金屬材料及熱處理：第五章 結(jié)構(gòu)鋼

1、第五章 結(jié)構(gòu)鋼,第一節(jié) 工程結(jié)構(gòu)鋼,主要用途 車輛(底盤大梁）、船舶、橋梁、高壓容器、輸油管道、大型鋼結(jié)構(gòu),壓力容器,南京長江大橋,性能要求 強(qiáng)度高并有足夠的塑性和韌性，同時(shí)具有良好的焊接性能和冷變形能力，抗大氣腐蝕性以及低溫韌性,工程結(jié)構(gòu)鋼的種類：鐵素體-珠光體類鋼、低碳貝氏體鋼和低碳馬氏體鋼,一、鐵素體-珠光體類鋼 1.合金元素的主要作用是強(qiáng)化，體現(xiàn)在四個(gè)方面：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化以及珠光體強(qiáng)化。 2.性能要求：較低的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度FATT50 (); 焊接性；耐大氣腐蝕性,3.常用的工程結(jié)構(gòu)鋼的種類： 1)碳素工程結(jié)構(gòu)鋼：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275 2)高強(qiáng)

2、度低合金鋼： 16Mn：屈服強(qiáng)度為345MPa，Mn含量為1.21.6%，起固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒作用； 15MnTi、16MnNb、15MnV屬于390MPa級(jí)，Ti、Nb、V起晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用,二、低碳貝氏體類鋼 1.合金元素的主要作用：Mo、B推遲F和P轉(zhuǎn)變而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少；Mn、Cr、Ni推遲先共析F轉(zhuǎn)變以及P轉(zhuǎn)變，并使Bs點(diǎn)下降；Nb、Ti、V細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。 2.代表鋼號(hào)：14MnMoV、14MnMoVBRE,三、低碳馬氏體類鋼 1.合金元素的主要作用：提高淬透性、細(xì)化晶粒；低碳為了獲得板條馬氏體，Ms及Mf較高，淬火后可以自回火。 2. 代表鋼號(hào)： BHS-1：w(C

3、)=0.10%、w(Mn)=1.8%、 w(M0)=0.45%、 w(Nb)=0.05% Mn-Si-Mo-V-Nb,一、調(diào)質(zhì)鋼 1、主要用途 汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其他機(jī)器上要求具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的重要零件。如：汽車拖拉機(jī)傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、連桿螺栓、機(jī)床主軸等,第二節(jié) 機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼,2、性能要求 調(diào)質(zhì)鋼的基本性能要求是良好的綜合機(jī)械性能。對(duì)調(diào)質(zhì)鋼淬透性要求是根據(jù)零件受力情況而定,3、鋼號(hào)、成分及作用 常用鋼號(hào)：40Cr 、40CrNi、40Mn2、40CrNiMo,4、熱處理及組織 熱處理：預(yù)先退火或正火淬火高溫回火,熱處理后的組織：調(diào)質(zhì)處理后獲得S回組織。通常硬度為 HRC 30 42。

4、為了提高零件表面的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)鋼常采用感應(yīng)加熱表面淬火作為最終熱處理進(jìn)行表面強(qiáng)化,5、調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能 獲得高強(qiáng)度、高塑性的綜合機(jī)械性能,6、典型調(diào)質(zhì)鋼介紹 低淬透性調(diào)質(zhì)鋼： 40Cr 40MnB,中淬透性調(diào)質(zhì)鋼： 35CrMo,40Cr鋼制造連桿螺栓的熱處理工藝曲線,高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：多半是NiCr鋼，并含有鉬，少數(shù)鋼不含鉬. 4OCrNiMoA 38CrMoAl,三、滲碳鋼,1、主要用途 汽車拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪、坦克飛機(jī)傳動(dòng)齒輪、機(jī)床齒輪、活塞銷、渦輪蝸桿等,2、性能要求： （1）經(jīng)滲碳、熱處理后滲碳層應(yīng)具有優(yōu)異的的耐磨性、疲勞抗力及適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性；心部應(yīng)獲得足夠的強(qiáng)度及優(yōu)良的韌性。

5、 （2）應(yīng)具有良好的工藝性能，特別是熱處理工藝性能，在滲碳溫度（900-950）下奧氏體晶粒不易明顯長大，并且有良好的淬透性,3、鋼號(hào)、成分及作用 常用鋼號(hào)： 20CrMnTi、 20Cr、 12Cr2Ni4A,含碳量： 成分特點(diǎn)是含碳量低，一般為0.1-0.25。 合金元素：滲碳鋼中常加入 Mn(2）、 Cr(2)、Ni(4.5)和 B (0.0010.004)，主要作用是提高淬透性，改善心部的組織與性能，并增加滲碳層的強(qiáng)度和韌性； V、 Ti、 W、 Mo等，主要目的是阻止A晶粒長大，細(xì)化晶粒。并形成細(xì)小彌散的碳化物以增加強(qiáng)韌性和耐磨性,4、滲碳工藝、熱處理及組織 滲碳鋼的滲碳工藝一般是加

6、熱到900-950，根據(jù)工件滲層的要求滲碳一定時(shí)間， 一般為6-8小時(shí)。 熱處理 淬火+低溫回火：可采用預(yù)冷直接淬火，一次淬火和二次淬火。采用的淬火方法決定于鋼中的合金元素量和對(duì)性能的要求。低溫回火一般在180-200、1-2小時(shí),20CrMnTi鋼滲碳齒輪加工路線圖,組織： 滲碳后緩慢冷卻的平衡組織：表面為過共析組織 P+Fe3CII,心部則為原始的亞共析組織F+P。 滲碳后淬火+低溫回火的組織： 表層：M回+點(diǎn)狀碳化物+少量A HRC 58-60 心部：低碳回火馬氏體+F （淬透） HRC 30-45 F+P （未淬透,5、滲碳鋼的性能 滲碳鋼經(jīng)滲碳淬火低溫回火后，表層硬度高、耐磨，心部有

7、很高的韌性,6、典型滲碳鋼,低淬透性合金滲碳鋼 鋼含合金元素總量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油機(jī)的活塞銷、凸輪軸等,活塞銷( 20Cr,中淬透性合金滲碳鋼 鋼含合金元素總量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等載荷 的耐磨件，如變速箱齒輪,柴油機(jī)凸輪軸,高淬透性合金滲碳鋼 鋼含合金元素總量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大載荷 的耐磨件，如柴油機(jī)曲軸,柴油機(jī)曲軸,1、主要用途 彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種彈簧或要求高彈性的其它零件。 彈簧起緩沖、消震和儲(chǔ)能的作用。例：汽車

8、板簧,四 彈簧鋼,汽車板簧,熱卷大彈簧,碳素彈簧鋼,合金彈簧鋼,化學(xué)成分,熱處理后的組織,Wc = 0.60.9 ,Wc = 0.50.7 ,合金元素: Si、Mn、 Cr、V、W、Mo等,T回,制造尺寸小于 815mm的 小型彈簧,T回,制造尺寸在2025 mm左右的彈簧,6.冷成形彈簧生產(chǎn)工藝特點(diǎn),5.熱成型彈簧鋼的熱處理后的組織: 回火屈氏體,用于生產(chǎn)尺寸小于815mm的小型彈簧,常用彈簧鋼絲(片)冷繞成形,其制造方法有: T組織冷成型+200300去應(yīng)力退火。60、75、 85、65 Mn。 T回組織冷成型+去應(yīng)力退火。 退火組織冷成型+淬火+中溫回火。 55Si2Mn、60Si2Mn

9、A、50CrVA,五.易切削鋼( fee cutting steel,Y 40 Mn,第三節(jié) 超強(qiáng)韌鋼,超強(qiáng)韌鋼,低合金超強(qiáng)韌鋼 ：40CrNiMo、35Si2Mn2MoVA,高合金超強(qiáng)韌鋼,中低碳二次硬化型超強(qiáng)韌鋼： 9Ni-4Co系、基體鋼,金屬化合物脫溶型超強(qiáng)韌鋼：25Ni、20Ni、18Ni、15Ni,相變誘起范性超強(qiáng)韌鋼：C0.2-0.3、Si2、Mn2、Cr9、Ni8、Mo4,一、低合金超高強(qiáng)韌鋼 C：0.3-0.45%，保證鋼的強(qiáng)度 Cr、Mn、Ni、Mo等：提高鋼的淬透性 Si：增加淬透性，增加鋼的抗回火穩(wěn)定性，推遲低溫回火脆性 常用的鋼號(hào)：40CrNiMo、300M、35Si

10、2Mn2MoV 熱處理工藝：淬火+低溫回火或等溫淬火+低溫回火 組織：回火馬氏體或下貝氏體,二、高合金超高強(qiáng)韌鋼 1、中、低碳二次硬化型高合金超強(qiáng)韌鋼 強(qiáng)化機(jī)理：利用回火時(shí)析出的特殊合金碳化物實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化 韌化機(jī)理：高Ni、高Co改善韌性,2、金屬化合物脫溶強(qiáng)化型超強(qiáng)韌鋼 合金元素：Ni、Co、Ti、Al、Mo、Be、Nb等 合金元素的作用：Ni提高淬透性；Co提高M(jìn)s點(diǎn)；Ni、Ti、Al、Mo、Nb、Be等形成金屬間化合物(A3B或Laves相)實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化,分類：25Ni、20Ni、18Ni、15Ni 熱處理工藝：18Ni,3、相變誘起范性型超強(qiáng)韌鋼 C0.2-0.3、Si2、Mn2、Cr

11、9、Ni8、Mo4,第四節(jié) 軸承鋼,性能要求：高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的耐磨性、高的淬透性、耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性以及良好的冶金質(zhì)量,滾動(dòng)軸承鋼的牌號(hào),G Cr9 Si Mn,一、軸承鋼的分類,1、高碳低Cr軸承鋼：GCr15、GCr9Si 2、高碳Si-Mn系：GSiMnV 3、低碳高合金滲碳軸承鋼：18Cr2Ni4WA、12Cr2Ni4A,二、合金元素的作用,C：保證淬火后獲得的馬氏體的硬度，獲得一定數(shù)量的耐磨碳化物，0.951.05%； Cr：增大淬透性、使過剩碳化物增多以增大耐磨性； Si：提高鋼的彈性極限；增大淬透性；提高馬 氏體的抗回火穩(wěn)定性 Mn:增加淬透性，和基體的強(qiáng)度 Mo、V：增加

12、耐磨性；細(xì)化晶粒；與Mn配合，進(jìn)一步增加淬透性 RE：改善鋼中夾雜物的分布，改善鋼的范性和韌性,三、軸承鋼中的非金屬夾雜物 氮化物、硅酸鹽、Al2O3、MnS 非金屬夾雜物的危害性：氮化物硅酸鹽Al2O3,四、軸承鋼中的碳化物 1. 液析碳化物：非平衡結(jié)晶時(shí)從鋼液中直接析出的共晶碳化物。形成條件是，鋼液凝固時(shí)產(chǎn)生了嚴(yán)重的枝晶偏析，使局部區(qū)域C和Cr的成分達(dá)到了共晶成分，當(dāng)這種液體量很小時(shí)，發(fā)生離異共晶，從共晶組織中離異出粗大的共晶碳化物。尺寸較大，硬度高、脆性大暴露在工件表面容易剝落，加速軸承的磨損；同時(shí)液析碳化物還增大零件淬火開裂的傾向，造成淬火硬度不均勻和機(jī)械性能的各向異性,2.帶狀碳化物

13、：從奧氏體中析出的先共析碳化物在軋制過程中呈帶狀分布。形成原因：鋼液凝固時(shí)產(chǎn)生了枝晶偏析在富C、Cr的區(qū)域析出較多的碳化物，在熱加工時(shí)被拉長，使得其沿軋向分布。帶狀碳化物的存在直接降低軸承的疲勞壽命，增加淬火變形與開裂的傾向，降低加工表面的光潔度,3.網(wǎng)狀碳化物：停軋溫度較高，軋后緩慢冷卻形成的。軸承鋼屬于過共析鋼，在熱軋或緩慢冷卻過程中，由于碳在奧氏體中溶解度的降低，二次碳化物沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，隨后的淬火不能完全消除它。殘留在鋼中的網(wǎng)狀碳化物顯著增加零件的脆性和淬火開裂傾向，使零件易沿晶界破壞。因此，軸承鋼中的網(wǎng)狀碳化物必須加以控制。 4.粒狀碳化物：碳化物呈顆粒狀，細(xì)小均勻分布在鐵素體基體上。有利于提高耐磨性，加熱時(shí)阻止奧氏體晶粒的長大,軸承鋼球化退火工藝： 一般退火與等溫退火 五、成品熱處理 淬火+低溫回火 組織：回火馬氏體+粒狀碳化物+少量的殘余奧氏