制造技术替代选择什么意思(金属材料强度的研究，论如何选择机械制造方式及提高韧度与可塑性)

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文|凹脸的外星人

编辑|凹脸的外星人

前言

在机械制造中，提高使用强度水平问题减轻机件重量，延长使用寿命的重要措施之一就是提高材料的使用强度水平。

并且现在机械的功率容量愈来愈大，速度愈来愈高，机械的负荷也愈来愈重，提高材料的使用强度水平也是必然的发展趋势。

中碳钢回火温度的正确选择

中碳钢淬火回火是机械制造工业中历史最久、沿用最广的一种热处理方法，称为调质。

基于长期以来人们对塑性韧性的过分要求，很自然地便采用较高(550°—650℃)的回火温度，这样能得到较高的塑性韧性值，却损失了强度。

如上所述，大量生产实例和我们的研究工作都说明，衡量实际零件抵抗冲击负荷能力的指标，应该采用多次重复冲击破断抗力指标，而不是一次冲击值(αx)。

上面已经提到，我们的试验研究结果还表明，对中碳钢而言，对应于最佳多次冲击抗力的回火工艺不是高温回火，而是低中温回火。

中碳钢在低、中温回火状态下不但多次冲击抗力高、强度大，而且在承受过负荷能力、疲劳缺口敏感度、多次冲击缺口敏感度等方面也优于或不低于钢的高温回火状态。

因此，对于中碳钢调质处理应按零件具体服役条件在不同程度上降低回火温度，以发挥这一类钢材的强度潜力，这一观点现在被越来越多的人们所接受，并在生产实践中得到了一定的检验。

近年来，生产实践中采用中碳钢降温回火方法提高材料强度，在延长零件寿命、减轻重量方面卓有成效的例子很多。

沈阳链条厂所生产的挖掘机动力传动链，由于大胆地降低回火温度，资用强度大幅度提高，从而得以改变设计，将截面减小，节约了大量钢材。

洛阳拖拉机厂生产的8吨汽车，40Cr钢半轴原采用调质工艺，硬度为HRC30,在花键处常发生疲劳断裂，后降低回火温度，将硬度提高到HRC41—47,

这一问题即得到解决，生产上现在正式采用降温回火工艺。该厂还在研究采用降低回火温度办法来解决东方红40拖拉机驱动轮的疲劳断裂问题。

还有上海钢铁研究所与有关单位协作在拖拉机、坦克、机床等机械上应用中碳钢低温回火，效果很好。

中碳钢等温淬火强化

贝氏体组织以其冲击韧性特别高而早为人们注意，国内外在合金结构钢及工具钢以至球墨铸铁中，以贝氏体组织状态使用的构件、零件和工具都不乏其例。

对中碳贝氏体而言，国内在航空工业上采用较多，如飞机构件等；在一般机械制造厂用得较少，零星使用的有些柴油机凸轮轴、气门弹簧、小模数齿轮和压缩机阀片等。

我们研究结果表明，中碳结构钢等温淬火在HRc40～45,ob=120～150公斤/毫米2范围内获得的下贝氏体和淬火中温回火或调质比较，在静、动载荷下缺口敏感度和裂纹敏感度有不同程度的降低。

至于上贝氏体，则其强度和其他机械性能指标都相形见拙，是不足取的。

中碳结构钢等温淬火时，零件的变形特别小，故对于某些要求变形小的零件，往往是合适的，等温淬火受零件尺寸的限制，尺寸太大容易得到不利的混合组织，另外，需要较大的等温浴炉。

表面化学热处理和表面覆镀

采用渗碳工艺能有效地提高工件的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐磨性，从而大大提高其使用寿命是众所周知的，渗碳工艺虽然有很悠久的历史，但仍有许多问题需要进一步继续研究。

我们用多次冲击试验方法研究心部碳含量对性能的影响指出，在渗碳层性能相同的条件下，渗碳钢在碳含量为0.25%至0.30%左右时，多冲抗力最高，多冲缺口敏感度最小。

适当提高心部碳含量意味着提高心部的强度和硬度，对于弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均起有利的作用，生产实际也说明了这个问题。

洛阳拖拉机研究所和南昌齿轮厂研究用一种新渗碳钢25MnTiBRe制造齿轮，心部硬度达HRc42—46,装机使用表明，寿命比18CrMnTi钢高很多。

近年发展并逐渐得到推广的碳氮共渗，其突出优点是加热温度较低，淬火变形小，表层不易出现影响渗层质量的黑色组织。

它主要用于要求中等层深(0.8毫米左右)的齿轮及其他零件，最近，西安煤矿机械厂在我们的协作下进行了重载齿轮碳氮共渗的试验研究，已经初步克服了过去渗碳齿轮的变形问题，试棒试验结果，提高了多次冲击下的寿命。

表面化学热处理工艺还有许多种，如渗硼、渗硅、渗金属(铬、铝、钛等)以及它们的复合渗，如硫氰共渗、硼碳共渗等。

渗硼后的表层硬度可达2000HM,能大幅度提高零件和工具的耐磨性、切削性、抗腐蚀性和高温抗擦伤性，宝鸡石油机械厂试制的油井打捞公锥，渗碳后再渗硼，提高了使用寿命。

中高碳钢的感应加热表面淬火强化

利用高频、中频电流感应加热表面淬火的热处理方法近二十多年来已经在机械制造工业中得到推广。

但是在过去，用一般中碳结构钢40、45、40Cr等钢种经高频淬火热处理制造的齿轮、轴类另件，其耐磨性和接触疲劳强度都较渗碳为低。

我们的研究工作说明，中、高碳钢，即碳含量为0.6—0.8%的钢经表面淬火后，表层是细针状马氏体，硬度比普通淬火为高，而和渗碳件表层硬度相当；高频淬火的表层残余压应力也等于或大于渗碳处理者。

在芯部，中、高碳钢经高频淬火后的组织是热强化状态的屈氏体或细珠光体，其强度也比较高，因而用中、高碳钢高频淬火部分地代替渗碳是可能的。

实际上国内已有一些用中高碳钢高频淬火代替渗碳的例子，如上海机床厂、无锡机床厂成功地用GCr15、9Mn2V及65Mn等钢种高频淬火代替渗碳钢做磨床主轴等。

1971年宝鸡石油机械厂在我们的协作下成功地采用55V,50V,50钢中频淬火制造泥浆泵缸套，代替了落后的固体渗碳工艺，提高工效十八倍。

近年来我国许多单位大力开展用55DTi,60D等低淬透性钢高频淬火制造拖拉机齿轮代替复杂的渗碳工艺，取得了可喜的成绩。洛阳拖拉机厂自1967年以来，对东方红一75拖拉机进行了低淬透性钢中频淬火齿轮的装车试验。

1971和1973年两次调查表明，这些齿轮大部分已使用5000—6000小时，最高的已超过8000小时，仍在继续使用。

如正式投产后，其生产效率将提高5倍，钢材成本降低50%。我们正配合有关单位研究低淬透性钢在中、高频淬火后的动强度性能，以及在齿轮、拖拉机履带销套上的应用。

强度与塑性、韧性合理配合问题

从上面的讨论，可能会导致另外一种极端看法：既然机件多次冲击抗力的主导因素是强度，那么就可以尽可能地提高材料的强度水平，而不去考虑冲击韧度αx、延伸率δ的大小，这种看法也是片面的。

前述多次冲击A—N曲线存在交点的现象就表明了在冲击能量高时，要求材料韧性好些，冲击能量低时，则要求强度高些。

这里我们再举40钢淬火不同温度回火状态的多冲抗力变异规律，上下对比可以看出多冲抗力与强度、塑性、韧性的变异规律绝然不同。

在某一冲击能量下，随着回火温度而变化，多次冲击抗力在某一回火温度出现高峰，高峰的意义就在于在一定冲击能量下，与高峰对应的回火温度，刚好可以得到最佳的强度和韧度的配合，因此我们为了得到最好的多冲抗力，必须辩证地对待强度和塑性的关系问题。

表面冷变形强化及综合强化

属于这类强化工艺的有：喷丸、滚压、表面冷挤压、预变形强化、贴片爆炸、表面锤击强化等。

其作用可归结为：提高零件表层金属强度；造成有利的残余压应力；消除或减轻某些表面缺陷；提高光洁度等，而起主要作用的因素是残余压应力。

喷丸和滚压等表面强化工艺对提高零件疲劳强度的作用是显著的，第二汽车厂强化跑车考验说明，经应力喷丸后，汽车钢板弹簧的寿命从四百公里增加到九千公里，提高了二十多倍。

台架试验说明，经棱边补充喷丸后，疲劳寿命在此基础上再提高63—140%，表面滚压可以使表面强化层更深，硬化程度更大，对于某些尺寸较大的另件，如曲轴和扭力轴等，其效果比喷丸还显著。

长春汽车研究所对球墨铸铁曲轴进行的疲劳试验表明，轴颈园角滚压能使曲轴疲劳极限提高30—65%。

密封轴承牙轮钻头的压力平衡系统

压力平衡系统是设计密封轴承牙轮钻头时不可忽视的问题。其作用是平衡钻头轴承腔内外的压力差，保证轴承在良好的密封和润滑条件下工作。

这对提高密封轴承钻头的工作时间起着重要的作用。

在1968年2月27日公布的美国专利3370895中，G.A.凯森提出一种具有储油腔的密封轴承牙轮钻头。

储油腔内装置一可动的活塞，活塞上端连通钻头外界，使活塞上端处于井眼钻井液的压力之下，在每个轮掌与在其上安装的牙轮之间都装有密封圈，密封圈将润滑脂保留在轴承内，并阻止周围的钻井液及杂质进入轴承腔。

1969年11月4日公布的美国专利3476195中，E.M.葛耳提出一种密封轴承牙轮钻头，该钻头具有一个储油腔和皮囊。

用以平衡储油腔内润滑脂压力与井眼条件以平面弯曲疲劳为主，是在一定的过负荷状态，即超过疲劳极限的应力下工作的。

近年来国内许多单位对它进行了大量试验研究工作，我们着重介绍上海钢板弹簧厂的研究情况，协作单位有上海钢铁研究所，第二汽车厂，西安交大等厂、校、研究所。

在试验研究时，首先要考虑到，台架试验中所选用的应力幅水平决定着试验结果的正确性，应该选用与板簧工作应力相当的应力幅来进行试验，方能得到符合实际情况的正确结果。

从这个观点出发，我们研究和分析了钢板表面脱碳，热处理后钢板的强度(硬度)以及喷丸强化对60Si2Mn钢板弹簧

疲劳寿命的影响，试验表明，如果将表面脱碳层深度由0.20毫米减少到0.10毫米以下，疲劳寿命可增加90%,即接近于原来的两倍，而将板簧硬度由HRC45左右提高到HRC50时，疲劳寿命提高10%以上。

喷丸强化的效果更为显著，汽车在石子路上强化行驶考验表明，未经应力喷丸的板簧行驶四百公里即发生断裂，而经过应力喷丸强化的则行驶九千公里后才发生断裂。

棱边附加喷丸可以在此基础上使寿命再提高63～143%，从上面所列举的数据，我们可以看到对承受疲劳负荷的零件采用综合强化工艺的必要性。