第十二讲 合金结构钢

7-3合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的钢种称为合金结构钢。 随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其他特殊物理、化学性能的要求，这是碳钢就不能满足要求了。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所得的钢称为合金钢。 合金钢分类方法很多，例如按合金元素的含量多少，可分为低合金钢（总量低于5%）、中合金钢（总量5%10%）和高合金钢（总量高于10%）。按所含主要合金元素，可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。一、低合金结构钢（亦称普通低合金钢） 1、用途：主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、 大型钢结构等。 2、性能要求（1）高强度：一般s300MPa。（2）高韧性：要求为15%20%，室温ak6080J/cm2。（3）良好的焊接性能和冷成型性能。（4）低的冷脆转变温度。（5）良好的耐蚀性。,3、成分特点（1）低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。（2）加入以锰为主的合金元素。（3）加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。 此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。4、常用低合金结构钢 16Mn是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。 15MnVN等为中等级别强度的钢。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 强度级别超过500Mpa的钢为高等级别强度的钢（低碳贝氏体钢）。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。 5、热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体 + 索氏体。,二、合金渗碳钢 1、 用途：主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活 塞销等机器零件。 2、性能要求 （1）表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力。 （2）心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。 （3）有良好的热处理工艺性能。在高的渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。 3、成分特点 （1）低碳：碳含量一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。 （2）加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。 （3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。 4、钢种及牌号 20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度较低。 20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、具有良好的机械性能和工艺性能。 18Cr2Ni4WA高淬透性合金渗碳钢。 20Cr2Ni4A淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。,5、热处理和组织性能 最终热处理工艺是渗碳 + 淬火 + 低温回火。 热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为HRC60HRC62。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为HRC40HRC48；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为HRC25HRC40。心部韧性一般都高于70J/cm2。 6、应用举例： 12Cr2Ni4A航空发动机齿轮 (1)技术要求：渗碳深度：0.91.1mm；渗碳区硬度HRC60；非渗碳区HRC3141 (2)工艺流程,三、合金调质钢 1、用途：合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重 要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。 2、性能要求：调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综 合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。还要求有良 好的淬透性。 3、成分特点： （1）中碳：一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多。 （2）加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等;主要提高淬透性， 此外还能形成合金铁素体，提高钢的强度。 如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多。 （3）加入防止第二类回火脆性的元素：Mo、W。 4、钢种及牌号 40Cr低淬透性调质钢：油淬临界直径为3040mm，用于制造一般尺寸的重要 零件。 35CrMo中淬透性调质钢：油淬临界直径为4060mm,加入钼不仅可提高淬透 性，而且可防止第二类回火脆性。 40CrNiMo高淬透性调质钢：油淬临界直径为60100mm，多半是铬镍钢。加 入适当的钼，还可消除第二类回火脆性。 30CrMnSi飞机钢:淬透性中等。调质处理后性能： b=1100Mpa；=900Mpa；5=10%；=45%；ak=50J/cm2。 良好的工艺性，特别是焊接性。 80%的飞机钢质零件由该材料制造,5、热处理和组织性能 （1）最终热处理是淬火+高温回火（调质处理） 淬火：合金调质钢淬透性较高，一般都用油，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。 回火：一般采用500650回火。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。 （2）组织和性能 最终热处理后的组织是回火索氏体。 对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达HRC5558。 淬透调质后的屈服强度约为800MPa, 冲击韧性在80J/cm2心部硬度可达HRC22HRC25。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 6、应用举例： 30CrMnSiA九级压缩机盘 技术要求：布氏硬度d=3.23.5mm；b990MPa；s765MPa； 55%；27%；ak0.18MJ/m2,四、超高强度钢 高强钢（调质钢）：b=10001500MPa 超高强钢：b1500MPa 为什么要超高强度？ 飞机起落架零件的工作条件及对材料的性能要求: 受力分析：承受压缩载荷；冲击载荷；弯矩、扭矩。 性能要求：高强度；高韧性；良好的工艺性及经济性 强化方法：马氏体强化 最终热处理：淬火+低回 （得到回火马氏体组织） 1、低、中合金超高强度钢 成分特点：以调质钢为基础，加入Me（5%） 热处理：淬火（或等温淬火） + 低回 常用材料：30CrMnSiNi2A 淬火+低回 b1600MPa；ak60J/cm2 制造飞机上的重要受力件 40CrMnSiMoVA （国产） 等温淬火 + 低回 b1800MPa；ak=60J/cm2 歼八飞机起落架零件、涡轮轴、压气机轴,2、马氏体时效钢 成分：基体Fe-Ni(1825%),加入Mo、Ti、Nb、Al产生强化作用 热处理：淬火+时效 淬火后获得稳定的马氏体，时效时析出极细的化合物Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo等，它们弥撒分布在马氏体基体上，显著提高钢的强度。 性能：极高的强度、良好的塑性、韧性以及较高的断裂韧性。淬透性好，空冷可淬透，热处理变形小。有良好的冷变形及焊接性能。 应用：制造超音速飞机、火箭等壳体 材料：Ni25Ti2AlNb Ni18Co9Mo5TiAl 3、应用举例： 30CrMnSiNi2A机翼主梁 技术要求：布氏硬度d=2.742.9mm；b1700MPa；9%； 45%；ak0.6MJ/m2,四、合金弹簧钢 1、用途：主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 2、性能要求： （1）高的弹性极限，尤其是高的屈强比（s /b）以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。 （2）高的疲劳强度，以防止在交变应力作用下产生疲劳断裂。 （3）足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。 此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要 求耐热性、耐蚀性等。 成分特点 （1）中、高碳。高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，一般为0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 （2）加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还加入Cr、V、W等元素。 弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。 3、钢种和牌号 合金弹簧钢可分为两类 65Mn和60Si2Mn 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜， 淬透性明显优于碳素弹簧钢。主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。 50CrVA Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350400温度下承受重 载的较大弹簧。,5、加工、热处理与性能 弹簧按加工和热处理可分为两类：（1）热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，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，一般用来制作为较大型的弹簧。 （2）冷成形弹簧 小尺寸弹簧用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。冷卷成型后靠加工硬化提高强度，不须进行淬火处理，但必须去应力退火 （3）为了提高弹簧的疲劳寿命，目前还广泛采用喷丸强化处理。 6、应用举例：60Si2Mn制造热成型板簧的工艺路线如下： 扁钢下料 加热压弯成型 淬火 中温回火 喷丸,五、滚珠轴承钢 1、用途：主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈 等，属专用结构钢。也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。 2、性能要求 （1）高的接触疲劳强度：轴承元件接触处的压应力高达15005000MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落。 （2）高的硬度和耐磨性：硬度一般为HRC62HRC64。 （3）足够的韧性和淬透性。 此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。 3、成分特点 （1）高碳 碳含量一般为0.95%1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性。 （2）加入铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe, Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性, 特别是疲劳强度。 （3）加入硅、锰、钒等 Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。 4、钢种和牌号GCr15是最常用的铬轴承钢。使用量占轴承钢的绝大部分。GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV为添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢。 加入Si、Mn可提高淬透性。 GSiMnMoV、GSiMnMoVRE为无铬轴承钢。其中Mo、V可代替Cr，其性能与GCr15相近。,5、热处理及组织性能 （1）热处理 预备热处理为球化退火。降低钢的硬度，利于切削加工；获得细的球状球光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件