第3章机械制造结构钢-2014

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• 非调钢组织:主要是F+P+弥散析出K。 • 主要强化作用:细化组织和沉淀强化。 • 微合金化元素: Ti、Nb、V 、N等,V最主要。
多元适量,复合加入:Nb-V-N和Ti-V等— 主要贡献是细 化组织。
二、获得最佳强韧化的工艺因素
相间 析出
沉淀强化 细化组织
工艺参数 是关键
控制轧制 控制冷却
加入Cr,Mn,Mo提高淬透性; 加入Mo,V等可以使钢在高温下保持高强度;
加入少量Mo,可以防止高温回火脆性。
四.常用的氮化钢
氮化层的厚度通常在0.2~0.5 mm; 我国常用氮化钢种主要有:
38CrMoAl, 38CrAl ,35CrMo等
3. 6 弹簧钢
一. 工作条件与性能要求
3. 5 氮化钢
一. 概述
在氮化前要调质处理,得到回火S; 显著提高其疲劳强度和耐磨性,还具有抗介质腐蚀能力; 氮化温度低;零件变形小。 适用于在一些要求疲劳强度高,耐磨性好,尺寸精确、稳
定性好的零件,如镗床、磨床的主轴、蜗杆等; 氮化处理的缺点:生产周期长,成本高; 钢中最有效的氮化元素是Al、Nb、V, 其次是Cr, Mo,
高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
分析比较: 40Cr→40CrNi→40CrNiMo
淬透性 回稳性 塑韧性
40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
一. 钢种
在淬火后低温回火(150℃~250℃)后使用的较大C%范 围(0.15%~1.40%)低合金钢。
1) 0.15~0.25%C的低C. M钢和渗碳钢; 2) 0.30-0.60%C的低合金超高强度钢; 3) 滚动轴承钢等。
二. 低温回火钢组织与性能
成分:C量较宽,合金元素综合合金化; 组织:回火M(未渗透:有B,P或F)
二. 低合金超高强度结构钢
1. 概念
凡含合金元素总量不超过5%,用回火M或下B作为其使 用组织,经过热处理后 抗拉强度大于1400 MPa (或屈 服强度大于1300MPa)的中碳低合金钢,均可称为低合 金超高强度钢。
用作飞机起落架、飞机机身大梁、火箭发动机外壳、火 箭壳体。
2. 成分与合金化
C:0.27%—0.45% M:Cr, Mn, Ni, Si, Mo, V等
细化组织和沉 淀析出要协调
决定各种强化机制的效果
相间沉淀析出示意图
三、组织因素对强韧性贡献的大小
间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量 一般认为可提高150~400 MPa,甚至可达 到600 MPa。
细化组织强化量大约在50 ~ 300 MPa, 脆化矢量为- 0.66℃/ MPa。
其它强化机制都不同程度地降低韧度。
调质钢 非调质钢 低温回火马氏体钢 渗碳钢 氮化钢 轴承钢 弹簧钢 易切削钢 超高强度钢 高锰钢
3. 2 调质钢
概念 成分、合金化与分类 组织 热处理 性能
一. 调质钢的概念
结构钢在淬火与高温回火(500-650℃)后具有 良好的综合力学性能,有较高的强度,良好的塑性 和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调质钢。
C、N原子的固溶强化; Mn和Cr元素的脆化矢量为零; Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小,Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。
在强化机制上,不同的成分和工艺是不同 的,所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
Mn对非调质钢韧性的影响
V、Ti、Nb对 强度的影响
复合微合金化非调质钢典型成分
Me主要有Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti,
N, Al, B 等;合金元素总量一般不超过5%, 少量例外;
镇静钢;优质或高级或特级优质钢。
四. 强化方式
四种基本强化形式 位错强化;细晶强化;固溶强化;沉淀强化
马氏体强化 位错强化 + 固溶强化 + 沉淀强化 (+细晶强化)
心部又有高强度和韧性。
应用:齿轮、活塞销、凸轮、
二. 渗碳钢的成分与合金化
低C钢,一般<0.25% ;
合金元素:Mn,Cr,Ni,Si,W,V,Ti,B
主要作用之一是提高渗碳钢淬透性。 Ti、V 阻止 A 在高温渗碳时长大; Cr, Mn,Mo 有利于渗碳层增厚; Ti, V 能减小渗碳层厚度; Ni, Si等元素不利于渗碳层增厚。
三. 渗碳钢钢种
根据淬透性的大小,可分级为:
1)15,20 2)15Cr, 20Cr, 20MnV,20Mn2B
3)20MnVB,25MnTiBRE,20MnMoB, 20MnTiB,20CrMn,20CrMnTi
4)12CrNi3,22CrMnMo,20SiMnVB 5)20Cr2Ni4,18Cr2Ni4W
依据 不同成分的调质钢只要其淬透性相当,当淬火及高温回 火后,其性能相近。
在机械制造工业中,调质钢是按淬透性高低来分 级的。 DC为油淬临界直径
低淬透性合金钢: DC < 30~40mm, 有40Cr、40Mn2、 42SiMn、35CrMo、42Mn2V等
中淬透性合金钢: DC:40~60mm, 有40CrNi、42CrMo、 40CrMn、30CrMnSi等
牌号
C Si Mn Cr V Nb Ti 其他
27MnSiVS6(德) 0.26 0.70 1.50
0.10
0.02
S1000(法) 30ΧΓΦΤ(俄)
0.47 0.36 0.30 0.55
1.55 0.14 0.12 0.065
0.03
Mo
1.0 0.60 ≤0.2
≤0.17
1524MoV(美) 0.22 0.35 1.54
细化; 防止或减轻回火脆性,加入 Mo,W
五. 调质钢的应用
调质钢的不足: 1)没有利用马氏体精细结构强化作用; 2)K的弥散强化作用也没有充分体现。
应用: 在要求良好的综合机械性能,尤其是需要较高的(冲击) 韧性时,采用中C钢的调质处理才正能发挥其优势。
微合金非调质钢
一、微合金元素对强韧化的贡献
W。
二. 提高疲劳寿命和耐磨性的原因
表面形成的高硬度的氮化层γ’相(Fe4N)和ε相 (Fe3-2N);
渗入的N原子形成高弥散的合金氮化物的弥散强 化作用;
N原子溶入表面层所产生的残留压应力可以抵消 因外力作用而产生的张应力减少了疲劳破裂的可 能性 。
三. 氮化钢的合金化思想
加入Al(其氮化物硬度HV1000以上);V, Cr, Mo, (其 氮化物HV900以下)可以提高表面硬度;
第三章 机械制造结构钢
3.1 概 述
一. 基本概念
用来制造各种机械零件的钢种。
如轴类、齿轮、连杆、弹簧、轴承和紧固件等。
二. 工作条件与性能要求
综合力学性能(主要是强韧性); 良好的加工性能(成型、切削加工、热处理); 一定的耐腐蚀性能。
三. 成分与合金化
主要由 C素或合金亚共析钢; C 含量在0.080.70%之间;
0.11
0.11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱMo
NC33HFB(日) 0.33 0.24 1.46
0.06
0.01 0.01N
AHF50B(日) 45VNbN(中)
0.35~ 0.40
0.44
0.15~ 0.35
0.14
1.30~ 1.60
0.79
0.05~ 0.15
0.10 0.11
0.02N
3. 3 低温回火状态使用的结构钢
形变热处理 位错强化 + 沉淀强化 + 马氏体强化
五. 热处理
一般都要通过热处理(淬火+回火) 1)马氏体回火后比F+P具有较好的综合室温机 械性能; 2)淬透的零件比未淬透的零件具有较好的机械 性能 。
提高钢的淬透性,要加入合金元素 (低) Ni→Si→Cr→Mo→Mn→B (高)
六. 钢种
二. 调质钢的成分、合金化
成分 0.30~0.50%C的C钢或中、低合金钢。
合金化 Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Al, B 合金元素作用: 提高淬透性(主要作用); 提高回火稳定性;防止回火脆性;强化。
合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用:
回脆性
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
四. 调质钢的组织与性能
回火S或回火T或回火M; 具有良好综合力学性能,尤其是冲击韧性。 强度(屈强:700-1200MPa) Cr, Mo, W, V 可阻碍K在高温回火时聚集长大,使钢保
持高强度; 阻碍α再结晶,使α相保持细小; 合金元素的固溶强化、细晶强化 韧性: 调节温度可具有不同的韧性;
未长大,保持晶粒的细小; 相变引起的内应力已经大幅度下降; 钢中残余奥氏体已分解。
3.7 超高强度结构钢
一. 概述
低合金超高强度钢 调质钢成分 + 合金化 + 淬火与低温回火 组织:回火M或下B
中合金超高强度钢 热锻模具钢成分 + 合金化 + 高温回火 组织:回火S(T)或回火M
高合金超高强度钢 马氏体时效钢、超高强度不锈钢等。
0.45%-0.75% C
加入Si、Mn、Cr、V,W,Mo,Nb
Si
主要提高弹性极限
Cr, Mn 主要是提高淬透性
V, Mo, Nb 细化晶粒, 提高淬透性
为保证弹簧有高疲劳寿命,要求钢的纯净度高, 非金属夹杂物少,表面质量高。
2.常用钢种
1)Mn弹簧钢: 60Mn,65Mn 2)MnSi弹簧钢:55Si2Mn,60Si2MnA 3)Cr弹簧钢: 50CrMn, 50CrVA,
高的弹性极限 高的疲劳强度 足够的塑性和韧性 导电、无磁、耐高温和耐腐蚀等
弹簧按外形分为板弹簧和螺旋弹簧
二. 成分、合金化与常用钢种
1.成分与合金化
中、高碳素钢或低合金钢
碳素弹簧钢
C% 0.60%~1.05% 65,70,75,80,85
具有较高的强度,适当的韧性,但淬透性低。
低合金弹簧钢
位错马氏体和孪晶马氏体两类 两者强度相当,前者韧性较好 强化:固溶强化; 精细结构强化; 弥散强化 : 部分C以片状ε析出 韧化:提高回火T;Si;W, Mo;降P等。
3. 4 渗碳钢
一. 概念
表面渗碳、整体淬火加低温回火; 表面是高碳M,心部是低碳M; 表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性;
Mn:↑↑淬透性,但↑过热倾向,↑回脆倾向; Cr:↑↑淬透性,↑回稳性,但↑回脆倾向; Ni:↑基体韧性, Ni-Cr复合↑↑淬透性,↑回脆 ; Mo:↑淬透性, ↑回稳性,细晶, ↓ ↓回脆倾向; V:细晶,沉淀强化,(↑淬透性) ,↓ ↓过热敏感性。
三. 调质钢的种类与分级
常用调质钢按淬透性大小可分为几级: 1)40,45,45B 2)40Cr,45Mn2, 45MnB, 35MnSi 3)35CrMo, 42MnVB, 40MnMoB ,40CrNi 4)40CrMnMo, 35SiMn2MoV,40CrNiMo
等温淬火 ------ 下B
4. 性能特点
强度高;成本低廉;生产工艺较简单; 韧塑性较差; 较大的脱C倾向; 焊接性不太好。
三. 马氏体时效钢
开发思路
低合金超高强度钢:以 C强化 (固溶强化)为主 转变为
马氏体时效钢:(超)低C下金属间化合物沉淀 强化(或时效强化)为主。
马氏体时效钢
40CrNiMo, 30CrMnSiNi, 35Si2Mn2MoV
合金元素的主要作用: 1)保证钢的淬透性(Cr, Mn, Ni); 2)增加钢的抗回火稳定性(V, Mo); 3)推迟低温回火脆性(Si); 4)细化晶粒(V,Mo)。
3. 热处理
淬火 + 低温回火-----回火M 如,40MnNiMo, 900℃淬火,200℃回火, 屈强>1628MPa, 抗强>1884MPa
50CrMnVA (使用T<300℃ ) 4)耐热弹簧:30W4Cr2VA (可达500℃) 5)耐蚀弹簧:30Cr13, 40Cr13,
12Cr18Ni9Ti 温度<400℃
3.热处理工艺
淬火和中温回火,得到回火T
渗碳体以细小的颗粒分布在α相的基体上; 由马氏体分解产生的α相已发生回复; 高碳马氏体孪晶结构已经消失,晶粒开始多边形化,但尚
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