机械制造结构钢

1,Chapter 3 机械制造结构钢 第二部分,2,3.6 马氏体时效钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3,一、合金化原理 马氏体时效钢的高强度来源于合金元素的固溶强化、马氏体相变的冷作硬化和时效析出金属间化合物的沉淀强化。 由于马氏体时效钢的强化效应是由于置换元素在马氏体中固溶及沉淀析出所造成的，且这些置换元素大都是铁素体形成元素，因此要能够得到马氏体基体，必须加入扩大A相区的元素。,3.6 马氏体时效钢,Chapter 3 机械制造结构钢,4,二、 合金化元素 1 主加元素Ni Ni的加入可以保证马氏体的形成，从而增加基体的强度，并降低其它合金元素在基体中的溶解度； Ni的加入能降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂倾向； Ni的加入还有利于马氏体中的沉淀相的均匀形核与成长，这种均匀沉淀将促进良好的塑性变形特性和高的延性。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,5,2 加入一定量的钴Co 降低残余奥氏体含量：随着镍含量的增加，MS点也会下降，因此要控制镍的加入量；加入钴Co能升高MS点； 增加钢中扩大A相区的能力，降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进板条马氏体的形成。 这种无碳板条马氏体的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供了大量潜在的形核位置和保证了较高的扩散速率，从而保证时效过程中获得细小的沉淀物。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,6,3 加入合金元素钛、铝、钼、铌等，以形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相。 马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性。其原因在于板条马氏体中具有大量数目的可动位错，组织中可动位错的利用率的增加不仅改善塑性，而且使解理缩小到最低限度。 马氏体时效钢的板条马氏体的强度并不高，但配合金属间化合物沉淀强化后可获得最佳的强韧性。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,7,4 加入合金元素钼和钴产生协同效应：加合金元素钼和钴在形成沉淀强化的同时，还会形成一些附加的效应。如钼和钴的复合加入，使沉淀强化效应进一步加强协同效应。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,8,产生协同效应的原因： 钴减小含钼强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出； 钼还可以降低马氏体时效钢的回火脆性。 钛除了形成沉淀相以外，还会与残余碳或氮形成钛的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在奥氏体晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。 铝对马氏体也有一定的强化效应，然而它损害时效前后的延性。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,9,5 严格控制冶炼过程中钢中杂质元素含量 碳固溶于马氏体中的碳会形成气团，钉扎位错，降低马氏体的塑性；碳与钼、钛、铌能形成稳定的碳化物，在晶界上析出时使钢的韧性降低，缺口敏感性增加，同时还减少其有效含量，使强化效应减少。 氮在钢中形成TiN和NbN，会作为裂纹源。 少量硅和锰有强化作用，但对韧性有害。 硫形成硫化物，降低钢的横向性能。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,10,三、 马氏体时效钢的热处理 1 相变滞后 这类钢在冷却过程中冷却到260 320左右时发生马氏体相变，形成马氏体组织，但把形成的马氏体组织再加热时，则必须加热到520左右时，马氏体才分解，也正由于这类马氏体组织加热到一定的温度范围仍保持不变，从而保证了时效强化得以进行。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,11,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,12,2 马氏体时效钢的典型热处理工艺 815固溶处理，随后空冷至室温，合金冷却时转变为马氏体。由于合金中Ni含量很高以及几乎不存在C，钢的淬透性极高，因而常常在空气中冷却。固溶处理后其硬度在3035 HRC之间，很容易进行进一步的机械加工。 马氏体时效钢的硬化是通过480时效36h来完成的。由于时效过程中形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相仅引起很小的尺寸变化，因而它可以作为产品的最终热处理。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,13,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,14,3 马氏体时效钢的的特点及应用 在高强度水平下还具有优越的韧性； 比许多常用合金结构钢有较好的氢脆和应力腐蚀抗力； 在固溶处理和时效以后均可进行焊接而不需要预热。 这类钢的高合金度和生产工艺极其严格，使得钢的生产成本很高。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,15,应用于航空、航天的重要构件：如大型火箭发动机壳体、空间运载工具的扭力棒悬挂体、火箭发动机零件、直升飞机的柔性转动轴、飞机起落架部件、旋转机翼式飞机的铰链结合部件、水翼艇及潜艇的零部件。也用于制造高压容器、螺栓、紧固件和机枪弹簧、枪管、喷油泵零件、低温服役零件及机加工工具的指度盘等。 几种典型的马氏体时效型超高强度结构钢的牌号、化学成分、热处理工艺及室温力学性能如表3-10。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,16,表3-10 几种高合金超低碳马氏体时效型超高强度结构钢的牌号、化学成分、热处理工艺及室温力学性能,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6 马氏体时效钢,17,3.7 特殊用途钢,低温用钢（耐寒钢）,易削钢（自动机钢）,无磁钢,钢轨钢,特殊用途的结构钢,抗氢钢,大锻件用钢,耐磨钢,Chapter 3 机械制造结构钢,18,一、高锰钢 高锰钢是指含10%14%Mn和0.9%1.4%C的合金钢。 铸态组织：奥氏体+网状碳化物。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,Fe-Mn-C三元相图中13%Mn的垂直截面,19,淬火组织：固溶处理后可以得到单相奥氏体组织，这种奥氏体组织软且有很高的韧性，并具有低的屈服强度。 硬度180HB220HB，冲击韧性大于150J/cm2， 0.2=250MPa400MPa，b=800MPa1000MPa， 5=35%55%，=40%50%，KU=180J/cm2。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,20,1 高锰钢的性能特点及冷作硬化的本质 性能特点：这种组织的钢在受到冲击载荷及高压力的作用下，其表面层将迅速产生加工硬化，从而产生高耐磨的表面层，而内层仍然保持优良的冲击韧性，因此即使零件磨损到很薄，仍能承受较大的冲击载荷而不破裂。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,21,冷作硬化的本质：是通过大量形变在奥氏体基体中产生大量层错、形变孪晶、-马氏体和-马氏体，成为位错运动的障碍。经强烈冲击后，钢的表面硬度极大地提高到500HB左右，而心部仍保持韧性的奥氏体，所以能承受强有力的冲击载荷而不破裂。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,22,2 高锰钢的成分特点 高锰钢中碳含量自1.0%增至1.5%时，表面硬化后的硬度增加，耐磨性可提高23倍，强度亦提高，但冲击韧性下降，增加开裂倾向，故碳含量以1.15%1.25%范围为最合适。 锰可以扩大相区，增加奥氏体的稳定性。通常Mn/C的比值应为911，以保证获得奥氏体的组织。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,23,Mn/C比值的确定： 对于耐磨性要求较高、冲击韧性要求略低、形状不太复杂或薄壁的零件，碳含量可选1.2%1.3%，锰含量为11%14%，Mn/C比取低限； 对于冲击韧性要求较高、耐磨性要求略低、形状复杂或厚壁的零件，碳含量可选0.9%1.1%，锰10%13%，Mn/C比可取高限。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,24,高锰钢中加入2.0%4.0%Cr或适量的Mo和V，能形成细小的碳化物，提高屈服强度、冲击韧性和抗磨性。 加入稀土金属元素：可以进一步提高钢液的流动性，增加钢液充填铸型的能力，减少热裂倾向，显著细化奥氏体晶粒，延缓铸后冷却时在晶界上析出碳化物；稀土元素还能显著提高高锰钢的冷作硬化效应及韧性，提高使用寿命。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,25,3 高锰钢的热处理 通常将钢加热到单相奥氏体相区的温度范围保温，使网状碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得单相奥氏体组织。这种固溶处理又称水韧处理。 水韧处理后的高锰钢受到冲击载荷后，表面会产生加工硬化，而内部仍是高塑性的奥氏体。因此它兼有高硬度、高耐磨性及高的塑性。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,26,3.7 特殊用途钢,需要注意的是，如果从高温慢冷，或者在400800温度区间等温保温，那么将会使奥氏体发生+K（碳化物）反应，得不到所要求的组织状态。 常用的高锰钢牌号、化学成分及经水冷处理后的力学性能如表3-11。,Chapter 3 机械制造结构钢,27,Chapter 3 机械制造结构钢,3.7 特殊用途钢,28,用于制造要求耐磨及耐冲击的一些零件。如用于制造挖掘机的铲斗、碎石机的颚板、衬板等。高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克等的履带板、主动轮和履带支承滚轮等。 在碎石机械中用高锰钢做颚板材料时，它的耐磨性特别好。当颚板受到冲击应力时，表面层的硬度迅速提高，即使在表面层磨损以后，新暴露出的表面又会呈现同样高的硬度，一直可以使用到尺寸报废。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,29,在铁路交通运输工业中，高锰钢用于铁道上的辙岔、辙尖、转辙器及小半径转弯处的轨条等。用高锰钢制造这些零件时，不仅由于它具有良好的耐磨性，而且由于材质坚韧，不易突然断裂。由于高锰钢是非磁性的，也可以用于既耐磨又抗磁化的零件，如吸料器的电磁铁罩。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,30,二、易削钢 背景: 切削加工性是钢的重要工艺性能之一。自动机床的广泛应用，对高强度钢的切削加工性能提出了新的要求，即要求提高切削加工速度，提高机械加工的生产率，延长刀具寿命，降低成本，为此发展了易切削钢（这类钢也称为自动机钢）。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,31,金属材料的切削加工性不仅和材料中的非金属夹杂物或金属间化合物的数量、形态、性能、分布等有关，而且还受材料的硬度和组织状态影响。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,32,一、合金化1 合金化的目的 改变和固溶体的性能； 改变非金属夹杂物的组成、性能并起变质作用（如S、Se、Te等）； 形成不溶于固溶体基体的金属夹杂。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,33,2 合金元素易切削钢中常加入的合金元素是S、P、Se、Te、Pb、Ca等。 形成MnS、MnTe、PbTe、CaS、-CaOSiO2、2CaOAl2O3SiO2等，或Pb的金属夹杂物。 热轧时，夹杂物沿轧向伸长，呈条状或纺锤状，破坏钢的连续性，减少切削时对刀具的磨损。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,34,值得指出的是，在含硫易切削钢中，Mn/S比一般控制在2.54.5之间，过高的Mn/S比使MnS夹杂长宽比增高，对性能不利。 强调切削性高于力学性能的低碳易切削钢，硫的质量分数通常为0.24%0.33%； 要求冷镦或焊接的低碳易切削钢，硫的质量分数必须控制在0.04%0.13%的范围内； 中碳易切削钢中的硫，不应超过0.18%。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,35,二、易切削钢牌号 在钢号前加“Y”，代表“易切削钢”（汉语拼音“易”的第一个字母）。Y后面的阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）。 加S和加P的易切削钢的牌号在符号Y和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。 较高Mn含量的加S和加P的易切削钢的牌号在符号Y和阿拉伯数字后加Mn元素符号。 对含Ca、Pb等易切削元素的易切削钢，在符号Y和阿拉伯数字后加易切削元素符号。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,36,表3-12列出了若干易切削钢的牌号、化学成分及以热轧状态交货的条钢或盘条的力学性能。 钢的切削加工能还和材料的硬度和组织状态有关。 例如粗晶粒钢的切削性较好；片状珠光体的切削加工性要好于粒状珠光体；以热轧状态交货的易切削钢的切削加工性要好于以冷拉状态交货的易切削钢。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,37,Chapter 3 机械制造结构钢,3.7 特殊用途钢,38,三、大锻件用钢 背景： 航空、航天、国防、电力、造船及重型机械等工业的发展要求制造大型零件。如电站设备中的转子、大马力柴油机曲轴、轧钢机的冷热轧辊等，这些重要的大截面零件通常要求用大锻件生产。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,39,一、工艺特点 由于大锻件的锻造加工变形不均匀，通常不能一次锻成，而需要多次加热、锻造。 大锻件一般只能采取缓慢的回火冷却速度，以减少残余应力。因此对大锻件用钢必须注意组织的均匀性、晶粒的细化等问题。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,40,二、大锻件用钢类型 1 大锻件优质碳素结构钢 一般大锻件都可以使用优质碳素结构钢。对于要求综合机械性能的大锻件用钢，其碳含量不易过高，因为碳的增加会降低锻件的塑性和韧性，增加脆断倾向，而且偏析较大，故一般碳含量均在0.2%0.4%的范围内。 对于要求耐磨的零件可以适当提高碳含量，例如热轧辊、耐磨齿轮等。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,41,2 大锻件合金结构钢 要求性能高的大锻件可以采用合金结构钢，如34CrNiMo、34CrNi3Mo、 20MnMoNb、42MnMoV、50SiMnMoV等钢种。 42MnMoV可用在300mm500mm截面范围内代替40CrNi、42CrMo等钢制造齿轮或齿轮轴； 50SiMnMoV是一种大截面中碳贝氏体型钢，用于制造500mm900mm截面轧钢机齿轮轴，以代替34CrNi3Mo钢。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,42,对于大型发电机转子和汽轮机低压转子要求采用Ni-Cr-Mo-V等淬透性较高的钢种； 对于中、高压汽轮机转子，一般采用Cr-Mo或Cr-Mo-V钢种。 表3-13 部分大锻件用钢的化学成分。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,43,Chapter 3 机械制造结构钢,3.7 特殊用途钢,44,三、大锻件用钢的热处理 1 预先热处理（1）目的 一方面可以防止钢中产生白点，特别是碱性平炉冶炼的大锻件用钢。 对白点敏感的低碳钢（含碳量小于0.3%，含锰量小于0.3%）和对白点敏感性较小的中碳钢，在锻后空冷或坑冷（500600装入缓冷坑）便可防止白点发生。 对截面较大的碳钢和对白点敏感的合金钢锻件，锻后则必须进行专门的热处理。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,45,另一方面还可以提高化学成分的均匀性，细化与调整锻件在锻造过程中所形成的粗大的不均匀组织，消除锻造应力，降低硬度，为切削加工和最终热处理作组织准备。,3.6 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,46,（2）预先热处理工艺 调整和细化大锻件晶粒的热处理通常用多次正火。 第一次正火采用较高的加热温度（通常加热到AC3以上100150），通过奥氏体的再结晶可以打破钢中存在的重结晶后的新旧相之间的织构关系而消除原始粗大组织； 第二次正火选用不致引起晶粒显著长大的温度。对于真空处理的钢液，由于其氢含量已经较低，因此细化晶粒以改善锻件最终热处理后的组织与性能成为锻后热处理主要考虑的因素。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,47,2 最终热处理（1）目的保证使用性能。 对于多数碳钢和一些低合金钢，锻后热处理能够获得一般技术条件所要求的力学性能，可以作为最终热处理。 对于大多数大锻件用钢，为了获得所要求的组织和性能，必须采用最终热处理。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,48,（2）最终热处理工艺 通常采用淬火或正火及随后高温回火的热处理工艺。 加热温度：为使大锻件负偏析区达到淬火或正火温度，以适应有偏析引起的各部位不同的转变特性，因此大锻件用钢的淬火或正火温度与小件相比一般取上限温度。对于碳偏析比较严重的大型锻件，可根据上、下端不同的含碳量，采用不同的淬火或正火加热温度。,3.7 特殊用途钢,Chapter 3 机械制造结构钢,49,淬火或正火的加热速度： 因为大锻件的截面大，加热速度过大，锻件的内外温差大，热应力和组织应力也比较大，