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1 第6章结构钢 6 1工程结构钢6 2渗碳钢6 3调质钢6 4弹簧钢6 5滚动轴承钢 结构钢 用来制造工程结构及机械零件的钢 2 6 1 1工程结构钢的性能要求 工程构件的服役特点 不作相对运动 长期承受静载荷作用 有一定的使用温度和环境要求 例如 寒冷的北方 构件在承载的同时 还要长期经受低温的作用 电站锅炉构件的使用温度则可达到250 以上 桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀 工程结构钢的力学性能要求 弹性模量大 以保证构件有更好的刚度 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力 即 s和 b较高 而 和 较好 缺口敏感性及冷脆倾向性较小等 具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能 一定的工艺性能 3 6 1 2工程结构钢的化学成分特点1 低碳 C 0 25 目的 为了获得较好的塑性 韧性和焊接性能 2 主加合金元素Mn Mn 1 8 目的 固溶强化 使共析成分点左移 从而减少F量而增加P量 以达到强化的目的 3 辅加合金元素Al V Ti Nb等目的 形成稳定的碳化物和氮化物 从而细化晶粒以及第二相强化的目的 4 为了改善耐蚀性还应加入Cu 0 4 和P 0 1 5 加入微量稀土元素目的 脱S去气 净化钢材 改善夹杂物的形态及分布 4 6 1 3碳素结构钢主要用作结构件 少量用作机器零件 由于其易于冶炼 工艺性好 成本低廉 所以其用量约占钢总产量的70 80 根据国标GB 700 88 碳素结构钢分为 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五类 屈强比 s b一般在0 65 0 75之间 延伸率一般不小于21 韧 脆转折温度应低于 30 5 低合金结构钢又称低合金高强度结构钢 HSLA 它是在碳素结构钢的基础上 加入少量合金元素 Me 3 发展起来的具有更高强度的工程结构钢 按照屈服强度 低合金结构钢通常分为6个级别 300 350 400 450 500 550 600MPa 性能要求 1 高强度 一般屈服强度在300MPa以上 2 高韧性 要求延伸率为15 20 室温冲击韧性大于600 800kJ m2 对于大型焊接构件 还要求有较高的断裂韧性 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 6 1 4低合金结构钢 6 编号方法 牌号 Q345C 7 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 F 少量P 8 常用的钢种 Q345钢16Mn是我国低合金高强钢中用量最多 产量最大的钢种 使用状态的组织为细晶粒的F P 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 用于船舶 桥梁 车辆等大型钢结构 Q390钢 15MnV 含V Ti Nb 中等级别强度钢中使用最多的钢种 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 中等压力的容器 9 强度级别超过500MPa后 F P组织难以满足要求 于是发展了低碳贝氏体钢 加入Cr Mo Mn B等元素 有利于空冷条件下得到B下组织 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 如14CrMnMoVB 10 6 1 5提高低合金结构钢性能的途径 1 微合金化与控制轧制相结合加入少量V Ti Nb等微合金化元素 通过控制轧制使钢的晶粒细化 达到强韧化的效果 控制轧制与控制冷却控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式 其主要目的是细化晶粒组织 从而提高热轧钢的强韧性 控制轧制主要由三个阶段组成 高温下的再结晶区变形 在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形 在A F两相区变形 11 控制轧制三个阶段以及每个阶段变形时显微组织的变化示意图 12 阶段1 使粗大的奥氏体 a 多次变形和再结晶而细化 b 但是这时由A转变的F仍较粗大 b 阶段2 在伸长而未再结晶的奥氏体 c 内形成变形带 而且使铁素体在变形带以及A晶界上形核 从而形成细小的F c 阶段3 在A F两相区的变形 继续阶段2的过程 此时铁素体也发生变形 从而形成亚结构 13 2 通过多元微合金化 如Cr Mn Mo Si B等 改变基体组织 热轧空冷后得到贝氏体或马氏体组织 提高强度 3 超低碳化超低碳化的主要目的是保证韧性 焊接以及冲压性能 1 发展微合金化低碳高强度钢其成分特点是低碳 0 12 0 14 高Mn 微量合金元素V Ti Nb Zr Cr Ni Mo及稀土等 2 发展新型低合金高强度钢a 低碳贝氏体钢 加入Mn Cr V等元素 b 低碳索氏体钢 低碳低合金钢淬火得到低碳M 然后高温回火得到低碳回火S c 针状铁素体钢 C 0 04 0 08 加入Mn Mo Nb合金元素 限制V Si N和S含量 14 双相钢 一 双相钢的特征传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说 没有具备足够的冷成形性 因而需要改善强度 成形性的综合性能 以满足汽车冲压成型件的要求 双相钢的开发 使这类问题在一定程度上得到了解决 双相钢的开发目标是把显微组织从F P F 岛状M 奥氏体 双相钢性能的特点为 1 具有连续强度的 曲线 2 低的屈服强度 一般不超过350Mpa 3 高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性的配合 15 下图比较了一般低合金高强度钢和双相钢的 曲线 图注 一般低合金高强度钢和双相钢的 曲线的比较 在双相钢中得到了光滑的连续 曲线 起始屈服强度较低 随后 曲线的其余部分迅速增加 它意味着双相钢具有高的应变硬化速率 双相钢的组织为 铁素体 马氏体 岛状 少量的残余奥氏体 16 二 双相组织的获得方法1 热处理双相处理 退火双相钢 钢在 F A 两相区加热退火 然后空冷或快冷 得到F M组织 2 热轧双相钢生产双相钢的另一工艺是热轧后 控制冷却 使钢形成80 90 的细小多边形铁素体 在剩余奥氏体岛中C和一些合金元素富化 促使奥氏体岛的稳定 因此它既不转变为P 也不转变为B 而是在较低相变温度下形成M A组成体 17 三 双相钢优异性能的原因低屈服强度和高应变硬化率的原因存在三种可能 l首先 在马氏体区域存在残余应力 这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化 l其次 由于这些体积和形状变化效应 使周围铁素体经受塑性变形 导致铁素体中存在高密度的可动位错 l再次 伴随着马氏体的残余奥氏体 在成形操作时 发生应变诱发马氏体相变 所有这些原因 均引起起始屈服发生在较低应力水平下 同时这些过程进行时 进一步塑性变形所需应力迅速增加 18 四 双相钢的典型成分和用途典型的化学成分范围是 w C 0 04 0 10 w Mn 0 8 1 8 w Si 0 9 1 5 Mo 0 3 0 4 w Cr 0 4 0 6 以及微合金元素V等 用途强度 成形性的综合性能好 满足汽车冲压成型件的要求 19 6 2 1渗碳钢的性能要求有一些机器零件 如变速箱齿轮 在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用 并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦 并有高的接触应力 这些零件对材料的机械性能要求 1 表面具有高的弯曲 接触疲劳强度以及高的耐磨性 2 心部具有高强度和韧性 6 2渗碳钢渗碳钢指经渗碳淬火 低温回火处理后使用的钢 它一般为低碳优质碳素结构钢和合金钢 20 6 2 2渗碳钢的化学成分特点1低碳一般在0 12 0 25 主要目的是为了保证心部有良好的韧性 2合金化常加入的合金元素有Si Mn Cr Ni Mo W V Ti B等 1 提高钢材的淬透性 提高机件的强度和韧性 2 V Ti Mo W可以细化奥氏体晶粒 也可以提高渗碳层硬度 21 6 2 3渗碳钢的热处理特点1预先热处理合金渗碳钢零件 在机械加工前的预先热处理通常分两步进行 第一步 正火 退火 对P型钢 第二步 高温回火 对M型钢 22 正火的目的是细化晶粒 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 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S 这样可使马氏体型钢的硬度由380 550HB降低到207 240HB 以顺利地进行切削加工 23 2最终热处理 1 渗碳在机械加工到只留有磨削余量时 进行渗碳处理 24 渗碳零件的渗碳过程大都是在900 950 温度进行的 钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的 如超过碳在奥氏体中的极限溶解度 在表面层中就会出现碳化物 渗碳扩散层的厚度决定于 1 碳在奥氏体中的极限溶解度 2 碳在奥氏体中的扩散速度 3 扩散的时间 25 2 淬火和低温回火 20CrMnTi钢齿轮的热处理规范 26 淬火和低温回火后的组织 渗碳表面 高碳回火M 残余A 碳化物 硬度高 58 60HRC 耐磨性高 基体部分 心部 低碳回火M 淬透性高的钢种 低碳回火M B 40 48HRC 淬透性中等的钢种 低碳回火T 25 40HRC 淬透性小的钢种 这些组织使零件具有更好的强硬度与韧塑性的配合 心部的冲击韧性一般都高于700kJ m2 27 28 29 6 2 4典型渗碳钢及其应用碳素渗碳钢 15 20合金渗碳钢按淬透性的高低可分为 1 低淬透性合金渗碳钢20Cr 20Mn2等 2 中淬透性合金渗碳钢20CrMnTi 20Mn2TiB 20MnVB等 3 高淬透性合金渗碳钢12Cr2Ni4A 15CrMn2SiMo 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A等 30 低淬透性合金渗碳钢抗拉强度通常为800 1000MPa 典型钢种是20Cr 20Mn2等 这类钢通常只用于制造受冲击载荷较小的 且对于心部要求不高的小型渗碳件 如小齿轮 活塞销 套筒 链条等 中淬透性合金渗碳钢抗拉强度通常为1000 1200MPa 典型钢种是20CrMnTi 20Mn2TiB 20MnVB等 31 20CrMnTi钢有良好的机械性能和工艺性能 淬透性较高 由于含有Ti 其过热敏感性小 20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到875 直接淬火 先预冷再淬火是为了减少淬火变形 同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体 合金渗碳体 使得淬火后的渗碳层中的残余奥氏体的数量减少 因此这种钢大量用于制造承受高速 中载并要求抗冲击和耐磨损的零件 特别是汽车 拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等 32 20Mn2TiB 20MnVB是为节约Cr而发展的代用钢 它们的缺点是淬透性不够稳定 热处理变形稍大且缺乏规律 离合器片淬火 33 高淬透性合金渗碳钢抗拉强度通常高于1200MPa 典型钢种是12Cr2Ni4A 15CrMn2SiMo 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A等 这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素 渗碳层后表层的C含量又很高 这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降 若渗碳后直接淬火 渗碳层中将保留大量的残余A 使表面硬度下降 因此必须设法减少残余A的数量 34 由于这类钢含有较多的Ni 使得钢具有很好的韧性 特别是低温冲击韧性 因此主要用于制造大截面 高载荷的重要齿轮和耐磨件 如飞机 坦克中的重要齿轮及曲轴等 为了减少残余奥氏体的数量 通常可以采用下面的三种方法 第一种方法是淬火后进行冷处理 60 100 使残余A继续转变为M 35 第二种方法渗碳及正火后进行一次高温回火 600 620 使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出 高淬透性钢在正火时就可淬火形成马氏体 随后再加热到较低温度 Ac1 30 50 淬火时 这些碳化物不再溶入奥氏体中 故减少了奥氏体中碳及合金元素含量 使马氏体转变温度有所升高 淬火后残余奥氏体数量就自然减少了 最后再进行低温回火 以消除内应力并提高渗层的强度和韧性 若将上述两种减少奥氏体的方法同时采用 效果更好 36 第三 在渗碳后进行喷丸强化 也可以有效地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体 渗碳钢还可以用来制造轴承 本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A 37 表3 7典型渗碳钢的成分 38 表3 8典型渗碳钢的热处理和机械性能 39 6 3调质钢 6 3 1调质钢的基本特点 具有中等的碳含量 热处理工艺为 淬火 500 650 高温回火 具有良好的强度 塑性及韧性配合 6 3 2调质钢的合金化及热处理的主要原则 保证钢具有必需的淬透性 使零件在淬火后具有足够厚的马氏体层 钢在高温回火后能获得预期的综合机械性能 40 6 3 3调质钢的化学成分 碳含量一般在0 3 0 5 之间 主加合金元素 辅加合金元素 重要的调质钢一般都含有多种合金元素 41 合金元素的作用 提高淬透性 Mn Si等溶于 相 起固溶强化作用 Cr Mo W V等阻碍 相的再结晶 也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大 使钢保持高硬度 加入Mo W来防止回火脆性 V Ti Al起细化晶粒的作用 4 调质钢的组织 调质钢经淬火 高温回火后的金相组织是回火S 多边形F 粒状碳化物 42 6 3 4调质钢的热处理特点1 预备热处理为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织 需要进行预备热处理 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是P 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 而合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织则为M组织 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 高温回火 使马氏体型钢的强度由HB380 550降至HB207 240 可以顺利地进行切削加工 正火的目的是细化晶粒 减少组织中的带状程度 并调整好硬度 便于机械加工 43 2 最终热处理 44 案例分析 40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓 其加工工艺路线是 锻造 退火 正火 机械加工 粗加工 调质处理 机械加工 精加工 装配 调质处理中的淬火 加热温度为840 10 油冷回火 加热温度为520 10 水冷 防止第二类回火脆性 45 6 3 5常用调质钢的成分 热处理 机械性能和用途 46 常用调质钢的热处理和机械性能 47 6 4 1弹簧的性能要求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 因此弹簧钢应具有高的弹性极限 e 弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧 板弹簧主要用于机车 汽车 拖拉机上 起着车轮和车架之间联结的作用 受力则以反复弯曲应力为主 提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度 螺旋弹簧不管是受压或受拉 其承受的应力主要是扭转应力 螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳 6 4弹簧钢 48 6 4 2弹簧钢的化学成分特点1碳含量碳素弹簧钢的碳含量一般为0 8 0 9 合金弹簧钢的碳含量为0 5 0 7 碳含量过低 达不到高强度的要求 碳含量过高 钢的脆性很大 49 2加入Si Mn为主的合金元素Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素 目的是提高淬透性 固溶强化铁素体 提高钢的回火稳定性 Si含量高时增大C石墨化的倾向 且在加热时易于脱碳 Mn则易于使钢过热 50 3加入Cr W V Nb克服硅锰弹簧钢的不足Cr W V Nb为碳化物形成元素 它们可以防止过热 细化晶粒 和脱碳 从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限 4弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响 因此 弹簧钢均为优质钢 P 0 04 S 0 04 或高级优质钢 P 0 035 S 0 035 51 6 4 3弹簧钢的热处理特点1冷成形弹簧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 冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200 400 的去应力退火 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 52 2热成形弹簧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 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 53 弹簧钢的热处理一般为淬火 中温回火 54 6 4 4典型弹簧钢及应用1碳素弹簧钢65 70 75和85钢 碳素钢经热处理后可以得到较高的强度和适当的塑性 但其淬透性较低 65Mn为高锰碳素弹簧钢 和其他碳素弹簧钢比较 具有稍高的淬透性 脱碳倾向小 但容易过热并有回火脆性的倾向 故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧 55 2合金弹簧钢60Si2Mn主要用于制造汽车 拖拉机和机车上的板簧 10 12mm厚 和螺旋弹簧 直径为20 25mm 等 淬透性和性能高于65Mn 硅显著提高弹性极限和屈服比 略提高淬透性 但又不使Ms点下降 不致增加淬火开裂倾向 可以防止氧化 但却促进脱碳倾向 故应特别注意防护 56 各式汽车板簧 各类汽车用变截面钢板弹簧 12 14 16Ton车轴用钢板弹簧 57 50CrVA这类钢可用于制造350 400 下承受重载的大型弹簧 如阀门弹簧 高速柴油机的汽门弹簧等 Cr和V的复合加入 不仅提高弹簧钢的淬透性 而且有较高的高温强度 韧性和较好的热处理工艺性能 表3 4常用弹簧钢的化学成分和用途 表3 5常用弹簧钢的热处理和力学性能 58 表5 4典型弹簧钢的成分和用途 59 表5 5典型弹簧钢的热处理和机械性能 60 6 5 1滚动轴承的工作条件滚动轴承的作用是支撑轴 滚动轴承通常由内套 外套 滚动体 如滚珠 滚轮 滚针 和保持架四部分组成 其中除保持架用低碳钢 08钢 薄板冲制而成 其余三个部分均由轴承钢制造 滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触 承受很大的压应力 高达3000 5000MPa 和交变载荷 6 5滚动轴承钢 61 滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦 而且有滑动摩擦 有时在强大的冲击载荷作用下 轴承也可能产生破碎 对在特殊条件下工作的轴承 常与大气 水蒸气及腐蚀介质相接触 进而产生腐蚀 滚动轴承损坏的正常形式是 疲劳剥落 即接触疲劳破坏 磨损 破裂 锈蚀等 62 6 5 2滚动轴承的性能要求 1高的淬硬性和必要的淬透性 2高的耐磨性 3高的接触疲劳性能 4高的弹性极限和一定的冲击韧性 5尺寸要精确而经久稳定 6一定的抗腐蚀能力 7良好的工艺性能 63 6 5 3滚动轴承钢的化学成分特点1高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性 轴承钢的碳含量很高 一般为0 95 1 15 属于过共析钢 一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体 另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性 过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性 且易生成网状碳化物而降低其性能 64 2加入主加合金元素铬Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能 钢中部分Cr形成的合金渗碳体 Fe Cr 3C在淬火加热时溶解较慢 可减少过热倾向 经热处理后可以得到较细的组织 碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中 既可提高钢的回火稳定性 又可提高钢的硬度 进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度 当铬含量高于1 65 以后 则会使残余奥氏体增加 使钢的硬度和尺寸稳定性降低 同时还会增加碳化物的不均匀性 降低钢的韧性 适宜的铬含量为0 40 1 65 65 3加入Si Mn V等以进一步提高淬透性 大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性 通常加入Mn Si提高淬透性 适量的Si 0 40 0 60 还能明显地提高钢的强度和弹性极限 加入V一部分溶于奥氏体 提高淬透性 另一部分形成碳化钒VC 提高钢的耐磨性并防止过热 通常无铬钢中都含有钒 66 4降低S P含量 减少氧化物 硅酸盐夹杂物的数量 提高冶金质量 由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感 所以要求S 0 02 P 0 027 一般采用电渣重熔 电炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量 67 6 5 4滚动轴承钢的热处理特点由于轴承钢是过共析钢 并且对碳化物的形状和分布要求较高 因此其预先热处理通常采用球化退火 1球化退火GCr15钢的球化退火加热温度范围为770 810 790 被认为是最适宜的加热温度 目的 1 降低钢的硬度到207 229HBS以利于后续的切削加工 2 为最终热处理作好组织准备 获得细球状P 均匀分布的细粒状碳化物 68 69 2最终热处理轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火 对GCr15钢 淬火加热温度为820 840 温度过高会引起过热 晶粒长大 使钢的韧性和疲劳强度下降 且易淬裂和变形 温度过低 则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够 钢