第三章 机械制造结构钢第一节 结构钢的强度与脆性第二节　结构钢的淬透性第三节 调质钢第四节 低温回火状态下使用的结构钢第五节 高合金高强度结构钢第六节 轴承钢第七节 渗碳钢和渗氮钢 第八节 其它机械制造结构钢

对于在弹性范围内工作的零件，根据比例极限 σp 计算，

并同时引入安全系数。

第一节 结构钢的强度和脆性 强度设计 弹性设计

对于允许少量塑性变形的零件，根据屈服强度 σs 或

Σ0.2 计算，并同时引入安全系数。

塑性设计

韧性设计（避免脆断） 韧性设计主要考虑三大指标：

(1 ）低温冲击韧性；

（ 2 ）韧 - 脆转化温度；

（ 3 ）断裂韧性。

合金结构钢曲轴合金结构钢曲轴

单缸汽车曲轴

基本概念

钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。

钢的淬透性

钢的淬硬性钢的淬硬性

钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬

硬性主要决定于马氏体的碳含量。

第二节 结构钢的淬透性

钢的顶端淬火试验

生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏

体的最大直径），用 Do 表示。

在相同冷却条件下， Do 越大，

钢的淬透性越好。

临界淬火直径临界淬火直径

高强螺栓柴油机连杆

齿轮

淬透的钢回火后可获得高的强度和屈强比，高的断裂韧性KIC 值，冲击韧性值以及低的 FATT50 （℃）。

淬透后的钢性能优越

研究钢的淬透性的重要意义

淬透层深度视零件的工作条件而定

零件类型零件类型 工作条件工作条件 淬透程度的差异淬透程度的差异

螺栓、销钉等螺栓、销钉等 全截面受力全截面受力 淬透淬透

轴类零件等轴类零件等 表面应力大，中表面应力大，中心应力小。心应力小。

不淬透不淬透

网带式淬火炉

淬透性相当的调质钢，可相互代用（教材 P43 ）

（ 1 ）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；

（ 2 ）淬火性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的

淬火介质以减小淬火应力。

（ 3 ）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，

可选用淬透性大的钢。

（ 4 ）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用

低淬透性钢。

淬透性的应用

合金元素对淬透性的影响

钢中常见的合金元素对增大淬透性的能力为：

B＞Mn＞Mo＞ Cr ＞ Si ＞ Ni，其中 C元素也能增加淬透性，

而且它决定了钢的淬硬性。 增大淬透性，以合金元素完全溶于奥氏体中为前提，

若以碳化物形式存在，则情况相反。

合金元素增加淬透性的能力

（ 1 ） 强、中、弱、非碳化物形成元素的配合添加，如Cr － Ni －Mo－V 等。 （ 2 ） 对淬透性要求不高的合金，可采用单一合金元素加入，如 40Cr 。

合金元素增加淬透性的多元少量原则

显然，合金钢的淬透性一般大于碳钢。

第三节 调 质 钢

1 ）调质钢 （淬火高温回火）

2 ）弹簧钢 （淬火中温回火）

3 ）轴承钢 （淬火低温回火）

4 ）超高强度钢 （淬火低温回火）

5 ）渗碳（氮）钢 （化学热处理）

6）易削钢 （一般供应或正火状态）

钢种分类 ( 根据热处理原理）

淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在 α相

基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，即回火屈氏体或

回火索氏体组织。

调质钢的组织

根据不同合金元素和回火工艺的差异，组织上区别

主要是基体 α相是否完全再结晶和碳化物颗粒聚集长大

的程度。

合金元素对调质钢的影响 发展历程举例

40 → 40Mn → 40CrMn → 40CrMnSi

40 → 40Cr → 40CrNi → 40CrNiMo

低淬透性 中淬透性 高淬透性

前提

调质钢的强度取决于

α 相的强度

碳化物的弥散强化作用

Si、Mn、 Ni：溶于 α相起固溶强化作用；其中Mn、Ni

可降低韧 - 脆转化温度，而 Si 则升高韧 - 脆转化温度。

C元素（ 0.3～ 0.5％）：保证有足量碳化物存在，以

获得比较高的强度。

Cr、Mo 、W、 V：阻碍碳化物在高温回火时聚集长大和

α相再结晶。

P元素：类似Si，升高韧 - 脆转化温度，降低冲击韧性。

在高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧 - 脆转变温度。

冷却速度越慢，室温冲击韧性越低，韧 - 脆转化温度越高，

这成为高温回火脆性。

合金调质钢的高温回火脆性

Cr-Ni调质钢经 650℃ 回火后不同冷却速度下的室温冲击韧性

冷却方式冷却方式 炉冷炉冷 空冷空冷 油冷油冷 水冷水冷

室温冲击值室温冲击值 /J/J 9.49.4 23.523.5 59.859.8 74.674.6

高温回火脆性举例（一）

高温回火脆性举例（二）

高温回火脆性的原因及解决办法

主要原因：钢中的杂质元素 P 、 Sn等，在原奥氏体晶界的

平衡偏聚引起晶界脆化。措施：

（ 1 ）在回火最高温度保温后快冷，可消除脆化倾向。

（ 2 ）通过添加Re、Mo 、W、 Ti等可降低高温回火脆性，

这对长期在 450～ 550℃ 范围工作的部件尤为重要。

第四节 低温回火状态下使用的结构钢

淬火低温回火得到的中碳、低碳马氏体发挥了过饱

和 α相中的固溶强化， ε-Fe2.4C 与基体共格产生的沉淀强

化及马氏体相变的冷作强化。

低温回火钢的显微组织及力学性能

其中回火马氏体的强度依赖于固溶在马氏体 α相中

的碳。碳含量越高，马氏体强度越高，但韧性下降。

合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到

马氏体组织。

W(C)<0.3%,淬火后马氏体的微观结构为位错型的板状马氏体，具有高的强度和良好的韧性。

低碳马氏体结构钢

由于低碳钢的淬透性较小，一般采用低碳低合金钢。加

入 Ni等元素，可改善室温和低温韧性和断裂韧性，具有高

强度、低缺口敏感性和高的疲劳强度。

这类钢属于中碳钢， W(C) ＝ 0.27 ～ 45%,在此范围内，

C 含量越高，合金强度越高。

加入一定量的合金元素，可提高钢的淬透性，保证高

强度的获得。随着合金强度的提高，钢出现脆性的倾向，

可通过提高钢的纯净性，降低钢中的夹杂物、气体及有害

杂质元素H、 O、 Sn等元素的含量。

低合金超高强度结构钢

第五节 高合金超高强度结构钢

由于低合金超高强度钢主要用碳进行强化，以牺牲

钢的塑性和韧性来提高钢的强度。为此，在 Fe-Ni合金马

氏体基础上发展了无碳马氏体时效钢。

这种无碳马氏体时效钢利用时效时析出金属间化合

物的沉淀强化效果，获得了高强度和高韧性。

马氏体时效钢成本高，工艺严格，仅航空航天及兵

器工业的应用。

1) 添加Ni、 Co ，可扩大 γ 区，控制Ms点；

2 ）添加Ni、 Ti、 Al、Mo 、 Nb等，可形成 Ni3Al，Ni3Ti、

Ni3Mo 和 Fe2Mo 等强化相；

3 ）严格控制杂质元素 C 、 N、 S、 P 、 Si的含量。

马氏体时效钢中合金元素的作用

由于合金元素含量高，

即使冷却较慢奥氏体也能

在低温下马氏体。

右图： (18Ni马氏体时效钢 )

加热温度＞ 800℃ ；

Ms ： 100～ 155℃ ；

时效温度： 480℃ 。

马氏体时效钢的热处理

马氏体时效钢的高强度机理

三种强化机制共同作用：

1 ）合金元素的固溶强化；

2 ）马氏体相变的冷作硬化 ;

3 ） Ni3Al等沉淀析出相的沉淀强化。

马氏体时效钢的高韧性机理

由于组织存在大量可动位错，没有受到 C 、 N间隙于原

子钉扎，加之在 400～ 500℃ 时效，相变引起的显微应力被

松弛。

第六节 轴 承 钢

1 ）局部接触压应力高，

可达 3000～ 5000MPa；

2 ）循环受力次数每分钟

可高达数万次；

3 ）摩擦磨损严重。

轴承钢的使用特点

滚 珠

滚 柱

轴承钢的质量要求 轴承钢的主要失效形式

轴承钢在高应力长时间运转时，局部发生剧烈的塑性

变形，当这些区域有非金属夹杂物或粗大碳化物存在时，

会出现应力集中，成为疲劳裂纹的起源。

减少非金属夹杂物的措施

真空脱气，炉外精炼和电渣重熔

其中钢渣包括炼钢时的脱氧产物与钢渣，以及钢凝

固时的氧化物和硫化物等。

碳化物不均匀性的消除

1 ）带状碳化物的消除

高温扩散退火（加热到共晶温度 1130±10℃ 以上）

2 ）网状碳化物的消除

把轧制的终轧温度控制在 Arm和 Ar1之间，网状碳化物

破碎，得到未再结晶的奥氏体晶粒。

3 ）大颗粒碳化物的消除

延长正火时间，让碳化物完全溶解。

轴承钢的成分特点

高碳 ： 0.95~1.15%C ，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；

低铬 ： 0.40~1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体

(Fe、 Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。

大型轴承： 加入 Si、Mn、Mo 等元素以进一步提高淬透性和强

度；对无铬轴承钢还应加入 V 元素，形成 VC 以保证耐磨性并

细化钢基体晶粒。

轴承钢的热处理 预先热处理 球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；

最终热处理

淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度和高耐磨性。 冷处理

为了较彻底消除 A 残与内应力、稳定组织、提高轴承的

尺寸精度，还可在淬火后进行冷处理 (-60℃~﹣80℃），在

磨削加工后进行低温时效处理等。

第七节 渗碳钢和氮化钢

1 ）渗碳钢：通过表面渗碳，整体淬火＋低温回火得到表面是高碳马氏体，心部是低碳马氏体或半马氏体组织的钢种。

渗碳钢定义及用途

22 ））用 途：由于渗碳钢表面具有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高强度和韧性。所以广泛由于制造要求高耐磨，承受高接触应力和冲击载荷的重要部件。

渗碳钢的合金化 碳元素的影响

采用低碳（一般 C ≤％ 0.25％），保证心部足够韧性。

合金元素加入对淬透性的影响

承受载荷大的零件

要求淬透性大

增加元素种类和含量

心部为低碳马氏体

承受载荷小的零件

要求淬透性小

较小元素种类和含量

心部为铁素体和珠光体

合金元素对渗碳工艺性能的影响：

渗碳钢的钢种低载荷零件 活塞销等 低淬透性（ 15 ， 20 ）

中低载荷零件

高速中载荷零件

高载荷零件

齿轮、小轴

齿轮、轴

大型齿轮、轴

一定淬透性（ 20Cr ， 20MnV ）

中淬透性（ 20MnVB ）

高淬透性（ 20Cr2Ni4 ）

柴油机凸轮轴

渗碳钢的热处理 渗碳后直接淬火 + 低温回火。

表层组织为细针状回火高碳马氏体＋粒状碳化物，硬

度一般为 58 ～ 64HRC ；

心部组织依据钢的淬透性不同为铁素体＋珠光体、或

低碳马氏体，硬度 35～ 45HRC ， ακ≥60J/cm2 。

由于渗碳的温度高、时间长，故渗碳件的变形较大，

零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。

渗氮钢 零件氮化的常规温度在 510～ 570℃ ，氮化后的零件

表

面形成高硬度的 γ/-Fe4N， ε-Fe3-2N层，可提高疲劳强度

和耐磨性。钢中加入氮化物形成元素，氮化层的组织和性能将发生变化。

合金氮化物能显著提高零件表面的强度和硬度。

第八节 其他机械制造结构钢 弹簧钢 性能要求

1 ）高的弹性极限 σe 和屈强比 σs/σb ：保证优良的弹性性能，即吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；

2 ）高的疲劳极限：疲劳是弹簧最主要破坏形式之一，疲劳性能除与钢的成分结构有关以外，还主要受钢的冶金质量（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量 (如脱碳 )的影响；

3 ）足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂；

4 ）其它性能：良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。

成分特点

1 ）碳含量 碳素弹簧钢 0.6 ～ 0.9%C ，合金弹簧钢 0.45～ 0.70%C ，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。

2 ）合金元素 主加元素为 Si、Mn、 Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性。

汽车板簧

热处理特点

“ 淬火 + 中温回火”，得到回火屈氏体，渗碳体以细小

颗粒分布在 α 相的基体上，内应力降低。

常用弹簧钢

（ 1 ）碳素弹簧钢 价格低但淬透性差，小截面尺寸非重要弹簧用 (65 、 65Mn)。

（ 2 ）合金弹簧钢 Si-Mn系弹簧钢和 Cr系弹簧钢。前者淬透性较碳钢高，价格适中，故应用最广，主要用于截面尺寸＜ 25mm的各类弹簧 (60Si2Mn)。后者的淬透性较好，综合力学性能高，弹簧表面不易脱碳，但价格相对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧(50CrVA)。