。
4、65Mn
钢中加入锰为0.8%~1.2%，使淬透性和综合性能有所提高，脱碳倾向减小，但有过热倾向及回火脆性，易出现淬火裂纹。
且锰钢价格便宜，资源丰富。
应用：
（1）可用于普通模具弹簧；
（2）冷冲模具凸模；（3）弹簧环、汽门簧。
通过以上比较，我们发现60Si2Mn淬透性号、弹性极限、屈强比和疲劳极限均较高，能符合汽车板簧的性能要求。
因此我们选择60Si2Mn作为所需材料。
热处理：
60Si2Mn热处理方法有等温回火和分级淬火、亚温淬火及高温回火、60Si2Mn弹簧钢
形变热处理的工艺方法。
使用该方法能有效地提高60Si2Mn弹簧钢的强韧性和使用寿命。
D、主轴轴承
工作条件：
轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。
也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。
轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。
它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。
性能：
1.摩擦相容性
2.嵌入性（材料允许润滑剂中外来硬质颗粒钳入而防止刮伤或（和）磨粒磨损的能力。
对金属材料而言，硬度低和弹性模量低者，嵌入性就好，而非金属材料则不一定）
3.磨合性
4.摩擦顺应性
5.耐磨性
6.抗疲劳性（在循环载荷下材料抵抗疲劳破坏的能力。
在使用温度下，轴瓦材料的强度、硬度、抗冲击强度和组织均匀性对抗疲劳性是十分重要的。
磨合性、嵌入性好的材料，通常抗疲劳性差。
）
7.耐蚀性（材料抵抗腐蚀的能力。
润滑油在大气中使用时将逐渐氧化，产生酸性物质，而且在大多数润滑油中还含有极压添加剂，它们都会腐蚀轴承材料，因此，轴承材料需要具备耐蚀性。
）
8.耐气蚀性（固体相对于液体运动的状态下，当液体中的气泡在固体表面附近破裂时，产生局部冲击高压或局部高温，将导致气蚀磨损。
材料抵抗气蚀磨损的能力称为耐气蚀性。
通常，铜铅合金、锡基轴承合金和铝锌硅系合金的耐气蚀性较好。
）
9.抗压强度（承受单向载荷而不被挤坏或尺寸不变化的能力）
材料：
轴承的内外套圈、钢球的材料为轴承钢（真空热处理）。
大部分的轴承，使用JIS钢种中的SUJ2,也就是国内的铬钢（GCr15）。
SUJ2的化学成分，在世界各国，作为轴承用材料已规格化。
比如：
与AISL52100（美国）、DIN100Cr6（西德）、BS535A99（英国）等均属同种钢。
使用该材料，有效的提高了轴承的扭矩性能、降低噪音，延长寿命。
但在潮湿或者高温的环境下，需使用马氏体型不锈钢材料。
化学成份
滚动轴承钢：
GCr15，GB/T18254—2000《高碳铬轴承钢》
统一数字代号
牌号
化学成分%
B00150
GCr15
C
Si
Mn
Cr
0.95~1.05
0.15~0.35
0.25~0.45
1.4~1.65
注意：
1轴承钢管用钢的残余铜含量（熔炼分析）应不大于0.20%。
2氧含量在钢坯或钢材上测定。
3盘条用钢的硫含量（熔炼分析）应不大于0.020%。
铬轴承钢
铬轴承钢是含碳（C）1.0%左右，加入少量铬（Cr）元素，有的还加入少量硅（Si）锰（Mn）元素的低合金钢。
在典型的GCr15钢中，硅锰元素不是做为合金元素加入的，对钢的组织和性能的影响可以忽略不计
奥氏体型不锈钢：
1Cr18Ni9，GB1220—92《不锈钢棒》
牌号
化学成分%
1Cr18Ni9
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
≤0.15
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
8.00~10.00
17.00~19.00
-
马氏体型不锈钢：
9Cr18，GB3086—82《高碳铬不锈轴承钢》
牌号
化学成分%
9Cr18
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
不大于
0.90~1.00
0.8
0.8
0.035
0.03
17.00~19.00
-
钢材牌号
GCr15
GCr15SiMn
套圈有效壁厚
mm
＜2.0
2.0~3.5
3.5~6.0
6.0~9.0
9.0~12
＜12
12~15
15~18
18~21
21~25
淬火加热温度
℃
835~
840
840~
845
845~
850
850~
855
855~
860
820~
825
825~
830
830~
835
835~
840
840~
845
保温时间
min
5~7
6~8
7~10
9~12
11~15
14~16
16~18
18~20
20~24
24~26
轴承钢热处理中的“相”
1.铁素体——α－Fe，体心立方晶体。
铁素体的塑性很高，屈服强度很低，非常容易塑性变形。
2.奥氏体——γ－Fe，高温下C溶于铁素体中的固溶体，面心立方晶体。
奥氏体具有较高的塑性，屈服强度低，很容易塑性变形。
3.渗碳体——Fe3C,铁原子和碳原子构成的化合物（碳化物），正火晶系。
渗碳体的硬度很高，强度很大，显脆性。
一次渗碳体是残留化合物，是钢加热进行奥氏体化时，未完全融化的碳物；
4.珠光体——铁素体与渗碳体组成的层片状组织。
珠光体中铁素体与渗碳层片的粗细及形态，对其性能影响很大，因此又将层片粗细不同的珠光体分为普通片状珠光体、索氏体、屈氏体；另外将片状珠光体中的碳化物熔断后形成球状，得到球状珠光体。
5.马氏体——C在α－Fe中的过饱和固溶体，体心正方晶体。
马氏体最主要的特征就是高硬度、高强度，其硬度随着马氏体中碳含量的增加而升高，当碳含量达到0.6%时，淬火钢的硬度接近最大值，但塑性和韧性却明显下降。
E、弹簧：
工作条件：
（1）弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。
（2）缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。
（3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。
使用性能：
弹性、冲击韧度、疲劳强度、弹性极限、屈强比、某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性
选材：
65、70、65Mn、55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、50CrMn
65：
抗拉强度σb（MPa）≥695;屈服强度σs（MPa）≥410;伸长率δ5（%）≥10;断面收缩率ψ（%）≥30;硬度HBS:
未热处理≤255；
70：
抗拉强度σb（MPa）≥715;屈服强度σs（MPa）≥420;伸长率δ5（%）≥9;断面收缩率ψ（%）≥30;硬度HBS:
未热处理≤269；
65Mn：
抗拉强度σb（MPa）：
825~925;屈服强度σs（MPa）：
520~690 伸长率δ10（%）：
14~21.5;断面收缩率ψ（%）：
不小于10;热轧硬度：
240~270HB;冷轧软态硬度：
190~220HB;冷轧硬态硬度：
300~340HB;热处理硬度：
38~60HRC
55Si2Mn：
抗拉强度σb（MPa）：
≥1274（130）;屈服强度σs（MPa）：
≥1176（120） 伸长率δ10（%）：
≥6;断面收缩率ψ（%）：
≥30;硬度：
热轧,≤302HB;冷拉+热处理,≤321HB
55Si2MnB：
抗拉强度σb（MPa）：
≥1274（130）;屈服强度σs（MPa）：
≥1176（120） 伸长率δ10（%）：
≥6;断面收缩率ψ（%）：
≥30;硬度：
热轧,≤302HB;冷拉+热处理,≤321HB
60Si2Mn：
抗拉强度σb（MPa）：
≥1274（130）;屈服强度σs（MPa）：
≥1176（120） 伸长率δ10（%）：
≥5;断面收缩率ψ（%）：
≥25;硬度：
热轧,≤321HB;冷拉+热处理,≤321HB
50CrVA：
抗拉强度σb（MPa）：
≥1274（130）;屈服强度σs（MPa）：
≥1127（115） 伸长率δ5（%）：
≥10;断面收缩率ψ（%）：
≥40;硬度：
热轧,≤321HB;冷拉+热处理,≤321HB
综合上述性能和弹簧使用性能，合金钢比普通的钢材要好得多，相比之下，抗拉强度都相同，屈服强度55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn都较高，伸长率50CrVA最高，
选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件（载荷性质、大小及循环特性、
工作持续时间、工作温度等）以及加工、热处理和经济性等因素。
为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。
表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。
实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。
图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。
弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。
钢是最常用的弹簧材料。
当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。
此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。
碳素弹簧钢（如65、70钢）：
价格便宜、来源方便，但弹性极限低；
低锰弹簧钢（如65Mn）：
淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹
硅锰弹簧钢（如60Si2MnA）：
弹性极限高，回火稳定性好，力学性能良好；
铬钒钢（如50CrVA）：
耐疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的场合。
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