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1、第第4 4章章 机器制造结构钢机器制造结构钢机器制造结构钢的强韧化机制及各类钢的化学成机器制造结构钢的强韧化机制及各类钢的化学成分特点和热处理特点。分特点和热处理特点。基本要求基本要求： l了解机器制造结构钢的强韧化机制；了解机器制造结构钢的强韧化机制； l渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高强渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高强度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；化学成分特点和热处理特点； l掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。 重点与难点重点与难点: :4.3 4
2、.3 调质钢调质钢根据含有不同根据含有不同Me而引起的而引起的回火稳定性的差回火稳定性的差别和回火温度别和回火温度，可得到，可得到T回回或或S回回，其主要区，其主要区别在于基体别在于基体相是否完全再结晶和相是否完全再结晶和K颗粒聚颗粒聚集长大的程度。集长大的程度。调质调质淬火淬火+高温回火高温回火的复合热处理工艺。的复合热处理工艺。调质后的显微组织：调质后的显微组织：相基体相基体+颗粒状颗粒状K。调质钢的强度主要取决于调质钢的强度主要取决于相的强度和相的强度和K的的弥散强化作用。弥散强化作用。一、碳素调质钢的缺点一、碳素调质钢的缺点l对于对于要求高水平综合机械性能要求高水平综合机械性能的零件，
3、如连的零件，如连杆、高强螺栓、飞机发动机轴等，杆、高强螺栓、飞机发动机轴等，要求整个要求整个截面都有较高的强韧性截面都有较高的强韧性； 碳素调质钢（如碳素调质钢（如35、40、45等）在完全淬透等）在完全淬透的情况下，调质后的强度约为的情况下，调质后的强度约为800MPa，可以，可以满足机械制造上的一般需要。满足机械制造上的一般需要。l截面受力不均匀截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要应力的传动轴，主要要求受力较大的表面有要求受力较大的表面有较好的性能较好的性能，心部要求可低些。，心部要求可低些。 l碳素调质钢淬透性低，热处理变形大碳素调质钢淬透性低
4、，热处理变形大等缺点等缺点限制了它在这些重要机件上的应用。限制了它在这些重要机件上的应用。加入加入Me可以提高淬透性。可以提高淬透性。二、合金元素的作用二、合金元素的作用( () )C：0.30.5%（中碳中碳）。保证有足够大的）。保证有足够大的K体积体积分数以获得高强度。分数以获得高强度。C含量过低，淬硬性不够；含量过低，淬硬性不够；C含量过高则韧性含量过高则韧性。Si、Mn、Ni：溶于：溶于相，固溶相，固溶强强化。化。主要作用：主要作用：提高淬透性。提高淬透性。Cr、Mo、W、V：阻碍阻碍K在高温回火时聚集长大，保持高强度；在高温回火时聚集长大，保持高强度；阻碍阻碍相的再结晶，保持细小的晶
5、块结构，使相的再结晶，保持细小的晶块结构，使相保持足够高的强度。相保持足够高的强度。淬透性原则：淬透性原则：淬透性相同的同类调质钢，可互相代用。淬透性相同的同类调质钢，可互相代用。把不同化学成分的把不同化学成分的调调质钢经质钢经淬火得到淬火得到M，回火到相同的回火到相同的b,可得可得到相近的到相近的s、和和。不同成分的不同成分的调质调质钢钢，只要其淬透性相，只要其淬透性相当，当，则则可互可互换换。0.250.45%C的合金钢经调质的合金钢经调质后室温性能变化后室温性能变化 bs相同的碳钢和合金结构钢相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化断面收缩率变化 MeMe对调质钢韧性的影响对调质钢韧性的影响
6、C：冲击韧性。冲击韧性。在保证强硬度的前提下，应把钢中在保证强硬度的前提下，应把钢中C含量限含量限制在较低的范围内。对于重要的零件，一制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透性的低般选用高淬透性的低C合金钢。合金钢。Mn：11.5%Mn，冲击韧性有所改善，稍降低，冲击韧性有所改善，稍降低FATT50。但含。但含Mn量量2后，后， FATT50反而反而，冲，冲击韧性恶化。击韧性恶化。P：对冲击韧性危害甚大。：对冲击韧性危害甚大。FATT50 ，冲击值，冲击值，在高级优质钢中的含磷量限制在在高级优质钢中的含磷量限制在0.035%，为了，为了进一步改善钢的韧性，甚至应把含磷量降低到进一步改善
7、钢的韧性，甚至应把含磷量降低到0.02%以下。以下。Ni：可改善钢的冲击韧性，使：可改善钢的冲击韧性，使FATT50不断不断。Si：降低：降低S回回的的韧韧性，升高性，升高FATT50Cr（14%）、）、Mo、V：对韧对韧性影响不大。性影响不大。n调质钢的高温回火脆性调质钢的高温回火脆性（第二类回火脆性、可第二类回火脆性、可逆回火脆性）逆回火脆性）回火脆性：回火脆性：淬火钢淬火钢在在250250350350和和500500 650650这两个温度范这两个温度范围内回火时，冲击围内回火时，冲击韧度不但没有升高韧度不但没有升高, ,反而显著下降的现反而显著下降的现象。象。高温回火后的冷却速度严重影
8、响钢的韧脆转化温高温回火后的冷却速度严重影响钢的韧脆转化温度。度。冷却速度越慢，室温冲击韧性越低，韧脆转冷却速度越慢，室温冲击韧性越低，韧脆转化温度越高。化温度越高。650回火后冷却方式回火后冷却方式 室温冲击值室温冲击值/J炉冷炉冷9.4空冷空冷23.5油冷油冷59.8水冷水冷74.6一种一种Cr-Ni调质钢调质钢在在350600范围等温回火保温时间越长范围等温回火保温时间越长，不不管回火后冷却快慢管回火后冷却快慢，在室温的冲击韧性越低，在室温的冲击韧性越低，韧脆转化温度越高。韧脆转化温度越高。将已经回火脆化的钢再在将已经回火脆化的钢再在650650保温后快冷，保温后快冷，可消除脆化倾向。可
9、消除脆化倾向。Me对高温回火脆性的作用：对高温回火脆性的作用：v Mn、Cr、Ni、Si强烈促进高温回火脆性；强烈促进高温回火脆性；产生原因：产生原因：杂质杂质P、Sn、Sb、As等在原等在原A晶界的平衡偏聚引晶界的平衡偏聚引起晶界脆化；含量超过十万分之几就可产生高起晶界脆化；含量超过十万分之几就可产生高温回火脆化倾向。特别是在温回火脆化倾向。特别是在450550工作的钢，工作的钢，对此尤为敏感。对此尤为敏感。v Mo、W、Ti降低高温回火脆性；降低高温回火脆性； vRE和杂质元素形成稳定的化合物（如和杂质元素形成稳定的化合物（如LaP、LaSn、CeP、CeSb等金属间化合物），可大大降等金
10、属间化合物），可大大降低甚至消除高温回火脆性。低甚至消除高温回火脆性。 v提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。量。 防止合金钢中高温回火脆性的方法：防止合金钢中高温回火脆性的方法：v工件尺寸过大时，即使水冷也难防止脆性产工件尺寸过大时，即使水冷也难防止脆性产生，或因工件形状复杂不允许快速冷却时，生，或因工件形状复杂不允许快速冷却时，可选可选用含用含Mo、W的合金钢或的合金钢或RE与与Mo进行复合合金化；进行复合合金化；尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内回火，如不可避免，可减少回火脆性温度下停回火，如不可避
11、免，可减少回火脆性温度下停留时间或回火后快冷，一般小件用油冷，较大留时间或回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷；件用水冷；典型调质钢及其应用典型调质钢及其应用：合金调质钢：按淬透性的高低（合金调质钢：按淬透性的高低（MeMe含量多少）含量多少）可分为低、中、高淬透性三类，可分为低、中、高淬透性三类，同一级内，各同一级内，各钢种可互换钢种可互换。碳素调质钢：最普通的调质钢，如碳素调质钢：最普通的调质钢，如4545钢，钢，45B45B钢，钢，用做用做截面尺寸较小或不要求完全淬透截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件，的零件，只能用只能用盐水淬火盐水淬火。淬透性较低，一般用淬透性较低，一般用油淬油淬
12、。通常只用于制造。通常只用于制造一般一般尺寸的重要零件尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约是为节约Cr而发展的代用钢，而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。切削加工性能也差一些。 低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢：DC：3040mm。典型典型钢钢种：种：40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、40MnVB等。等。连连 杆杆 轴轴 中淬透性合金调质钢：中淬透性合金调质钢：DC：4060mm。 典型钢种：典型钢种：35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。等。主要用于主要用于制造截面较大的零件制造截面较大的
13、零件，例如曲轴、连，例如曲轴、连杆等。杆等。35CrMo、40CrMn等钢可用于等钢可用于500以以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。轮等。 电气机车大轴电气机车大轴 磨床主轴磨床主轴 汽轮机转子汽轮机转子 汽轮机转子汽轮机转子 （AETC公司）公司） 叶轮、转子叶轮、转子 高淬透性合金调质钢：高淬透性合金调质钢：DC：60100mm。 典型钢种：典型钢种：40CrNiMoA、37CrNi3A、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。等。40CrNiMoA钢主要用于钢主要用于制造大截面、重载荷的制造大截面、重载荷的重要零件重要零件，如航空发
14、动机轴、汽轮机主轴、叶轮，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。等。 某军舰汽轮机主轴某军舰汽轮机主轴 分析比较：分析比较： 40Cr40CrNi40CrNiMo 淬透性淬透性回脆性回脆性回稳性回稳性塑韧性塑韧性 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo1、预备热处理、预备热处理 目的：为了便于切削加工和改善钢件因热加工目的：为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织。不当而造成的粗晶组织和带状组织。 合金含量较少的钢合金含量较少的钢在轧制和锻造后的
15、组织多半在轧制和锻造后的组织多半是是P，一般采用在，一般采用在AC3线以上加热进行线以上加热进行正火正火。调质钢的热处理特点调质钢的热处理特点合金含量较多合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为的钢在轧制和锻造后的组织多为M，一般采用在一般采用在AC3线以上加热进行线以上加热进行正火正火，随后再进行，随后再进行一次一次高温回火高温回火，使，使M型钢的强度由型钢的强度由HB380550降降至至HB207240，可以顺利地进行切削加工。，可以顺利地进行切削加工。 2 最终热处理最终热处理 （1）淬火淬火将钢件加热至将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决
16、定。的成分来决定。 （2 2）回火回火 根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调质根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的材的回火脆性回火脆性问题。问题。 （3 3）表面处理）表面处理 某些零件除了要求较高的强韧性配合以外，往往还某些零件除了要求较高的强韧性配合以外，往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行进行高频感应表面淬火高频感应表面淬火。必须指出的
17、是：必须指出的是： 由于在由于在500650下高温回火慢冷时容易产生下高温回火慢冷时容易产生高温回火脆性，因此对回火脆性敏感性较大的高温回火脆性，因此对回火脆性敏感性较大的钢，钢，回火后必须迅速冷却回火后必须迅速冷却（如用水冷或油冷），（如用水冷或油冷），以抑制回火脆性的发生；以抑制回火脆性的发生； 当要当要制造大截面零件制造大截面零件时，由于快冷难以抑制回时，由于快冷难以抑制回火脆性的发生，所以火脆性的发生，所以必须选择含有必须选择含有Mo、W等等回火脆性敏感性较低的调质钢。回火脆性敏感性较低的调质钢。低碳马氏体型结构钢低碳马氏体型结构钢低碳低合金马氏体型结构钢低碳低合金马氏体型结构钢低碳中
18、合金马氏体型结构钢低碳中合金马氏体型结构钢中碳低合金马氏体型超高强度结构钢中碳低合金马氏体型超高强度结构钢马氏体时效钢马氏体时效钢马马氏氏体体型型结结构构钢钢的的类类型型4.4 4.4 马氏体型结构钢马氏体型结构钢l淬火低温回火得到的淬火低温回火得到的中、低碳中、低碳M回回，可以，可以发发挥挥C在在过饱过饱和和相中的固溶相中的固溶强强化化、K产产生的沉淀生的沉淀强强化化以及以及M相相变变引起的冷作硬化引起的冷作硬化。调质钢经调质处调质钢经调质处理得到的理得到的S回回组织组织不能充分不能充分发发挥挥C在提高在提高钢钢的的强强度方面的潜力度方面的潜力。 其中其中M回回的的强强度度主要来自固溶在主要
19、来自固溶在马马氏体氏体相中的相中的C。C含量为含量为0.30%时，钢的强度为时，钢的强度为1700MPa左右；左右； C含量每含量每0.10%时，钢的强度约时，钢的强度约300MPa： 当当C含量含量到到0.40%时，钢的强度时，钢的强度到到2000MPa左右；左右； 当当C含量含量到到0.50%时，钢的强度时，钢的强度到到2300MPa左右。左右。b=2880C%+800 (MPa)C%增加，能增加钢的强度，但增加，能增加钢的强度，但钢的塑韧性下降钢的塑韧性下降； 同时同时工艺性能工艺性能（如加工性、焊接性）也随之（如加工性、焊接性）也随之恶化恶化。 因此通过增加因此通过增加C%来提高钢的强
20、度和对钢的塑韧来提高钢的强度和对钢的塑韧性要求的限制，一般在性要求的限制，一般在0.20 0.50%的范围内。的范围内。 Si、Mn、Cr、Ni、Mo等：有效提高过冷等：有效提高过冷A的稳的稳定性，从而提高钢的淬透性，提高钢的强度。定性，从而提高钢的淬透性，提高钢的强度。 合金元素合金元素提高钢的淬透性提高钢的淬透性，保证得到，保证得到M组织组织Si：增加钢的低温回稳，并能使回火：增加钢的低温回稳，并能使回火M脆性温度脆性温度移向高温区。可把回火温度提高到移向高温区。可把回火温度提高到300320，从而在保证高强度的同时，适当改善塑韧性。从而在保证高强度的同时，适当改善塑韧性。V、Nb等：细化
21、等：细化A晶粒，从而细化淬火后的晶粒，从而细化淬火后的M，有效地提高钢的塑韧性。有效地提高钢的塑韧性。低碳低碳M钢的组织特点钢的组织特点：淬火后形成位错板条：淬火后形成位错板条M+板条相界残余板条相界残余A薄膜薄膜+板条内部自回火或低温回火板条内部自回火或低温回火析出的细小分散析出的细小分散K，可实现，可实现强韧性的最佳配合强韧性的最佳配合。背景背景：中碳（合金）结构钢经通常的热处理后，：中碳（合金）结构钢经通常的热处理后，其强度与塑韧性是一对互为消长的矛盾。其强度与塑韧性是一对互为消长的矛盾。一、低碳马氏体钢一、低碳马氏体钢低碳低碳M M钢的性能特点：钢的性能特点：(1)在在静载下具有良好的
22、强度和塑韧性的配合静载下具有良好的强度和塑韧性的配合，即使即使C含量含量到到0.25%，这种优良性能仍然存在；，这种优良性能仍然存在；b=11501500MPa；s=9501250MPa；40%；10%；AK6J。这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，常常规的力学性能甚至优于调质钢规的力学性能甚至优于调质钢。(2) 具有低的缺口敏感性。具有低的缺口敏感性。 (3) 与中碳调质钢相比较，其与中碳调质钢相比较，其冷脆倾向性小冷脆倾向性小。40Cr钢调质态的钢调质态的TK为为-50。低温下。低温下Ak值的对值的对比突出地显示了低碳比突出地显示了低碳M比中碳钢正火
23、态及调质比中碳钢正火态及调质态具有高得多的态具有高得多的Ak值；值；如从室温到低温（如从室温到低温（-60）系列冲击试验中，）系列冲击试验中，若取室温若取室温Ak值的值的40%时的温度作为时的温度作为TK，那么低，那么低碳碳M的的TK-60-70；低碳低碳M M钢的性能特点：钢的性能特点： 成分工艺特点：成分工艺特点： 0.3%C保证淬火后获得板保证淬火后获得板M + Cr、Mo、Si、Mn、V等等 淬透性等淬透性等 15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研发的等是我国研发的零件断面尺寸零件断面尺寸，心部可，心部可能淬不透，能淬不透，综合性能综合性能应根据零件的尺寸大小来应根据零件的尺寸大
24、小来选择相应淬透性的钢选择相应淬透性的钢成成分分特特点点工工艺艺特特点点高温加热高温加热较长较长t保温保温高速冷却高速冷却低碳马氏体结构钢的应用低碳马氏体结构钢的应用 应应用用 在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等制造工业中得到了广泛的应用机械等制造工业中得到了广泛的应用实实例例 石油钻机吊环石油钻机吊环 20SiMn2MoV代代35钢钢材料材料 工艺工艺 重量重量kg b /MPa AK /J 35 正火正火 137.4 550 5020SiMn2MoV 淬火淬火 29 1600 110120局局限限性性 工作温度工作温度200；强化后难以进行冷加工；强
25、化后难以进行冷加工焊接焊接等工序；只能用于等工序；只能用于中小件中小件；淬火时变形大，；淬火时变形大，要求要求严格的零件慎用严格的零件慎用。典型钢种：典型钢种：15MnVB(15MnB)、20SiMn2MoVA (25SiMn2MoVA)由于中小直径的螺栓通常采用冷镦成型六角螺由于中小直径的螺栓通常采用冷镦成型六角螺栓头，采用搓丝或滚丝工艺加工螺纹，这就要栓头，采用搓丝或滚丝工艺加工螺纹，这就要求螺栓用钢具有良好的冷镦、搓丝等加工工艺求螺栓用钢具有良好的冷镦、搓丝等加工工艺性能。性能。 15MnVB钢：钢：是一种以冷镦法制造是一种以冷镦法制造M20以下的以下的高强度螺栓用高强度螺栓用的低碳的低
26、碳M型钢。型钢。汽车用重要螺栓（连杆螺栓、缸盖螺栓、半汽车用重要螺栓（连杆螺栓、缸盖螺栓、半轴螺栓等）过去一般采用中碳调质钢轴螺栓等）过去一般采用中碳调质钢38Cr（或（或40Cr）制造，但是其冷镦性能较差。）制造，但是其冷镦性能较差。(教材表教材表4-1）15MnVB钢经淬回火后具有比钢经淬回火后具有比40Cr钢调质处理钢调质处理优良的综合力学性能，即既具有较高的强度又优良的综合力学性能，即既具有较高的强度又具有良好的韧性和低的具有良好的韧性和低的TK。 这种钢制造的螺栓的静强度比这种钢制造的螺栓的静强度比40Cr螺栓提高了螺栓提高了1/3以上，从而使螺栓承载能力提高了以上，从而使螺栓承载能
27、力提高了4570%，这不仅显著改进了汽车螺栓的质量，而且还，这不仅显著改进了汽车螺栓的质量，而且还能满足大功率新型车型的设计要求。能满足大功率新型车型的设计要求。 低碳低合金低碳低合金M型结构钢型结构钢的设计与开发为机械制的设计与开发为机械制造工业增添了一类新型钢种，用于造工业增添了一类新型钢种，用于代替中碳调代替中碳调质钢质钢可以大幅度减轻结构重量，延长使用寿命，可以大幅度减轻结构重量，延长使用寿命，改善工艺性能和提高产品质量。因而是机械制改善工艺性能和提高产品质量。因而是机械制造用钢的一个重要分支。造用钢的一个重要分支。为了节约成本，不用微量元素为了节约成本，不用微量元素V，制成，制成15
28、MnB钢钢，低温韧性良好，已用于代替，低温韧性良好，已用于代替35CrMo钢制钢制造高强度螺栓。造高强度螺栓。可以通过可以通过增加增加Me来适当增加强度或韧性来适当增加强度或韧性： 增加增加Me的含量以的含量以增加钢的韧性增加钢的韧性，如，如18Cr2Ni4WA钢。钢。4%的的Ni，改善了室温和低温韧性和断裂韧性。，改善了室温和低温韧性和断裂韧性。具有高强度、低缺口敏感性和高疲劳强度。具有高强度、低缺口敏感性和高疲劳强度。 低碳低碳中合金中合金马氏体型结构钢马氏体型结构钢低低C低合金低合金M型结构钢的在强韧性结合方面取型结构钢的在强韧性结合方面取得了很大的成功。得了很大的成功。对对强度和韧性配
29、合要求特别高强度和韧性配合要求特别高的零件，如的零件，如大马力大马力高速柴油机曲轴高速柴油机曲轴等，等，二、中碳低合金二、中碳低合金M超高强度结构钢超高强度结构钢 背景背景超高强度结构钢主要用于航空航天器上的高超高强度结构钢主要用于航空航天器上的高比强度的结构如：比强度的结构如： l制造飞机起落架制造飞机起落架 l飞机机身大梁或骨架飞机机身大梁或骨架 l火箭发动机外壳火箭发动机外壳 l高压容器及常规武器的某些零件等。高压容器及常规武器的某些零件等。MeMe：SiSi、MnMn、CrCr、NiNi、MoMo、V V等等合金化：合金化：C C：0.270.270.45%0.45%，为了保证零件的高
30、强度；，为了保证零件的高强度；提高过冷提高过冷A的稳定性，从而提高钢的淬透性，的稳定性，从而提高钢的淬透性，提高钢的强度。提高钢的强度。 Si：增加钢的抗回火稳定性，并能使回火马增加钢的抗回火稳定性，并能使回火马氏体脆性温度移向高温区。如钢中加入氏体脆性温度移向高温区。如钢中加入1%2%的硅，可以使回火马氏体脆性温度推的硅，可以使回火马氏体脆性温度推高到高到350。 可把这类钢的回火温度提高到可把这类钢的回火温度提高到300320，可，可在保证高强度的同时，适当改善塑韧性。在保证高强度的同时，适当改善塑韧性。n如采用真空冶炼、真空自耗和电渣重熔后，如采用真空冶炼、真空自耗和电渣重熔后，杂质元素
31、和夹杂物质量分数可显著下降。从而杂质元素和夹杂物质量分数可显著下降。从而进一步改善低合金中碳超高强度钢的韧性。进一步改善低合金中碳超高强度钢的韧性。 采取提高钢的纯度，降低钢中夹杂物、气体及采取提高钢的纯度，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素含量的措施。有害杂质元素含量的措施。合金元素主要是提高淬透性；合金元素主要是提高淬透性；典型钢种：典型钢种：40CrNiMo40CrNiMo、300M300M（40SiNiCrMoV40SiNiCrMoV）、）、30CrMnSiNi30CrMnSiNi、35Si2Mn2MoV35Si2Mn2MoV等。等。40CrNiMo40CrNiMo：Ni和和Cr组合能
32、很好改善组合能很好改善M回回的韧性；的韧性；Mo也可也可改善改善M回回的韧性。的韧性。900淬火淬火200回火后，回火后，0.21628MPa，b1884MPa，10%。V V：细化细化A A晶粒，晶粒，SiSi：提高钢的回火稳定性，将回火温度由：提高钢的回火稳定性，将回火温度由200200提高到提高到300300以上，以改善韧性。以上，以改善韧性。300M300M（40SiNiCrMoV40SiNiCrMoV）：）：300M钢有高的淬透性和强韧性，特别是大截面钢有高的淬透性和强韧性，特别是大截面钢材。钢材。经过经过真空感应炉冶炼和电渣重熔成锭真空感应炉冶炼和电渣重熔成锭，再经过两，再经过两次
33、镦粗拔长开坯，由于钢的纯净度大大提高，在次镦粗拔长开坯，由于钢的纯净度大大提高，在大截面上钢的横向力学性能得到改善，纵向和横大截面上钢的横向力学性能得到改善，纵向和横向的断裂韧性基本一致。向的断裂韧性基本一致。可用于制造可用于制造大型大型飞机的起落架飞机的起落架等重要结构材料。等重要结构材料。 927正火，正火，870油淬，油淬，300两次回火后大两次回火后大截面（截面（300mm300mm）中心的力学性能：）中心的力学性能：0.21520MPa，b1860MPa，80%，30%，aKV39J。纵向和横向的断裂韧性基。纵向和横向的断裂韧性基本一致。本一致。中碳低合金中碳低合金M钢在超高强度结构
34、钢中发展得最早，钢在超高强度结构钢中发展得最早，成本低廉，生产工艺较为简单，成本低廉，生产工艺较为简单，b已接近已接近2000 MPa，其产量仍居超高强度钢总产量的首位。，其产量仍居超高强度钢总产量的首位。背景背景v随着强度随着强度，塑韧性不断，塑韧性不断，容易发生材料的，容易发生材料的早期脆性破坏。早期脆性破坏。钢的强度越高，缺口敏感性越大，钢的强度越高，缺口敏感性越大，早期破坏现象越严重。早期破坏现象越严重。三、马氏体时效钢三、马氏体时效钢（1）破坏的性质和缺口的性质有关：破坏的性质和缺口的性质有关： 当构件存在当构件存在钝钝缺口时缺口时（例如应力集中系数（例如应力集中系数K=5），），b
35、在在19002000MPa的钢种，其实际破坏应力尚能的钢种，其实际破坏应力尚能与设计破坏应力相当；与设计破坏应力相当； 当构件存在当构件存在尖锐尖锐缺口时缺口时（如应力集中系数（如应力集中系数K=10），），低合金中碳低合金中碳M型钢的型钢的b水平不能超过水平不能超过1700MPa，否，否则就会发生低强度下的早期破断。钢的强度愈高，则就会发生低强度下的早期破断。钢的强度愈高，这种早期破坏现象就愈严重。这种早期破坏现象就愈严重。主要问题主要问题（2）中碳低合金中碳低合金M型钢型钢是中碳钢，在热处是中碳钢，在热处理过程中理过程中有较大的脱碳倾向有较大的脱碳倾向，需要在热处理，需要在热处理设备和工艺
36、上采用保护措施。这类钢的设备和工艺上采用保护措施。这类钢的热处热处理变形较大理变形较大，不易校直，不易校直，焊接性较差焊接性较差。 由于用由于用C强化的中碳低合金强化的中碳低合金M型钢具有型钢具有C强化强化的先天性弱点的先天性弱点。发展了。发展了无无C的的M时效钢时效钢，在，在Fe-Ni合金合金M基础上，利用基础上，利用时效析出金属间化时效析出金属间化合物相进一步强化合物相进一步强化。 合金化原理：合金化原理： M时效钢的强化效应是由于置换元素在时效钢的强化效应是由于置换元素在M中固中固溶及沉淀析出所造成的，且这些溶及沉淀析出所造成的，且这些置换元素大都置换元素大都是是F形成元素，因此要能够得
37、到形成元素，因此要能够得到M基体，必须基体，必须加入扩大加入扩大A相区的元素相区的元素。马氏体时效钢的合金化马氏体时效钢的合金化化学成分特点：化学成分特点：0.03%C，Ni，还加入，还加入Co、 Ti、Al、Mo。Ni：主加元素：主加元素。提高淬透性，保证提高淬透性，保证M的形成，的形成，必须含高必须含高Ni，但又不能使但又不能使MS点过低，以减少点过低，以减少AR。点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进应力松弛，交互作用能量，促进应力松弛，减少脆断倾向减少脆断倾向；Co：降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素降低点阵中位错运动抗力和位
38、错与间隙元素之间交互作用能量，减少脆断倾向；之间交互作用能量，减少脆断倾向；CoMS点，点，AR含量，含量，板条板条M的形成；板条的形成；板条M的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供了大量潜在的形核位置，从而保证时效过程中了大量潜在的形核位置，从而保证时效过程中获得细小的沉淀物。获得细小的沉淀物。Ni、Ti、Al、Mo、Nb等：形成金属间化合物等：形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和和Fe2Mo等沉淀硬化相。等沉淀硬化相。MoMo和和CoCo复合加入，复合加入，使沉淀强化效应进使沉淀强化效应进一步加强一步加强协同协同效应。效应。Mo和和Co
39、的协同效应：的协同效应：产产生生协协同效同效应应的原因：的原因：Co减小含减小含Mo强化相的溶解度，使更多的强化相强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出；在时效过程中析出；Mo还可以降低还可以降低M时效钢的回火脆性。时效钢的回火脆性。Ti除了形成沉淀相以外，还会与残余除了形成沉淀相以外，还会与残余C或或C形成形成Ti的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在淀在A晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。严格控制钢中杂质元素含量严格控制钢中杂质元素含量C：0.03%。C，强度，强度，但是塑韧性，但是塑韧性。固溶于固
40、溶于M中的中的C会形成气团，钉扎位错，会形成气团，钉扎位错，降低降低M的范性的范性；C与与Mo、Ti、Nb能形成稳定的能形成稳定的K，在晶界上析出，在晶界上析出时使时使韧性降低，缺口敏感性增加韧性降低，缺口敏感性增加，同时还，同时还减少其减少其有效含量，使强化效应减少有效含量，使强化效应减少。N：形成：形成TiN和和NbN，裂纹源裂纹源。少量少量Si和和Mn有强化作用，但有强化作用，但对韧性有害对韧性有害。S形成硫化物，降低钢的横向性能。形成硫化物，降低钢的横向性能。M时效钢必须采用高纯原料，严格控制时效钢必须采用高纯原料，严格控制C、N、S、P、Si等的含量，强度越高，杂质控制越严等的含量，
41、强度越高，杂质控制越严格。格。固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体不能恢复原状谓之当外力撤消后，固体不能恢复原状谓之“索性索性形变形变”，又称为，又称为“范性形变范性形变”。 根据根据钢钢的含的含Ni量，量，M时时效效钢钢可分可分为为18%、20%和和25%Ni三种三种类类型。型。18Ni钢钢：根据：根据强强度分度分为为1400MPa、1700MPa、2100MPa三三级级。三者基本成分相似，主要是三者基本成分相似，主要是强强化元素化元素Ti含量不同。含量不同。18Ni钢钢的基本成分：的基本成分：Ni=18%、Co=8%、Mo=5%
42、、Al=0.1%、C0.003%、Mn0.1%、Si0.01%、S、P0.01%。Ti%：1400MPa级：级：0.2%；1700MPa级：级：0.4%；2100MPa级：级：0.65%。1700MPa级还加级还加B=0.003%、Zr=0.02%、Ca=0.05%20Ni马氏体时效钢的主要成分：马氏体时效钢的主要成分：Ni=20%、Ti=1.4%、Nb=0.4%、Al=0.2%。25Ni马氏体时效钢的主要成分：马氏体时效钢的主要成分：Ni=25%、Ti=1.4%、Nb=0.4%、Al=0.2%。马氏体时效钢的马氏体时效钢的热处理热处理和性能和性能（ ）n18Ni18Ni马氏体时效钢的马氏体时
43、效钢的热处理热处理815固溶处理固溶处理，硬度硬度在在2832HRC之间之间，很，很容易进行进一步的机械容易进行进一步的机械加工。加工。 480时效时效：36h。时时效过程中效过程中形成形成Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和和Fe2Mo相等的沉淀硬化相，相等的沉淀硬化相，仅仅引起很小的尺寸变化，引起很小的尺寸变化，因而它可以作为产品的因而它可以作为产品的最终热处理。最终热处理。 M时效钢的高强度来源于时效钢的高强度来源于Me的的固溶强化固溶强化、M相变相变的的冷作硬化冷作硬化和时效析出金属间化合物的和时效析出金属间化合物的沉淀强化沉淀强化。工业纯铁的强度约工业纯铁的强度约215MPa，由于时
44、效析出强，由于时效析出强化相后，基体中化相后，基体中Me含量不高，固溶强化对强含量不高，固溶强化对强度贡献不大，约度贡献不大，约200MPa。相变冷作硬化使强度的增值约相变冷作硬化使强度的增值约500600MPa；沉淀强化使强度的增值最高，约沉淀强化使强度的增值最高，约1100MPa。在在高强度高强度水平下还具有水平下还具有高的塑韧性和断裂韧性高的塑韧性和断裂韧性； 良好的工艺性能，在固溶处理和时效以后均可良好的工艺性能，在固溶处理和时效以后均可进行焊接而不需要预热进行焊接而不需要预热。 不足之处：不足之处：这类钢的这类钢的高合金度高合金度和和生产工艺极其生产工艺极其严格严格，使得钢的生产成本
45、很高，使用范围受到，使得钢的生产成本很高，使用范围受到限制。限制。马氏体时效钢的的特点及应用马氏体时效钢的的特点及应用如大型火箭发动机壳体、火箭发动机零件、直如大型火箭发动机壳体、火箭发动机零件、直升飞机的柔性转动轴、飞机起落架部件、旋转升飞机的柔性转动轴、飞机起落架部件、旋转机翼式飞机的铰链结合部件、水翼艇及潜艇的机翼式飞机的铰链结合部件、水翼艇及潜艇的零部件。也用于制造高压容器、螺栓、紧固件零部件。也用于制造高压容器、螺栓、紧固件和机枪弹簧、枪管、喷油泵零件、低温服役零和机枪弹簧、枪管、喷油泵零件、低温服役零件及机加工工具的指度盘等。件及机加工工具的指度盘等。 一般只限于应用于航空、航天和武器制造工一般只限于应用于航空、航天和武器制造工业的重要构件：业的重要构件：
