NGW行星齿轮减速器--轴的设计

目  录 第一章 绪论    2 1.1 行星齿轮传动的特点    2 1.2 本文的主要内容    3 第二章 NGW行星齿轮减速器结构设计    3 2.1 设计技术参数    3 2.2 机构简图确定    3 2.3 齿形与精度    4 2.4 齿轮材料及其性能    4 第三章 齿轮的优化设计    4 3.1 齿轮的设计    4 3.11配齿数    4 3.12初步计算齿轮主要参数    5 3.13几何尺寸计算    6 3.2 重合度计算    7 3.2 齿轮啮合效率计算    7 3.4 疲劳强度校核    8 3.41外啮合    8 3.42内啮合    13 第四章 其他零件的设计    14 4.1 轴承的设计    14 4.2 行星架的设计    15 第五章 输入轴的优化设计    15 5.1 装配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的选择    15 5.2 尺寸设计    16 5.21初步确定轴的最小直径    16 5.22根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度    17 5.23轴上零件轴向定位    17 5.24确定轴上圆角和倒角尺寸    18 5.3 输入轴的受力分析    18 5.31求输入轴上的功率P、转速n和转矩T    18 5.32求作用在太阳轮上的力    18 5.33求轴上的载荷    19 5.4按弯扭合成应力校核轴的强度    21 5.5精确校核轴的疲劳强度    22 5.6 按静强度条件进行校核    28 第六章 Solidworks出图    30 参考文献    34 第一章 绪论 渐开线行星齿轮减速器是一种至少有一个齿轮绕着位置固定的几何轴线作圆周运动的齿轮传动，这种传动通常用内啮合且多采用几个行星轮同时传递载荷，以使功率分流。渐开线行星齿轮传动具有以下优点:传动比范围大、结构紧凑、体积和质量小、效率普遍较高、噪音低以及运转平稳等，因此被广泛应用于起重、冶金、工程机械、运输、航空、机床、电工机械以及国防工业等部门作为减速、变速或增速齿轮传动装置。 渐开线行星齿轮减速器所用的行星齿轮传动类型很多，按传动机构中齿轮的啮合方式分为:NGW、NW、NN、NGWN、ZU飞VGW、W.W等，其中的字母表示:N—内啮合，W—外啮合，G—内外啮合公用行星齿轮，ZU—锥齿轮。 1.1 行星齿轮传动的特点 行星齿轮传动与其他形式的齿轮传动相比有如下几个特点: （1）体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高，这个特点是由行星齿轮传动的结构等内在因素决定的。 （2）传动比大 只要适当的选择行星传动的类型及配齿方案，就可以利用很少的几个齿轮而得到很大的传动比。在不作为动力传动而主要用以传递运动的行星机构中，其传动比可达到几千。此外，行星齿轮传动由于它的三个基本构件都可以传动，故可以实现运动的合成与分解，以及有级和无级变速传动等复杂的运动。 （3）传动效率高 由于行星齿轮传动采用了对称的分流传动结构，即它具有数个均匀分布的行星齿轮，使作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力相互平衡，有利于提高传动效率。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率可达0.97~0.99。 （4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强 由于采用数个相同的行星轮，均匀分布于中心轮周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。 在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点，如结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求较高；由于体积较小、散热面积小导致油温升高，故要求严格的润滑与冷却装置等。 行星齿轮传动的设计进行研究，对促进技术进步和国民经济的发展具有重要的理论和实用意义。 1.2 本文的主要内容 NGW型行星齿轮传动机构的传动原理:当高速轴由电动机驱动时，带动太阳轮回转，再带动行星轮转动，由于内齿圈固定不动，便驱动行星架作输出运动，行星轮在行星架上既作自转又作公转，以此同样的结构组成二级、三级或多级传动。NGW型行星齿轮传动机构主要由太阳轮、行星轮、内齿圈及行星架所组成，以基本构件命名，又称为ZK-H型行星齿轮传动机构。 本设计的主要内容是单级NGW型行星减速器的设计。 第二章 NGW行星齿轮减速器结构设计 2.1 设计技术参数     已知输入功率30KW,输入转速100r/min，传动比6，每天工作16小时，使用寿命10年 2.2 机构简图确定  减速器传动比i=6,故属于1级NGW型行星传动系统(如图2-1)。 图 2-1 查书《渐开线行星齿轮传动设计》书表4-1确定=2或3，从提高传动装置承载力，减小尺寸和重量出发，取=3。     计算系统自由度 W=3*3-2*3-2=1 2.3 齿形与精度 因属于低速传动，以及方便加工，故采用齿形角为20º，直齿传动，精度定位6级。 2.4 齿轮材料及其性能 太阳轮和行星轮采用硬齿面，内齿轮采用软齿面，以提高承载能力，减小尺寸。材料选择见表2-1。 表2-1 齿轮材料及其性能 齿轮 材料 热处理 (N/mm²) (N/mm²) 加工精度 太阳轮 20CrMnTi 渗碳淬火 HRC58 ~62 1400 350 6级 行星轮 245 内齿轮 40Cr 调制 HB262~293 650 220 7级 第三章 齿轮的优化设计 3.1 齿轮的设计 3.11配齿数 采用比例法： 按齿面硬度HRC=60，查 《渐开线行星齿轮传动设计》 书图4-7a的，又，取。     由传动比条件知                       计算内齿轮和行星齿轮齿数： 3.12初步计算齿轮主要参数 （1）按齿面接触强度计算太阳轮分度圆直径 用式进行计算，相关系数取值如表3-1。 其中： 太阳轮传递的扭矩： 则太阳轮分度圆直径为： 表3-1 齿面接触强度有关系数 代号 名  称 说  明 取  值 算式系数 直齿轮 768 使用系数 表6-5，中等冲击 1.25 行星轮间载荷分配系数 表7-2，太阳轮浮动，6级精度 1.05 综合系数 表6-4，，高精度，硬齿面 1.8 小齿轮齿宽系数 表6-3 0.7 实验齿轮的接触疲劳极限 图6-16 1400                 以上均为在书《渐开线行星齿轮传动设计》上查得 (2)按弯曲强度初算模数 用式进行计算。式中相关系数同表3-1，其余系数取值如表3-2。 因为 ，所以应按行星轮计算模数： 表3-2 弯曲强度有关系数 代号 名  称 说  明 取 值 算式系数 直齿轮 12.1 行星轮间载荷分配系数 1.075 综合系数 表6-4，高精度， 1.6 齿形系数 图6-25，按x=0查值 3.18 齿形系数 图6-25，按x=0查值 2.45               以上均为在书《渐开线行星齿轮传动设计》上查得若取莫属，则太阳轮直径： 接触强度初算结果接近，故初定按 进行接触和弯曲疲劳强度校核计算。 3.13几何尺寸计算 将分度圆直径、节圆直径、齿顶圆直径的计算值列于表3-3。 表3-3 齿轮几何尺寸 齿轮 分度圆直径 节圆直径 齿顶圆直径 太阳轮 行星轮 外啮合 内啮合 内齿轮 3.2 重合度计算 外啮合：     内啮合： 3.2 齿轮啮合效率计算 按公式进行计算。 式中为转化机构的效率，可用Kyдpявпев计算法确定。查《渐开线行星齿轮传动设计》中图3-3a、b（取µ=0.06，因齿轮精度高）得各啮合副的效率为，，转化机构效率为： 转化机构传动比： 则        . 3.4 疲劳强度校核 3.41外啮合 （1）齿面接触疲劳强度 用式，计算接触应力，用式计算其许用应力。三式中的参数和系数取值如表3-4。 表3-4 外啮合接触强度有关参数和系数 代号 名 称 说        明 取值 使用系数 按中等冲击查表6-5 1.25 动载荷系数 ，6级精度 ，查图6-5b 1.005 齿向载荷分布系数 查图6-6得，取， ，由式（6-25）得 1.114 齿间载荷分配系数 按，6级精度，硬齿面，查图6-9 1 行星轮间载荷不均衡系数 太阳轮浮动，查表7-2 1.05 节点区域系数 查图6-10 2.5 弹性系数 查表6-7 189.8 重合度系数 ，查图6-11 0.89 螺旋角系数 直齿， 1 分度圆上的切向力 18723.53 N b 工作齿宽 72  mm u 齿比数 2 寿命系数 按工作10年每年365天，每天16小时计算应力循环次数 1.03 润滑油系数 HRC=HV713,v=0.445m/s,查表8-10用中型极压油， 1.05 速度系数 查图6-20 0.88 粗造度系数 按， 查图6-21 1.03 工作硬化系数 两齿轮均为硬齿面，图6-22 1 尺寸系数 m≥6 1 最小安全系数 按可靠度查表6-8 1.25 接触疲劳极限 查图6-16 1400 以上均为在书《渐开线行星齿轮传动设计》上查得接触应力基本值： 接触应力： 许用接触应力： 因，故接触强度通过。 （2）齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲疲劳应力及其许用应力，用式 和 计算。并分别对太阳轮和行星轮进行校核。对于表3-4中未出现的参数和系数取值如表3-5。 太阳轮： 弯曲应力基本值： 弯曲应力： 许用弯曲应力: 因，故太阳轮弯曲强度通过。 行星轮： 因，故行星轮弯曲强度通过。 表3-5 外啮合齿根弯曲强度的有关参数和系数 代号 名  称 说        明 取值 齿向载荷分布系数 由，b/m=12，查图6-23得，由式（6-38）得 1.076 齿间载荷分配系数 1 行星轮间载荷分配系数 按式（7-43）， 1.075 太阳轮齿形系数 ，查图6-25 2.95 行星轮齿形系数 ，查图6-25 2.45 太阳轮应力修正系数 查图6-27 1.55 行星轮应力修正系数 查图6-27 1.68 重合度系数 式(6-40), 0.719 弯曲寿命系数 1 试验齿轮应力修正系数 按所给的区域图取时 2 太阳轮齿根圆角敏感系数 查图6-35 0.95 行星轮齿根圆角敏感系数 查图6-35 0.96 齿根表面形状系数 ，查图6-36 1.045 最小安全系数 按高可靠度，查表6-8 1.6 以上均为在书《渐开线行星齿轮传动设计》上查得 3.42内啮合 （1）齿面接触疲劳强度 同外啮合齿面接触疲劳强度所用公式相同，其中与外啮合取值不同的参数为 。则： 因，故接触强度通过。 （2）齿根弯曲疲劳强度 只需计算内齿轮。计算公式与外啮合齿根弯曲疲劳强度相同，其中取值与外啮合不同的系数为 。则： 因,故弯曲强度通过。 以上计算说明齿轮的承载能力足够。 第四章 其他零件的设计 4.1 轴承的设计 考虑到采用直齿轮传动，以及为了加工和装配方便，拟用中空式行星轮，内孔中装一个深沟球轴承，心轴固定在行星架上。用式计算轴承的动负荷，其中系数确定如表4-1。 选用深沟球轴承61914，轴承的额定动负荷满足条件。 表4-1 轴承动负荷相关系数 代号 名 称 说        明 取值 负荷性质系数 表9-18，中等冲击 1.25 齿轮系数 查表9-19 1.06 安装部位系数 表9-20，对称 1.1 工作情况系数 1.4575 温度系数 一般低速传动 1 寿命系数 更换期1.5年， 2.36 速度系数 式（9-62） 4.27 行星架传递扭矩 16964.75 N·m P 当量载荷 式（9-63）， 19404.13 N 以上均为在书《渐开线行星齿轮传动设计》上查得 4.2 行星架的设计 采用双壁整体式行星架，一端有浮动内齿圈。按经验取壁厚 。两壁之间的扇形断面连接板其惯性中心所在半径按式计算。 行星架外径 b=251.84 mm，a=78.46mm， 按上述经验数据拟定的行星架尺寸，不必作强度计算。至此，NGW行星传动系统设计完成 第五章 输入轴的优化设计 5.1 装配方案的选择 输入轴的装配方案如图6-1所示 图 6-1 5.2 尺寸设计 5.21初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调至处理。根据相关图表，由于轴无轴向载荷，故A取较大值，即A=118，于是得： 输入轴的最小直径显然是安装联轴器处的轴的直径（如图6-1）。为了使所选的轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。 联轴器计算转矩，查相关图标，考虑到转矩变化很小，故取，则： 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，且查相关手册，选用LH7型弹性柱销联轴器，其公称转矩为630000 N·mm。半联轴器孔径d=80 mm，故取，半联轴器长度L=172 mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度。 5.22根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 （1）为了满足半联轴器轴向定位要求，Ⅰ-Ⅱ轴段右端需制出一轴肩，一般定位轴肩的高度为 故取Ⅱ-Ⅲ段的直径为。半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴向定位可靠和轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段的长度应比毂孔长度短2~3 mm，故取。 （2）初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力作用，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承61919，其尺寸为d×D×B=95 mm×130 mm×18 mm。 右端深沟球轴承采用轴肩进行轴向定位，因为滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面高度，查相关手册知深沟球轴承61919内圈，故取。 （3）为了轴承端盖的方便拆装及便于对轴承添加润滑脂的要求，查得相关手册取端盖的外端面与半联轴器右端面之间的距离l=36 mm；考虑到轴承端盖和前机盖的宽度，故取。 （4）因该行星轮传动系统为太阳轮浮动，故输入轴的Ⅳ-Ⅴ段与太阳轮通过花键连接，查相关手册选取小径d=92的花键，故Ⅳ-Ⅴ段直径为；为了保证太阳轮和输入轴通过花键的装配，故取；为了保证输入轴的正常装配，取。（可参照附录-行星轮传动系统装配图） 5.23轴上零件轴向定位 半联轴器与轴的轴向定位采用平键连接，太阳轮与轴的轴向定位采用花键连接。根据查相关手册，选用平键b×h×ｌ=22 mm×14 mm×110 mm；选用花键为N×d×D×B=10 mm×92 mm×98 mm×14 mm。 5.24确定轴上圆角和倒角尺寸 查得相关手册，输入轴Ⅰ-Ⅱ段轴端倒角为2×45°，Ⅳ-Ⅴ段轴端倒角为2.5×45°，截面Ⅱ处轴肩圆角为R2，其余轴肩圆角为R2.5。 5.3 输入轴的受力分析 5.31求输入轴上的功率P、转速n和转矩T 已知P=30 KW,n=100 r/min 则         5.32求作用在太阳轮上的力 已知太阳轮分度圆直径为： 太阳轮上所受的径向力如图6-2（按受载不均匀条件下的合成计算——不定向） 图6-2 假设行星轮C1与太阳轮a啮合传递转矩为：（不均匀条件下最大转矩） 则行星轮C2、C3与太阳轮a啮合传递的转矩为： 太阳轮与行星轮啮合处圆周力如图6-2所示，则有： 其径向力为： 则太阳轮所受圆周力合力、径向力合力如图6-3所示。 图6-3 径向力： （方向不定） 圆周力： （与垂直） 5.33求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的受力简图如何6-4a；做出轴的弯矩图和扭矩图如图6-4所示 （1）作为简支梁的轴的支撑跨距： （根据轴与轴上零件的装配关系见附录4） （2）左端联轴器属于有弹性元件的弹性柱销联轴器，有方向不定径向力，取（如图6-4a），则： （3）轴xoz平面上受力分布及弯矩图（如图6-4b）: 则D点处的弯矩 （4）轴xoy平面上受力分布及弯矩图（如图6-4c）： 则D点的弯矩 （5）初步合成弯矩图（如图6-4d） （6）与联轴器径向力在同一平面内的受力分布及弯矩图（如图6-4e）： 则该平面内弯矩为 （7）合成弯矩图如图（6-4f）所示 （8）扭矩图如图（6-4g）所示： T=2865000 N·mm 图 6-4 5.4按弯扭合成应力校核轴的强度 根据式进行校核。其中，因为轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应力，取α=0.6；为轴的计算应力；M为轴所受的弯矩；T为轴所受的扭矩；W为轴的抗弯截面系数，因为截面C为圆形，所以W=0.1d³。 （1）C、D两截面轴径相同，又,故校核D截面即可： 则轴的计算应力; 前已选定轴的材料为45钢，调至处理，查相关手册查得。因为，故截面C处安全。 （2）由于截面B左侧不受扭矩作用，故只要校核截面B右侧即可。 则轴的计算应力为： 故截面B右侧安全 5.5精确校核轴的疲劳强度 （1）截面Ⅱ处校核 ① 截面Ⅱ左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅱ左侧的弯矩M为 截面Ⅱ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅱ上的弯曲应力 截面Ⅱ上的扭转切应力 轴的材料为45钢，调制处理，查相关手册查得: 抗拉强度极限 弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数和可按相关手册查取。因r/d=2.0/80=0.025，D/d=95/80=1.19,经过插值后可查得： 又由相关手册可查得轴的材料的敏感系数为： 故有效应力集中为： 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为轴按磨削加工，则表面质量系数为；轴未经表面强化处理，即，则综合系数为： 又由碳钢的特性系数： ，取 ，取 于是，计算安全系数的值，得： 故可知其安全。 ② 截面Ⅱ右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅱ右侧的弯矩M为 截面Ⅱ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅱ上的弯曲应力 截面Ⅱ上的扭转切应力 因r/d=2.5/95=0.026，D/d=95/80=1.19,经过插值后可查得： 有效应力集中为 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为，则综合系数为： 于是，计算安全系数的值，得： 故可知其安全。 （2）截面Ⅲ处校核 ① 截面Ⅲ左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅲ左侧的弯矩M为： 截面Ⅲ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅲ上的弯曲应力 截面Ⅲ上的扭转切应力 因r/d=2.5/95=0.026，D/d=103/95=1.08,经过插值后可查得： 有效应力集中为: 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为，则综合系数为： 于是，计算安全系数的值，得： 故可知其安全。 ② 截面Ⅲ右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅲ右侧的弯矩M为： 截面Ⅲ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅲ上的弯曲应力 截面Ⅲ上的扭转切应力 因r/d=2.5/103=0.024，D/d=103/95=1.08,经过插值后可查得：     有效应力集中为 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为，则综合系数为： 于是，计算安全系数的值，得：   故可知其安全。 (3) 截面Ⅳ处校核 ① 截面Ⅳ左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅳ左侧的弯矩M为： 截面Ⅳ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅳ上的弯曲应力 截面Ⅳ上的扭转切应力 因r/d=2.5/103=0.024，D/d=103/95=1.08,经过插值后可查得：     有效应力集中为 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为，则综合系数为： 于是，计算安全系数的值，得： 故可知其安全。 ② 截面Ⅳ右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面Ⅳ左侧的弯矩M为： 截面Ⅳ上的扭矩T为T=2865000 N·mm 截面Ⅳ上的弯曲应力 截面Ⅳ上的扭转切应力 因r/d=2.5/92=0.027，D/d=103/95=1.08,经过插值后可查得： 有效应力集中为： 根据相关手册查得尺寸系数，表面质量系数为，则综合系数为： 于是，计算安全系数的值，得： 故可知其安全。 5.6 按静强度条件进行校核 (1)截面C处静强度校核 最大弯曲应力 最大扭转应力 因轴的材料为45钢调制处理，查相关手册查得: 抗拉强度极限，抗弯屈服强度极限 抗扭屈服极限，取： 因，有，取，则按屈服强度设计的安全系数： 故安全。 （2）截面D处按静强度条件进行校核 最大弯曲应力 最大扭转应力 按屈服强度设计的安全系数： 故安全。 至此，轴的设计完成。 第六章 Solidworks出图 太阳轮 附录2 行星轮 附录3 内齿轮 输入轴 装配体图 输入轴工程图 装配体工程图 参考文献 [1]  马从谦，陈自修，张文照，张展，蒋学全，吴中心.渐开线行星齿轮传动设计[M].机械工业出版社,1987. [2]  孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].7版.北京:高等教育出版社.2010 [3]  濮良贵,纪名刚,陈国定,吴立言.机械设计[M].8版.北京高等教育出版社,2011. [4]  任继生,唐道武,马克新.机械设计机械设计基础课程设计[M].中国矿业大学出版社,2009. 外文资料翻译 PLAIN CARBON STEEL Any steel-making process is capable of producing a product that has 0.05% or less carbon. With this small amount of carbon, the properties approach of pure iron with maximum ductility and minimum strength. Maximum ductility is desirable from the standpoint of ease in deformation processing and service use. Minimum strength is desirable for deformation processing. However, higher strengths than that obtainable with this low carbon are desirable from the standpoint of product design. The most practical means of increasing the strength is by the addition or retention of some carbon. However, it should be fully understood that any increase of strength over that pure iron can be obtained only at the expense of some loss of ductility, and the final choice is always a compromise of some degree. Because of the difficulty of composition control or the additional operation of increasing carbon content, the cost of higher carbon, higher strength steel is greater than of low carbon. Plain Carbon Steels Most Used. Because of their low cost, the majority of steels used are plain carbon steels. These consist of iron combined with carbon concentrated in there ranges classed as low carbon,medium carbon, and high carbon. With the exception of manganese used to control sulphur, other elements are present only in small enough quantities to be considered as impurities, though in some cases they may have minor effect on properties of the material. Low Carbon. Steel with approximately 6 to 25 points of carbon (0.06%～0.25%)are rated as low carbon steels and are rarely hardened by heat treatment because the low carbon content permits so little formation of hard magnesite that the process is relatively ineffective. Enormous tonnages of these low carbon steels are processed in such structural shapes as sheet, strip,rod,plate,pipe,and wire. A large portion of the material is cold worked in its final processing to improve its hardness, strength, and surface-finish qualities.the grades containing 20 points or less of carbon are susceptible to considerable plastic flow and are frequently used as deep-drawn products or may be used as a ductile core for casehardened material. The low lain carbon steels are reality brazed, welded, and forged. Medium Carbon. The medium carbon steels (0.25%～0.5%)contain sufficient carbon that they may be heat treated for desirable strength, hardness, machinability, or other properties. The hardness of plain carbon steels in this range cannot be increased sufficiently for the material to serve satisfactorily as cutting tools,but the load-carrying capacity of the steels can be raised considerably, while still retaining sufficient ductility for good toughness. The majority of the steel is furnished in the hot-rolled condition and is often machined for final finishing. It can be welded,but is more difficult to join by this method than the low carbon steel because of structural changes caused by welding heat in localized areas. High Carbon. High carbon steel contains from 50 to 160 points of carbon (0.8%～1.6%). This group of steels is classed as tool and die steel, in which hardness is the principal property desired. Because of the fast reaction time and resulting low hardenability, and its associated danger of distortion or cracking, it is seldom possible to develop fully of heat-treat-hardened plain carbon steel is low compared to that of alloy steels with the same strength, but, even so, carbon steel is frequently used because of its lower cost. ALLOY STEELS Although plain carbon steels work well for many uses and are the cheapest steels and therefore the most used, they cannot completely fulfill the requirements for some work. Individual or groups of properties can be improved by addition of various elements in the form of alloys. Even plain carbon steels are alloys of at least iron, carbon, and manganese, but the term alloy steel refers to steels containing elements other than these in controlled quantities greater than impurity concentration or, in the case of manganese, greater than 1.5%. Alloys Affect Hardenability. Interest in hardenability is indirect. Hardenability is usually thought of most in connection with depth-hardening ability in a full hardening operation. However, with the isothermal transformation curves shifted to the right, the properties forging operations, the materially usually air cools. Any alloy generally shifts the transformation curves to the right, which with air cooling results in finer pearlite than would be formed in a plain carbon steel. This finer pearlite has higher hardness and strength, which has an effect on machinability and may lower ductility. Weldability. The generally bad influence of alloys on weldability is a further reflection of the influence on hardenability. With alloys present is a further reflection of the influence on hardenability. With alloys present during the rapid cooling taking place in the welding area, hard, nonductile structures are formed in the steel and frequently lead to cracking and distortion. Grain Size and Toughness. Nickel in particular has a very beneficial effect by retarding grain growth in the austenite range. As with hardenability, it is the secondary effects of grain refinement that are noted in properties. A finer grain structure may actually have less hardenability, but it has its most pronounced effect on toughness; for two steels with equivalent in the chart as improved toughness. This improved toughness, however, may be detrimental to machinability. Corrosion Resistance. Most pure metals have relatively good corrosion resistance, which is generally lowered by impurities or small amounts of intentional alloys. In steel, carbon in particular lowers the corrosion resistance very seriously. In small percentages, copper and phosphorus are beneficial in reducing corrosion. Nickel becomes effective in percentages of about %, and chromium is extremely effective in percentages greater than %,which leads to a separate class of alloy steels called stainless steels. Many tool steels,while not designed for the purpose, are in effect stainless steels because of the high percentage of chromium present. LOW ALLOY STRUCTURAL STEELS Certain low alloy steels sold under various trade names have been developed to provide a low cost structural material with higher yield strengh than plain carbon steel. The addition of small amount of some alloying elements can raise the yield strength of hot-rolled sections without heat treatment to 30%～40% greater than that of plain carbon steels. Designing to higher working stresses may reduce the required section size by 25%～30% at an increased cost of 15%～50%,depending upon the amount and the kind of alloy. The low alloy structural steels are sold almost entirely in the form of hot -rolled structural shapes. These materials have good weldability, ductility, better impact strength than that of plain carbon steel, and good corrosion resistance, particularly to atmospheric exposure. Many building codes are based on the more conservative use of plain carbon steels, and the use of alloy structural steel often has no economic advantage in these cases. LOW ALLOY AISI STEELS Improved Properties at Higher Cost. The low alloy American iron and steel institute (AISI) steels are alloyed primarily for improved hardenability. They are more costly than plain carbon steels, and their use can generally be justified only when needed in the heat-treat-hardened and tempered condition. Compared to plain carbon steels, they can have 30%～40% higher yield strength and 10%～20% higher tensile strength. At equivalent tensile strengths and hardnesses, they can have 30%～40% higher reduction of area and approximately twice the impact strength. Usually Heat Treated. The low alloy AISI steels are those containing less than approximately 8% total alloying elements, although most commercially important steels contain less than 5%. The carbon content may very form very low to very high, but for most steels it is in the medium range that effective  heat treatment may be employed for property improvement at minimum costs. The steels are used widely in automobile, machine tool, and aircraft construction, especially for the manufacture of moving parts that are subject to high stress and wear. STAINLESS STEELS Tonnage-wise, the most important of the higher alloy steels are a group of these steels have much better mechanical properties at high temperatures. This group was first called stainless steel. With the emphasis on high temperature use, they are frequently referred to as heat and corrosion-resistant steels. Martensitic Stainless Steel. With lower amounts of chromium or with silicon or aluminium added to some higher chromium steels, the material responds to heat treatment much as any low alloy steal. The gamma-to-alpha transformation in iron occurs normally, and the steel may be hardened by heat treatment similar to that used on plain carbon or low alloy steels. Steels of this class are called martensitic, and the most used ones have 4%to 6% chromium. Ferritic stainless steel. With large amounts of chromium, as great as 30% or more,the austenite region of the iron-carbon equilibrium diagram is suppressed, and the steel loses its ability to be hardened by normal steel heat-treating procedures. Steels of this type are called ferritic and are particularly useful when high corrosion resistance is necessary in cold-worked products. Austenitic Stainless Steel. With high chromium and the addition of 8% or more of nickel or combinations of nickel and manganese, the ferrite region of the diagram is suppressed. These steels, the most typical of which contains 18%chromium and 8% nickel, are referred to as austenitic stainless steels. They are not hardenable by normal steel heat-treating procedures, but the addition of small amounts of other elements makes some of them hardenable by a solution-precipitation reaction. TOOL AND DIE STEELS The greatest tonnage of tools (other than cutting tools) and dies are made from plain carbon or low alloy steels. This is true only because of the low cost these materials as their use has a number of disadvantages. They have low harden-ability, low ductility associated with high hardness, and do not hold their hardness well at elevated temperature. Manganese Steels. Manganese tool and die steels are oil hardening and have a reduced tendency to deform or crack during heat treatment. They contain from 85～100 points of carbon, 1.5%～1.75% of manganese to improve hardenability, and small amounts of chromium, vanadium, and molybdenum to improve hardness and toughness qualities. Chromium Steels. High chromium tool and die steels are usually quenched in oil for hardening, but some have sufficient hardenability to develop hardness with an air quench. One group of the high chromium steels, called high speed steel, has substantial additions of tungsten, vanadium,and sometimes cobalt to improve the hardness in the red heat range. 钢  1、普通碳素钢 任何炼钢方法都能炼出只含有0.05%（甚至更少）碳的钢。由于只有少量的碳，钢的性能接近于纯铁，具有很高塑形和很低的强度。从便于成形和使用的角度看，高塑性和低强度是变形所需要的，然而，从产品设计角度来说，需要比这种低碳钢更高的强度。增加强度最适用的方法是在钢中增加或保留一些碳。然而，必须明白，强度的增加只有在损失塑性的情况下才能实现，因此，最终总是在塑性和强度之间形成某种折衷。因为成分控制和增碳过程有一定的难度，高碳高强度钢的成本比低碳钢高。 最常用的普通碳素钢 因为成本低，实际使用的大多数是普通碳素钢，它们由铁和碳组成，普通碳素钢的碳含量可分为低碳、中碳、高碳三类。除了用来控制硫和锰元素以外，其他元素只有很少而被认为是杂质，有时它们对材料的性能可能有较小的影响。 低碳钢  含碳大约0.06%～0.25%的钢称为低碳钢，他们很难通过热处理淬硬，因为碳的含量太低，很难形成硬的马氏体结构，从而使热处理相对不起作用。大量的低碳钢被做成薄板材、带材、棒材、板材、管材和线材等结构。很多这类材料最后通过冷加工来提高硬度、强度和表面质量。含碳小于等于20%的钢可以经受较大的塑性流动，经常用作深拉成形零件或可用表面硬化材料的塑性心部。低碳钢容易铜焊、熔焊和锻造。 中碳钢 中碳钢(0.25%～0.5%)含有足够的碳，可以通过热处理得到所需强度、硬度、切削加工性和其他特性。此类普通钢的硬度不能显著提高到满意的作为切削刀具，但承载能力可提高很多，同时保留足够的塑性和良好的韧性。大多数钢在热轧状态提供，经常需进行切削加工。它能焊接，但比低碳钢难得多，因为焊接热量在局部区域引起了组织结构的变化。 高碳钢  高碳钢含有0.5%～1.6%的碳，这类钢称为工具和模具钢，硬度是这类钢所需的主要性能。因为组织转变快，淬透性低这种钢几乎都是用水淬火。即使用这种激烈的处理方式，并有变形和开裂的危险，这种钢很少能完成淬透，淬硬层厚度不超过1英寸。实际上，在同样强度下，热处理淬硬的普通碳素钢的塑性比合金钢的低，但即使如此，因其成本低，仍常使用碳素钢。 2、合金钢 普通碳素钢可用于许多场合，也是最便宜的钢种，因此使用最多，但它们对某些工作要求不能完全满足。这是可通过加入一些元素形成合金的方式来提高钢的某一项或几项性能。即使是普通碳素钢，也是铁、碳和锰的合金，但合金钢中除了这些元素外，其他元素含量大于普通碳素结构钢的杂质含量，如锰含量要大于1.5%。 合金元素影响淬透性 人们对淬透性的兴趣是间接的。淬透性通常与完全淬火时硬化深度的能力有关系。然而，随着等温曲线右移，即使在完全硬化时，材料性能也能显著改变。在热轧或锻打后，材料通常采用空冷。所有合金通常使等温曲线右移，空冷时得到比普通钢细的珠光体。这种细珠光体有较高的硬度和强度，可能会降低塑性，对切削加工性也有影响。 可悍性  总的来说，合金元素对可悍性产生坏影响，这也是影响淬透性的一种反应，焊接区快冷时，合金会使焊接区形成硬的、韧性差的结构，经常导致开裂和变形。 晶粒尺寸和韧性  在奥氏体阶段，镍对防止晶粒长大有特别优异的作用。对淬透性而言，对性能影响大的晶粒细化过程就只是次要影响。细晶粒结构会使淬透性变差，但对韧性影响很大。对硬度和强度相等的两种钢，细晶粒的钢塑性较好，反映在图表中就是韧性高，但这种高韧性，对切削加工形式有害的。 耐腐蚀能力  总的来说，大多数纯金属耐腐蚀能力相对较好，含有杂质或少量合金元素时会降低其耐腐蚀能力。对钢而言，碳会显著降低其耐腐蚀能力。铜和磷含量少时对减轻腐蚀有利，镍在含量大约5%时对减轻腐蚀也是有利的，铬在含量大于10%时特别有益，会产生一种称为不锈钢的合金钢。许多工具钢，因其镉含量高而实际上也是不锈钢，虽然设计中没做这种要求。 3、低合金结构钢 市场上已有多种多样的低合金结构钢，他们是屈服强度比普通碳钢高的低成本结构材料。外加少量的一些合金元素不需经过热处理就可以提高热轧钢的屈服强度，比普通碳钢高30%～40%。在高应力条件下，可减少横截面尺寸25%～30%，同时增加成本15%～50%，这取决于合金元素的量和种类。 4、低合金AISI钢 高性能高成本 低合金AISI（美国钢铁协会）钢中的合金元素主要用于提高淬透性，他们比普碳钢贵得多，通常只在必须是使用，用于热处理硬化和回火条件下。与普碳钢相比，屈服强度高30%～40%，抗拉强度高10%～20%。同样的拉伸强度和硬度时面积可减少30%～40%,冲击强度大约提高两倍。 通常需热处理  低合金AISI钢的总合金元素含量小于8%，虽然工业上大多数重要钢的合金元素的含量少于5%。碳含量可从很低变到很高，但大多数为中碳钢，可用最小成本进行热处理来有效改善性能，这种钢广泛用于汽车、机床、飞机，特别随时用于制造承受高应力且磨损大的运动零件。 5、不锈钢 大量使用且最重要的高合金钢是一组抗化学腐蚀能力极高的高铬钢。这类港的大多数在高温下好的的力学性能，这类钢最早称为不锈钢，随着在高温下使用的增加，它们经常也称为耐热耐腐蚀钢。 马氏体不锈钢  在钢中加入少量铬，或在一些高铬钢中加入硅或铝，这种钢称为马氏体钢，其中含铬4%到6%的钢最常用。 铁素体不锈钢 含铬量达30%或更多时，铁碳平衡相图的奥氏体区缩小，钢失去了用通常热处理方法硬化的能力。这种钢称为铁素体钢，特别适用于由高耐腐蚀性要求的冷加工产品。 奥氏体不锈钢 高铬钢再加上8%以上的镍或镍与锰，相图的铁素体区就会缩小。最典型的钢含18%和8%镍，称为奥氏体不锈钢。他们不能用通常钢的热处理方法硬化，但可附加少量的其他元素通过固溶强化使它们硬化。 6、工具模具钢 大量的工具（与切削刀具不同)和模具用普通钢或低合金钢制造，这只是因为他们价格便宜，但这些材料有很多缺点。它们的淬透性差，硬度高而塑性低，温度升高时不能很好的保持硬度。 锰钢 钢工具模具钢是油淬硬化钢，在热处理是很少变形或开裂。为提高淬透性，钢中含有0.85%到1.00%的碳和1.5%～1.75%的猛，并有少量铬、钒、钼来提高硬度和韧性。 铬钢  高铬工具模具钢通常在油中淬硬，但有一些铬钢淬透性好，在空冷时就能淬硬。有一组高铬钢加油许多钨、钒（有时还有钴）其提高起高温硬度，它们成为高速钢。