本书以提高齿轮强度为目标，以热处理工艺为中心，对物理冶金因素进行了分析，介绍了热处理工艺对齿轮强度影响的内在原因，从而为齿轮强度设计和热处理工艺的制订提供了理论依据。本书内容主要包括：齿轮强度设计和材料热处理、齿轮钢及其应用、齿轮的调质、齿轮的感应淬火、齿轮的渗氮、齿轮的渗碳淬火、特定工况齿轮的强度、齿轮热处理缺陷及变形。本书紧密结合生产实际情况，内容全面系统，实例、图表丰富，实用性、针对性和指导性强，对齿轮强度设计和热处理工艺制订具有较高的参考价值。
本书主要供热处理工程技术人员、齿轮设计人员和齿轮质量检验人员使用，也可供相关专业在校师生和研究人员参考。

前言
第1章齿轮强度设计和材料热处理1
1.1钢材的疲劳强度与硬度的关系1
1.2齿轮的疲劳强度设计计算2
1.2.1接触疲劳强度计算2
1.2.2弯曲疲劳强度计算2
1.3齿轮疲劳强度设计与材料热处理3
1.3.1齿轮的疲劳极限与材料热处理3
1.3.2齿轮疲劳极限等级与材料热处理4
1.3.3齿轮强度设计中的修正系数与
材料热处理11
第2章齿轮钢及其应用14
2.1齿轮钢的发展概况14
2.1.1齿轮钢发展的特点14
2.1.2各类齿轮用钢的发展17
2.2齿轮钢的分类和应用19
2.2.1车辆齿轮用钢19
2.2.2工业齿轮用钢27
2.3齿轮钢的合金化及冶金特性36
2.3.1齿轮钢的合金化36
2.3.2齿轮钢的冶金和工艺特性38
2.4齿轮钢的冶金质量40
2.4.1钢的缺陷40
2.4.2齿轮钢的晶粒度45
2.4.3齿轮钢的淬透性48
2.5提高钢的冶金质量56
2.5.1钢的冶炼56
2.5.2钢的锻造58
2.6齿轮钢的选用要点64
2.6.1力学性能64
2.6.2工艺性能64
2.6.3经济性66
第3章齿轮的调质67
3.1调质组织67
3.1.1调质组织对力学性能的影响68
3.1.2调质组织和硬度对工艺性能的
影响70
3.2调质钢的淬火冷却74
3.2.1钢的淬火临界冷却速度74
3.2.2预冷淬火工艺75
3.3调质齿轮淬火硬度的确定78
3.4发挥调质钢的强度潜力80
3.4.1中、低碳结构钢81
3.4.2中、低碳合金钢81
第4章齿轮的感应淬火83
4.1感应淬火齿轮的工业应用83
4.2感应淬火齿轮的疲劳强度84
4.2.1硬化层分布形式与疲劳强度84
4.2.2硬化层深度与疲劳强度88
4.2.3表面硬度、表层组织与疲劳
强度93
4.2.4残余应力与疲劳强度95
4.3齿轮感应淬火工艺95
4.3.1硬化层分布形式95
4.3.2硬化层深度105
4.3.3硬化层组织和硬度109
4.3.4感应淬火的残余应力121
第5章齿轮的渗氮129
5.1渗氮齿轮的疲劳强度130
5.1.1渗氮齿轮的弯曲疲劳强度130
5.1.2渗氮齿轮的接触疲劳强度132
5.1.3影响渗氮齿轮疲劳强度的因素133
5.2提高渗氮齿轮疲劳强度的工艺141
5.2.1增加硬化层深度142
5.2.2提高心部硬度152
5.2.3减小渗氮层脆性154
5.3渗氮齿轮的工业应用163
5.3.1渗氮齿轮的技术要求163
5.3.2齿轮渗氮替代渗碳的条件166
5.3.3渗氮齿轮的应用现状166
第6章齿轮的渗碳淬火169
6.1渗碳齿轮的接触疲劳强度169
6.1.1齿轮接触疲劳强度的力学基础169
6.1.2齿轮的接触疲劳破坏172
6.1.3影响接触疲劳强度的因素177
6.2渗碳齿轮的弯曲疲劳强度201
6.2.1齿轮弯曲疲劳强度的计算201
6.2.2影响弯曲疲劳强度的因素202
6.3齿轮的渗碳淬火工艺231
6.3.1齿轮渗碳淬火的工艺因素232
6.3.2齿轮的渗碳工艺和淬火工艺273
第7章特定工况齿轮的强度287
7.1齿轮的摩擦磨损287
7.1.1磨损阶段287
7.1.2磨损类型及特点288
7.1.3提高齿轮的耐磨性293
7.2齿轮的持久寿命309
7.2.1疲劳损坏的微观过程310
7.2.2疲劳裂纹的萌生311
7.2.3疲劳裂纹的扩展315
7.3渗碳齿轮的抗冲击过载强度331
7.3.1一次冲击载荷下渗碳试样的
破断抗力331
7.3.2多次冲击载荷下渗碳试样的
破断抗力335
7.3.3渗碳层的强韧性341
7.3.4提高冲击韧度的工程实践349
7.3.5抗冲击过载能力测试方法的
探讨352
第8章齿轮热处理缺陷及变形356
8.1齿轮热处理淬火开裂356
8.1.1均质材料整体淬火开裂356
8.1.2感应淬火齿轮的淬火开裂365
8.1.3渗碳淬火齿轮的淬火开裂375
8.2齿轮的磨削裂纹385
8.2.1磨削齿面特征385
8.2.2磨削裂纹产生的原因385
8.2.3影响齿面磨削裂纹的因素390
8.2.4减少和防止磨削裂纹的工艺
措施397
8.3渗碳齿轮的内氧化400
8.3.1内氧化的形成机制401
8.3.2内氧化对齿轮疲劳强度的影响402
8.3.3齿轮渗碳工艺中的内氧化406
8.3.4减少内氧化的途径410
8.3.5齿轮碳氮共渗中的黑色组织416
8.4渗碳和碳氮共渗齿轮的氢脆424
8.4.1渗碳和碳氮共渗工艺中的氢脆424
8.4.2氢对力学性能的影响430
8.4.3防止氢脆的工艺措施432
8.5渗氮齿轮的表面组织缺陷436
8.5.1化合物层的疏松436
8.5.2渗氮层的脉状组织439
8.6渗碳淬火齿轮的热处理变形441
8.6.1热处理变形与内应力441
8.6.2影响齿轮热处理变形的因素442
8.6.3减小齿轮热处理变形的措施450
参考文献469

齿轮是一种主要用来传递动力的零件，要求具有足够的强度性能。长期以来，齿轮的强度设计都是以硬度为准则，即强度由硬度确定。然而，大量的试验和应用实践表明，当硬度提高到一定程度，如超过50HRC，弯曲疲劳强度不会增加，再提高硬度，弯曲疲劳强度反而会下降；硬度到60HRC以上，其接触疲劳强度也一样会下降；即使在同一硬度水平，其疲劳强度也不相同，如渗碳淬火齿轮在58～62HRC范围内，相同硬度齿轮的弯曲疲劳强度高低差约为200MPa，接触疲劳强度高低差可达350MPa。理论和试验指出，这种差别是由热处理多种工艺因素不同而引起的。
由此表明，齿轮的疲劳强度并非受单一的因素影响，因为热处理工艺包括各种物理冶金因素，如钢的纯净度、淬透性、晶粒度、表面强度、心部硬度、硬化层深度、金相组织、残余应力等，研究齿轮的疲劳强度就应当研究各种热处理冶金因素对疲劳强度的影响。
本书编写正是从这一基点出发，将各种热处理物理冶金因素与齿轮的疲劳强度紧密结合进行力学和冶金学的分析，得到相互间的内在关联，从而为提高齿轮强度设计和热处理工艺控制水平提供一定的理论基础。本书编写安排了以下8章内容：
第1章齿轮强度设计和材料热处理。齿轮强度国际标准中的“强度与材料质量”是世界各国齿轮试验研究和应用的总结，从宏观上建立了齿轮疲劳强度与热处理质量之间的关系，而且给出了半定量的计算公式，本书将以此作为编写的开篇纲领。
第2章齿轮钢及其应用。齿轮钢的冶金质量是齿轮强度和热处理工艺的基本保证，本章针对齿轮的特点，对钢材的冶金质量重点进行了宏观和微观缺陷、纯净度、淬透性、晶粒度及锻件质量的分析，同时按齿轮的应用工况及热处理工艺特点对齿轮用钢进行了分类，并提出了选材的原则和方法。齿轮的热处理主要包括调质整体强化、感应淬火、渗氮和渗碳淬火四大热处理工艺。
第3章齿轮的调质。调质既可作为最终强化，还可作为感应淬火和渗氮齿轮的预备热处理，本章重点对调质韧性在强度中的重要作用，以及提高韧性的工艺措施进行了论述。
第4章齿轮的感应淬火。齿轮感应淬火在工艺上有很多优点，特别在绿色制造技术中具有独特的优势，但在齿轮应用中尚存在一些强度问题。本章着重对感应淬火齿轮的硬化层特性及热处理应力与疲劳强度的关系进行了比较深入的分析，并提出了提高感应淬火齿轮疲劳强度的工艺措施。
第5章齿轮的渗氮。渗氮齿轮因具有变形小、表面耐磨、耐蚀的特点而得到了广泛的应用，但在齿轮的工程应用中还受到一定的限制。本章从工艺和力学的角度分析了渗氮层浅、基体硬度低及表层化合物脆性高是影响齿轮承载能力的主要原因，相应提出了克服这些问题的工艺方法。
第6章齿轮的渗碳淬火。渗碳淬火齿轮具有良好的综合强度性能，在齿轮的应用中占有主导地位，但由于渗碳淬火工艺的复杂性，其影响因素也就比较多，因此本章从疲劳强度和渗碳淬火工艺两方面分别进行论述。在疲劳强度方面，着重对渗碳层碳含量与马氏体组织强韧性关系，以及碳化物的形态、残留奥氏体的界限含量与疲劳强度的关系进行了分析；同时，还对有效硬化层深度和心部硬度影响疲劳强度的机制进行了论述。在工艺方面，以强度为目标，讨论了获得强韧马氏体、细小碳化物及合适残留奥氏体含量的渗碳淬火工艺方法，并对渗碳层的淬透性和淬硬性进行了深入的讨论。
第7章特定工况齿轮的强度。在工程应用中，齿轮并不都是常规受力状态的疲劳失效。有的齿轮，难于形成油膜，因而磨损严重；有的齿轮，由于发热破坏油膜造成胶合磨损，这类齿轮的耐磨性就成为关键；另一些齿轮，在过载或者冲击载荷下工作，因此要求具有高的韧塑性；还有一些齿轮，要求运行寿命远超常规疲劳极限107周次，这就要求具有高的断裂韧性。本章分别对材料的耐磨性、宏观韧性和微观断裂韧性进行了力学和冶金学分析，并提出了改善和提高钢材强韧性的工艺措施。
第8章齿轮热处理缺陷及变形。常见的齿轮热处理缺陷有淬火开裂、磨削裂纹、内氧化、氢脆和脆性氮化物，这些缺陷严重影响热处理质量，进而影响齿轮的强度。本章分析了缺陷产生的原因和机制，并在此基础上提出了减少和克服缺陷产生的工艺方法。齿轮的渗碳淬火变形是齿轮生产中的最大技术难题之一。齿轮热处理变形不应该被认为是缺陷，但如果齿轮的热处理变形控制不好而超差就会产生废品。另外，热处理变形还与磨削相关，在变形过大的情况下，磨削时常常会引起偏磨及磨削烧伤和磨削裂纹，这些也有可能造成废品，即使尚未造成齿轮报废，也会影响到齿轮的疲劳强度，因此研究热处理变形的原因、影响因素及减小变形的工艺方法就十分重要。
通过以上内容的安排表明，本书不是作为手册推荐齿轮热处理工艺规范和参数，这类优秀技术图书已有很多；本书偏重于提供与齿轮强度相关的热处理工艺理论依据，但又与教科书不同，而是紧密结合生产应用的。
本书的编写得益于郑州机械研究所有限公司设有齿轮和热处理专业，是齿轮行业归口单位，经常组织齿轮强度和热处理方面的学术交流，使作者与齿轮企业、科研单位和大专院校的科研技术人员有较多的接触，学到了不少知识；再者，郑州机械研究所有限公司又是齿轮标准委员会秘书处所在地，使作者有更多机会参与相关标准的制定和讨论，特别是在ISO 6336.5：2016的修订中更是受益匪浅。正是以上这些条件提供了作者编写此书的技术基础。
在本书编写过程中，得到了郑州机械研究所有限公司领导和同事的大力支持，卢金生教授、陈声超博士等在图稿和文献资料整理方面做了大量工作；河北科技大学胡建文教授对书稿的正文和表格做了多次订正，付出了相当多的时间和精力；上海交通大学陈乃录教授一直都在关心本书的编写工作，并协助查找参考资料，还对本书的出版发行提供了帮助；《机械传动》编辑部的职彦锋主编和乔桂朋编辑在书稿编排方面做了很多工作。在此，向他们表示诚挚的敬意和感谢！最后还要向鼎力支持本书出版的昆山精工机械股份有限公司，特别是陈晓虎总经理表示衷心的感谢！

陈国民