航空工程材料 合金结构钢

合金结构钢的认知合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，有意加入了一种或数种合金元素，以满足其各种使用性能要求的钢材。它用于制造重要的工程结构和机器零件。它的应用范围最广、用量也最大。航空工业中常用的合金结构钢主要有合金渗碳钢、合金调质钢、超高强度钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。一．合金渗碳钢合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。如制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受较强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。1.化学成分特点（1）低碳这类钢的含碳量通常在0.10～0.25%之间，这是为了保证渗碳零件心部具有良好的韧性。（2）合金元素这类钢中含有的合金元素主要有三种类型：一是一般碳化物形成元素如Cr、Mn、Mo、W等，主要目的是在渗碳后于零件表面形成碳化物，提高硬度和耐磨性。二是非碳化物形成元素如Ni、Si等，主要目的是提高基体的淬透性，提高强度和韧性。三是强碳化物形成元素如V、Ti等，主要目的是防止渗碳和淬火加热时奥氏体晶粒的粗化。这类元素对硬度和耐磨性也有贡献，它们的碳化物稳定性好，硬度比一般碳化物更高。2.性能特点和用途合金渗碳钢经渗碳、淬火和回火处理后，零件表面形成渗碳层，具有高硬度、耐磨性、抗疲劳性及适当的塑性和韧性，未渗碳的心部具有足够高的强度及优良的韧性。合金渗碳钢主要用来制造表面承受剧烈磨损，并承受动载荷的零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，是机械制造中应用较广泛的钢种。3.热处理和组织性能为了保证渗碳零件表面得到高硬度和高耐磨性，合金渗碳钢的热处理工艺一般都是在渗碳后直接进行淬火，再低温回火，其回火温度渗碳后的钢种，表层碳的质量分数为0.85～1.05%，经淬火和低温回火热处理后，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”组成，硬度可达58～64HRC。而心部的组织与钢的淬透性及零件的截面有关：当全部淬透时是低碳回火马氏体，硬度可达40～48HRC；在多数未淬透的情况下是托氏体、少量低碳回火马氏体及少量铁素体的混合组织，硬度约为25～40HRC，冲击吸收功Ak≥47J。心部韧性一般都高于700kJ/m2。二．合金调质钢合金调质钢一般是指碳素调质钢中加入合金元素后形成的经调质处理后使用的结构钢，是应用最广的结构钢，在机械结构钢中占70%。合金调质钢广泛应用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。为获得良好的机械性能，对调质钢通常进行调质处理。调质钢合金化的目的是提高钢的淬透性和综合机械性能。（1）中碳含碳量中等，通常为0.25～0.50%之间，以保证良好的综合机械性能。含碳量过低，强度、硬度不足，含碳量过高，韧性、（2）合金元素合金调质钢的主加合金元素为Mn、Si、Cr、Ni等，这些合金元素除了提高钢的淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多。另外还有些元素是为改善某一特性或满足某一些工艺要求而加入的，如在钢中加入Mo、W元素可以防止第二类回火脆性，在钢中加入V元素可以细化奥氏体晶粒，加入微量B元素极明显地提高了钢的淬透2．性能特点及用途合金调质钢的基本性能是具有良好的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性，此外，还要求有很好的淬透性。合金调质钢是制造承受较复杂、多种工作载荷零件的合适材料，如各种连接用的螺栓、机床主轴、齿轮及汽车曲轴、凸轮轴等零件。3.热处理特点和组织性能合金调质钢的最终热处理为“淬火＋高温回火”，即调质处理，以获得回火索氏体组织，从而使钢具有最佳的综合性能。4.常用钢种低淬透性的40Cr、40MnVB等，中淬透性的40CrMn、35CrMo、30CrMnSiA，高淬透性的40CrMnMo、25Cr2Ni4W钢等。三．超高强度钢大型干线飞机、高速飞机的发展，要求节省燃油、提高速度、增加续航时间、增加载重量以及提高其他性能。要减小飞机的自重，就应使材料在比重不变或变化不大的前提下，显著地提高材料的使用强度，以减小零部件的截面尺寸。使用强度σb≥1500MPa或σs≥1400MPa的钢，常称超高强度钢。飞机上选用这类钢制造起落架、机翼、大梁等大型零部件，既满足承载要求，又减轻了自重。低合金超高强度钢是由合金调质钢发展而来的。钢中含碳量中等，一般为wc=0.30～0.45%，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。在碳与合金元素共同作用下，使淬透性、回火抗力增加，使固溶体（马氏体或下贝氏体）明显强化。镍因有降低临界温度及增加固溶体的韧性的作用，从而使钢在具有超高强度时有较高的韧性。钒可细化晶粒，亦可改善钢的强韧性。2.热处理特点为获得超高的强度，这类钢的最终热处理是淬火并低温回火，依靠马氏体强化达到超高强度。为了减少淬火应力和变形，还可采用等温淬火并回火处理，以获得马氏体或下贝氏体组织，达到强度要求。3.常用的钢种（1）30Ni4CrMoA及40CrNiMoA（AIS14340）这两种钢淬透性很好，调质处理后，可在大截面上获得均匀的高强度及高的塑性、韧性配合。其冷脆转变温度低，缺口敏感性小，抗疲劳性好。该钢适于制造截面较大的重要受力零件，已用于制造直升机的重要零件，如旋翼接头、主减速器前后接头、机身专用螺栓、发动机涡轮轴、直升机螺旋桨轴等。（2）30CrMnSiNi2A这是我国航空工业广泛应用的低合金超高强度钢。该钢在30CrMnSiA的基础上提高了Mn和Cr的含量，并添加了质量分数为1.4%～1.8%的Ni，使其淬透性得到显著提高，改善了钢的韧性和回火稳定性，可获得良好的抗疲劳性和断裂韧度。该钢适宜制造高强度连接件、轴类零件以及起落架等重要受力结构件。其长期用于制造起落架、机翼主梁、中央翼的带板及缘条、结合螺栓、涡轮喷气发动机压气机中机匣的后段等重要受力结构部件。（3）40Ni2Si2MoVA（300M）这是典型的飞机起落架用钢。该钢具有高淬透性、抗回火能力、超高强度及较高的横向塑性、断裂韧性、抗疲劳及抗应力腐蚀等性能。其适宜制造飞机起落架、机体零件、发动机后框架、接头和轴等零件。（4）45CrNiMoVA（D6AC）这是一种均质航空防弹钢。经淬火加低温回火后具有良好的防弹性能，可用作歼击机、轰炸机和武装直升机的装甲防护结构。四．合金弹簧钢合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件，其作用是吸收冲击能量，缓和零件间的冲击；或者储存能量使机构完成某一动作。合金弹簧钢必须具有高的屈服强度和较高的疲劳强度，以免产生塑性变形并防止过早的疲劳破断。（1）中、高碳合金弹簧钢的含碳量一般在0.50～0.85%之间。含碳量过低，达不到高的屈服强度要求，含碳量过高，不仅屈服强度不高，脆性也太大。（2）合金元素为提高淬透性和回火抗力以增高屈服强度，钢中加入的合金元素有硅、锰、铬等，少量的钒可细化晶粒并提高回火2.热处理特点淬火加中温回火处理，以获得回火屈氏体组织。3.性能特点及应用（1）高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs/σb，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σr，以防止在震动和交变应力作用下产生疲（3）足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。此外，合金弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求有耐热性、耐蚀性等。合金弹簧钢一般用于制造截面尺寸较大，承受较重负荷的弹簧和各种弹性零件，有时也用于制造具有一定耐磨性的零件。五．滚动轴承钢滚动轴承钢是用来制造各种滚动轴承的内外元件，如轴承内外圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针）的专用钢。从化学成分上看，它属于工具钢，所以也用于制造形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。（1）高碳一般的轴承用钢是高碳铬钢，碳的含量为0.95%~1.15%，属过共析钢，目的是保证轴承具有高的强度、硬度和耐磨性。（2）铬为基本合金元素铬作为其基本合金元素，其含量为0.4～1.65%。铬的作用主要是提高淬透性，使组织均匀，并增加回火稳定性。（3）加入硅、锰、钒等合金元素Si、Mn的加入可以进一步提高钢的淬透性，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，以提高钢的耐磨性并防止过热。（4）高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，滚动轴承钢的纯度要求极高，硫、磷含量限制极严（wS<0.020%、wP<0.027%）。故它是一种高级优质钢（但在牌号后不加“A”字）。2.热处理特点滚动轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理采用球化退火，以获得球化体组织，降低锻造后钢的硬度，利于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。最终热处理采用淬火+低温回火，以获得轴承钢所需的最终性能。3.性能要求（1）高的接触疲劳强度轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500～5000MPa；同时，应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。（2）高的硬度和耐磨性硬度一般为62HR