金属材料第三讲-结构钢.ppt

工程结构钢 结构钢 制作大型金属结构 又称工程用钢 例如 桥梁 船体 油井 钢轨 管道 建筑工作特点 不作相对运动 承受长期静载荷 有温度要求 性能要求 载荷作用下结构长期稳定 较高刚度 高的屈服强度和抗拉强度 塑性和韧性好 较小的冷脆倾向性和耐蚀性 良好的工艺性能 冷变形性 可焊性 使用性能位居第二 一 屈服现象 低碳钢的屈服现象及应变时效 原因 外应力大于柯氏气团对位错的钉扎作用 低碳钢的机械性能特点 应力应变曲线出现屈服齿或屈服平台 二 应变时效和淬火时效 应变时效 构件用钢经冷塑性变形后 在室温放置较长时间或稍经加热后 其强度 硬度升高 塑性 韧性下降 原因 柯氏气团重新聚集 钉扎位错 淬火时效 低碳钢加热到接近Ac1温度淬火 在室温放置稍经加热后 其强度升高 而塑性 韧性下降 原因 过饱和 固溶体脱溶沉淀 在室温或较高温 C N原子向位错和晶界偏聚 析出与母相共格的亚稳相 碳化物和 氮化物 时效时间增长 亚稳相与母相脱离共格 转变成稳定的渗碳体或 相 应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向 提高钢的脆性转折温度 钢材脆性增大 三 冷脆倾向性 冷脆 用低碳钢材制造的各种工程构件 室温强度不高 塑性韧性良好 但是温度降低时 可能由微孔聚集型的塑性断裂转变为脆性的解理断裂 影响冷脆转变温度的因素 构件缺口和裂纹显著提高冷脆转变温度应变时效和淬火时效提高脆性转折温度 细化晶粒可以提高钢的解理断裂应力 降低tC 理想组织 细小均匀的铁素体晶粒和适量的片状珠光体 常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢 显微组织是铁素体 珠光体 通过加入合金元素提高强韧性 在铁素体 珠光体钢中 合金元素对强化的贡献有 溶入铁素体起固溶强化 溶入铁素体的合金元素均能提高钢的硬度 抗拉强度和屈服强度 细化晶粒起细晶强化 析出弥散的碳化物 碳氮化物 起沉淀强化 强碳化物形成元素V Ti Nb在热轧空冷过程中 从奥氏体沉淀析出V4C3 TiC NbC 进行沉淀强化 增加珠光体含量 合金元素使Fe C相图的S点左移 增加P数量 P作为强化元素含量一般不超过0 1 Mn和Si为常用的固溶强化元素 一般Mn含量不超过2 Si含量不超过0 8 铜作为钢中残余元素加以利用 一般含0 25 0 5 微量铜可以提高钢的耐大气腐蚀性能 国际上有的工程结构钢主要加入少量的铬和镍 铬不超过0 8 镍不超过0 7 它们不产生固溶强化效果 1 固溶强化 主要利用Mn Si Cu P等元素溶入铁素体来提高强度 C 0 3 2 细晶强化 根据Hall Petch公式 钢的晶粒愈细小 钢的屈服强度呈直线上升 细化晶粒途径有多种 其中主要是用铝脱氧和合金化 用铝脱氧生成的细小弥散的AlN质点 用钛 铌 钒微合金化生成弥散的氮化物 碳化物和碳氮化物 这些弥散相都能钉扎晶界 阻碍奥氏体晶粒长大 转变后细化铁素体和珠光体晶粒 钢中加入降低A3温度的合金元素 可使奥氏体在更低温度转变而细化铁素体和珠光体晶粒 如加入1 0 1 5 Mn可使A3温度降低50 铬和镍与锰一样可增加奥氏体过冷能力 使转变温度降低 细化钢的显微组织 提高了钢的强度 3 沉淀强化 应用钒 铌 钛的微合金化 使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物 产生沉淀强化 氮化物最稳定 一般在奥氏体中沉淀 对奥氏体高温形变 再结晶和晶粒长大起抑制作用 碳化物和碳氮化物稳定性稍差 一般在奥氏体转变中产生相间沉淀和从过饱和铁素体中析出 从而产生沉淀强化 微合金钢中主要的沉淀相是VC NbC和TiC 其粒子尺寸在2 10nm范围内具有最大的沉淀强化效应 钢中每加入0 01 铌和钛 使屈服强度增高30 50MPa 每加入0 1 钒 使屈服强度增高150 200MPa 当钢中含有一定量碳和氮时 钢中微量钛主要以TiN出现 细化奥氏体晶粒 钢中微量铌既可以在高温变形时析出NbN和铌的晶界偏聚细化奥氏体晶粒 又可以在随后发生相间沉淀和从过饱和铁素体析出Nb C N 产生沉淀强化 铁素体 珠光体组织的冷脆性 某些金属及其合金在低温时会发生脆化现象 冲击值明显降低 断口由纤维状变为结晶状 材料这种在低温下变脆的特性被称之为冷脆性或低温脆性 韧脆转变温度 是指在某一临界温度TK以上材料呈韧性状态 而在该温度以下呈脆性状态 转变温度高 材料低温变脆倾向大 转变温度低 材料低温变脆倾向小 按断口形貌确定韧脆转变温度的方法是取断口中结晶区占整个断口面积50 时的温度为TK 并记为50 FATT FractureAppearanceTransitionTemperature 或FATT50 具有铁素体 珠光体组织的工程结构钢在 50 100 间使用 因而要求有较低的韧脆转化温度FATT50 影响钢的冲击韧性和韧脆转化温度的因素有含碳量 晶粒尺寸 固溶元素 弥散析出相和非金属夹杂物等 珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体 因而有高的韧脆转化温度 一般在100 以上 钢中每增加1 体积珠光体 将使FATT50升高2 2 工程结构钢一般是w C 0 25 的低碳钢 钢中合金元素锰 镍和铬固溶于铁素体中可降低FATT50 而磷 硅固溶后均升高FATT50 这类钢服役时的显微组织是铁素体 珠光体 包括碳素工程结构钢 高强度低合金钢和微合金钢 碳素工程结构钢 国家标准规定 碳素工程结构钢按屈服强度分为五级 即Q195 Q215 Q235 Q255和Q275 Q表示屈服强度 其后的数字表示屈服强度值 单位为MPa Q235分为A B C D四个等级 主要按钢中磷和硫含量来区分 其中D还要求加入细化晶粒元素 Q215和Q255只有A B两个级别 Q195和Q275没有分级别 钢的屈服强度主要取决于钢中含碳量 即珠光体含量 含碳从w C 0 06 0 38范围增加 屈服强度从195上升到275MPa 伸长率从33 降到20 高强度低合金钢 为提高碳素工程结构钢的强度 而加入少量合金元素 利用合金元素产生固溶强化 细晶强化和沉淀强化 利用细晶强化使钢的韧脆转变温度的降低 来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧脆转变温度的升高 16Mn是典型高强度低合金钢种 它属于屈服强度为345MPa级 有较高的强度 良好的塑性和低温韧性以及焊接性 是我国这类钢中产量最多 用量极广的钢种 16Mn中 锰含量为1 2 1 6 起着固溶强化作用 锰降低A3温度 增大钢的奥氏体过冷能力 细化铁素体晶粒 降低钢的冷脆性 15MnTi 16MnNb 15MnV钢屈服强度属于390MPa级 利用微量钛 铌 钒起细化晶粒和沉淀强化作用 用于制造桥梁 船舶 容器 15MnVN钢屈服强度属于440MPa级别 钢中加入小于0 022 的氮 以形成稳定的VN 比VC更有效地起细化晶粒和固溶强化作用 微合金钢 一类高强度低合金钢 其关键是细晶粒和沉淀强化 钛 铌 钒等微合金元素有以下四方面作用 抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中 通过应变诱导析出钛 铌 钒的氮化物 沉淀在晶界 亚晶界和位错上 起钉扎作用 抑制再结晶过程的进行 阻止奥氏体晶粒长大 TiN或Nb C N 在高温下非常稳定 其弥散分布对控制高温下的再结晶晶粒长大有强烈的抑制作用 沉淀相与沉淀强化 改变钢的显微组织 溶于奥氏体的微量元素提高了过冷奥氏体的稳定性 降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围 低温下形成的先共析铁素体和珠光体更细小 并使相间沉淀的碳氮化物粒子更细小 典型牌号 X65管线用钢 应用在高纬度严寒地区的石油和天然气输送管线 成分为 0 10 C 0 25 Si 1 35 Mn 0 04 Nb 0 04 V 屈服强度465MPa 25 冲击功129J 09MnVTiN 用于生产中厚钢板 成分为 0 09 C 0 40 Si 1 10 Mn 0 01 Ti 0 10 V 0 01 N 其屈服强度属于410MPa级别 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却 直接得到低碳贝氏体组织 与相同含量的铁素体 珠光体组织相比 有更高的强度和更好的韧性 钢的屈服强度可达490 780MPa 钢中的主要合金元素是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变 而对贝氏体转变推迟较少的钼和硼 14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢 用于制造容器的板材和其它钢结构 其屈服强度为490MPa级 板厚小于14mm时 在热轧态可达到贝氏体 板厚大于14mm时 需要正火处理 为了消除内应力 需要高温回火 针状铁素体形貌 这类钢纤维组织是低碳或超低碳针状铁素体 属于贝氏体 位错密度高 在含Nb钢中Nb C N 可细化晶粒和起沉淀强化作用 低碳 0 1 改善韧性 钢中的主要合金元素钼和硼的目的是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变 降低Bs点 使针状铁素体在450 以下形成 典型的钢种有Mn Mo Nb钢 屈服强度高于470MPa 伸长率 20 室温冲击值 80J 良好的低温韧性 低碳马氏体钢为使钢得到好的淬透性 防止发生先共析铁素体转变和珠光体转变 加入钼 铌 钒 硼及控制合理含量的锰和铬与之配合 铌为细化晶粒的微合金元素起作用 常见的有BHS系列钢种 其中BHS 1钢的成分为 0 10 C 1 80 Mn 0 45 Mo 0 05 Nb 其生产工艺为锻轧后空冷或直接淬火并自回火 锻轧后空冷得到贝氏体 马氏体 铁素体混合组织 其性能为 0 2 828MPa b 1049MPa 室温冲击功86J 若直接淬火成低碳马氏体 性能为 0 2 935MPa b 1197MPa 室温冲击功50J 40 冲击功32J 另一种Mn Si Mo V Nb系低碳马氏体钢 其屈服强度可达860 1116MPa 室温冲击功为46 75J 低碳马氏体钢具有高强度 高韧性和高疲劳强度 双相钢双相钢的显微组织是通过在 两相区加热淬火 或热轧后空冷得到20 30 马氏体和80 70 铁素体 马氏体呈小岛状或纤维状分布在铁素体基体上 双相钢的性能特点是 低屈服强度 一般不超过350MPa 钢的应力 应变曲线是光滑连续的 无屈服平台 无锯齿形屈服现象 高的均匀伸长率和总伸长率 高的加工硬化指数 高的塑性应变比 冲压件保持厚度均匀 双相钢分为退火双相钢和热轧双相钢两大类 退火双相钢又称为热处理双相钢 将板带材在 两相区加热退火 然后空冷或快冷得到铁素体 马氏体组织 化学成分可在很大范围内变动 从普通低碳钢到低合金钢均可热轧双相钢是指在热轧状态下 通过控制冷却得到铁素体 马氏体双相组织 钢在热轧后从奥氏体状态冷却 首先形成体积分数达70 80 的多边铁素体 然后未转变的奥氏体有足够的稳定性 避免形成珠光体和贝氏体 冷却形成马氏体 加入合金元素Si和极少C可提高钢的临界点A3 促使多边形铁素体形成 加入Mn Mo Cr促使马氏体形成 冶炼工艺 工程结构钢的冶炼工艺和终脱氧对钢的质量影响很大 氧气炼钢可降低钢中氮含量 采用Al脱氧并固定氮 形成AlN 细化晶粒 减少应变失效 同时保证微合金化元素的收得率 钢中非金属夹杂物的种类 数量 形状和分布对钢的塑性 韧性等有重要影响 破坏钢材冷 热加工性能 典型的夹杂物如条带状塑性夹杂物MnS 加入稀土可对硫化物变质 控制轧制与控制冷却 控制轧制工艺包括传统的控制轧制和再结晶控制轧制 可获得细小的铁素体晶粒和沉淀强化相 传统的控制轧制 控制在特定温度范围内的道次压下量 在950 以上 每一道次的压下使奥氏体发生再结晶 受到形变的奥氏体迅速发生再结晶 Nb使奥氏体中诱导析出Nb C N 阻碍再结晶和晶粒长大 工艺缺点 终轧温度低 900 钢材本身强度大 轧制时变形抗力大 要求高功率轧机 再结晶控轧工艺 以TiN阻碍奥氏体晶粒 以V C N 为沉淀强化相 经反复形变和再结晶后 奥氏体晶粒细化 在950 以上 没有V C N 析出 低温下V沉淀析出 形成沉淀强化 V Ti N 极细小的铁素体晶粒和珠光体团 Nb Mo系BHS 1钢 机械制造结构钢 机械制造结构钢用于各种机械零件 如轴类 齿轮 紧固件 轴承和高强度结构 广泛应用在汽车 机床工程机械 电站设备 飞机及火箭等装置上 工作环境 大气 水和润滑油 温度在50 100 范围之间 机械零件要求有良好的服役性能 主要承受拉 压 弯 扭 冲击 疲劳应力 且往往是几种载荷同时作用 性能要求 有足够高的强度 塑性 韧性和疲劳性能 机械制造结构钢根据钢的生产工艺和用途 可分为 调质钢 低碳马氏体钢 超高强度结构钢 渗碳钢 氮化钢 弹簧钢 轴承钢和高锰钢等 调质钢 结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能 有较高的强度 良好的塑性和韧性 1 典型用途轴的服役环镜a 弯曲载荷b 扭转载荷c 循环条件d 冲击载荷e 磨损 腐蚀 2 主要性能要求a 强塑性 b 疲劳性能 c 冲击韧性 d 耐磨耐蚀e 抗回火稳定性 3 组织 淬火得到的马氏体组织经高温回火后 得到 相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物 为回火屈氏体或回火索氏体 4 合金化 调质钢的强度主要取决于 相的强度和碳化物的弥散强化作用 合金元素硅 锰 镍溶于 相 起固溶强化作用 钢中碳的质量分数在0 3 0 5 之间 可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高强度 降低C含量 则强度不足 提高C含量 韧性不足 脆性增大 4 合金化合金元素铬 钼 钨 钒可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大 保持钢的高强度 铬 钼 钨 钒还阻碍 相的再结晶 能保持细小的晶块结构 使 相也能保持足够高的强度 5 调质钢的工艺问题合金调质钢的一个特殊问题是高温回火脆性 高温回火后的冷却速度严重影响到钢的韧脆转化温度 冷速越慢 室温冲击韧性越低 脆性越大 5 调质钢的工艺问题杂质元素磷 锡 锑 砷等在晶界偏聚引起晶界脆化 是产生高温回火脆性的直接因素 合金元素铬 锰 镍 硅强烈促进高温回火脆性 合金元素Mo W Ti可减轻回火脆性 稀土元素能和杂质元素形成稳定的化合物 大大降低甚至消除回火脆性 若和钼联合使用效果更佳 6 调质钢的分类最普通的调质钢 碳素调质钢 如45钢 45B钢 用作截面较小或不要求完全淬透的零件 由于淬透性低 只能用盐水淬火 要求淬透性较高的钢有40Cr 45Mn2 40MnB 35SiMn等作为同一级 一般可用油淬火 42CrMo 42MnVB 40CrMnMo 40CrNi 35CrMo为要求淬透性更高一级的钢种 6 调质钢的分类对大截面零件 要求高淬透性的调质钢为40CrNiMo 34CrNi3MoV等 调质钢经调质热处理后 其力学性能为 s 800 1200MPa b 1000 1400MPa 10 45 K 60J cm2 常用调质钢热处理后的力学性能 超高强度结构钢是为满足飞机 火箭等航空航天器结构上用的高比强度的材料而发展起来的一类结构钢 进而应用于常规武器的零件等方面 低合金超高强度钢是以调质钢为基础发展起来的 可用作飞机起落架 飞机机身大梁 火箭发动机外壳 火箭壳体 高压容器等 为保证钢的高强度 碳的质量分数在0 27 0 45 范围内 当碳含量为0 30 钢的抗拉强度约1700MPa 当碳含量为0 40 钢的抗拉强度约2000MPa 若将碳含量提高到0 5 虽然抗拉强度可接近2300MPa 但钢的韧性和断裂韧性下降较多 为保证零件的高强度 充分保证碳的强化作用 钢必须有足够高的淬透性 使得整个截面上得到马氏体 加入一定量的合金元素 主要是铬 锰 硅 镍 钼 钒等 进行综合合金化来有效提高钢的过冷奥氏体的稳定性 硅还可以增加钢的抗回火稳定性 使低合金高强度钢能在300 320 回火 得到强度和韧性的最佳配合 合金元素总量5 左右 随着强度的提高 钢的主要问题转化为脆性倾向 为改善低合金超强度钢的韧性 采取的措施是提高钢的纯净度 降低钢中夹杂物 气体及有害杂质元素含量 目前广泛应用的低合金超强度钢是40CrNiMo 300M 30CrMnSiNi 35Si2Mn2MoV等 40CrNiMo钢中合金元素的配合有效地提高钢的淬透性和较好的韧性 经900 淬火和200 回火 0 2 1628MPa b 1884MPa 10 钢中铬和锰主要提高淬透性 镍和铬组合可有效提高淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性 钼除有效提高淬透性外 还可改善回火马氏体的韧性 300M钢 40Si2Ni2CrMoV 是在40CrNiMo钢的基础上加入钒和硅并提高钼含量得到的 钒可细化奥氏体晶粒 硅可提高钢的抗回火稳定性 将回火温度由200 提高到300 以上 以改善韧性 故300M钢有高淬透性和强韧性 特别是大截面钢材 其热处理工艺为 927 正火 870 淬火 淬火介质为油 最后经300 两次回火 300M钢用来制造大型飞机的起落架等重要结构材料 组织回火马氏体 200 或回火贝氏体 300 随着航空和火箭技术等的飞速发展 在60年代初就有人提出了设计在高温回火下能够得到高强和超高强 b 1600 2160MPa 的新材料 从而出现了较高Cr Mo V型 HST 和Cr Mo V Si型 H11等 的中合金中碳结构钢 高温回火下获得二次沉淀硬化相 400 500 抗拉强度可达1300 1500MPa 二次沉淀硬化型 HST型 Cr Mo V型 本类钢是在En40C基础上开发出来的 即保持原中碳量 0 30 0 40 下调整Cr Mo V含量 以达到高温回火下出现合金碳化物沉淀硬化的目的 Cr Mo V形成的碳化物为Cr7C3 Mo2C V4C3 二次硬化的主要元素为Mo和V Cr的贡献较小 典型的HST钢成分和性能 1 H型 Cr Mo V Si 本类钢是从5 Cr工模钢移植 4Cr5MoSiV 而来 由于它在高温回火下有很高的强度和较满意的塑性与韧性 抗热性好 组织稳定 从而具有作为高速飞机高强材料的可能性 1955年就引起航空材料部门的广泛重视 并很快应用于飞机起落架和骨架零件 炮弹和火箭壳体 高速转子等 典型H型钢有H11 H13 H50 MOG510等 其化学成分依V量不同 实际上分为两类 一类含V0 4 0 6 相应钢种为H11 MOG510 另一类含V0 8 1 3 相应钢种为H13和H50 其它成分差别很小 波动于 C0 32 0 45 Cr4 75 5 5 Mo1 1 1 75 Si0 8 1 2 从二次硬化的角度出发 H型钢和HST型钢的作用原理一样 都是依赖Mo和V的合金碳化物 M7C3 M2C MC 由于硅含量提高 H型钢的抗热性得到改善 1962年 人们发现中碳高Ni合金化下通过加Co可大大降低残留奥氏体量 因为钴提高钢的MS 并增加碳化物量和弥散度 使回火时的扩散过程变慢 从而使钢强化 钴和镍一起降低位错与晶格中间隙杂质元素的相互作用能 低温下易于塑性变形 从而降低铁素体的冷脆性 这就为高强韧性的中碳高镍含钴型的新结构钢的出现奠定了基础 500 550 时效可获得弥散分布的特殊碳化物 获得高强高韧 抗应力腐蚀性能好 高Ni 应力腐蚀开裂临界断裂强度因子Kiscc为84MPam1 2 是一般超高强度钢3倍 用于飞机重要受力结构件和海军飞机挂钩 1 Ni Co型中碳结构钢 非二次硬化型 典型代表0 3C 9Ni 4Co是有名的高强韧配合的结构材料 9Ni 4Co钢中C量变化下的性能变化 经过成分优化 0 3C 9Ni 4Co钢是最佳成分配合 其中镍可稍高于9 而钴不应大于5 其优良的低温回火下和高温回火下的强韧性配合 尤其是抗冷脆能力好 是高级的中强和高强结构材料 为了进一步提高0 3C 9Ni 4Co型钢的使用强度 尤其是在高温回火下有高强韧性配合 以适用高强材料 发展成了一种二次硬化的Ni Co Cr Mo型钢 它是在0 3C 9Ni 4Co型钢基础上加一定量的Cr Mo和少量V而形成的 其典型代表为HP9 4 30和BKC6 2 Ni Co Cr Mo型中碳结构钢 二次硬化型 高合金中碳结构钢的最佳成分范围为 Ni7 8 Co4 5 5 Mo1 左右 Cr1 左右 V0 1 左右 优点 在淬火和高温回火下 有较好强塑韧性配合 冷脆抗力大 缺口敏感小 疲劳性能好 应力腐蚀抗力高 在350 550 范围内长期工作 性能稳定 可作为550 下热强钢使用 此外在350 550 范围长期加热下回脆敏感性小 时效硬化型超低碳马氏体中碳型高强 特别是超高强 结构钢的不足是其塑韧性配合不理想 缺口敏感性大 氢脆和应力腐蚀倾向大 工艺性能也不好 如焊接性差 容易淬裂和变形 容易脱碳 冷变形硬化严重 成品机械加工困难等 使生产工艺复杂 效率不高 开发出了超低碳Fe Ni型马氏体时效钢 1 成分特点 基本出发点是尽可能根除碳的不利作用 使基体得到Fe Ni型板条马氏体 应用形成金属间相的合金元素 钛 钼 铝 产生高温时效强化 选择Fe Ni的原因 它在加热和冷却过程中存在相变滞后现象 能提供马氏体在加热到较高温度仍不变化 从而实现较高温时效强化 成分特点 Ni能降低Ti Mo和Al等元素在 Fe中的溶解度 从而促进其时效强化效果 Ni降低位错运动抗力和位错与间隙元素间的相互作用 促进应力松弛 降低钢的脆性倾向 Ni降低MS点 有利于空冷下得到马氏体组织 其次 加入较多的Co 8 12 5 原因是 Co提高MS点 有利于得到板条M 并降低钢中残留奥氏体 为加大量降低MS点元素创造条件 其次 加入较多的Co 8 12 5 原因是 Co与Ni相似之处是降低位错运动抗力和位错与间隙元素间相互作用能 有利于降低钢脆裂倾向 Co降低Mo和W等元素在 Fe中溶解度而促进其时效强化 并使Mo沉淀相均匀细小分布 得到Mo Co协同高强化效应 远超过各自单独作用 通过Mo Co和Ti的变化 可以得到广阔的强度变化 尽管随强度提高塑韧性降低 但仍保持着较高的塑韧性水平 高水平的强塑韧性配合可成为高强和超高强结构钢中之 王 2800MPa以上的无Ti高Mo Co型马氏体时效钢 可能成为结构材料 典型超低碳M时效钢的成分和性能 能在时效前进行大的冷变形 无需中间退火就成型 顺利完成机加工 因此 时效可在成品上进行 大小件均能无预热焊接 焊接性好 淬透性大 空淬即行 无脱碳现象 热处理变形小 渗氮与时效可同步进行 热处理工艺简单 效果好 工艺性能良好 本类钢是性能与工艺兼优的难得的超高强结构材料 尽管价格昂贵 但由于其良好的质量和工艺性能往往能得到补偿 因此 在许多重要领域得到广泛应用 在火箭 宇航技术和航空工业中的应用 固体燃料火箭壳体 发动机焊接壳体 火箭和宇航船的各种零件 火箭支架零件 飞机 直升机的起落架 喷气发动机叶轮 飞机制动器钩 支撑螺栓等 在工具工业和机器制造工业中的应用 金属热压和冷墩模具 金属和合金压力浇注模具 泵用零件等 本类钢所作的模具和喷射工具比用5 Cr工模钢寿命高3 20倍 在仪表制造工业中的应用 弹性敏感部件 悬挂件等 滚动轴承是各种机械传动部分的基础零件之一 其工作条件极苛刻 由于滚动体和套圈滚道之间接触面积很小 因而接触压应力可高达3000 5000MPa 循环次数每分钟可高达数万次 此外 还要承受离心力和摩擦磨损 1 服役条件 高接触压应力循环载荷离心力 冲击力摩擦磨损腐蚀 2 轴承钢的性能特点 高接触疲劳强度 高硬度 耐磨性和弹性极限 足够的韧性和淬透性 工艺性能 一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性 3 轴承钢的主要用途 滚动轴承的滚动体 内外套圈精密量具 模具 机床丝杠 4 轴承钢成分特点与合金化原则 高C 0 95 1 10 GCr15中含C 1 5 基本合金元素Cr 0 40 1 65 提高淬透性细化碳化物提高耐磨性和接触疲劳抗力 辅加元素 Si Mn提高淬透性V提高耐磨性 防止过热 纯度要求极高 S 0 02 P 0 027 5 轴承钢冶金质量要求对轴承钢的基本质量要求是纯净和组织均匀 纯净就是杂质元素及非金属夹杂物要少 组织均匀是钢中碳化物要细小 分布要均匀 轴承钢经热处理后要求高而均匀的硬度和耐磨性 高的弹性极限和高的接触疲劳强度 6 常用的钢种 是高碳铬轴承钢系列 如GCr15 GCr15SiMn等 此外 根据不同工作条件 还有渗碳轴承钢 20CrNi2Mo 20CrNi4等 不锈轴承钢 9Cr18等 高温轴承钢 Cr4Mo4V Cr15Mo4V2等 7 轴承钢冶的热处理 正火 Acm温度以上加热处理 球化退火 加热温度为780 800 索氏体中层片状碳化物已断开 残存一定量细小未溶解碳化物质点 为冷却时获得许多碳化物形核的颗粒状非自发形核核心 得到球状珠光体组织 便于切削 使碳化物细小均匀 为淬火作准备 淬火 860 加热 油冷 组织为细针M A 冷处理 60 80 消除A 精密零件 尺寸稳定 低温回火 回火M 一般在160 保温3h或更长 回火硬度在HRC60 66 时效 120 140 10 20h去应力 稳定尺寸 1 服役条件 高接触压应力循环载荷弯曲力 冲击力摩擦磨损腐蚀 渗碳钢 表面渗碳 整体淬火 得到表面是高碳马氏体 沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体 可使表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性 而心部