《機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼》PPT課件.ppt

概述結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性整體強(qiáng)化態(tài)鋼表面強(qiáng)化態(tài)鋼其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼 第3章機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼 用途制造各種機(jī)械零件 如汽車 拖拉機(jī) 機(jī)床 礦山機(jī)械 冶金機(jī)械 電站設(shè)備等機(jī)器上的軸 齒輪 連桿 彈簧 緊固件等 成分C 0 08 0 65 Me Mn Si Cr Ni Mo W V Nb Ti Al B等 通常合金元素含量不超過(guò)5 少數(shù)鋼在5 10 質(zhì)量一般為優(yōu)質(zhì)鋼 少數(shù)為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 按用途分類滲碳鋼 低碳馬氏體鋼 調(diào)質(zhì)鋼 氮化鋼 彈簧鋼 易切削鋼等 3 1概述 按熱處理狀態(tài)來(lái)分 2 在整體淬火回火狀態(tài)下使用的鋼種 彈簧鋼 在淬火中溫回火狀態(tài)下使用 滾動(dòng)軸承鋼 在淬火低溫狀態(tài)下使用 超高強(qiáng)度鋼 包括在淬火低溫回火下使用的中碳或低碳馬氏體型鋼 二次硬化型超高強(qiáng)度鋼和馬氏體時(shí)效鋼 調(diào)質(zhì)鋼 在淬火高溫回火狀態(tài)下使用 1 一般供應(yīng)或正火狀態(tài)下使用的鋼種 3 1概述 4 高頻淬火用鋼 高 中頻淬火后低溫回火使用 3 在化學(xué)熱處理后使用的鋼種 3 1概述 3 1概述 機(jī)器零件用鋼的服役條件 1 承受拉伸 壓縮 扭轉(zhuǎn) 剪切 彎曲 沖擊 疲勞 摩擦等力的作用 或者是多種載荷的交互作用 服役環(huán)境是大氣 水和潤(rùn)滑油 溫度在 50 100 范圍之間 2 機(jī)器零件要求結(jié)構(gòu)緊湊 運(yùn)轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確以及零件間有合適的公差配合等 因此機(jī)器零件用鋼在性能上的要求與工程構(gòu)件用鋼有所不同 3 1概述 機(jī)器零件用鋼對(duì)力學(xué)性能要求 1 要求一定的強(qiáng)度和韌性 以保證機(jī)器零件體積小 結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好 2 要求有良好的疲勞性能與耐磨性等 因此對(duì)機(jī)器零件用鋼必須進(jìn)行熱處理強(qiáng)化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力 3 1概述 機(jī)器零件對(duì)工藝性能的要求 主要是便于制造加工 通常機(jī)器零件的制造工藝流程為 型材 改鍛 預(yù)先熱處理 粗加工 最終熱處理 精加工其中以切削加工性能和熱處理工藝性能為機(jī)器零件用鋼的主要工藝性能 對(duì)鋼材的其它工藝性能 如冶煉性能 澆注性能 可鍛性能等 也有要求 但一般問(wèn)題不大 機(jī)器零件用鋼通常以力學(xué)性能為主 工藝性能為輔 3 1概述 機(jī)器零件用鋼合金化特點(diǎn) 主加元素 Cr Mn Si Ni 主要作用 淬透性和力學(xué)性能 輔加元素 Mo W V等 過(guò)熱敏感性 回火脆性 淬透性 最佳范圍 結(jié)構(gòu)鋼常用范圍 1 2 Si 2 Mn 1 2 Cr 1 4 Ni 0 5 Mo 0 2 V 0 1 Ti 0 4 0 8 W 單獨(dú)加入或復(fù)合加入 有的元素增多后 會(huì)降低材料塑韌性 如低碳構(gòu)件鋼中的Si Mn含量 有些元素增多 會(huì)惡化K的分布 如軸承鋼中的Cr 有的元素含量過(guò)多 會(huì)改變K類型 增加熱處理過(guò)程的難度 如V Mo含量 合金元素的作用往往不是隨量的增加而線性地增加的 3 1概述 3 1概述 零件材料和工藝選擇途徑 低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼 采用淬火 低溫回火 為提高耐磨性 可進(jìn)行滲碳處理 汽車 拖拉機(jī)齒輪類為代表 回火索氏體型 選用中碳鋼 采用淬火 高溫回火 為了提高耐磨性 可進(jìn)行滲氮處理或高頻感應(yīng)加熱淬火等表面硬化工藝方法 軸類零件為典型 1 對(duì)于要求良好綜合力學(xué)性能 零件選材的途徑為 3 1概述 2 如要求更高的強(qiáng)度 則適當(dāng)犧牲塑韌性 可選擇中碳鋼 采用低溫回火工藝 如低合金中碳馬氏體鋼 農(nóng)用機(jī)械應(yīng)用較多 3 如要求高的彈性極限和屈服強(qiáng)度 又要有較高的塑性和韌度 則選擇中高碳鋼 進(jìn)行中溫回火 如彈簧鋼 4 零件要求高強(qiáng)度 高硬度 高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度 可用高碳鋼 淬火 低溫回火 如軸承鋼 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 一 結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化 1 位錯(cuò)強(qiáng)化在再結(jié)晶溫度以下 隨著形變量增大 在晶體內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的高密度位錯(cuò)或不均勻分布的胞狀結(jié)構(gòu) 即位錯(cuò)密度低的區(qū)域被高密度位錯(cuò)墻所分割 位錯(cuò)密度升高 硬度上升 塑性和韌性下降 0 Gb 1 2 金屬的流變應(yīng)力 0 退火金屬的流變應(yīng)力 系數(shù) 0 5 G 切變模量 b 柏氏矢量 位錯(cuò)密度途徑 冷形變 相變過(guò)程中的切變 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 2 細(xì)晶強(qiáng)化 s 0 kyd 1 2d 淬火前奧氏體晶粒尺寸 淬火回火鋼 措施 未溶碳化物阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大 多次循環(huán)加熱淬火細(xì)化奧氏體晶粒 3 固溶強(qiáng)化 1 利用碳的固溶強(qiáng)化 具有多型性轉(zhuǎn)變是進(jìn)行淬火的必要條件 1 C 可使 s增高550MPa 但C在 Fe中溶解度0 025 2 利用合金元素的固溶強(qiáng)化 利用Mn Si Cr Ni等在 相中的固溶強(qiáng)化 1 Mo 在 Fe中溶解度30 但其提高 s的強(qiáng)化系數(shù)只有11MPa 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 4 沉淀強(qiáng)化將多量的合金元素溶入 鐵中 形成過(guò)飽和固溶體 然后通過(guò)時(shí)效或回火處理 使過(guò)飽和原子析出新相 產(chǎn)生強(qiáng)化作用 合金鋼 析出碳化物 馬氏體時(shí)效鋼 析出金屬間化合物 Ni3Ti Ni3Mo Fe2Mo等 5 馬氏體強(qiáng)化來(lái)源于 固溶強(qiáng)化 沉淀強(qiáng)化 相變冷作硬化 前兩項(xiàng)合計(jì)占85 90 析出物的數(shù)量 析出物本身特性 析出物尺寸和彌散度 影響因素 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 二 結(jié)構(gòu)鋼的脆性斷裂零件的損壞主要分為變形和斷裂 韌性斷裂 經(jīng)過(guò)大量的塑性變形后的斷裂 脆性斷裂 沒有發(fā)生較大量的塑性變形或僅僅發(fā)生少量塑性變形的斷裂 分類 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 1 脆性斷裂 金屬材料的屈服強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度是它的兩個(gè)基本性能指標(biāo) 1 來(lái)自強(qiáng)化 s 使塑性變形能力下降 脆斷傾向增加 2 來(lái)自脆化 生產(chǎn) 加工過(guò)程中產(chǎn)生了缺陷 s不增加 而 f下降 s f 垂直于力作用方向的平面上產(chǎn)生的應(yīng)力先達(dá)到屈服強(qiáng)度 就會(huì)發(fā)生塑性變形 s f 垂直于力作用方向的平面上產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度 就會(huì)發(fā)生脆性斷裂 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 2 溫度對(duì)脆性斷裂的影響T Tk s f 脆性斷裂 3 韌 脆轉(zhuǎn)變溫度Tk的測(cè)量 1 低強(qiáng)度鋼 中強(qiáng)度鋼 有明顯脆性轉(zhuǎn)變溫度 常用沖擊試驗(yàn)法來(lái)測(cè)量 必須避免在脆轉(zhuǎn)溫度以下使用 2 高強(qiáng)度鋼沒有明顯的韌 脆轉(zhuǎn)變溫度 室溫下沖擊功也很低 被認(rèn)為是半脆性材料 必須用其它性能指標(biāo)來(lái)衡量抗脆斷能力 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 4 斷裂韌性kICkIC 金屬材料抵抗材料中裂紋突然擴(kuò)展的能力 是高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù) 在高強(qiáng)度鋼中存在有微小的裂紋 當(dāng)裂紋尺寸增大到一定尺寸時(shí) 裂紋突然擴(kuò)展 零件發(fā)生脆斷 a 裂紋突然擴(kuò)展時(shí)裂紋的尺寸之半 對(duì)一定組織 結(jié)構(gòu)的材料來(lái)說(shuō) kIC為定值 是其內(nèi)部組織的特征性能 隨著鋼的屈服強(qiáng)度的增高 其沖擊韌性和斷裂韌性不斷下降 3 2結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與脆性 5 表面缺陷的敏感性金屬材料和內(nèi)部總是存在著或大或小的裂紋 尺寸小于檢驗(yàn)方法靈敏度的裂紋則潛伏在工件內(nèi)部而未被檢測(cè)出來(lái) 它們?cè)谠O(shè)計(jì)應(yīng)力下不致使工件馬上發(fā)生突然斷裂 但是在長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)數(shù)次周期變化的應(yīng)力作用下 將逐漸擴(kuò)大 當(dāng)擴(kuò)大到一定尺寸后 所余下來(lái)界面不能負(fù)擔(dān)所加的外力 工件就會(huì)發(fā)生韌性斷裂或脆性斷裂 所以疲勞斷裂是引起機(jī)械零件破壞的最常見的方式 低 中強(qiáng)度鋼 鋼的強(qiáng)度上升 缺口強(qiáng)度也上升 高強(qiáng)度鋼 鋼的強(qiáng)度上升 缺口強(qiáng)度反而下降 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 整體強(qiáng)化態(tài)鋼均承受拉 壓 扭等交變應(yīng)力 大部分是整體受力 其主要失效形式是疲勞破壞 主要性能指標(biāo) 1 Rb Ak KIC等 總體上要求良好的綜合力學(xué)性能 基本情況 主要制造軸 桿 軸承類等機(jī)器零件 如連桿 螺栓 主軸 半軸等 這類鋼主要有調(diào)質(zhì)鋼 彈簧鋼 低碳馬氏體鋼 超高強(qiáng)度鋼等 主要應(yīng)用 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 一 調(diào)質(zhì)鋼 淬透性原則 淬透性相近的同類調(diào)質(zhì)鋼 可互相代用 屈服強(qiáng)度相同的碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼斷面收縮率變化 0 25 0 45 C的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能變化 一 調(diào)質(zhì)鋼的用途與性能要求1 用途常采用淬火 高溫回火工藝 制造要求較高綜合機(jī)械性能的齒輪 軸 拉桿等零件 在機(jī)械零件中用量最大 實(shí)際上 還可采用正火 等溫淬火 低溫回火等工藝手段 結(jié)構(gòu)鋼抗拉強(qiáng)度與硬度的關(guān)系 結(jié)構(gòu)鋼是否淬透對(duì)屈強(qiáng)比的影響 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 性能要求 1 良好的綜合機(jī)械性能 H HF S HF 鐵素體基體的硬度 鐵素體的晶粒大小 合金元素的固溶強(qiáng)化 碳化物的強(qiáng)化系數(shù) S 碳化物顆粒總表面積 碳化物的分散度越大 碳化物的顆粒越細(xì) 其總表面積就越大 彌散強(qiáng)化作用越大 H 鋼高溫回火后的硬度 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 足夠的淬透性單向均勻拉 壓 剪切 心部 90 馬氏體 彎扭 離軸的表面1 4 1 2R 半徑 處 90 馬氏體 曲軸 離表面1 4R處 50 馬氏體 3 防止高溫回火脆性 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 調(diào)質(zhì)鋼的合金化1 調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分特點(diǎn) 0 25 0 45 鋼中的碳可保證有足夠大的碳化物體積分?jǐn)?shù)以獲得高的強(qiáng)度 碳含量過(guò)低時(shí) 淬硬性不夠 碳含量過(guò)高則韌性下降 中碳 提高淬透性 Cr Mo W V等 阻礙碳化物在高溫回火時(shí)的聚集長(zhǎng)大 保持鋼的高硬度 Mn 會(huì)增大過(guò)熱敏感性 Cr有回火脆性傾向 Mo V 細(xì)化晶粒 Mo 降低回火脆性 V 降低過(guò)熱敏感性 Cr Mn Mo V Si Ni B等 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 調(diào)質(zhì)處理是淬火后進(jìn)行高溫回火 回火溫度又正好處于第二類回火脆性的溫度范圍 高溫回火慢冷時(shí)極容易產(chǎn)生第二類回火脆性 合金調(diào)質(zhì)鋼一般用于制造大截面零件 用快速冷卻難以抑制這類回火脆性 因此通常在這類鋼中加入Mo W來(lái)防止回火脆性 抑制回火脆性元素 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 在機(jī)械制造工業(yè)中 調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來(lái)分級(jí)的 Dc為油淬臨界直徑 低淬透性合金鋼 Dc 30 40mm 有40Cr 40Mn2 42SiMn 35CrMo 42Mn2V等 中淬透性合金鋼 Dc 40 60mm 有40CrNi 42CrMo 40CrMn 30CrMnSi等 高淬透性合金鋼 Dc 60 100mm 有37CrNi3 40CrNiMo 40CrMnMo等 不同合金化對(duì)鋼淬透性的影響 DC為油淬臨界直徑 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 微合金非調(diào)質(zhì)鋼 非調(diào)質(zhì)鋼是不進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理而通過(guò)鍛造時(shí)控制終鍛溫度及鍛后的冷卻速度即可獲得具有高強(qiáng)韌性的鋼材 如YF45V鋼 一 微合金元素對(duì)強(qiáng)韌化的貢獻(xiàn)非調(diào)質(zhì)鋼組織 主要是F P 彌散析出K 主要強(qiáng)化作用 細(xì)化組織和相間沉淀 微合金化元素 Ti Nb V N等元素 V的主要貢獻(xiàn)是沉淀強(qiáng)化 多元適量 復(fù)合加入 Nb V N和Ti V等 主要貢獻(xiàn)是細(xì)化組織 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌化工藝?yán)每剀?鍛 控冷技術(shù)來(lái)提高鋼的強(qiáng)韌性能 1 控制軋 鍛 形變溫度和形變量既能影響再結(jié)晶溫度和奧氏體晶粒大小 又影響形變誘發(fā)析出的程度 適當(dāng)開展較低的終軋 鍛 溫度 可有效地產(chǎn)生形變誘發(fā)析出的彌散質(zhì)點(diǎn) 同時(shí) 再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力小 晶?？蛇M(jìn)一步細(xì)化 形變產(chǎn)生的應(yīng)力破壞了原有的熱平衡 使奧氏體中C和Me的平衡含量下降 同時(shí)由于產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)等缺陷 提供了碳化物脫溶析出的場(chǎng)所 誘發(fā)了碳化物的析出 而細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)可阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 控制冷卻加工后快冷 特別是在800 500 之間快冷能細(xì)化晶粒組織 阻止析出物長(zhǎng)大 進(jìn)一步提高強(qiáng)度和韌度 但過(guò)快的冷卻又會(huì)使相間析出不能充分進(jìn)行 不能獲得好的強(qiáng)化效果 所以一般冷速控制在 150 min 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 三 低碳貝氏體型和馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼1 低碳貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼 如VMC25 可替代Cr Mo調(diào)質(zhì)鋼 1 適當(dāng) 碳含量 2 Cr Mn含量 并適當(dāng)添加Ti B 強(qiáng)度 同時(shí)韌度大為改善 Cr Mn B 貝氏體的淬透性 使貝氏體數(shù)量增多 3 鍛后適當(dāng)加快冷速 增大過(guò)冷度 提高形核率 有利于貝氏體的形成 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼被稱為第三代非調(diào)質(zhì)鋼 1 有足夠的Nb Ti 細(xì)化組織 控制成分以確保Ms 200 2 直接從鍛造溫度淬火而產(chǎn)生自回火 得到細(xì)小均勻分布的碳化物和板條狀馬氏體 強(qiáng)韌度達(dá)到合金調(diào)質(zhì)鋼的水平 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 三 彈簧鋼 板簧 承受彎曲載荷 螺旋彈簧 壓簧 拉簧和扭簧 主要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 主要失效形式為疲勞破壞 另一個(gè)常見的失效形式是彈性減退 即彈簧材料長(zhǎng)期在動(dòng) 靜載荷作用下 在室溫發(fā)生塑性變形和彈性模量降低的現(xiàn)象 一 彈簧鋼的特點(diǎn)彈簧的主要作用是吸收沖擊能量 緩和機(jī)器的振動(dòng)和沖擊作用 或儲(chǔ)存能量使機(jī)件完成事先規(guī)定的動(dòng)作 保證機(jī)器和儀表的正常工作 包括板簧 螺旋彈簧和其他彈性元件 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 1 性能要求 1 高的屈服強(qiáng)度和彈性極限 高的屈強(qiáng)比 避免發(fā)生永久變形 2 高的疲勞極限 3 足夠的沖擊韌性和塑性 4 足夠的淬透性 5 在某些環(huán)境下 還要求具有導(dǎo)電 導(dǎo)磁 耐高溫和耐蝕性 2 組織經(jīng)淬火 中溫回火后得到回火屈氏體組織 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 合金化 使彈簧具有很高的強(qiáng)度 碳素彈簧鋼 0 60 1 05 C 合金彈簧鋼 0 40 0 74 C 碳 淬透性 固溶強(qiáng)化鐵素體 Si 彈性極限 Si 鋼的回火穩(wěn)定性 使其在相同的回火溫度下具有高的硬度和強(qiáng)度 但Si含量高時(shí) 大C石墨化的傾向 且在加熱時(shí)易于脫碳 Mn則易于使鋼過(guò)熱 Si Mn 提高淬透性 Mo W V 為碳化物形成元素 它們可以防止過(guò)熱 細(xì)化晶粒 和脫碳 提高回火穩(wěn)定性 Cr Mo W V B 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 三 彈簧鋼的分類及熱處理 通過(guò)冷變形或熱處理 使鋼材具備一定性能之后 再用冷成形方法制成一定形狀的彈簧 如先作冷變形的高強(qiáng)度鋼絲 鋼琴絲 硬鋼絲 不銹鋼絲等 冷成形的彈簧在冷成形之后要進(jìn)行200 400 的低溫回火 由于冷成形彈簧在成形之前 鋼絲已具備了一定的性能 即已處于硬化狀態(tài) 所以通常只能制造小型彈簧 冷成形彈簧鋼 一般用于制造大型彈簧或形狀復(fù)雜的彈簧 鋼材在熱成形之前并不具備彈簧所要求的性能 在熱成形之后 進(jìn)行淬火 中溫回火 以獲得所要求的性能 在熱成形之后于830 870 進(jìn)行油冷淬火 然后再于420 520 左右進(jìn)行中溫回火 獲得回火屈氏體 滲碳體以細(xì)小的顆粒分布在 相的基體上的組織 熱成形彈簧鋼 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 彈簧在熱處理后通常還要進(jìn)行噴丸處理 使表面強(qiáng)化并在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力以提高疲勞強(qiáng)度 壽命提高2 6倍 在實(shí)用中 還可以根據(jù)鋼材的表面狀態(tài)調(diào)整回火溫度 如鋼材表面質(zhì)量較好 經(jīng)過(guò)磨削 可選用低限回火溫度 以保證高的彈性 如表面質(zhì)量欠佳 則可選用上限回火溫度 以提高鋼的韌性 降低彈簧對(duì)表面缺陷的敏感性 此外 在成形及熱處理過(guò)程中 要特別注意防止表面產(chǎn)生氧化脫碳及傷痕 防止疲勞裂紋源的形成 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 四 軸承鋼 1 受力狀況 以單列向心滾動(dòng)軸承為例 高的接觸應(yīng)力 滾動(dòng)軸承內(nèi)外套圈與滾動(dòng)體之間呈點(diǎn)或線接觸 接觸面積極小 接觸應(yīng)力達(dá)到3000 5000MPa 扭轉(zhuǎn) 彎曲等交變負(fù)荷 既有滾動(dòng)摩擦 還有滑動(dòng)摩擦 受大氣和潤(rùn)滑劑的腐蝕作用 正常破壞形式是接觸疲勞破壞 其次是磨損使精度喪失 滾動(dòng)軸承的作用是支撐軸 軸承鋼制造滾動(dòng)軸承的內(nèi)套 外套 滾動(dòng)體 一 軸承鋼的合金化1 滾動(dòng)軸承的工作條件及性能要求 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展 疲勞裂紋的產(chǎn)生 外因 在接觸表面下0 786b深度處切應(yīng)力達(dá)到最大值 在高應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)下 這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生劇烈的塑性變形 b 滾動(dòng)體與套圈接觸帶的寬度 A 回火馬氏體在切應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w 強(qiáng)度降低 比容減小 引起附加張應(yīng)力 B 存在非金屬夾雜和粗大碳化物 內(nèi)因 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 疲勞裂紋的擴(kuò)展裂紋沿切應(yīng)力方向發(fā)展 擴(kuò)展方向與表面呈45 夾角 沿內(nèi)部組織 成分 應(yīng)力不均勻區(qū)延伸至表面 材料內(nèi)部的各種缺陷 軟點(diǎn)和夾雜物的存在是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因 危害最大 3 性能要求 高而均勻的硬度和耐磨性 高的接觸疲勞強(qiáng)度 高的彈性極限和一定的沖擊韌性 尺寸穩(wěn)定性好 保證工作時(shí)的精度 一定的抵抗大氣 潤(rùn)滑油化學(xué)腐蝕的能力 具有良好的冷 熱加工工藝性 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 軸承鋼的顯微組織 以GCr15為例 回火馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小顆粒的碳化物 加上少量的殘余奧氏體 淬火后的晶粒度在5 8級(jí)以上 回火馬氏體 為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合型 固溶體中碳含量一般為0 5 0 6 研究表明 馬氏體基體含C量為0 45 此時(shí)疲勞壽命最高 含C量低時(shí) 馬氏體強(qiáng)度低 含C量高時(shí) 馬氏體脆性大 馬氏體中碳濃度均勻 可以阻止裂紋擴(kuò)展 高碳區(qū)脆性大 低碳區(qū)強(qiáng)度低 裂紋通常沿高碳區(qū)和低碳區(qū)的交界處擴(kuò)展 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 未溶碳化物 提高耐磨性 并在淬火加熱時(shí)細(xì)化奧氏體晶粒 數(shù)量為7 8 體積 均勻分布 顆粒細(xì)小 通常為0 5 0 6 m 大小勻稱 殘余奧氏體 少量殘余奧氏體可阻礙裂紋形成和擴(kuò)展 吸收應(yīng)變能 減少應(yīng)力集中 產(chǎn)生加工硬化和相變強(qiáng)化 殘余奧氏體過(guò)多會(huì)降低硬度和耐磨性 并影響尺寸穩(wěn)定性 淬火晶粒度 細(xì)化晶粒可提高機(jī)械性能 馬氏體組織的細(xì)化及改善碳濃度的均勻性 提高強(qiáng)度和韌性 提高抗裂紋擴(kuò)展能力 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 高碳 0 95 1 15 保證馬氏體的碳含量和未溶碳化物的數(shù)量 Cr 主要作用是提高淬透性 促使淬火及回火后整個(gè)截面上獲得較均勻的組織 部分形成比較穩(wěn)定的 Fe Cr 3C Mo Mn Si V 進(jìn)一步增加淬透性 用于制造大型軸承 嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素 S P 和殘余元素 Ni Cu 含量 GCr15的化學(xué)成分 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 軸承鋼的冶金質(zhì)量軸承鋼由非金屬夾雜物和碳化物不均勻性冶金質(zhì)量缺陷造成的失效占總失效的65 1 非金屬夾雜物 1 非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響非金屬夾雜物 破壞了金屬的連續(xù)性 在交變應(yīng)力作用下 易于引起應(yīng)力集中 成為疲勞裂紋源 顯著降低疲勞壽命 其影響與數(shù)量 類型 大小 形態(tài)和分布有關(guān) 需綜合考慮 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 夾雜物尺寸越大 危害也越大 20 30 m 急劇降低疲勞壽命 在相同尺寸大小情況下 夾雜物的危害大小程度順序?yàn)?剛玉 尖晶石 點(diǎn)狀不變形夾雜物 半塑性?shī)A雜物 塑性硅酸鹽 硫化物 夾雜物的數(shù)量越多 壽命越低 夾雜物呈細(xì)條狀塑性?shī)A雜物危害較小 棱角鋒銳的脆性?shī)A雜物危害最大分布均勻時(shí)危害小 非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 危害在球化退火和淬火時(shí)不能完全消除 明顯增加零件的脆性 形成終軋溫度過(guò)高 B 軋后冷卻速度過(guò)慢 C 鋼錠中原始碳化物偏析大 消除正火處理 網(wǎng)狀碳化物 2 軸承鋼的碳化物不均勻性 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 危害A 退火后不易得到均勻的細(xì)粒狀珠光體 B 淬火組織和硬度不均勻 C 機(jī)械性能呈各向異性 D 降低接觸疲勞強(qiáng)度性 形成鋼錠有枝晶偏析 在各枝晶之間富集C和Cr 富C和富Cr區(qū)沿軋制方向延伸 在冷卻過(guò)程中從奧氏體中析出碳化物 形成帶狀碳化物 消除擴(kuò)散退火 帶狀碳化物 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 危害顆粒大 硬度高 脆性大 容易剝落 疲勞裂紋發(fā)源地 硬度不均勻 機(jī)械性能呈現(xiàn)方向性 淬火開裂 形成在成分嚴(yán)重偏析時(shí) 局部地區(qū)達(dá)到共晶成分 形成萊氏體 未消除的萊氏體中的共晶K在熱加工時(shí)被壓碎并沿軋向呈條帶狀分布 消除 將Cr和C量控制在中 下限 1200 擴(kuò)散退火 液析碳化物 形態(tài)共晶碳化物在熱加工時(shí)被壓碎 并沿軋向呈條帶狀分布 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 大顆粒碳化物 正火消除網(wǎng)狀碳化物時(shí)加熱未溶解的碳化物顆粒 在正火保溫和隨后退火時(shí)繼續(xù)長(zhǎng)大而形成大顆粒 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 三 軸承鋼的熱處理軸承鋼的一般工藝路線為 鍛 軋 球化退火 機(jī)械加工 淬火 回火 磨加工1 軸承鋼的球化退火 目的 獲得均勻細(xì)粒狀珠光體組織 降低硬度 便于切削加工 為淬火作組織準(zhǔn)備 消除加工硬化 增加塑性 便于冷拔和沖壓加工 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 合適硬度 HB205 215 加熱溫度 780 810 控制加熱溫度是控制K形態(tài)的關(guān)鍵溫度過(guò)高 K溶解過(guò)多 奧氏體成分均勻 得到粗片狀珠光體或大塊聚集碳化物 溫度過(guò)低 K沒完全溶解和團(tuán)聚 奧氏體中成分極不均勻 得到片狀或細(xì)小鏈狀碳化物 球化退火工藝 保溫時(shí)間 4 6h 依具體情況而定 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起K粗化 冷卻速度 冷卻速度是控制碳化物彌散度的關(guān)鍵連續(xù)冷卻 20 30 h 等溫冷卻 700 等溫2 4h 再爐冷到650 出爐 冷速快 大量細(xì)密的碳化物 形核率大 來(lái)不及長(zhǎng)大 冷速慢 碳化物顆粒粗大 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 加熱溫度 930 950 加熱 消除粗大網(wǎng)狀碳化物 850 870 加熱 返修 消除細(xì)網(wǎng)狀碳化物 正火工藝 冷卻 速度 50 min 空冷 風(fēng)冷 噴霧 浸水等 2 軸承鋼的正火目的 消除網(wǎng)狀碳化物 返修退火不合格品 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 防氧化脫C 采用真空淬火或者保護(hù)氣氛加熱 3 軸承鋼的淬火和回火目的 提高鋼的硬度 強(qiáng)度 耐磨性和耐疲勞性 并使之具有適當(dāng)?shù)捻g性 淬火 得到隱晶馬氏體基體上分布細(xì)小均勻的顆粒碳化物 7 8 和少量殘余奧氏體 10 加熱溫度 830 860 是控制淬火質(zhì)量的重要因素溫度過(guò)高 K溶解過(guò)多 M粗大 AR過(guò)多 未溶K少 溫度過(guò)低 K溶解過(guò)少 M含C低 出現(xiàn)非M組織 未溶K多 都會(huì)造成性能下降 冷卻 在650 250 必須快冷 避免發(fā)生貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變 250 以下必須慢冷 減少變形開裂 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 磨削后回火 120 150 3 5h 消除磨削應(yīng)力 防止尺寸變化和龜裂 回火 160 3h或更長(zhǎng) 消除殘余應(yīng)力 提高韌性 提高組織尺寸穩(wěn)定性 穩(wěn)定化處理 高精密軸承尺寸變化要求為10 6 10 7 需進(jìn)行穩(wěn)定化處理 尺寸不穩(wěn)定原因 殘余應(yīng)力 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變 措施 冷處理 淬火后冷至 40 70 要求淬火后到冷處理之間在室溫停留的時(shí)間不超過(guò)4h 冷處理后立即低溫回火 提高回火溫度 180 250 回火 允許硬度較低時(shí) 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 4 常用軸承鋼 1 鉻軸承鋼鉻軸承鋼的典型代表是GCr15 使用量占軸承鋼的絕大部分 由于淬透性不是很高 因此多用于制造中小型軸承 2 添加Mn Si Mo V的軸承鋼在鉻軸承鋼中加入Mn Si可提高淬透性 如GCr15SiMn鋼等 主要用于制造大型軸承 為了節(jié)約Cr 可以加入Mo V 得到不含鉻的軸承鋼 如GSiMnMoV GSiMnMoVRE鋼等 其性能和用途與GCr15相近 必須指出的是高碳鉻軸承鋼也可用于制造精密量具 冷沖模 機(jī)床絲杠等耐磨件 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 五 低碳馬氏體鋼 1 低碳馬氏體鋼的特點(diǎn) 1 利用低碳馬氏體具有的高強(qiáng)度 良好塑性和韌性的特點(diǎn) 可替代調(diào)質(zhì)鋼 低碳 合金 結(jié)構(gòu)鋼淬火后形成位錯(cuò)板條馬氏體 板條相界殘余奧氏體薄膜 板條內(nèi)部自回火或低溫回火析出的細(xì)小分散碳化物 可實(shí)現(xiàn)強(qiáng) 韌 塑性的最佳配合 2 保持了低碳鋼冷成型和焊接性好 熱處理脫碳傾向小 淬火變形開裂傾向小 缺口敏感性低等優(yōu)點(diǎn) 指低碳鋼或低碳合金鋼經(jīng)淬火 低溫回火處理 得到低碳馬氏體組織作為使用狀態(tài)的鋼 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 0 15 0 25 C 碳 淬透性 改善韌性 降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度 Ni尤為顯著 提高回火穩(wěn)定性 Si 鋼的低溫回火穩(wěn)定性 適當(dāng)降低Ms點(diǎn) 防止自回火 Mn Cr Ni Mo V Si 低碳馬氏體的合金化 總的來(lái)說(shuō) 低碳馬氏體鋼合金化的方向是在保證淬透性的前提下 加入具有高的低溫回火抗力和適當(dāng)降低Ms點(diǎn)溫度的元素 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 3 低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼的性能特點(diǎn) 1 在靜載下具有良好的強(qiáng)度和塑性 韌性的配合 即使C含量提高到0 25 這種優(yōu)良性能仍然存在 2 低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼不僅在靜載下具有低的缺口敏感性 而且還具有低的疲勞缺口敏感性 3 低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼與中碳調(diào)質(zhì)鋼相比較 其冷脆傾向性小 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 六 超高強(qiáng)度鋼 背景 飛行器提速的需要馬赫數(shù) M 是以?shī)W地利物理學(xué)家馬赫命名 定義為物體速度與音速的比值 M5為高超音速 當(dāng)M 2時(shí) 飛行器表面溫度達(dá)到100 200 當(dāng)M 3時(shí) 飛行器表面溫度達(dá)到200 300 當(dāng)M 4時(shí) 飛行器表面溫度達(dá)到540 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 高強(qiáng)鋼與高強(qiáng)度鋁合金 鈦合金的競(jìng)爭(zhēng) 由于鋁合金在 150 時(shí)具有最高的比強(qiáng)度 且成形性好 因此鋁合金是馬赫數(shù)M 2的飛行器 飛機(jī) 的主要結(jié)構(gòu)材料 鈦合金在馬赫數(shù)M 2 5 3 5范圍內(nèi) 即溫度在250 450 具有最高的比強(qiáng)度 但鈦合金的價(jià)格昂貴 且工藝性能較差 這時(shí)就可采用超高強(qiáng)度鋼 超高強(qiáng)度鋼主要用于航空航天器上的高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)如 制造飛機(jī)起落架 飛機(jī)機(jī)身大梁或骨架 高壓容器和常規(guī)武器的某些零部件上 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 一 低合金超高強(qiáng)度鋼 0 27 0 45 C 碳 淬透性 在截面上得到全馬氏體 保證C的強(qiáng)化作用 Si 低溫回火穩(wěn)定性 推遲低溫回火脆性 1 2 Si 細(xì)化奧氏體晶粒 改善塑性 韌性 Cr Mn Si Ni Mo V Nb 合金化 淬火 低溫回火或等溫淬火以回火馬氏體或下貝氏體 馬氏體狀態(tài)使用對(duì)表面缺陷如刻痕 焊縫及表面加工造成的缺陷十分敏感 熱處理工藝 常用鋼種 40CrNiMo 4340 國(guó)外廣泛使用 35Si2Mn2MoVA中國(guó)研制 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 二 二次硬化型超高強(qiáng)度鋼某些零件要求在較高溫度下具有高的力學(xué)性能 就需要鋼具有二次硬化效應(yīng) 1 特點(diǎn) 淬火 高溫回火 在高溫回火時(shí)彌散析出M7C3 M2C和MC型碳化物 產(chǎn)生二次硬化效應(yīng) 具有較高的中溫強(qiáng)度 2 缺點(diǎn) 塑韌性 焊接性和冷變形性較差 3 主要鋼種 1 4Cr5MoVSi H11 20Ni9Co4CrMo1V等制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)承受中溫強(qiáng)度的零部件 緊固件等 2 9Ni 4Co型和10Ni 14Co型熱處理后可獲得高強(qiáng)度和高韌度 并具有良好的熱穩(wěn)定性和焊接性 常用于制造飛機(jī)重要受力構(gòu)件 海軍飛機(jī)著陸鉤等 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 三 馬氏體時(shí)效鋼航空和宇航工業(yè)的發(fā)展 對(duì)鋼的強(qiáng)度提出更高的要求 但是 如果繼續(xù)走以碳強(qiáng)化的道路 將無(wú)法克服碳帶來(lái)的嚴(yán)重脆性 馬氏體時(shí)效鋼放棄了以碳強(qiáng)化的途徑 采用超低碳 以時(shí)效析出的金屬間化合物產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度 超低碳 w C 0 03 在Fe Ni合金馬氏體基礎(chǔ)上 以時(shí)效析出的金屬間化合物產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度 不僅有高強(qiáng)度 而且有良好的塑性 韌性和缺口強(qiáng)度值 熱處理工藝簡(jiǎn)單 不存在脫C問(wèn)題 不需急冷 變形和開裂傾向小 便于冷成形和切削加工 焊接 特點(diǎn) 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 2 馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)化機(jī)理馬氏體時(shí)效鋼是通過(guò)奧氏體 馬氏體 時(shí)效馬氏體的轉(zhuǎn)變獲得所需組織和性能 固溶強(qiáng)化強(qiáng)化效果達(dá)150 250MPa 貢獻(xiàn)不大 位錯(cuò)強(qiáng)化相變后馬氏體中有高密度位錯(cuò) 強(qiáng)化效果達(dá)500 600MPa 時(shí)效強(qiáng)化彌散分布的時(shí)效相引起強(qiáng)化 強(qiáng)化效果達(dá)1100MPa 起主要作用 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 18 Ni 20 Ni 25 Ni 有效地降低晶體點(diǎn)陣中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)抗力和位錯(cuò)與間隙原子間交互作用的能量 促進(jìn)應(yīng)力松弛 從而減少脆性斷裂的傾向 保證高溫時(shí)得到單相奧氏體 因?yàn)闀r(shí)效強(qiáng)化元素均為鐵素體形成元素 所以要加入大量Ni 保證足夠的淬透性 空冷時(shí)得到馬氏體 這種無(wú)碳板條馬氏體的特征是具有高密度均勻分布的位錯(cuò) 提供了大量潛在的形核位置和保證了較高的擴(kuò)散速率 從而保證時(shí)效過(guò)程中獲得細(xì)小的沉淀物 析出金屬間化合物 產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用 3 馬氏體時(shí)效鋼的化學(xué)成分 Ni的作用 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 作為時(shí)效強(qiáng)化作用元素 析出Ni3Ti Ni3Mo Fe2Mo等 產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用 馬氏體時(shí)效鋼的板條馬氏體具有良好的塑性和韌性 又有較好的低溫塑性和韌性 但其強(qiáng)度并不高 需配合金屬間化合物沉淀強(qiáng)化后可獲得最佳的強(qiáng)韌性 Ti Al Nb Mo 保證高溫時(shí)得到單相奧氏體 降低晶體點(diǎn)陣中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)抗力和位錯(cuò)與間隙原子間交互作用的能量 升高M(jìn)s點(diǎn) 有利于板條馬氏體的形成 減少殘余奧氏體 增加時(shí)效強(qiáng)化效果 析出 Fe Ni Co 2Mo Co的作用 3 3整體強(qiáng)化態(tài)鋼 820 加熱 空冷 得到馬氏體 HRC26 32 AR多 480 時(shí)效3 6h 析出Fe2Mo Ni3Ti Ni3Mo 18Ni 淬火和時(shí)效工藝與18 Ni型基本相同 不同之處 因Ni 高 淬火后AR增多 需要進(jìn)行一次冷處理 70 減少AR后再時(shí)效 熱處理工藝 20Ni 25Ni 淬火后AR很多 硬度很低 HV160 230 需消除AR 對(duì)奧氏體進(jìn)行時(shí)效在705 保溫幾個(gè)小時(shí) 奧氏體中析出一部分金屬間化合物 奧氏體合金含量降低 Ms升高 隨后冷卻并進(jìn)行冷處理 奧氏體基本上可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 冷加工變形進(jìn)行 25 的冷變形 使Ms升高 再進(jìn)行冷處理 使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 消除殘余奧氏體后馬氏體在430 480 時(shí)效 析出金屬間化合物 達(dá)到要求強(qiáng)度 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 用于采用表面強(qiáng)化工藝制作表面受磨損 心部受沖擊負(fù)荷的零件 零件受到周期性變化的扭轉(zhuǎn)或彎曲力的作用 并且零件與零件之間還有相對(duì)的摩擦 并有高的接觸應(yīng)力 零件要求有高的屈服強(qiáng)度 高的彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性 基本情況 既改變表面化學(xué)成分又改變組織 滲碳 滲氮 滲硼等 不改變表面化學(xué)成分但改變組織 感應(yīng)加熱淬火 火焰淬火 激光表面熱處理等 表面強(qiáng)化 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 一 合金滲碳鋼滲碳鋼大量用來(lái)制造齒輪 凸輪 活塞銷等零件 在滑動(dòng) 滾動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工況下工作 工件間有摩擦 承受一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力 一定的沖擊力 服役條件 常見失效形式 過(guò)量磨損 表面剝落 斷裂等 表面 高硬度 高耐磨性 高C的回火馬氏體 細(xì)小的未溶碳化物 心部 高的屈服強(qiáng)度 高的沖擊韌性 低碳的回火馬氏體 性能要求和組織 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 二 滲碳鋼的合金化 滲碳溫度高 時(shí)間長(zhǎng) 930 幾 幾十個(gè)小時(shí) 對(duì)于用Mn Si脫氧的鋼 奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生急劇長(zhǎng)大 并且滲碳后熱處理溫度不一定高于心部組織的Ac3 心部組織不一定可重新細(xì)化 1 含C量 0 12 0 25 C 個(gè)別可到0 28 主要目的是為了保證心部有良好的韌性 2 提高淬透性 Mn Cr Mo Ni W V Ti B等 心部淬火應(yīng)得到低碳馬氏體 以保證強(qiáng)度 3 細(xì)化奧氏體 Ti V W Mo 加入0 05 0 30 V 0 06 0 12 Ti 阻止奧氏體的晶粒長(zhǎng)大 同時(shí)還可增加滲碳層硬度 進(jìn)一步提高耐磨性 根據(jù)心部性能要求 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 2 根據(jù)滲碳層性能要求 1 滲碳層表面有適宜的含碳量 0 8 1 05 C 碳濃度梯度平緩過(guò)渡 如含C量太高 K數(shù)量太多 呈粗大塊網(wǎng)狀 分布不均勻 AR增多 強(qiáng)和中強(qiáng)K形成元素不能含量過(guò)高 因?yàn)樗麄冊(cè)龃箐摫砻嫖仗荚拥哪芰?增加滲層的碳濃度 同時(shí)它們又阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散 不利于滲碳層的增厚 使得濃度梯度增大 如含C量太低 硬度 耐磨性不夠 因此 非K形成元素不能太高 Ni Si 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 2 滲碳速度快K形成元素促進(jìn)滲碳 但強(qiáng)碳化物形成元素會(huì)阻礙C的擴(kuò)散 Cr Mn Mo有利于滲碳層增厚 而Ti能減小滲碳層厚度 非K形成元素 Ni Si 阻礙滲層厚度增加 原則上 滲碳層深度應(yīng)大于零件的最大切應(yīng)力深度 3 滲碳層中殘余奧氏體不能多Mn Ni含量不能過(guò)高 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 含量范圍Si 1 2 Mn 3 3 Cr 2 Ni 4 Mo 0 6 W 1 2 V 0 3 Ti 0 12 B 0 001 0 005 一般滲碳鋼不用Si合金化 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 三 常用滲碳鋼1 低淬透性滲碳鋼 常用滲碳鋼 受力較小的工件 20Cr 20Mn2 20Mn2B 20Mn2V 20CrV表層 滲碳后奧氏體晶粒粗大 滲碳層碳含量高 易形成網(wǎng)狀碳化物 心部 淬透性低 2 中淬透性滲碳鋼 20CrMnTi 20Mn2TiB 20MnVB 25MnTiBRe 20SiMnV表層 奧氏體晶粒不易粗大 過(guò)渡層均勻 表面碳濃度適中 心部 淬透性較好 油淬直徑約40mm 滲碳淬火后 具有較高的耐磨性和高的強(qiáng)韌度 特別是低溫沖擊韌度較好 晶粒長(zhǎng)大傾向小 變形較小 3 高淬透性滲碳鋼 22Cr2Ni4A 淬透性較高 制作重載大型齒輪 軸等 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 四 滲碳鋼的熱處理滲碳鋼的熱處理規(guī)范一般是滲碳 淬火 低溫回火 1 預(yù)先熱處理第一步 正火 第二步 退火 對(duì)P型鋼 或高溫回火 對(duì)M型鋼 對(duì)珠光體型鋼通常用在800 左右的一次退火代替正火 可得到相同的效果 即既細(xì)化晶粒又改善切削加工性能 對(duì)馬氏體型鋼 則必須在正火之后 再在Ac1以下溫度進(jìn)行高溫回火 以獲得回火索氏體組織 這樣可使馬氏體型鋼的硬度由380 550HB降低到207 240HB 以便順利地進(jìn)行切削加工 細(xì)化晶粒 減少組織中的帶狀程度并調(diào)整好硬度 便于機(jī)械加工 經(jīng)過(guò)正火后的鋼材具有等軸狀晶粒 正火的目的 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 2 滲碳 在機(jī)械加工到只留有磨削余量時(shí) 進(jìn)行滲碳處理 3 最終熱處理 淬火和低溫回火 滲碳后直接淬火 再低溫回火 零件通常只要求表面高硬度和耐磨性 而對(duì)基體性能要求不高時(shí) 主要用于滲碳后不容易過(guò)熱的鋼種 20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4W等中合金滲碳鋼 經(jīng)滲碳后直接淬火 滲碳層中將存在大量AR 滲碳后先進(jìn)行空冷 即正火處理 使組織細(xì)化 而后再按滲碳后的表面成分進(jìn)行淬火并低溫回火 當(dāng)要求表面高硬度 高耐磨性外 對(duì)基體性能有較高要求時(shí) 可采用這種工藝 主要用于滲碳后容易過(guò)熱的鋼種 如20Cr 20Mn2等 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 滲碳空冷后 進(jìn)行兩次淬火 當(dāng)對(duì)零件表面和基體性能的要求都很嚴(yán)格時(shí) 可用這種工藝 第一次 按鋼的基體成分加熱淬火 加熱溫度較高 870 左右 目的是細(xì)化心部組織并消除表面滲碳層中的網(wǎng)狀滲碳體 第二次 按高碳鋼的成分進(jìn)行 表面 淬火 目的是使表面獲得細(xì)小的馬氏體加粒狀碳化物組織 以滿足表面高性能的要求 最后進(jìn)行低溫回火以消除應(yīng)力 穩(wěn)定組織和穩(wěn)定尺寸 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 二 氮化鋼適用于采用氮化處理 以提高工件疲勞強(qiáng)度 耐磨性 抗腐蝕能力的結(jié)構(gòu)鋼 制造精密機(jī)床的主軸等 在工作時(shí)載荷不大 基本上無(wú)沖擊力 有摩擦 但較齒輪等零件磨損要輕 同時(shí)也受到交變的疲勞應(yīng)力 這類零件主要的要求是保持高的精度 滲碳不能滿足 服役條件 提高其硬度 耐磨性 熱穩(wěn)定性和耐蝕性 這類零件主要的要求是保持高的精度 滲碳不能滿足 氮化前 零件應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理 氮化工藝一般在500 565 進(jìn)行 氮化目的 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 2 性能要求 1 氮化工藝性能在盡可能短時(shí)間里獲得所需的表面硬度 氮化層厚度和金相組織 2 淬透性保證心部得到回火索氏體組織 HV 200 300 心部有良好的綜合機(jī)械性能 3 回火穩(wěn)定性要求經(jīng)500 565 3 100h氮化緩冷后 心部保持強(qiáng)度不下降 不發(fā)生明顯的高溫回火脆性 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 氮化鋼的合金化 碳 0 3 0 5 保證回火索氏體的強(qiáng)韌性 氮化物形成元素 在 相中形成超顯微的氮化物顆粒 起彌散強(qiáng)化作用 鋼中最有效的氮化元素是Al Nb V 其次是Cr Mo W Cr Mo Mn 增加淬透性 獲得足夠的淬硬層 以期在回火后得到回火索氏體組織 非氮化物形成元素阻礙N原子吸收 降低表面氮濃度 減少氮化層深度 Mo V 提高組織穩(wěn)定性 消除高溫回火脆性 0 2 0 5 不含Al時(shí)形成的氮化層脆 易剝落 一般鋼中要含1 左右的Al 38CrMoAlA 38Cr2WVAlA 35CrMo 40CrV 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 三 氮化處理提高零件疲勞強(qiáng)度和耐磨性的原因1 在表面形成高硬度的 相 Fe4N 和 相 Fe3 2N 2 滲入的氮原子與氮化物形成元素形成彌散的合金氮化物 提高表面氮化層的強(qiáng)度和硬度 氮化鋼的硬度和耐磨性主要取決于合金氮化物 MoN AlN 的數(shù)量 大小 種類和分布 但是由于鋼中含有一定量的C 因此氮化時(shí) 事實(shí)上總是形成碳氮化合物相 3 表面滲入氮原子后體積膨脹 在表面產(chǎn)生了殘留壓應(yīng)力 抵消外力作用產(chǎn)生的張應(yīng)力 減少表面疲勞裂紋的產(chǎn)生 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 三 低淬透性鋼 感應(yīng)加熱淬火的特點(diǎn) 不改變表面化學(xué)成分 表面硬化而心部仍保持較高的塑性和韌度 表面局部加熱 零件的淬火變形小 加熱速度快 可以完全消除表面的脫碳和氧化現(xiàn)象 在零件表面形成了殘余壓應(yīng)力 提高疲勞強(qiáng)度 專門用于中 小模數(shù) m 3 8 的齒輪 可在感應(yīng)加熱淬火時(shí) 能得到沿著輪廓分布的硬化層 稱為 仿形硬化 為使零件僅是表層得到硬化層 而心部仍保持一定韌度 必須降低鋼的淬透性 3 4表面強(qiáng)化態(tài)鋼 降低鋼淬透性的措施 降低可提高淬透性的元素含量 Mn Si Ni Cr等 加入強(qiáng)碳化物形成元素Ti 形成穩(wěn)定的TiC 加熱時(shí)不溶于奧氏體 冷卻時(shí)又能成為珠光體相變的核心 降低鋼的淬透性 常用的低淬透性鋼有55Ti 60Ti 70Ti等 3 5其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼 一 易削鋼 1 定義使正常鋼中某些成分變化或附加某些成分 有意識(shí)地獲得高的被