钢材料的基础知识详述

钢材料的基础知识

第一章钢材料的定义及分类ﻭ合金结构钢是用于制造承受较高压力的各种机械零件用的合金钢,一般属于亚共析钢。

根据钢强化热处理的工艺特点或其成分、工艺和性能特点,广义上把合金结构钢分为调质钢、渗碳钢、氧化钢、弹簧钢、轴承钢、冷缴钢、耐热结构钢、非调质钢、易切削钢、硼钢、超高强度钢等。

第一节合金结构钢的定义与分类

一、调质钢

经受淬火和在ＡC１以下进行回火的热处理钢称为调质钢。传统的调质钢是指淬火和高温火钢，调质钢是机械制造行业中应用十分广泛的重要材料之一。ﻭ调质钢在化学成分上的特点是,碳含量为０.3—０.5%，并含有一种或几种合金元素。具有较低或中等的合金化程度。钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。ﻭ热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体，并在５00℃--６50℃回火。热处理后的金相组织是回火索氏体。这种组织具有强度、塑性的韧性的良好配合。ﻭ调质钢的质量要求,除一般的冶金方面的代倍和高倍组织要求外,主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。在特定条件下,还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。由于调质钢最终采用高温回火,能使钢中应力完全消除,钢的氢脆破坏倾向性小,缺口敏感性较低。脆性破坏抗力较大。但也存在特有的高温回火脆性。

大多数调质钢为中碳合金结构钢，屈服强度（σ0.２)在490—１20０MPaｏ以焊接性能为突出要求的调质钢。，为低碳合金结构钢,屈服强度（σ0.2）一般为4901—800MPa，有很高的塑性和韧性。少数沉淀硬化型调质钢，屈服强度（σ0.2)可到14０0MPａ以上，属高强度的超高强度调质钢。

常用的合金调质钢按淬透性的强度妥为四类:①低淬透性调质钢;②中淬透性调质钢;③较高淬透性调质钢；

④高淬透性调质钢。

二、渗碳钢

具有高碳的耐磨表层和低碳的高强韧性心部,能承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。汽车、工程机械和机械制造等行业中,大量使用的齿轮，是渗碳钢应用中最具代表性实例。ﻭ渗碳钢常用的合金钢系列主要是Cr-Mn系、Cr- Mo系和Ｃr－Ni-Mo系等。

保证渗碳钢心部的组织和性能的核心是淬透性。一般用途的渗碳件的心部组织为5０%左右的马氏体加其它非马氏体组织。重要用途(如航空渗碳齿轮），心部组织亦应为马氏体或马氏体／贝氏体组织。提高淬透性的常用合金元素有铬、锰、镍、钼和硼。从合金化的经济角度考虑,Cr-Mn系（特别是含硼钢)值得推荐,但就生产和使用的角度而言，Cr-Ｍo钢更为优越。重要用途的、高质量要求的渗碳钢一般均含有一定量的钼,尤其是对于重载的大型渗碳件更需要。

当心部性能确定后,渗层组织和性能对使用寿命具有决定性作用。渗层的组织要求为马氏体和细小、弥散、球状分布的合金碳化物。保证渗层组织的核心仍然是淬透性。渗层应具有高的硬度、良好的显微组织、合理的残余应力分布和一定的韧性储备。

三、氮化钢（渗氮钢）

适合天氮化(或渗氮)工艺的钢种，称氮化钢或渗氮钢。一般狭义而言，是指专门为渗氮零件设计、冶炼、加工的一种特殊钢种。其典型代表为３8CrMoAl。

氮化钢制作的机械零件，经氮化处理后,能获得极高的表面硬度、良好的耐磨性、高的疲劳强度的较低的缺口敏感性、一定的抗腐蚀能力、高的热稳定性,氮化处理用于处理某些在较高温度工作的耐磨零件或精密零件,如内燃机曲轴、汽缸套和汽阀、镗床的主轴和主轴套、精密齿轮和精密机闲丝杆等。ﻭ氮化钢的合金化应考虑以下几点:

(1) 氮化前需进行调质处理。氮化钢首先应是调质钢,即具有足够的淬透性。铬、锰、钼是提高淬透性的有效元素。ﻭ（2）为了使钢在氮化温度下（５00--５7０℃）长时间加热后仍能保持强度不变,向钢中加入钼和钒。为了防止或减轻高温回火脆性,往往向钢中添加0.2%－－0．5％Mo。

（3)氮化时,渗入α相基体的氮原子同固溶于α相中的铬、钼、钨、钒、铝等元素结合,形成合金氮化物，呈细小颗粒，与α相基体保持共格、弥散分布，起沉淀强化作用，使氮化层硬度提高，并能在氮化温度下长时间保持弥散状态和高硬度。

四、超高强度钢

超高强度钢的定义是相对于时代要求的技术进步程度而在变化的。一般讲，屈服强度在１370MPa（１40 kｇｆ/mｍ2)以上，抗拉强度在1 ６２０MPa（16５kｇｆ/mm2）以上的合金钢称超高强度钢。按其合金化程度和显微组织分为低合金中碳马氏体强化超高强度钢、中合金中碳二次沉淀硬化型超高强度钢、高合金中碳Ni—Co型超高强度钢、超低碳马氏体时效硬化型超高强度钢、半奥氏体沉淀硬化型不锈钢等。ﻭ低合金中碳马氏体强化型超高强度钢是在低合金调质钢的基础上发展起来的,合金元素总量一般不超过6%。主要牌号包括传统的镍铬钼调质钢434０（40CrＮiMo),碳含量0．45%的镍铬钼钒钢Ｄ6ＡＣ（４5 CrNiMoV),碳含量0.30%的铬锰硅镍钢（３０CrＭｎSiNi2Ａ），在4340钢基础上通过加入硅（1.6％）和钒（０．1%)而研制成的300M 钢(43CrＮiＳｉMoV）以及不含镍的硅锰钼钒或硅锰铬钼钒等。通过真空熔炼降低钢中杂质元素含量，改善钢的横向塑性和韧性,由于钢中合金元素含量较低，成本低，生产工艺简单,广泛用于飞机大梁、起落架、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。ﻭ中合金中碳二次沉淀硬化型超高强度钢是从５%Cr型模具钢移而来的。由于它在高温回火状态下有很高的强度和较满意的塑性和韧性，抗热性好，组织稳定,用于飞机起落架、火箭壳体等。典型钢种为Ｈ11和Ｈ13等。其主要成分为：Ｃ0.3２%-－0.45%;Cr ４.75%--5.５%;Ｍo1．1%--1.７５%；Sｉ0.8%--1.2％。ﻭ高合金中碳Ｎi—Ｃo(9Ni--4Co--××)型超高强度钢，是在具有高韧性、低脆性转变温度的9％Ni型低温钢的基础上发展起来的。在9%Ｎｉ钢中添加钻是为了提高钢的Ｍs（马氏体转变)温度,减少钢中的残余奥氏体，同时，钻在镍钢中起固溶强化作用，还通过加钻来获得钢的自回火特性，从而使这类钢具有优良的焊接性能。碳在这类钢中起强化作用。钢中还含有少量铬和钼,以便在回火时产生弥散强化效应。主要牌号有HP９－4-25，HP９-4-30,HP9-4-45以及改型的AF14１0(0.16％C-10%Ni-１4%Co－１%Mo－2％Ｃr-0.05%Ｖ）等。这类钢综合力学性能高。抗应力腐蚀性好,具有良好的工艺性能和焊接性能，广泛用于航空、航天和潜艇亮体等产品上。ﻭ超低碳马氏体时效硬化型超高强度钢，通常称马氏体时效钢。钢的基体为超低碳的铁镍或铁镍钴马氏体。其特点是,马氏体形成时不需要快冷,可变温及等温形成；具有体心立方结构；硬度约为HRＣ2０，塑性很好；再加热时不出现像在低碳马氏体中发生的回火现象,并有很大的逆转变温度迟滞，因而可以在较高温度进行马氏体基体内的时效硬化。在这样的高镍马氏体中含有能引起时效强化的合金元素，借助于时效强化,从过饱和的马氏体中析出弥散分布的金属间化合物,使钢获得高强度和高韧性。按镍含量,马氏体时效钢分为25％Ni、２0%Ni、18％Ni和12%Ｎi等类型.1８%Nｉ型应用较广，为含有钼、钛等强化原素的超低碳铁-镍（18％)-钻(8．5％）合金,包括3个牌号:１8%Nｉ(2０0)、1８％Ni（２5０）、和18％Nｉ(300）(200、２５0、３0０为抗拉强度等级,单位为Ksi）。这种钢是通过金属间化合物的析出使钢强化。借无碳的马氏体基体取得高塑性，最后达到很高的强度塑性配合。这类钢具有良好的成形性能、焊接性能和尺寸稳定性,热处理工艺也较简单,用于航空、航天器构件和冷挤、冷冲压模具等。

半奥氏体沉淀硬化型不锈钢是一类高合金的超高强度钢,如常见的１7-7PＨ(OCr１7Ni7Aｌ）、PＨ１5－７Mo(OCｒ15Ni７Ｍo２Ａl）和AFC-77(15Cr15Mo5Ｃｏ1４V)等。这类钢经固溶化处理，冷却到室温为奥氏体组织,再经过冷加工、冷处理或者加热到75０℃进行调整处理后,奥氏体转变为马氏体。最后在400－5５０℃时效,便得到在回火马氏体基体上弥散分布着第二相强化组织的超高强度钢。这类钢在31５℃以上长时间使用时,会因为金属间化合物沉淀而使材料变脆，所以使用温度要限制在3１5℃以下。这类钢主要用于制造航空器件构件、高压容器和高应力腐蚀化工设备零件等。对于这类钢的详细情况可参阅《钢铁材料手册第５卷不锈钢》一书。

五、非调质钢

非调质钢是在中碳锰钢的基础上加入钒、钛、铌微合金化元素,使其在加热过程中溶于奥氏体中,因奥氏体中的钒、钛、铌的固溶度随着冷却而减小。微合金元素钒、钛、铌将以细小的碳化物的氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出。这些析出物与母相保持共格关系，使钢强化。这类钢在热轧状态、锻造状