《机械结构钢》PPT课件.ppt

概述结构钢的强度与脆性整体强化态钢表面强化态钢其他机械制造结构钢 第3章机械制造结构钢 用途制造各种机械零件 如汽车 拖拉机 机床 矿山机械 冶金机械 电站设备等机器上的轴 齿轮 连杆 弹簧 紧固件等 成分C 0 08 0 65 Me Mn Si Cr Ni Mo W V Nb Ti Al B等 通常合金元素含量不超过5 少数钢在5 10 质量一般为优质钢 少数为高级优质钢 按用途分类渗碳钢 低碳马氏体钢 调质钢 氮化钢 弹簧钢 易切削钢等 3 1概述 按热处理状态来分 2 在整体淬火回火状态下使用的钢种 弹簧钢 在淬火中温回火状态下使用 滚动轴承钢 在淬火低温状态下使用 超高强度钢 包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏体型钢 二次硬化型超高强度钢和马氏体时效钢 调质钢 在淬火高温回火状态下使用 1 一般供应或正火状态下使用的钢种 3 1概述 4 高频淬火用钢 高 中频淬火后低温回火使用 3 在化学热处理后使用的钢种 3 1概述 3 1概述 机器零件用钢的服役条件 1 承受拉伸 压缩 扭转 剪切 弯曲 冲击 疲劳 摩擦等力的作用 或者是多种载荷的交互作用 服役环境是大气 水和润滑油 温度在 50 100 范围之间 2 机器零件要求结构紧凑 运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等 因此机器零件用钢在性能上的要求与工程构件用钢有所不同 3 1概述 机器零件用钢对力学性能要求 1 要求一定的强度和韧性 以保证机器零件体积小 结构紧凑及安全性好 2 要求有良好的疲劳性能与耐磨性等 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力 3 1概述 机器零件对工艺性能的要求 主要是便于制造加工 通常机器零件的制造工艺流程为 型材 改锻 预先热处理 粗加工 最终热处理 精加工其中以切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要工艺性能 对钢材的其它工艺性能 如冶炼性能 浇注性能 可锻性能等 也有要求 但一般问题不大 机器零件用钢通常以力学性能为主 工艺性能为辅 3 1概述 机器零件用钢合金化特点 主加元素 Cr Mn Si Ni 主要作用 淬透性和力学性能 辅加元素 Mo W V等 过热敏感性 回火脆性 淬透性 最佳范围 结构钢常用范围 1 2 Si 2 Mn 1 2 Cr 1 4 Ni 0 5 Mo 0 2 V 0 1 Ti 0 4 0 8 W 单独加入或复合加入 有的元素增多后 会降低材料塑韧性 如低碳构件钢中的Si Mn含量 有些元素增多 会恶化K的分布 如轴承钢中的Cr 有的元素含量过多 会改变K类型 增加热处理过程的难度 如V Mo含量 合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的 3 1概述 3 1概述 零件材料和工艺选择途径 低碳马氏体型结构钢 采用淬火 低温回火 为提高耐磨性 可进行渗碳处理 汽车 拖拉机齿轮类为代表 回火索氏体型 选用中碳钢 采用淬火 高温回火 为了提高耐磨性 可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法 轴类零件为典型 1 对于要求良好综合力学性能 零件选材的途径为 3 1概述 2 如要求更高的强度 则适当牺牲塑韧性 可选择中碳钢 采用低温回火工艺 如低合金中碳马氏体钢 农用机械应用较多 3 如要求高的弹性极限和屈服强度 又要有较高的塑性和韧度 则选择中高碳钢 进行中温回火 如弹簧钢 4 零件要求高强度 高硬度 高接触疲劳性和一定的塑性和韧度 可用高碳钢 淬火 低温回火 如轴承钢 3 2结构钢的强度与脆性 一 结构钢的强化 1 位错强化在再结晶温度以下 随着形变量增大 在晶体内产生均匀分布的高密度位错或不均匀分布的胞状结构 即位错密度低的区域被高密度位错墙所分割 位错密度升高 硬度上升 塑性和韧性下降 0 Gb 1 2 金属的流变应力 0 退火金属的流变应力 系数 0 5 G 切变模量 b 柏氏矢量 位错密度途径 冷形变 相变过程中的切变 3 2结构钢的强度与脆性 2 细晶强化 s 0 kyd 1 2d 淬火前奥氏体晶粒尺寸 淬火回火钢 措施 未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大 多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒 3 固溶强化 1 利用碳的固溶强化 具有多型性转变是进行淬火的必要条件 1 C 可使 s增高550MPa 但C在 Fe中溶解度0 025 2 利用合金元素的固溶强化 利用Mn Si Cr Ni等在 相中的固溶强化 1 Mo 在 Fe中溶解度30 但其提高 s的强化系数只有11MPa 3 2结构钢的强度与脆性 4 沉淀强化将多量的合金元素溶入 铁中 形成过饱和固溶体 然后通过时效或回火处理 使过饱和原子析出新相 产生强化作用 合金钢 析出碳化物 马氏体时效钢 析出金属间化合物 Ni3Ti Ni3Mo Fe2Mo等 5 马氏体强化来源于 固溶强化 沉淀强化 相变冷作硬化 前两项合计占85 90 析出物的数量 析出物本身特性 析出物尺寸和弥散度 影响因素 3 2结构钢的强度与脆性 二 结构钢的脆性断裂零件的损坏主要分为变形和断裂 韧性断裂 经过大量的塑性变形后的断裂 脆性断裂 没有发生较大量的塑性变形或仅仅发生少量塑性变形的断裂 分类 3 2结构钢的强度与脆性 1 脆性断裂 金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标 1 来自强化 s 使塑性变形能力下降 脆断倾向增加 2 来自脆化 生产 加工过程中产生了缺陷 s不增加 而 f下降 s f 垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到屈服强度 就会发生塑性变形 s f 垂直于力作用方向的平面上产生的应力达到断裂强度 就会发生脆性断裂 3 2结构钢的强度与脆性 2 温度对脆性断裂的影响T Tk s f 脆性断裂 3 韧 脆转变温度Tk的测量 1 低强度钢 中强度钢 有明显脆性转变温度 常用冲击试验法来测量 必须避免在脆转温度以下使用 2 高强度钢没有明显的韧 脆转变温度 室温下冲击功也很低 被认为是半脆性材料 必须用其它性能指标来衡量抗脆断能力 3 2结构钢的强度与脆性 4 断裂韧性kICkIC 金属材料抵抗材料中裂纹突然扩展的能力 是高强度钢结构设计的依据 在高强度钢中存在有微小的裂纹 当裂纹尺寸增大到一定尺寸时 裂纹突然扩展 零件发生脆断 a 裂纹突然扩展时裂纹的尺寸之半 对一定组织 结构的材料来说 kIC为定值 是其内部组织的特征性能 随着钢的屈服强度的增高 其冲击韧性和断裂韧性不断下降 3 2结构钢的强度与脆性 5 表面缺陷的敏感性金属材料和内部总是存在着或大或小的裂纹 尺寸小于检验方法灵敏度的裂纹则潜伏在工件内部而未被检测出来 它们在设计应力下不致使工件马上发生突然断裂 但是在长时间的无数次周期变化的应力作用下 将逐渐扩大 当扩大到一定尺寸后 所余下来界面不能负担所加的外力 工件就会发生韧性断裂或脆性断裂 所以疲劳断裂是引起机械零件破坏的最常见的方式 低 中强度钢 钢的强度上升 缺口强度也上升 高强度钢 钢的强度上升 缺口强度反而下降 3 3整体强化态钢 整体强化态钢均承受拉 压 扭等交变应力 大部分是整体受力 其主要失效形式是疲劳破坏 主要性能指标 1 Rb Ak KIC等 总体上要求良好的综合力学性能 基本情况 主要制造轴 杆 轴承类等机器零件 如连杆 螺栓 主轴 半轴等 这类钢主要有调质钢 弹簧钢 低碳马氏体钢 超高强度钢等 主要应用 3 3整体强化态钢 一 调质钢 淬透性原则 淬透性相近的同类调质钢 可互相代用 屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化 0 25 0 45 C的合金钢经调质后室温性能变化 一 调质钢的用途与性能要求1 用途常采用淬火 高温回火工艺 制造要求较高综合机械性能的齿轮 轴 拉杆等零件 在机械零件中用量最大 实际上 还可采用正火 等温淬火 低温回火等工艺手段 结构钢抗拉强度与硬度的关系 结构钢是否淬透对屈强比的影响 3 3整体强化态钢 3 3整体强化态钢 2 性能要求 1 良好的综合机械性能 H HF S HF 铁素体基体的硬度 铁素体的晶粒大小 合金元素的固溶强化 碳化物的强化系数 S 碳化物颗粒总表面积 碳化物的分散度越大 碳化物的颗粒越细 其总表面积就越大 弥散强化作用越大 H 钢高温回火后的硬度 3 3整体强化态钢 2 足够的淬透性单向均匀拉 压 剪切 心部 90 马氏体 弯扭 离轴的表面1 4 1 2R 半径 处 90 马氏体 曲轴 离表面1 4R处 50 马氏体 3 防止高温回火脆性 3 3整体强化态钢 二 调质钢的合金化1 调质钢的化学成分特点 0 25 0 45 钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高的强度 碳含量过低时 淬硬性不够 碳含量过高则韧性下降 中碳 提高淬透性 Cr Mo W V等 阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大 保持钢的高硬度 Mn 会增大过热敏感性 Cr有回火脆性倾向 Mo V 细化晶粒 Mo 降低回火脆性 V 降低过热敏感性 Cr Mn Mo V Si Ni B等 3 3整体强化态钢 调质处理是淬火后进行高温回火 回火温度又正好处于第二类回火脆性的温度范围 高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性 合金调质钢一般用于制造大截面零件 用快速冷却难以抑制这类回火脆性 因此通常在这类钢中加入Mo W来防止回火脆性 抑制回火脆性元素 3 3整体强化态钢 在机械制造工业中 调质钢是按淬透性高低来分级的 Dc为油淬临界直径 低淬透性合金钢 Dc 30 40mm 有40Cr 40Mn2 42SiMn 35CrMo 42Mn2V等 中淬透性合金钢 Dc 40 60mm 有40CrNi 42CrMo 40CrMn 30CrMnSi等 高淬透性合金钢 Dc 60 100mm 有37CrNi3 40CrNiMo 40CrMnMo等 不同合金化对钢淬透性的影响 DC为油淬临界直径 3 3整体强化态钢 3 3整体强化态钢 二 微合金非调质钢 非调质钢是不进行调质处理而通过锻造时控制终锻温度及锻后的冷却速度即可获得具有高强韧性的钢材 如YF45V钢 一 微合金元素对强韧化的贡献非调质钢组织 主要是F P 弥散析出K 主要强化作用 细化组织和相间沉淀 微合金化元素 Ti Nb V N等元素 V的主要贡献是沉淀强化 多元适量 复合加入 Nb V N和Ti V等 主要贡献是细化组织 3 3整体强化态钢 二 非调质钢强韧化工艺利用控轧 锻 控冷技术来提高钢的强韧性能 1 控制轧 锻 形变温度和形变量既能影响再结晶温度和奥氏体晶粒大小 又影响形变诱发析出的程度 适当开展较低的终轧 锻 温度 可有效地产生形变诱发析出的弥散质点 同时 再结晶驱动力小 晶粒可进一步细化 形变产生的应力破坏了原有的热平衡 使奥氏体中C和Me的平衡含量下降 同时由于产生了大量的位错等缺陷 提供了碳化物脱溶析出的场所 诱发了碳化物的析出 而细小弥散的第二相质点可阻碍再结晶的进行 3 3整体强化态钢 2 控制冷却加工后快冷 特别是在800 500 之间快冷能细化晶粒组织 阻止析出物长大 进一步提高强度和韧度 但过快的冷却又会使相间析出不能充分进行 不能获得好的强化效果 所以一般冷速控制在 150 min 3 3整体强化态钢 三 低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢1 低碳贝氏体型非调质钢 如VMC25 可替代Cr Mo调质钢 1 适当 碳含量 2 Cr Mn含量 并适当添加Ti B 强度 同时韧度大为改善 Cr Mn B 贝氏体的淬透性 使贝氏体数量增多 3 锻后适当加快冷速 增大过冷度 提高形核率 有利于贝氏体的形成 3 3整体强化态钢 2 马氏体型非调质钢被称为第三代非调质钢 1 有足够的Nb Ti 细化组织 控制成分以确保Ms 200 2 直接从锻造温度淬火而产生自回火 得到细小均匀分布的碳化物和板条状马氏体 强韧度达到合金调质钢的水平 3 3整体强化态钢 三 弹簧钢 板簧 承受弯曲载荷 螺旋弹簧 压簧 拉簧和扭簧 主要承受扭转应力 主要失效形式为疲劳破坏 另一个常见的失效形式是弹性减退 即弹簧材料长期在动 静载荷作用下 在室温发生塑性变形和弹性模量降低的现象 一 弹簧钢的特点弹簧的主要作用是吸收冲击能量 缓和机器的振动和冲击作用 或储存能量使机件完成事先规定的动作 保证机器和仪表的正常工作 包括板簧 螺旋弹簧和其他弹性元件 3 3整体强化态钢 1 性能要求 1 高的屈服强度和弹性极限 高的屈强比 避免发生永久变形 2 高的疲劳极限 3 足够的冲击韧性和塑性 4 足够的淬透性 5 在某些环境下 还要求具有导电 导磁 耐高温和耐蚀性 2 组织经淬火 中温回火后得到回火屈氏体组织 3 3整体强化态钢 二 合金化 使弹簧具有很高的强度 碳素弹簧钢 0 60 1 05 C 合金弹簧钢 0 40 0 74 C 碳 淬透性 固溶强化铁素体 Si 弹性极限 Si 钢的回火稳定性 使其在相同的回火温度下具有高的硬度和强度 但Si含量高时 大C石墨化的倾向 且在加热时易于脱碳 Mn则易于使钢过热 Si Mn 提高淬透性 Mo W V 为碳化物形成元素 它们可以防止过热 细化晶粒 和脱碳 提高回火稳定性 Cr Mo W V B 3 3整体强化态钢 三 弹簧钢的分类及热处理 通过冷变形或热处理 使钢材具备一定性能之后 再用冷成形方法制成一定形状的弹簧 如先作冷变形的高强度钢丝 钢琴丝 硬钢丝 不锈钢丝等 冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200 400 的低温回火 由于冷成形弹簧在成形之前 钢丝已具备了一定的性能 即已处于硬化状态 所以通常只能制造小型弹簧 冷成形弹簧钢 一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧 钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能 在热成形之后 进行淬火 中温回火 以获得所要求的性能 在热成形之后于830 870 进行油冷淬火 然后再于420 520 左右进行中温回火 获得回火屈氏体 渗碳体以细小的颗粒分布在 相的基体上的组织 热成形弹簧钢 3 3整体强化态钢 弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理 使表面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度 寿命提高2 6倍 在实用中 还可以根据钢材的表面状态调整回火温度 如钢材表面质量较好 经过磨削 可选用低限回火温度 以保证高的弹性 如表面质量欠佳 则可选用上限回火温度 以提高钢的韧性 降低弹簧对表面缺陷的敏感性 此外 在成形及热处理过程中 要特别注意防止表面产生氧化脱碳及伤痕 防止疲劳裂纹源的形成 3 3整体强化态钢 四 轴承钢 1 受力状况 以单列向心滚动轴承为例 高的接触应力 滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触 接触面积极小 接触应力达到3000 5000MPa 扭转 弯曲等交变负荷 既有滚动摩擦 还有滑动摩擦 受大气和润滑剂的腐蚀作用 正常破坏形式是接触疲劳破坏 其次是磨损使精度丧失 滚动轴承的作用是支撑轴 轴承钢制造滚动轴承的内套 外套 滚动体 一 轴承钢的合金化1 滚动轴承的工作条件及性能要求 3 3整体强化态钢 2 疲劳裂纹的产生及扩展 疲劳裂纹的产生 外因 在接触表面下0 786b深度处切应力达到最大值 在高应力长时间运转下 这个区域产生剧烈的塑性变形 b 滚动体与套圈接触带的宽度 A 回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体 强度降低 比容减小 引起附加张应力 B 存在非金属夹杂和粗大碳化物 内因 3 3整体强化态钢 疲劳裂纹的扩展裂纹沿切应力方向发展 扩展方向与表面呈45 夹角 沿内部组织 成分 应力不均匀区延伸至表面 材料内部的各种缺陷 软点和夹杂物的存在是产生疲劳裂纹的主要原因 危害最大 3 性能要求 高而均匀的硬度和耐磨性 高的接触疲劳强度 高的弹性极限和一定的冲击韧性 尺寸稳定性好 保证工作时的精度 一定的抵抗大气 润滑油化学腐蚀的能力 具有良好的冷 热加工工艺性 3 3整体强化态钢 2 轴承钢的显微组织 以GCr15为例 回火马氏体基体上均匀分布着细小颗粒的碳化物 加上少量的残余奥氏体 淬火后的晶粒度在5 8级以上 回火马氏体 为板条马氏体和片状马氏体的混合型 固溶体中碳含量一般为0 5 0 6 研究表明 马氏体基体含C量为0 45 此时疲劳寿命最高 含C量低时 马氏体强度低 含C量高时 马氏体脆性大 马氏体中碳浓度均匀 可以阻止裂纹扩展 高碳区脆性大 低碳区强度低 裂纹通常沿高碳区和低碳区的交界处扩展 3 3整体强化态钢 未溶碳化物 提高耐磨性 并在淬火加热时细化奥氏体晶粒 数量为7 8 体积 均匀分布 颗粒细小 通常为0 5 0 6 m 大小匀称 残余奥氏体 少量残余奥氏体可阻碍裂纹形成和扩展 吸收应变能 减少应力集中 产生加工硬化和相变强化 残余奥氏体过多会降低硬度和耐磨性 并影响尺寸稳定性 淬火晶粒度 细化晶粒可提高机械性能 马氏体组织的细化及改善碳浓度的均匀性 提高强度和韧性 提高抗裂纹扩展能力 3 3整体强化态钢 高碳 0 95 1 15 保证马氏体的碳含量和未溶碳化物的数量 Cr 主要作用是提高淬透性 促使淬火及回火后整个截面上获得较均匀的组织 部分形成比较稳定的 Fe Cr 3C Mo Mn Si V 进一步增加淬透性 用于制造大型轴承 严格控制杂质元素 S P 和残余元素 Ni Cu 含量 GCr15的化学成分 3 3整体强化态钢 二 轴承钢的冶金质量轴承钢由非金属夹杂物和碳化物不均匀性冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65 1 非金属夹杂物 1 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响非金属夹杂物 破坏了金属的连续性 在交变应力作用下 易于引起应力集中 成为疲劳裂纹源 显著降低疲劳寿命 其影响与数量 类型 大小 形态和分布有关 需综合考虑 3 3整体强化态钢 夹杂物尺寸越大 危害也越大 20 30 m 急剧降低疲劳寿命 在相同尺寸大小情况下 夹杂物的危害大小程度顺序为 刚玉 尖晶石 点状不变形夹杂物 半塑性夹杂物 塑性硅酸盐 硫化物 夹杂物的数量越多 寿命越低 夹杂物呈细条状塑性夹杂物危害较小 棱角锋锐的脆性夹杂物危害最大分布均匀时危害小 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 3 3整体强化态钢 危害在球化退火和淬火时不能完全消除 明显增加零件的脆性 形成终轧温度过高 B 轧后冷却速度过慢 C 钢锭中原始碳化物偏析大 消除正火处理 网状碳化物 2 轴承钢的碳化物不均匀性 3 3整体强化态钢 危害A 退火后不易得到均匀的细粒状珠光体 B 淬火组织和硬度不均匀 C 机械性能呈各向异性 D 降低接触疲劳强度性 形成钢锭有枝晶偏析 在各枝晶之间富集C和Cr 富C和富Cr区沿轧制方向延伸 在冷却过程中从奥氏体中析出碳化物 形成带状碳化物 消除扩散退火 带状碳化物 3 3整体强化态钢 危害颗粒大 硬度高 脆性大 容易剥落 疲劳裂纹发源地 硬度不均匀 机械性能呈现方向性 淬火开裂 形成在成分严重偏析时 局部地区达到共晶成分 形成莱氏体 未消除的莱氏体中的共晶K在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布 消除 将Cr和C量控制在中 下限 1200 扩散退火 液析碳化物 形态共晶碳化物在热加工时被压碎 并沿轧向呈条带状分布 3 3整体强化态钢 大颗粒碳化物 正火消除网状碳化物时加热未溶解的碳化物颗粒 在正火保温和随后退火时继续长大而形成大颗粒 3 3整体强化态钢 三 轴承钢的热处理轴承钢的一般工艺路线为 锻 轧 球化退火 机械加工 淬火 回火 磨加工1 轴承钢的球化退火 目的 获得均匀细粒状珠光体组织 降低硬度 便于切削加工 为淬火作组织准备 消除加工硬化 增加塑性 便于冷拔和冲压加工 3 3整体强化态钢 合适硬度 HB205 215 加热温度 780 810 控制加热温度是控制K形态的关键温度过高 K溶解过多 奥氏体成分均匀 得到粗片状珠光体或大块聚集碳化物 温度过低 K没完全溶解和团聚 奥氏体中成分极不均匀 得到片状或细小链状碳化物 球化退火工艺 保温时间 4 6h 依具体情况而定 时间过长引起K粗化 冷却速度 冷却速度是控制碳化物弥散度的关键连续冷却 20 30 h 等温冷却 700 等温2 4h 再炉冷到650 出炉 冷速快 大量细密的碳化物 形核率大 来不及长大 冷速慢 碳化物颗粒粗大 3 3整体强化态钢 加热温度 930 950 加热 消除粗大网状碳化物 850 870 加热 返修 消除细网状碳化物 正火工艺 冷却 速度 50 min 空冷 风冷 喷雾 浸水等 2 轴承钢的正火目的 消除网状碳化物 返修退火不合格品 3 3整体强化态钢 防氧化脱C 采用真空淬火或者保护气氛加热 3 轴承钢的淬火和回火目的 提高钢的硬度 强度 耐磨性和耐疲劳性 并使之具有适当的韧性 淬火 得到隐晶马氏体基体上分布细小均匀的颗粒碳化物 7 8 和少量残余奥氏体 10 加热温度 830 860 是控制淬火质量的重要因素温度过高 K溶解过多 M粗大 AR过多 未溶K少 温度过低 K溶解过少 M含C低 出现非M组织 未溶K多 都会造成性能下降 冷却 在650 250 必须快冷 避免发生贝氏体和珠光体转变 250 以下必须慢冷 减少变形开裂 3 3整体强化态钢 磨削后回火 120 150 3 5h 消除磨削应力 防止尺寸变化和龟裂 回火 160 3h或更长 消除残余应力 提高韧性 提高组织尺寸稳定性 稳定化处理 高精密轴承尺寸变化要求为10 6 10 7 需进行稳定化处理 尺寸不稳定原因 残余应力 残余奥氏体转变 措施 冷处理 淬火后冷至 40 70 要求淬火后到冷处理之间在室温停留的时间不超过4h 冷处理后立即低温回火 提高回火温度 180 250 回火 允许硬度较低时 3 3整体强化态钢 4 常用轴承钢 1 铬轴承钢铬轴承钢的典型代表是GCr15 使用量占轴承钢的绝大部分 由于淬透性不是很高 因此多用于制造中小型轴承 2 添加Mn Si Mo V的轴承钢在铬轴承钢中加入Mn Si可提高淬透性 如GCr15SiMn钢等 主要用于制造大型轴承 为了节约Cr 可以加入Mo V 得到不含铬的轴承钢 如GSiMnMoV GSiMnMoVRE钢等 其性能和用途与GCr15相近 必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 3 3整体强化态钢 五 低碳马氏体钢 1 低碳马氏体钢的特点 1 利用低碳马氏体具有的高强度 良好塑性和韧性的特点 可替代调质钢 低碳 合金 结构钢淬火后形成位错板条马氏体 板条相界残余奥氏体薄膜 板条内部自回火或低温回火析出的细小分散碳化物 可实现强 韧 塑性的最佳配合 2 保持了低碳钢冷成型和焊接性好 热处理脱碳倾向小 淬火变形开裂倾向小 缺口敏感性低等优点 指低碳钢或低碳合金钢经淬火 低温回火处理 得到低碳马氏体组织作为使用状态的钢 3 3整体强化态钢 0 15 0 25 C 碳 淬透性 改善韧性 降低韧脆转化温度 Ni尤为显著 提高回火稳定性 Si 钢的低温回火稳定性 适当降低Ms点 防止自回火 Mn Cr Ni Mo V Si 低碳马氏体的合金化 总的来说 低碳马氏体钢合金化的方向是在保证淬透性的前提下 加入具有高的低温回火抗力和适当降低Ms点温度的元素 3 3整体强化态钢 3 低碳马氏体型结构钢的性能特点 1 在静载下具有良好的强度和塑性 韧性的配合 即使C含量提高到0 25 这种优良性能仍然存在 2 低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低的缺口敏感性 而且还具有低的疲劳缺口敏感性 3 低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比较 其冷脆倾向性小 3 3整体强化态钢 六 超高强度钢 背景 飞行器提速的需要马赫数 M 是以奥地利物理学家马赫命名 定义为物体速度与音速的比值 M5为高超音速 当M 2时 飞行器表面温度达到100 200 当M 3时 飞行器表面温度达到200 300 当M 4时 飞行器表面温度达到540 3 3整体强化态钢 高强钢与高强度铝合金 钛合金的竞争 由于铝合金在 150 时具有最高的比强度 且成形性好 因此铝合金是马赫数M 2的飞行器 飞机 的主要结构材料 钛合金在马赫数M 2 5 3 5范围内 即温度在250 450 具有最高的比强度 但钛合金的价格昂贵 且工艺性能较差 这时就可采用超高强度钢 超高强度钢主要用于航空航天器上的高比强度的结构如 制造飞机起落架 飞机机身大梁或骨架 高压容器和常规武器的某些零部件上 3 3整体强化态钢 一 低合金超高强度钢 0 27 0 45 C 碳 淬透性 在截面上得到全马氏体 保证C的强化作用 Si 低温回火稳定性 推迟低温回火脆性 1 2 Si 细化奥氏体晶粒 改善塑性 韧性 Cr Mn Si Ni Mo V Nb 合金化 淬火 低温回火或等温淬火以回火马氏体或下贝氏体 马氏体状态使用对表面缺陷如刻痕 焊缝及表面加工造成的缺陷十分敏感 热处理工艺 常用钢种 40CrNiMo 4340 国外广泛使用 35Si2Mn2MoVA中国研制 3 3整体强化态钢 二 二次硬化型超高强度钢某些零件要求在较高温度下具有高的力学性能 就需要钢具有二次硬化效应 1 特点 淬火 高温回火 在高温回火时弥散析出M7C3 M2C和MC型碳化物 产生二次硬化效应 具有较高的中温强度 2 缺点 塑韧性 焊接性和冷变形性较差 3 主要钢种 1 4Cr5MoVSi H11 20Ni9Co4CrMo1V等制造飞机发动机承受中温强度的零部件 紧固件等 2 9Ni 4Co型和10Ni 14Co型热处理后可获得高强度和高韧度 并具有良好的热稳定性和焊接性 常用于制造飞机重要受力构件 海军飞机着陆钩等 3 3整体强化态钢 三 马氏体时效钢航空和宇航工业的发展 对钢的强度提出更高的要求 但是 如果继续走以碳强化的道路 将无法克服碳带来的严重脆性 马氏体时效钢放弃了以碳强化的途径 采用超低碳 以时效析出的金属间化合物产生沉淀强化获得高强度 超低碳 w C 0 03 在Fe Ni合金马氏体基础上 以时效析出的金属间化合物产生沉淀强化获得高强度 不仅有高强度 而且有良好的塑性 韧性和缺口强度值 热处理工艺简单 不存在脱C问题 不需急冷 变形和开裂倾向小 便于冷成形和切削加工 焊接 特点 3 3整体强化态钢 2 马氏体时效钢的强化机理马氏体时效钢是通过奥氏体 马氏体 时效马氏体的转变获得所需组织和性能 固溶强化强化效果达150 250MPa 贡献不大 位错强化相变后马氏体中有高密度位错 强化效果达500 600MPa 时效强化弥散分布的时效相引起强化 强化效果达1100MPa 起主要作用 3 3整体强化态钢 18 Ni 20 Ni 25 Ni 有效地降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙原子间交互作用的能量 促进应力松弛 从而减少脆性断裂的倾向 保证高温时得到单相奥氏体 因为时效强化元素均为铁素体形成元素 所以要加入大量Ni 保证足够的淬透性 空冷时得到马氏体 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 析出金属间化合物 产生时效强化作用 3 马氏体时效钢的化学成分 Ni的作用 3 3整体强化态钢 作为时效强化作用元素 析出Ni3Ti Ni3Mo Fe2Mo等 产生时效强化作用 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 但其强度并不高 需配合金属间化合物沉淀强化后可获得最佳的强韧性 Ti Al Nb Mo 保证高温时得到单相奥氏体 降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙原子间交互作用的能量 升高Ms点 有利于板条马氏体的形成 减少残余奥氏体 增加时效强化效果 析出 Fe Ni Co 2Mo Co的作用 3 3整体强化态钢 820 加热 空冷 得到马氏体 HRC26 32 AR多 480 时效3 6h 析出Fe2Mo Ni3Ti Ni3Mo 18Ni 淬火和时效工艺与18 Ni型基本相同 不同之处 因Ni 高 淬火后AR增多 需要进行一次冷处理 70 减少AR后再时效 热处理工艺 20Ni 25Ni 淬火后AR很多 硬度很低 HV160 230 需消除AR 对奥氏体进行时效在705 保温几个小时 奥氏体中析出一部分金属间化合物 奥氏体合金含量降低 Ms升高 随后冷却并进行冷处理 奥氏体基本上可转变为马氏体 冷加工变形进行 25 的冷变形 使Ms升高 再进行冷处理 使奥氏体转变为马氏体 消除残余奥氏体后马氏体在430 480 时效 析出金属间化合物 达到要求强度 3 4表面强化态钢 用于采用表面强化工艺制作表面受磨损 心部受冲击负荷的零件 零件受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用 并且零件与零件之间还有相对的摩擦 并有高的接触应力 零件要求有高的屈服强度 高的弯曲疲劳和接触疲劳强度和高的耐磨性 基本情况 既改变表面化学成分又改变组织 渗碳 渗氮 渗硼等 不改变表面化学成分但改变组织 感应加热淬火 火焰淬火 激光表面热处理等 表面强化 3 4表面强化态钢 一 合金渗碳钢渗碳钢大量用来制造齿轮 凸轮 活塞销等零件 在滑动 滚动相对运动的工况下工作 工件间有摩擦 承受一定的交变弯曲应力和接触疲劳应力 一定的冲击力 服役条件 常见失效形式 过量磨损 表面剥落 断裂等 表面 高硬度 高耐磨性 高C的回火马氏体 细小的未溶碳化物 心部 高的屈服强度 高的冲击韧性 低碳的回火马氏体 性能要求和组织 3 4表面强化态钢 二 渗碳钢的合金化 渗碳温度高 时间长 930 几 几十个小时 对于用Mn Si脱氧的钢 奥氏体晶粒会发生急剧长大 并且渗碳后热处理温度不一定高于心部组织的Ac3 心部组织不一定可重新细化 1 含C量 0 12 0 25 C 个别可到0 28 主要目的是为了保证心部有良好的韧性 2 提高淬透性 Mn Cr Mo Ni W V Ti B等 心部淬火应得到低碳马氏体 以保证强度 3 细化奥氏体 Ti V W Mo 加入0 05 0 30 V 0 06 0 12 Ti 阻止奥氏体的晶粒长大 同时还可增加渗碳层硬度 进一步提高耐磨性 根据心部性能要求 3 4表面强化态钢 2 根据渗碳层性能要求 1 渗碳层表面有适宜的含碳量 0 8 1 05 C 碳浓度梯度平缓过渡 如含C量太高 K数量太多 呈粗大块网状 分布不均匀 AR增多 强和中强K形成元素不能含量过高 因为他们增大钢表面吸收碳原子的能力 增加渗层的碳浓度 同时它们又阻碍碳在奥氏体中的扩散 不利于渗碳层的增厚 使得浓度梯度增大 如含C量太低 硬度 耐磨性不够 因此 非K形成元素不能太高 Ni Si 3 4表面强化态钢 2 渗碳速度快K形成元素促进渗碳 但强碳化物形成元素会阻碍C的扩散 Cr Mn Mo有利于渗碳层增厚 而Ti能减小渗碳层厚度 非K形成元素 Ni Si 阻碍渗层厚度增加 原则上 渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度 3 渗碳层中残余奥氏体不能多Mn Ni含量不能过高 3 4表面强化态钢 含量范围Si 1 2 Mn 3 3 Cr 2 Ni 4 Mo 0 6 W 1 2 V 0 3 Ti 0 12 B 0 001 0 005 一般渗碳钢不用Si合金化 3 4表面强化态钢 三 常用渗碳钢1 低淬透性渗碳钢 常用渗碳钢 受力较小的工件 20Cr 20Mn2 20Mn2B 20Mn2V 20CrV表层 渗碳后奥氏体晶粒粗大 渗碳层碳含量高 易形成网状碳化物 心部 淬透性低 2 中淬透性渗碳钢 20CrMnTi 20Mn2TiB 20MnVB 25MnTiBRe 20SiMnV表层 奥氏体晶粒不易粗大 过渡层均匀 表面碳浓度适中 心部 淬透性较好 油淬直径约40mm 渗碳淬火后 具有较高的耐磨性和高的强韧度 特别是低温冲击韧度较好 晶粒长大倾向小 变形较小 3 高淬透性渗碳钢 22Cr2Ni4A 淬透性较高 制作重载大型齿轮 轴等 3 4表面强化态钢 四 渗碳钢的热处理渗碳钢的热处理规范一般是渗碳 淬火 低温回火 1 预先热处理第一步 正火 第二步 退火 对P型钢 或高温回火 对M型钢 对珠光体型钢通常用在800 左右的一次退火代替正火 可得到相同的效果 即既细化晶粒又改善切削加工性能 对马氏体型钢 则必须在正火之后 再在Ac1以下温度进行高温回火 以获得回火索氏体组织 这样可使马氏体型钢的硬度由380 550HB降低到207 240HB 以便顺利地进行切削加工 细化晶粒 减少组织中的带状程度并调整好硬度 便于机械加工 经过正火后的钢材具有等轴状晶粒 正火的目的 3 4表面强化态钢 2 渗碳 在机械加工到只留有磨削余量时 进行渗碳处理 3 最终热处理 淬火和低温回火 渗碳后直接淬火 再低温回火 零件通常只要求表面高硬度和耐磨性 而对基体性能要求不高时 主要用于渗碳后不容易过热的钢种 20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4W等中合金渗碳钢 经渗碳后直接淬火 渗碳层中将存在大量AR 渗碳后先进行空冷 即正火处理 使组织细化 而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火 当要求表面高硬度 高耐磨性外 对基体性能有较高要求时 可采用这种工艺 主要用于渗碳后容易过热的钢种 如20Cr 20Mn2等 3 4表面强化态钢 渗碳空冷后 进行两次淬火 当对零件表面和基体性能的要求都很严格时 可用这种工艺 第一次 按钢的基体成分加热淬火 加热温度较高 870 左右 目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体 第二次 按高碳钢的成分进行 表面 淬火 目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织 以满足表面高性能的要求 最后进行低温回火以消除应力 稳定组织和稳定尺寸 3 4表面强化态钢 二 氮化钢适用于采用氮化处理 以提高工件疲劳强度 耐磨性 抗腐蚀能力的结构钢 制造精密机床的主轴等 在工作时载荷不大 基本上无冲击力 有摩擦 但较齿轮等零件磨损要轻 同时也受到交变的疲劳应力 这类零件主要的要求是保持高的精度 渗碳不能满足 服役条件 提高其硬度 耐磨性 热稳定性和耐蚀性 这类零件主要的要求是保持高的精度 渗碳不能满足 氮化前 零件应经过调质处理 氮化工艺一般在500 565 进行 氮化目的 3 4表面强化态钢 2 性能要求 1 氮化工艺性能在尽可能短时间里获得所需的表面硬度 氮化层厚度和金相组织 2 淬透性保证心部得到回火索氏体组织 HV 200 300 心部有良好的综合机械性能 3 回火稳定性要求经500 565 3 100h氮化缓冷后 心部保持强度不下降 不发生明显的高温回火脆性 3 4表面强化态钢 氮化钢的合金化 碳 0 3 0 5 保证回火索氏体的强韧性 氮化物形成元素 在 相中形成超显微的氮化物颗粒 起弥散强化作用 钢中最有效的氮化元素是Al Nb V 其次是Cr Mo W Cr Mo Mn 增加淬透性 获得足够的淬硬层 以期在回火后得到回火索氏体组织 非氮化物形成元素阻碍N原子吸收 降低表面氮浓度 减少氮化层深度 Mo V 提高组织稳定性 消除高温回火脆性 0 2 0 5 不含Al时形成的氮化层脆 易剥落 一般钢中要含1 左右的Al 38CrMoAlA 38Cr2WVAlA 35CrMo 40CrV 3 4表面强化态钢 三 氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因1 在表面形成高硬度的 相 Fe4N 和 相 Fe3 2N 2 渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物 提高表面氮化层的强度和硬度 氮化钢的硬度和耐磨性主要取决于合金氮化物 MoN AlN 的数量 大小 种类和分布 但是由于钢中含有一定量的C 因此氮化时 事实上总是形成碳氮化合物相 3 表面渗入氮原子后体积膨胀 在表面产生了残留压应力 抵消外力作用产生的张应力 减少表面疲劳裂纹的产生 3 4表面强化态钢 三 低淬透性钢 感应加热淬火的特点 不改变表面化学成分 表面硬化而心部仍保持较高的塑性和韧度 表面局部加热 零件的淬火变形小 加热速度快 可以完全消除表面的脱碳和氧化现象 在零件表面形成了残余压应力 提高疲劳强度 专门用于中 小模数 m 3 8 的齿轮 可在感应加热淬火时 能得到沿着轮廓分布的硬化层 称为 仿形硬化 为使零件仅是表层得到硬化层 而心部仍保持一定韧度 必须降低钢的淬透性 3 4表面强化态钢 降低钢淬透性的措施 降低可提高淬透性的元素含量 Mn Si Ni Cr等 加入强碳化物形成元素Ti 形成稳定的TiC 加热时不溶于奥氏体 冷却时又能成为珠光体相变的核心 降低钢的淬透性 常用的低淬透性钢有55Ti 60Ti 70Ti等 3 5其他机械制造结构钢 一 易削钢 1 定义使正常钢中某些成分变化或附加某些成分 有意识地获得高的被