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Lecture 22 合金结构钢,一、本课的基本要求： 掌握合金结构钢的成分特点，合金化原则。 了解合金结构钢的热处理特点，性能及用途。二、本课的重点、难点： 重点：合金结构钢的成分特点、热处理及用途。 难点：合金结构钢的合金化原则。 三、 思考题、作业： 1.总结渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的工作条件、性能要求、成分特点、热处理特点、典型钢种及其用途。 2.说明如何根据机器零件的工作条件选择机器零件用钢的含碳量和组织状态。四、教学参考资料： 1.崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，2000年。 2.胡德林主编，金属学及热处理，西北工业大学出版社，1994年。 3.刘毅，金属学与热处理，冶金工业出版社，1996年。,9.3. 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel ),结构钢：制造各种机械零件以及工程结构的钢。合金结构钢：在优质碳素结构钢的基础上，加入一些合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。,合金结构钢通常是按含碳量、热处理工艺和用途的不同来进行分类的，大致可分为：,9.3.1 合金结构钢的分类,构件用钢（普通低合金结构钢）：制作大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、锅炉、容器等。 机器制造用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢等）：制造各种机器零件，如轴类零件、 齿轮、弹簧和轴承等,9.3.2. 构件用钢（普通低合金结构钢）, 性能要求, 高强度及足够韧性：构件在静载荷长期作用下，要保证构件结构的稳定，需要有较高的刚度，不允许产生塑性变形和断裂，因而要求材料具有较高的屈服极限和抗拉强度，且塑性韧性较好。 耐蚀性及低的冷脆转变温度：由于构件长期处于低温及环境介质中工作，因而要求钢材具有较小的冷脆倾向性和较高的耐蚀性。 良好的工艺性能：为了制成各种构件，需要将钢厂供应的棒材、板材、型材、管材、带材等钢材先进行必要的冷变形，制成各种部件；然后用焊接或铆接的方法连拉起来，因而要求钢材必须具有良好的冷变形性和可焊性, 成分特点,根据构件的工作条件和性能要求，构件用钢大多采用：低碳(0.2%C) ，主加Mn，辅加少量的其它合金元素。, Mn：强化铁素体, 增加珠光体的量, 降低脆转温度。 V、Ti、Nb：起细化晶粒和弥散强化作用。Cu、P：可提高耐蚀性，RE：可提高韧性、疲劳极限。,合金元素的作用：, 热处理,大部分构件是在热轧空冷状态下使用，有时也在正火，回火状态下使用，其基本组织为：大量铁素体少量珠光体。, 常用的普遍低合金构件用钢, Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,南京长江大桥,压力容器, Q390钢（15MnV、15MnTi）含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器、车辆、船舶、桥梁等。, Q460钢（14MnMoVBNb）含Mo、B，正火组织为贝氏体 ，强度高，用于石化中温高压容器。,9.3.3. 机器制造用钢,机器制造用钢是指用于制造各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称为机器零件用钢。,按用途不同，机器制造用钢分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢等。,9.3.3.1 渗碳钢 （carburizing steel）, 渗碳钢的工作条件及对性能的要求,渗碳钢是指经渗碳处理后使用的钢种,不少机器零件如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销以及部分量具等，均采用渗碳钢制造。,渗碳件,现以齿轮为例分析其工作条件及对使用性能的要求,齿轮工作时，整个齿面上受到交变的弯曲应力作用，而在齿根断面上造成最大的弯曲应力，可产生弯曲疲劳破坏。破坏形式是断齿。齿轮工作时，通过齿面接触传递动力。在接触应力的反复作用下，会产生接触疲劳破坏。破坏形式有麻点剥落与硬化层剥落两种。齿轮工作时，两齿面相对运动（包括滚动与滑动），产生摩擦力，要求齿面有较高的耐磨性。齿轮工作时，有时还会承受强烈的冲击载荷，要求齿轮有较高的强韧性。,可见，齿轮的工作条件是很复杂的，为了满足这些要求，齿轮用钢不但应有高的耐磨性、接触及劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度，而且还应有较高的塑性和韧性。为此可采用低碳（合金）钢渗碳后进行淬火及低温回火处理，即可达到目的。, 渗碳钢的化学成分,根据渗碳零件的工作条件及性能要求，渗碳钢的化学成分有以下特点, 低碳(0.10.25%C),含碳量过低，表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高，则心部的塑性和韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。, 加入提高淬透性的合金元素,常加入的合金元素有Cr、Ni、Mo、Mn、W、Si和B等。提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层剥落。而心部的强度则取决于钢中含碳量及淬透性。, 加入阻止奥氏体晶粒长大的元素,常加入少量的W、Mo、Ti、V 等阻止奥氏体晶粒长大的元素。渗碳操作是在910930高温下进行的，为了阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。加入阻止奥氏体晶粒长大的元素, 渗碳钢的热处理,渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火,正火目的：调整硬度，便于切削加工。,渗碳后进行淬火及低温回火：以获得高硬度的表层及强而韧的心部。,淬火温度： Ac1+30-50,使用状态下组织：心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,渗碳淬火后的表层组织,高淬透性钢：18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。钢含合金元素总量在 4 % 6 %。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴, 常用的渗碳钢,低淬透性钢：15Cr、20Cr、20Mn2。钢含合金元素总量3 %，用于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,活塞销( 20Cr ),中淬透性钢： 20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。钢含合金元素总量在4 %左 右。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,9.3.3.2 调质钢（quenched and tempered steel）, 调质钢的工作条件及对性能的要求,调质钢：经过调质处理使用的结构钢,许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等。都是在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂，要求具有很高的强度，和良好的塑性和韧性，即要求良好的综合机械性能。调质钢经调质处理后获得回火索氏体组织，可以满足以上这些机器零件对使用性能提出的要求。, 调质钢的化学成分,中碳 (0.30.5%C),含碳量Wc0.300.50，以保证有足够的碳化物起弥散强化作用。在满足强度要求的前提下，应将其限制在较低的范围内，从而提高钢的韧性，增加零件工作时的安全可靠性。,加入提高淬透性的合金元素 （ Mn、Cr、Mo、B、Si，Ni ）,调质钢合金化的主要着眼点是提高钢的淬透性，在设计钢的成分时，必须保证钢有足够的淬透性，只有淬火得到马氏体，才能使钢具有良好的综合机械性能。, 加入防止第二类回火脆性的元素（ W、Mo ）,调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆温度范围内，钢中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除了回火后快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素Mo和W。, 加入细化奥氏体晶粒的元素 （W、Mo、V、Ti ）,回火索氏体中的铁素体晶粒越细小，则钢的强韧性越好，为了细化铁素体晶粒，首先必须先细化奥氏体晶粒。, 调质钢的热处理,调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工 (表面淬火+低温回火)装配,退火目的：降低硬度，便于切削加工，清除热加工时进成的组织缺陷（如带状组织）、细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好准备。,调质目的:获得良好综合力学性能 若进行表面淬火则 为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。, 常用调质钢,调质后的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。表面淬火后的组织为表面： M回；心部：S回,回火索氏体, 低淬透性调质钢,典型钢种是40Cr，40MnB，这类钢的油淬临界直径最大为3040mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。, 中淬透性调质钢,典型钢种为40CrNi，这类钢的油淬临界直径最大为4060mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。, 高淬透性调质钢,典型钢种为40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径为60100mm。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。,9.3.3.3 弹簧钢（spring steel）, 弹簧的工作条件及对性能要求,弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。在各种机器设备中，弹簧的主要作用是吸收冲击能量。缓和机械的振动和冲击作用。,根据工作条件，弹簧钢应具有以下性能：, 高的弹性极限（ e ）或屈服极限（ s ）和高的屈强比（ s/b ），以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。 高的疲劳极限（ -1 ），以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用年不产生疲劳破坏。 具有一定的塑性和韧性，以满足成形的需要和承受可能的冲击载荷。, 弹簧钢的化学成分, 中、高碳,目的是提高弹性极限和屈服极限。碳素弹簧钢的含碳量0.60-0.90，合金弹簧钢0.50-0.70。, 加入Si、Mn,目的是提高淬透性，强化铁素体（固溶强化），提高钢的回火稳定性。, 加入Cr、V、W,为克服SiMn钢的缺点，加入这些碳化物形成元素，可以防止钢的过热和脱碳，提高摔透性（主要是Cr），V、W可以细化晶粒，并可保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。, 弹簧钢的热处理,根据弹簧钢的生产方式，可分为热成型弹簧和冷成型弹簧两类，其热处理也分为两类。, 热成型弹簧用于大截面弹簧（10mm）,在淬火加热时成形，然后淬火+中温回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。, 冷成形弹簧用于10mm弹簧,大型热卷弹簧,对于直径较细的弹簧，先进行强化处理（冷变形强化或热处理强化），然后卷制成形，最后进行回火和稳定尺寸。,根据强化工艺的不同，可以分为以下三种情况。, 铅淬冷拔钢丝,铅淬处理是将弹簧钢（T8A、T9A、T10A）经正火酸洗后，先冷拔到一定尺寸，再加热到Ac3（80-100）奥氏体化，接着通过温度为500-550的铅浴进行等温冷却，以获得索氏体组织。此时钢丝具有很高的塑性和较高的强度。在此基础上进行多次冷拔，最后可获得表面光洁，并具有极高强度及一定塑性的弹簧钢丝，常称为白钢丝或琴弦丝，其强度可达3000MNm2以上，这类钢丝经冷卷成形后，只进行消除应力的回火处理。,弹簧丝, 冷拔钢丝,通过冷拔变形强化，但来经铁淬处理。在冷拔工序中间加入一道680的中间退火，以提高塑性，使钢丝继续冷拔到最终尺寸。冷卷成弹簧后只进行消除应力的回火处理。, 淬火回火钢丝,这种钢丝是在冷拔到最终尺寸后，再经淬火和中温回火处理，最后冷卷成弹簧。,以上三种强化方式的钢丝，在冷成形之后，必须进行回火，以消除应力，稳定尺寸。其回火温度一般为250300，时间为lh。,弹簧经热处理后，一般进行噴丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力，以提高疲劳强度。, 常用的弹簧钢,65Mn、60Si2Mn用于制造较大截面弹簧。 50CrV用于制造大截面、大载荷、耐热的弹簧 。,汽车板簧,热卷大弹簧,9.3.3.4 滚动轴承钢 （rolling bearing steel）, 滚动轴承的工作条件及对性能的要求,滚动轴承钢：用于制造滚动轴承套圈和滚动体的专用钢。也广泛用于制造各类工具和耐磨零件。,轴承元件的工作条件非常复杂和苛刻，对轴承钢的性能要求非常严格，主要有：, 很高的强度与硬度。轴承元件大多在点接触（滚珠与套圈）或线接触（滚柱与套圈）条件下工作，接触面积极小，在接触面上承受着极大的压应力，可达15005000MNm2。因此轴承钢必须具有非常高的抗压屈服强度和硬度（6264HRC）。 很高的接触疲劳强度。轴承在工作时，滚动体在套图之中高速运转，应力交变次数每分钟可达数万次甚至更高，容易造成接触疲劳破坏，如产生麻点剥落等，因此轴承钢必须具有很高的接触疲劳强度。 很高的耐磨性。滚动轴承在高速运转时，不仅有滚动磨擦，而且还有则动摩擦，因此要求轴承钢应具有很高的耐磨性。 轴承钢还应具有一定的韧性，对大气和润滑油的腐蚀抗力，尺寸稳定性等。, 轴承钢的化学成分,高碳(0.95-1.10%C)，主加Cr，辅加Si、Mn,轴承钢中含碳量0.95-1.10%C ，以保证钢在高的硬度及耐磨性。只有含微量足够高时，才能保证马氏作的高硬度，此外，碳还要形成一部分高硬度的碳化物，进一步提高钢的硬度和耐磨性。,轴承钢以Cr为主要合金化元素，Cr可以提高淬透性，还可以形成合金渗碳体，使钢中的碳化物非常细小均匀，从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。Cr还可提高钢的耐蚀性。Cr的含量一般控制在1.65Cr 。若Cr含量过高，则增加残余奥氏体的数量，降低硬度及尺寸稳定性；增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。制造大型轴承时，可进一步加入Si和Mn，以提高钢的淬透性。, 滚动轴承钢的热处理,轴承加工工艺路线为：,锻造球化退火机加工淬火 + 冷处理 ( 70/1h )低温回火磨削加工稳定化处理 ( 120 /5 - 10h ),球化退火的目的：获得粒状珠光体组织，调整硬度，便于切削加工及得到高质量的表面。790810A化后再降低至710720保温34h，使组织全部球化。,淬火+低温回火：滚动轴承钢淬火、回火后得到极细的回火马氏体；分布均匀细小的粒状碳化物（5%-10%）以及少量残余奥氏体（5%-10%），硬度为6266HRC。淬火温度：820-