3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2

1、Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼 第二局部3.6 馬氏體時效鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼一、合金化原理 馬氏體時效鋼的高強度來源于合金元素的固溶強化、馬氏體相變的冷作硬化和時效析出金屬間化合物的沉淀強化。 由于馬氏體時效鋼的強化效應是由于置換元素在馬氏體中固溶及沉淀析出所造成的，且這些置換元素大都是鐵素體形成元素，因此要能夠得到馬氏體基體，必須參加擴大A相區(qū)的元素。3.6 馬氏體時效鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼二、 合金化元素 1 主加元素Ni Ni的參加可以保證馬氏體的形成，從而增加基體的強度，并降低其它合金元素在基體中的溶解度； Ni的參加能降低點陣中位錯運動抗力和位錯與

2、間隙元素之間交互作用能量，促進應力松弛，從而減少脆性斷裂傾向； Ni的參加還有利于馬氏體中的沉淀相的均勻形核與成長，這種均勻沉淀將促進良好的塑性變形特性和高的延性。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼2 參加一定量的鈷Co 降低剩余奧氏體含量：隨著鎳含量的增加，MS點也會下降，因此要控制鎳的參加量；參加鈷Co能升高MS點； 增加鋼中擴大A相區(qū)的能力，降低點陣中位錯運動抗力和位錯與間隙元素之間交互作用能量，促進板條馬氏體的形成。 這種無碳板條馬氏體的特征是具有高密度均勻分布的位錯，提供了大量潛在的形核位置和保證了較高的擴散速率，從而保證時效過程中獲得細小的沉淀物。Chapte

3、r 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼3 參加合金元素鈦、鋁、鉬、鈮等，以形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相。 馬氏體時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。其原因在于板條馬氏體中具有大量數(shù)目的可動位錯，組織中可動位錯的利用率的增加不僅改善塑性，而且使解理縮小到最低限度。 馬氏體時效鋼的板條馬氏體的強度并不高，但配合金屬間化合物沉淀強化后可獲得最正確的強韌性。Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼4 參加合金元素鉬和鈷產(chǎn)生協(xié)同效應：加合金元素鉬和鈷在形成沉淀強化的同時，還會形成一些附加的效應。如鉬和鈷的復

4、合參加，使沉淀強化效應進一步加強協(xié)同效應。Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼產(chǎn)生協(xié)同效應的原因： 鈷減小含鉬強化相的溶解度，使更多的強化相在時效過程中析出； 鉬還可以降低馬氏體時效鋼的回火脆性。 鈦除了形成沉淀相以外，還會與剩余碳或氮形成鈦的碳氮化合物而細化鋼的組織，但它們常沉淀在奧氏體晶界引起各向異性效應，并降低鋼的塑性。 鋁對馬氏體也有一定的強化效應，然而它損害時效前后的延性。Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼5 嚴格控制冶煉過程中鋼中雜質(zhì)元素含量 碳固溶于馬氏體中的碳會形成氣團，釘扎位錯，降低馬氏體的塑性；碳與鉬、鈦、鈮能形成穩(wěn)定的碳化物，在晶界上

5、析出時使鋼的韌性降低，缺口敏感性增加，同時還減少其有效含量，使強化效應減少。 氮在鋼中形成TiN和NbN，會作為裂紋源。 少量硅和錳有強化作用，但對韌性有害。 硫形成硫化物，降低鋼的橫向性能。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼三、 馬氏體時效鋼的熱處理 1 相變滯后 這類鋼在冷卻過程中冷卻到260 320左右時發(fā)生馬氏體相變，形成馬氏體組織，但把形成的馬氏體組織再加熱時，那么必須加熱到520左右時，馬氏體才分解，也正由于這類馬氏體組織加熱到一定的溫度范圍仍保持不變，從而保證了時效強化得以進行。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼Chapter 3 機械

6、制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼2 馬氏體時效鋼的典型熱處理工藝 815固溶處理，隨后空冷至室溫，合金冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于合金中Ni含量很高以及幾乎不存在C，鋼的淬透性極高，因而常常在空氣中冷卻。固溶處理后其硬度在3035 HRC之間，很容易進行進一步的機械加工。 馬氏體時效鋼的硬化是通過480時效36h來完成的。由于時效過程中形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相僅引起很小的尺寸變化，因而它可以作為產(chǎn)品的最終熱處理。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼3 馬氏體時效鋼的的特點及

7、應用 在高強度水平下還具有優(yōu)越的韌性； 比許多常用合金結(jié)構(gòu)鋼有較好的氫脆和應力腐蝕抗力； 在固溶處理和時效以后均可進行焊接而不需要預熱。 這類鋼的高合金度和生產(chǎn)工藝極其嚴格，使得鋼的生產(chǎn)本錢很高。Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼應用于航空、航天的重要構(gòu)件：如大型火箭發(fā)動機殼體、空間運載工具的扭力棒懸掛體、火箭發(fā)動機零件、直升飛機的柔性轉(zhuǎn)動軸、飛機起落架部件、旋轉(zhuǎn)機翼式飛機的鉸鏈結(jié)合部件、水翼艇及潛艇的零部件。也用于制造高壓容器、螺栓、緊固件和機槍彈簧、槍管、噴油泵零件、低溫服役零件及機加工工具的指度盤等。 幾種典型的馬氏體時效型超高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學成分、熱處理工藝及

8、室溫力學性能如表3-10。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼表3-10 幾種高合金超低碳馬氏體時效型超高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學成分、熱處理工藝及室溫力學性能 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.6 馬氏體時效鋼“海行者號演示艦 3.6 馬氏體時效鋼3.7 特殊用途鋼低溫用鋼耐寒鋼易削鋼自動機鋼無磁鋼鋼軌鋼特殊用途的結(jié)構(gòu)鋼抗氫鋼大鍛件用鋼耐磨鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼LNG液化天然氣汽化站 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼

9、3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼低磷抗氫誘導裂紋用16MnHIC鍛件 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼一、高錳鋼 高錳鋼是指含10%14%Mn和0.9%1.4%C的合金鋼。 鑄態(tài)組織：奧氏體+網(wǎng)狀碳化物。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Fe-Mn-C三元相圖中13%Mn的垂直截面淬火組織：固溶處理后可以得到單相奧氏體組織，這種奧氏體組織軟且有很高的韌性，并具有低的屈服強度。 硬度180HB220HB，沖擊韌性大于150J/cm2， 0.2=250MPa400MPa，b=800MPa1

10、000MPa， 5=35%55%，=40%50%，KU=180J/cm2。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼1 高錳鋼的性能特點及冷作硬化的本質(zhì) 性能特點：這種組織的鋼在受到?jīng)_擊載荷及高壓力的作用下，其外表層將迅速產(chǎn)生加工硬化，從而產(chǎn)生高耐磨的外表層，而內(nèi)層仍然保持優(yōu)良的沖擊韌性，因此即使零件磨損到很薄，仍能承受較大的沖擊載荷而不破裂。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼冷作硬化的本質(zhì)：是通過大量形變在奧氏體基體中產(chǎn)生大量層錯、形變孿晶、-馬氏體和-馬氏體，成為位錯運動的障礙。經(jīng)強烈沖擊后，鋼的外表硬度極大地提高到500HB左右，而心部仍保持韌性的奧氏體，所以

11、能承受強有力的沖擊載荷而不破裂。 3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2 高錳鋼的成分特點 高錳鋼中碳含量自1.0%增至1.5%時，外表硬化后的硬度增加，耐磨性可提高23倍，強度亦提高，但沖擊韌性下降，增加開裂傾向，故碳含量以1.15%1.25%范圍為最適宜。 錳可以擴大相區(qū)，增加奧氏體的穩(wěn)定性。通常Mn/C的比值應為911，以保證獲得奧氏體的組織。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Mn/C比值確實定： 對于耐磨性要求較高、沖擊韌性要求略低、形狀不太復雜或薄壁的零件，碳含量可選1.2%1.3%，錳含量為11%14%，Mn/C比取低限； 對于沖擊韌性要求較高、耐

12、磨性要求略低、形狀復雜或厚壁的零件，碳含量可選0.9%1.1%，錳10%13%，Mn/C比可取高限。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼高錳鋼中參加2.0%4.0%Cr或適量的Mo和V，能形成細小的碳化物，提高屈服強度、沖擊韌性和抗磨性。 參加稀土金屬元素：可以進一步提高鋼液的流動性，增加鋼液充填鑄型的能力，減少熱裂傾向，顯著細化奧氏體晶粒，延緩鑄后冷卻時在晶界上析出碳化物；稀土元素還能顯著提高高錳鋼的冷作硬化效應及韌性，提高使用壽命。3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3 高錳鋼的熱處理 通常將鋼加熱到單相奧氏體相區(qū)的溫度范圍保溫，使網(wǎng)狀碳化物充分溶入奧氏體，

13、然后水冷，獲得單相奧氏體組織。這種固溶處理又稱水韌處理。 水韌處理后的高錳鋼受到?jīng)_擊載荷后，外表會產(chǎn)生加工硬化，而內(nèi)部仍是高塑性的奧氏體。因此它兼有高硬度、高耐磨性及高的塑性。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼需要注意的是，如果從高溫慢冷，或者在400800溫度區(qū)間等溫保溫，那么將會使奧氏體發(fā)生+K碳化物反響，得不到所要求的組織狀態(tài)。 常用的高錳鋼牌號、化學成分及經(jīng)水冷處理后的力學性能如表3-11。 Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼用于制造要求耐磨及耐沖擊的一些零件。如用于制造挖掘機的鏟斗、碎石機的顎板、

14、襯板等。高錳鋼還大量用于挖掘機、拖拉機、坦克等的履帶板、主動輪和履帶支承滾輪等。 在碎石機械中用高錳鋼做顎板材料時，它的耐磨性特別好。當顎板受到?jīng)_擊應力時，外表層的硬度迅速提高，即使在外表層磨損以后，新暴露出的外表又會呈現(xiàn)同樣高的硬度，一直可以使用到尺寸報廢。3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼在鐵路交通運輸工業(yè)中，高錳鋼用于鐵道上的轍岔、轍尖、轉(zhuǎn)轍器及小半徑轉(zhuǎn)彎處的軌條等。用高錳鋼制造這些零件時，不僅由于它具有良好的耐磨性，而且由于材質(zhì)堅韌，不易突然斷裂。由于高錳鋼是非磁性的，也可以用于既耐磨又抗磁化的零件，如吸料器的電磁鐵罩。 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造

15、結(jié)構(gòu)鋼二、易削鋼 背景: 切削加工性是鋼的重要工藝性能之一。自動機床的廣泛應用，對高強度鋼的切削加工性能提出了新的要求，即要求提高切削加工速度，提高機械加工的生產(chǎn)率，延長刀具壽命，降低本錢，為此開展了易切削鋼這類鋼也稱為自動機鋼。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼金屬材料的切削加工性不僅和材料中的非金屬夾雜物或金屬間化合物的數(shù)量、形態(tài)、性能、分布等有關(guān)，而且還受材料的硬度和組織狀態(tài)影響。 3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼一、合金化1 合金化的目的 改變和固溶體的性能； 改變非金屬夾雜物的組成、性能并起變質(zhì)作用如S、Se、T

16、e等； 形成不溶于固溶體基體的金屬夾雜。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2 合金元素易切削鋼中常參加的合金元素是S、P、Se、Te、Pb、Ca等。 形成MnS、MnTe、PbTe、CaS、-CaOSiO2、2CaOAl2O3SiO2等，或Pb的金屬夾雜物。 熱軋時，夾雜物沿軋向伸長，呈條狀或紡錘狀，破壞鋼的連續(xù)性，減少切削時對刀具的磨損。 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼值得指出的是，在含硫易切削鋼中，Mn/S比一般控制在2.54.5之間，過高的Mn/S比使MnS夾雜長寬比增高，對性能不利。 強調(diào)切削性高于力學性能的低碳易切削鋼，硫的質(zhì)量分數(shù)通常為0.2

17、4%0.33%； 要求冷鐓或焊接的低碳易切削鋼，硫的質(zhì)量分數(shù)必須控制在0.04%0.13%的范圍內(nèi)； 中碳易切削鋼中的硫，不應超過0.18%。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼二、易切削鋼牌號 在鋼號前加“Y，代表“易切削鋼漢語拼音“易的第一個字母。Y后面的阿拉伯數(shù)字表示平均含碳量以萬分之幾計。 加S和加P的易切削鋼的牌號在符號Y和阿拉伯數(shù)字后不加易切削元素符號。 較高Mn含量的加S和加P的易切削鋼的牌號在符號Y和阿拉伯數(shù)字后加Mn元素符號。 對含Ca、Pb等易切削元素的易切削鋼，在符號Y和阿拉伯數(shù)字后加易切削元素符號。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼表3

18、-12列出了假設(shè)干易切削鋼的牌號、化學成分及以熱軋狀態(tài)交貨的條鋼或盤條的力學性能。 鋼的切削加工能還和材料的硬度和組織狀態(tài)有關(guān)。 例如粗晶粒鋼的切削性較好；片狀珠光體的切削加工性要好于粒狀珠光體；以熱軋狀態(tài)交貨的易切削鋼的切削加工性要好于以冷拉狀態(tài)交貨的易切削鋼。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼三、大鍛件用鋼 背景： 航空、航天、國防、電力、造船及重型機械等工業(yè)的開展要求制造大型零件。如電站設(shè)備中的轉(zhuǎn)子、大馬力柴油機曲軸、軋鋼機的冷熱軋輥等，這些重要的大截面零件通常要求用大鍛件生產(chǎn)。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機

19、械制造結(jié)構(gòu)鋼一、工藝特點 由于大鍛件的鍛造加工變形不均勻，通常不能一次鍛成，而需要屢次加熱、鍛造。 大鍛件一般只能采取緩慢的回火冷卻速度，以減少剩余應力。因此對大鍛件用鋼必須注意組織的均勻性、晶粒的細化等問題。 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼二、大鍛件用鋼類型 1 大鍛件優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 一般大鍛件都可以使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。對于要求綜合機械性能的大鍛件用鋼，其碳含量不易過高，因為碳的增加會降低鍛件的塑性和韌性，增加脆斷傾向，而且偏析較大，故一般碳含量均在0.2%0.4%的范圍內(nèi)。 對于要求耐磨的零件可以適當提高碳含量，例如熱軋輥、耐磨齒輪等。 3.7 特殊用途鋼Chapte

20、r 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2 大鍛件合金結(jié)構(gòu)鋼 要求性能高的大鍛件可以采用合金結(jié)構(gòu)鋼，如34CrNiMo、34CrNi3Mo、 20MnMoNb、42MnMoV、50SiMnMoV等鋼種。 42MnMoV可用在300mm500mm截面范圍內(nèi)代替40CrNi、42CrMo等鋼制造齒輪或齒輪軸； 50SiMnMoV是一種大截面中碳貝氏體型鋼，用于制造500mm900mm截面軋鋼機齒輪軸，以代替34CrNi3Mo鋼。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼對于大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子和汽輪機低壓轉(zhuǎn)子要求采用Ni-Cr-Mo-V等淬透性較高的鋼種； 對于中、高壓汽輪機轉(zhuǎn)子，一般采用Cr-Mo或Cr-Mo

21、-V鋼種。 表3-13 局部大鍛件用鋼的化學成分。 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼3.7 特殊用途鋼三、大鍛件用鋼的熱處理 1 預先熱處理1目的 一方面可以防止鋼中產(chǎn)生白點，特別是堿性平爐冶煉的大鍛件用鋼。 對白點敏感的低碳鋼含碳量小于0.3%，含錳量小于0.3%和對白點敏感性較小的中碳鋼，在鍛后空冷或坑冷500600裝入緩冷坑便可防止白點發(fā)生。 對截面較大的碳鋼和對白點敏感的合金鋼鍛件，鍛后那么必須進行專門的熱處理。 3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼另一方面還可以提高化學成分的均勻性，細化與調(diào)整鍛件在鍛造過程中所形成

22、的粗大的不均勻組織，消除鍛造應力，降低硬度，為切削加工和最終熱處理作組織準備。3.6 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2預先熱處理工藝 調(diào)整和細化大鍛件晶粒的熱處理通常用屢次正火。 第一次正火采用較高的加熱溫度通常加熱到AC3以上100150，通過奧氏體的再結(jié)晶可以打破鋼中存在的重結(jié)晶后的新舊相之間的織構(gòu)關(guān)系而消除原始粗大組織； 第二次正火選用不致引起晶粒顯著長大的溫度。對于真空處理的鋼液，由于其氫含量已經(jīng)較低，因此細化晶粒以改善鍛件最終熱處理后的組織與性能成為鍛后熱處理主要考慮的因素。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2 最終熱處理1目的保證使用性能。 對于多數(shù)

23、碳鋼和一些低合金鋼，鍛后熱處理能夠獲得一般技術(shù)條件所要求的力學性能，可以作為最終熱處理。 對于大多數(shù)大鍛件用鋼，為了獲得所要求的組織和性能，必須采用最終熱處理。3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼2最終熱處理工藝 通常采用淬火或正火及隨后高溫回火的熱處理工藝。 加熱溫度：為使大鍛件負偏析區(qū)到達淬火或正火溫度，以適應有偏析引起的各部位不同的轉(zhuǎn)變特性，因此大鍛件用鋼的淬火或正火溫度與小件相比一般取上限溫度。對于碳偏析比較嚴重的大型鍛件，可根據(jù)上、下端不同的含碳量，采用不同的淬火或正火加熱溫度。 3.7 特殊用途鋼Chapter 3 機械制造結(jié)構(gòu)鋼淬火或正火的加熱速度： 因為大鍛件的截面大，加熱速度過大，鍛件