《机械结构钢》PPT课件.ppt

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1、u 概述概述u 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性u 整体强化态钢整体强化态钢u 表面强化态钢表面强化态钢u 其他机械制造结构钢其他机械制造结构钢第第3章章 机械制造结构钢机械制造结构钢用途用途 制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。成分成分 C：0.080.65% Me：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、B等。等。 通常合金元素含量不超过通常合金元素含量不超过5%，少数钢在，少数钢在510

2、%。质量质量 一般为优质钢，少数为高级优质钢。一般为优质钢，少数为高级优质钢。按用途分类按用途分类 渗碳钢、低碳马氏体钢、调质钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。渗碳钢、低碳马氏体钢、调质钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。3.1 概述概述按热处理状态来分按热处理状态来分（2）在整体淬火回火状态下使用的钢种：）在整体淬火回火状态下使用的钢种： 弹簧钢：在淬火中温回火状态下使用弹簧钢：在淬火中温回火状态下使用 滚动轴承钢：在淬火低温状态下使用滚动轴承钢：在淬火低温状态下使用 超高强度钢：包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏超高强度钢：包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏体型钢、二次硬化型超高强度

3、钢和马氏体时效钢。体型钢、二次硬化型超高强度钢和马氏体时效钢。 调质钢调质钢在淬火高温回火状态下使用在淬火高温回火状态下使用（1）一般供应或正火状态下使用的钢种）一般供应或正火状态下使用的钢种3.1 概述概述（4）高频淬火用钢）高频淬火用钢高、中频淬火后低温回火使用高、中频淬火后低温回火使用 （3）在化学热处理后使用的钢种）在化学热处理后使用的钢种3.1 概述概述3.1 概述概述机器零件用钢的服役条件：机器零件用钢的服役条件： 1、承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是多种载荷的交互作用。服役环境是摩擦等力的作用，或者

4、是多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。范围之间。 2、机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有、机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。因此机器零件用钢在性能上的要求与工合适的公差配合等。因此机器零件用钢在性能上的要求与工程构件用钢有所不同。程构件用钢有所不同。 3.1 概述概述 机器零件用钢对力学性能要求：机器零件用钢对力学性能要求： 1、要求一定的强度和韧性，以保证机器零件体积小、结构紧、要求一定的强度和韧性，以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好凑及安全性好; 2、要求有良好的疲劳性能与耐磨

5、性等。、要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。 因此对机器零件用钢因此对机器零件用钢必须进行热处理强化必须进行热处理强化以充分发挥钢材的以充分发挥钢材的性能潜力。性能潜力。3.1 概述概述机器零件对工艺性能的要求：机器零件对工艺性能的要求： 主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为：主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为： 型材型材改锻改锻预先热处理预先热处理粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工 其中以其中以切削加工性能和热处理工艺性能切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要为机器零件用钢的主要工艺性能；工艺性能； 对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性

6、能等）对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。也有要求，但一般问题不大。 机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.1 概述概述机器零件用钢合金化特点：机器零件用钢合金化特点： 主加主加元素元素 Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：主要作用：淬透性和力学性能。淬透性和力学性能。辅加辅加元素元素 Mo、W、V等。等。 过热敏感性，过热敏感性，回火脆性，回火脆性，淬透性。淬透性。最佳最佳范围范围 结构钢常用范围：结构钢常用范围：1.2%Si，2%Mn，12%Cr，14%Ni，0.5%Mo，0.2%V，0

7、.1%Ti，0.40.8%W。 单独加入或复合加入。单独加入或复合加入。 有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低碳构件钢中的碳构件钢中的Si、Mn含量。含量。 有些元素增多，会恶化有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢的分布。如轴承钢中的中的Cr。 有的元素含量过多，会改变有的元素含量过多，会改变K类型，增加热类型，增加热处理过程的难度。如处理过程的难度。如V、Mo含量。含量。 合金元素的作用往往不是随量的增加而线性合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。地增加的。3.1 概述概述3.1 概述概述零件材料和工艺选择途径：零件材料和工艺选择途径： 低

8、碳马氏体型结构钢，采用淬火低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。低温回火。为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机齿轮类为代表。齿轮类为代表。 回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高高温回火。为了提高耐磨性，可进行渗氮处理或高温回火。为了提高耐磨性，可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。为典型。1、对于要求良好于要求良好综合力学性能，零件合力学性能，零件选材的途径材的途径为：3.1 概述概述2、如要求更高的、如要求更高的强强度，度，则适当适当牺

9、牲塑牲塑韧性。可性。可选择中碳中碳钢，采用低温回火工，采用低温回火工艺。如低合金中碳。如低合金中碳马氏体氏体钢。农用用机械机械应用用较多。多。3、如要求高的、如要求高的弹性极限和屈服性极限和屈服强强度，又要有度，又要有较高的塑性高的塑性和和韧度，度，则选择中高碳中高碳钢，进行中温回火。如行中温回火。如弹簧簧钢。4、零件要求高、零件要求高强强度、高硬度、高接触疲度、高硬度、高接触疲劳性和一定的塑性和一定的塑性和性和韧度，可用高碳度，可用高碳钢，淬火，淬火+低温回火。如低温回火。如轴承承钢。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 一、结构钢的强化一、结构钢的强化1. 位错强化位错强化 在再结

10、晶温度以下，随着形变量增大，在晶体内产生均匀分布在再结晶温度以下，随着形变量增大，在晶体内产生均匀分布的高密度位错或不均匀分布的胞状结构（即位错密度低的区域被的高密度位错或不均匀分布的胞状结构（即位错密度低的区域被高密度位错墙所分割），位错密度升高，硬度上升、塑性和韧性高密度位错墙所分割），位错密度升高，硬度上升、塑性和韧性下降。下降。 0Gb1/2 金属的流变应力；金属的流变应力；0退火金属的流变应力；退火金属的流变应力；系数，系数，0.5；G切变模量；切变模量；b柏氏矢量；柏氏矢量；位错密度位错密度 途径：冷形变，相变过程中的切变。途径：冷形变，相变过程中的切变。 3.2 结构钢的强度与脆

11、性结构钢的强度与脆性 2. 细晶强化细晶强化s=0+kyd-1/2 d：淬火前奥氏体晶粒尺寸。（淬火回火钢）：淬火前奥氏体晶粒尺寸。（淬火回火钢） 措施：措施：未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。 多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒。多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒。 3. 固溶强化固溶强化 （1）利用碳的固溶强化。）利用碳的固溶强化。 具有多型性转变是进行淬火的必要条件。具有多型性转变是进行淬火的必要条件。1%C：可使：可使s 增高增高550MPa，但，但C在在-Fe中溶解度中溶解度0.025%。 （2）利用合金元素的固溶强化。）利用合金元素的固溶强化。 利用利用Mn，Si

12、，Cr，Ni等在等在相中的固溶强化。相中的固溶强化。 1%Mo：在：在-Fe中溶解度中溶解度30%，但其提高，但其提高s 的强化系数只有的强化系数只有11MPa/%。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 4. 沉淀强化沉淀强化 将多量的合金元素溶入将多量的合金元素溶入铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。 合金钢：析出碳化物。合金钢：析出碳化物。 马氏体时效钢：析出金属间化合物（马氏体时效钢：析出金属间化合物（Ni3Ti，Ni3Mo，Fe2Mo等）。等）。5

13、. 马氏体强化马氏体强化 来源于：固溶强化，沉淀强化，相变冷作硬化。前两项合计占来源于：固溶强化，沉淀强化，相变冷作硬化。前两项合计占85%90%。析出物的数量；析出物的数量；析出物本身特性；析出物本身特性；析出物尺寸和弥散度。析出物尺寸和弥散度。影响因素影响因素3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 二、结构钢的脆性断裂二、结构钢的脆性断裂 零件的损坏主要分为变形和断裂。零件的损坏主要分为变形和断裂。韧性断裂：经过大量的塑性变形后的断裂。韧性断裂：经过大量的塑性变形后的断裂。脆性断裂：没有发生较大量的塑性变形或仅脆性断裂：没有发生较大量的塑性变形或仅 仅发生少量塑性变形的断裂。仅发生少

14、量塑性变形的断裂。分类分类3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 1. 脆性断裂：脆性断裂： 金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标。金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标。（1）来自强化：）来自强化： s，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。 （2）来自脆化：）来自脆化： 生产、加工过程中产生了缺陷，生产、加工过程中产生了缺陷，s不增加，而不增加，而f 下降。下降。sTk，sf ，韧性断裂；，韧性断裂； Tf ，脆性断裂。，脆性断裂。 3.韧韧-脆转变温度脆转变温度Tk的测量的测量 （1）低强度钢、中强度钢；）低强度钢、中强度钢

15、； 有明显脆性转变温度，常用冲击试验法来测量。有明显脆性转变温度，常用冲击试验法来测量。 必须避免在脆转温度以下使用。必须避免在脆转温度以下使用。 （2）高强度钢）高强度钢 没有明显的韧没有明显的韧-脆转变温度。脆转变温度。 室温下冲击功也很低，被认为是半脆性材料，必须用其它性能室温下冲击功也很低，被认为是半脆性材料，必须用其它性能指标来衡量抗脆断能力。指标来衡量抗脆断能力。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 4. 断裂断裂韧性性 kIC kIC：金属材料抵抗材料中裂：金属材料抵抗材料中裂纹突然突然扩展的能力，是高展的能力，是高强强度度钢结构构设计的依据。的依据。在高在高强强度度钢中

16、存在有微小的裂中存在有微小的裂纹，当裂，当裂纹尺寸增大到一定尺寸尺寸增大到一定尺寸时，裂，裂纹突然突然扩展，零件展，零件发生脆断。生脆断。 a：裂：裂纹突然突然扩展展时裂裂纹的尺寸之半。的尺寸之半。 对一定一定组织、结构的材料来构的材料来说， kIC为定定值，是其内部，是其内部组织的的特征性能。特征性能。 随着随着钢的屈服的屈服强强度的增高，其冲度的增高，其冲击韧性和断裂性和断裂韧性不断下降。性不断下降。3.2 结构钢的强度与脆性结构钢的强度与脆性 5. 表面缺陷的敏感性表面缺陷的敏感性 金属材料和内部金属材料和内部总是存在着或大或小的裂是存在着或大或小的裂纹。尺寸小于。尺寸小于检验方法灵敏度

17、的裂方法灵敏度的裂纹则潜伏在工件内部而未被潜伏在工件内部而未被检测出来，它出来，它们在在设计应力下不致使工件力下不致使工件马上上发生突然断裂，但是在生突然断裂，但是在长时间的无数次的无数次周期周期变化的化的应力作用下，将逐力作用下，将逐渐扩大，当大，当扩大到一定尺寸后，所大到一定尺寸后，所余下来界面不能余下来界面不能负担所加的外力，工件就会担所加的外力，工件就会发生生韧性断裂或脆性性断裂或脆性断裂，所以断裂，所以疲疲劳断裂是引起机械零件破坏的最常断裂是引起机械零件破坏的最常见的方式。的方式。低、中低、中强强度度钢：钢的的强强度上升，缺口度上升，缺口强强度也上升。度也上升。高高强强度度钢：钢的的

18、强强度上升，缺口度上升，缺口强强度反而下降。度反而下降。3.3 整体强化态钢整体强化态钢 整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力。大部分是整体受力。 其主要失效形式是疲劳破坏；其主要失效形式是疲劳破坏； 主要性能指标主要性能指标-1-1、Rb、Ak、KIC等。等。 总体上要求良好的综合力学性能。总体上要求良好的综合力学性能。基基本本情情况况 主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。钢

19、、弹簧钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。主主要要应应用用3.3 整体强化态钢整体强化态钢一、调质钢一、调质钢淬透性原则淬透性原则: 淬透性相近的同类调质钢，可互相代用。淬透性相近的同类调质钢，可互相代用。屈服强度相同的碳钢和合金屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化结构钢断面收缩率变化0.250.45%C的合金钢经调的合金钢经调质后室温性能变化质后室温性能变化（一）调质钢的用途与性能要求（一）调质钢的用途与性能要求 1. 用途用途 常采用淬火常采用淬火+高温回火工艺，制造要求较高综合机械性能的齿轮、高温回火工艺，制造要求较高综合机械性能的齿轮、轴、拉杆等零件，在机械零件中用量最大。实际上，

20、还可采用正火、轴、拉杆等零件，在机械零件中用量最大。实际上，还可采用正火、等温淬火、低温回火等工艺手段。等温淬火、低温回火等工艺手段。结构钢抗拉强度与硬度的关系结构钢抗拉强度与硬度的关系结构钢是否淬透对屈强比的影响结构钢是否淬透对屈强比的影响3.3 整体强化态钢整体强化态钢3.3 整体强化态钢整体强化态钢2. 性能要求性能要求（1） 良好的良好的综合机械性能；合机械性能； HHF+S。 HF：铁素体基体的硬度。（素体基体的硬度。（铁素体的晶粒大小；合金元素素体的晶粒大小；合金元素的固溶的固溶强强化。）化。） ：碳化物的：碳化物的强强化系数。化系数。 S：碳化物：碳化物颗粒粒总表面表面积。（碳化

21、物的分散度越大，碳化物。（碳化物的分散度越大，碳化物的的颗粒越粒越细，其，其总表面表面积就越大，弥散就越大，弥散强强化作用越大。）化作用越大。） H：钢高温回火后的硬度。高温回火后的硬度。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（2） 足足够的淬透性的淬透性 单向均匀拉、向均匀拉、压、剪切：心部、剪切：心部90%马氏体。氏体。 弯扭弯扭：离：离轴的表面的表面1/41/2R（半径）（半径）处90%马氏体。氏体。 曲曲轴：离表面：离表面1/4R处50%马氏体。氏体。（3） 防止高温回火脆性防止高温回火脆性3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）（二）调质钢的合金化的合金化 1. 调质钢的化学成分特点的化学成

22、分特点 0.25%0.45% 钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。含量过高则韧性下降。 中碳中碳 提高淬透性。提高淬透性。 Cr、Mo、W、V等：阻碍碳化物在高温回火等：阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高硬度；时的聚集长大，保持钢的高硬度； Mn：会增大过热敏感性；：会增大过热敏感性；Cr有回火脆性倾向；有回火脆性倾向； Mo、V：细化晶粒；：细化晶粒； Mo：降低回火脆性；：降低回火脆性； V：降低过热敏感性。：降低过热敏感性。Cr、M

23、n、Mo、V、Si、Ni、B等等 3.3 整体强化态钢整体强化态钢 调质处理是淬火后进行高温回火，回火温度调质处理是淬火后进行高温回火，回火温度又正好处于第二类回火脆性的温度范围。又正好处于第二类回火脆性的温度范围。 高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性，高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性，合金调质钢一般用于制造大截面零件，用快速合金调质钢一般用于制造大截面零件，用快速冷却难以抑制这类回火脆性，因此通常在这类冷却难以抑制这类回火脆性，因此通常在这类钢中加入钢中加入Mo、W来防止回火脆性。来防止回火脆性。抑抑制制回回火火脆脆性性元元素素3.3 整体强化态钢整体强化态钢 在机械制造工业中，调

24、质钢是按淬透性高低来分级的。在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。Dc为油淬为油淬临界直径。临界直径。 低淬透性低淬透性合金钢：合金钢：Dc3040mm，有，有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等等 中淬透性中淬透性合金钢：合金钢：Dc：4060mm，有，有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等等 高淬透性高淬透性合金钢：合金钢：Dc60100mm，有，有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等等不同合金化不同合金化对钢淬透性的影响（淬透性的影响（DC为油淬油淬临界直径）界直径）3.3 整体强化态钢整体强化态钢3.3 整体

25、强化态钢整体强化态钢二、微合金非调质钢二、微合金非调质钢 非调质钢是不进行调质处理而非调质钢是不进行调质处理而通过锻造时控制终锻温度及锻通过锻造时控制终锻温度及锻后的冷却速度后的冷却速度即可获得具有高强韧性的钢材。如即可获得具有高强韧性的钢材。如YF45V钢。钢。（一）微合金元素对强韧化的贡献（一）微合金元素对强韧化的贡献 非调质钢组织非调质钢组织：主要是：主要是F+P+弥散析出弥散析出K。 主要强化作用主要强化作用：细化组织和相间沉淀。：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素（等元素（V的主要贡献是沉的主要贡献是沉淀强化）。淀强化）。 多元适量，复合加入多元

26、适量，复合加入：Nb-V-N和和Ti-V等（主要贡献是细化等（主要贡献是细化组织）。组织）。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）非（二）非调质钢强强韧化工化工艺 利用控利用控轧（锻）控冷技）控冷技术来提高来提高钢的的强强韧性能。性能。 1. 控制控制轧（锻） 形形变温度和形温度和形变量既能影响再量既能影响再结晶温度和奥氏体晶粒大小，又晶温度和奥氏体晶粒大小，又影响形影响形变诱发析出的程度。适当开展析出的程度。适当开展较低的低的终轧（锻）温度，可有）温度，可有效地效地产生形生形变诱发析出的弥散析出的弥散质点。同点。同时，再，再结晶晶驱动力小，晶粒力小，晶粒可可进一步一步细化。化。 形形变产生的

27、生的应力破坏了原有的力破坏了原有的热平衡，使奥氏体中平衡，使奥氏体中C和和Me的平的平衡含量下降，同衡含量下降，同时由于由于产生了大量的位生了大量的位错等缺陷，提供了碳化物脱等缺陷，提供了碳化物脱溶析出的溶析出的场所，所，诱发了碳化物的析出，而了碳化物的析出，而细小弥散的第二相小弥散的第二相质点可点可阻碍再阻碍再结晶的晶的进行。行。3.3 整体强化态钢整体强化态钢2. 控制冷却控制冷却 加工后快冷，特加工后快冷，特别是在是在800500之之间快冷能快冷能细化晶粒化晶粒组织，阻止析出物，阻止析出物长大，大，进一步提高一步提高强强度和度和韧度。度。 但但过快的冷却又会使相快的冷却又会使相间析出不能

28、充分析出不能充分进行，不能行，不能获得好得好的的强强化效果。化效果。 所以一般冷速控制在所以一般冷速控制在200。 （2）直接从）直接从锻造温度淬火而造温度淬火而产生自回火，得到生自回火，得到细小均匀小均匀分布的碳化物和板条状分布的碳化物和板条状马氏体，氏体，强强韧度达到合金度达到合金调质钢的的水平。水平。3.3 整体强化态钢整体强化态钢三、三、 弹簧钢弹簧钢板簧：承受弯曲载荷；板簧：承受弯曲载荷；螺旋弹簧（压簧、拉簧和扭簧）：主要承受扭转应力；螺旋弹簧（压簧、拉簧和扭簧）：主要承受扭转应力； 主要失效形式为主要失效形式为疲劳破坏疲劳破坏；另一个常见的失效形式是；另一个常见的失效形式是弹性弹性

29、减退减退，即弹簧材料长期在动、静载荷作用下，在室温发生塑，即弹簧材料长期在动、静载荷作用下，在室温发生塑性变形和弹性模量降低的现象。性变形和弹性模量降低的现象。（一）弹簧钢的特点（一）弹簧钢的特点 弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。包括板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。的正常工作。包括板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。3.3 整体强化态钢整体强化态钢1. 性能要求性能要求 （1）高的屈服）高的屈服强强度和度和弹性极

30、限，高的屈性极限，高的屈强强比，避免比，避免发生永久生永久变形。形。 （2）高的疲）高的疲劳极限。极限。 （3）足）足够的冲的冲击韧性和塑性。性和塑性。 （4）足）足够的淬透性。的淬透性。 （5）在某些）在某些环境下，境下，还要求具有要求具有导电、导磁、耐高温和耐磁、耐高温和耐蚀性。性。2. 组织 经淬火淬火+中温回火后得到回火屈氏体中温回火后得到回火屈氏体组织。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）合金化（二）合金化 使弹簧具有很高的强度。使弹簧具有很高的强度。 碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：0.601.05%C ； 合金弹簧钢：合金弹簧钢：0.400.74%C碳碳 淬透性；淬透性； 固溶强化铁素

31、体，固溶强化铁素体，Si 弹性极限；弹性极限； Si钢的回火稳定性，使其在相同的回火温度下钢的回火稳定性，使其在相同的回火温度下具有高的硬度和强度。具有高的硬度和强度。 但但Si含量高时含量高时大大C石墨化石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。则易于使钢过热。 Si、Mn 提高淬透性；提高淬透性； Mo（W）、）、V、为碳化物形成元素，它们可以防、为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，提高回火稳定性。止过热（细化晶粒）和脱碳，提高回火稳定性。 Cr、Mo(W)、V、B 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（三）（三）弹簧簧钢的分的分类及及

32、热处理理 通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，再用冷成形方通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，再用冷成形方法制成一定形状的弹簧。如先作冷变形的高强度钢丝（钢琴丝）、法制成一定形状的弹簧。如先作冷变形的高强度钢丝（钢琴丝）、硬钢丝、不锈钢丝等。硬钢丝、不锈钢丝等。 冷成形的弹簧在冷成形之后要进行冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200400的低温回火。由的低温回火。由于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。化状态，所以通常只能制造小型弹簧。 冷冷成成形形弹弹簧簧钢钢 一般用于

33、制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢材在热成形之前一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能，在热成形之后，进行淬火并不具备弹簧所要求的性能，在热成形之后，进行淬火+中温回火中温回火，以获得所要求的性能。，以获得所要求的性能。 在热成形之后于在热成形之后于830870进行油冷淬火，然后再于进行油冷淬火，然后再于420520左右进行中温回火，获得回火屈氏体，渗碳体以细小的颗粒分左右进行中温回火，获得回火屈氏体，渗碳体以细小的颗粒分布在布在相的基体上的组织。相的基体上的组织。热热成成形形弹弹簧簧钢钢3.3 整体强化态钢整体强化态钢 弹簧在簧在热处理后通常理后通常还要

34、要进行行喷丸丸处理，使表面理，使表面强强化并在表面化并在表面产生残余生残余压应力以提高疲力以提高疲劳强强度，寿命提高度，寿命提高26倍。倍。 在在实用中，用中，还可以根据可以根据钢材的表面状材的表面状态调整回火温度。整回火温度。 如如钢材表面材表面质量量较好（好（经过磨削），可磨削），可选用低限回火温度，以用低限回火温度，以保保证高的高的弹性；性； 如表面如表面质量欠佳，量欠佳，则可可选用上限回火温度，以提高用上限回火温度，以提高钢的的韧性，性，降低降低弹簧簧对表面缺陷的敏感性。表面缺陷的敏感性。 此外，在成形及此外，在成形及热处理理过程中，要特程中，要特别注意防止表面注意防止表面产生氧化生氧

35、化脱碳及脱碳及伤痕，防止疲痕，防止疲劳裂裂纹源的形成。源的形成。3.3 整体强化态钢整体强化态钢四、轴承钢四、轴承钢 （1）受力状况）受力状况（以（以单列向心列向心滚动轴承承为例）例） 高的接触高的接触应力；力； 滚动轴承内外套圈与承内外套圈与滚动体之体之间呈点或呈点或线接触，接触面接触，接触面积极小，接触极小，接触应力达到力达到30005000MPa。 扭扭转、弯曲等交、弯曲等交变负荷；荷； 既有既有滚动摩擦，摩擦，还有滑有滑动摩擦。摩擦。 受大气和受大气和润滑滑剂的腐的腐蚀作用。作用。 正常破坏形式是接触疲正常破坏形式是接触疲劳破坏，其次是磨破坏，其次是磨损使精度使精度丧失。失。 滚动轴承

36、的作用是支撑轴。轴承钢制造滚动轴承的内套、外滚动轴承的作用是支撑轴。轴承钢制造滚动轴承的内套、外套、滚动体。套、滚动体。 （一）轴承钢的合金化（一）轴承钢的合金化 1. 滚动轴承的工作条件及性能要求滚动轴承的工作条件及性能要求 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（2）疲劳裂纹的产生及扩展）疲劳裂纹的产生及扩展 疲劳裂纹的产生疲劳裂纹的产生外因外因 在接触表面下在接触表面下0.786b深度处切应力达到最大值，在深度处切应力达到最大值，在高应力长时间运转下，这个区域产生剧烈的塑性变形。高应力长时间运转下，这个区域产生剧烈的塑性变形。（b：滚动体与套圈接触带的宽度）：滚动体与套圈接触带的宽度） A.

37、回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体。回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体。强度降低；比容减小，引起附加张应力。强度降低；比容减小，引起附加张应力。 B. 存在非金属夹杂和粗大碳化物。存在非金属夹杂和粗大碳化物。内因内因3.3 整体强化态钢整体强化态钢 疲疲劳裂裂纹的的扩展展 裂裂纹沿切沿切应力方向力方向发展，展，扩展方向与表面呈展方向与表面呈45夹角，沿内角，沿内部部组织、成分、成分、应力不均匀区延伸至表面。力不均匀区延伸至表面。 材料内部的各种缺陷、材料内部的各种缺陷、软点和点和夹杂物的存在是物的存在是产生疲生疲劳裂裂纹的主要原因，危害最大。的主要原因，危害最大。 （3）性能要求）

38、性能要求 高而均匀的硬度和耐磨性；高而均匀的硬度和耐磨性； 高的接触疲高的接触疲劳强强度；度； 高的高的弹性极限和一定的冲性极限和一定的冲击韧性；性； 尺寸尺寸稳定性好，保定性好，保证工作工作时的精度。的精度。 一定的抵抗大气、一定的抵抗大气、润滑油化学腐滑油化学腐蚀的能力；的能力； 具有良好的冷、具有良好的冷、热加工工加工工艺性。性。3.3 整体强化态钢整体强化态钢2. 轴承承钢的的显微微组织（以（以GCr15为例）例） 回火回火马氏体基体上均匀分布着氏体基体上均匀分布着细小小颗粒的碳化物，加上少量的粒的碳化物，加上少量的残余奥氏体，淬火后的晶粒度在残余奥氏体，淬火后的晶粒度在58级以上。以

39、上。回回火火马马氏氏体体 为板条马氏体和片状马氏体的混合型。固溶体中为板条马氏体和片状马氏体的混合型。固溶体中碳含量一般为碳含量一般为0.50.6% 研究表明，马氏体基体含研究表明，马氏体基体含C量为量为0.45%。此时。此时疲劳寿命最高。疲劳寿命最高。 含含C量低时，马氏体强度低。量低时，马氏体强度低。 含含C量高时，马氏体脆性大。量高时，马氏体脆性大。 马氏体中碳浓度均匀，可以阻止裂纹扩展。马氏体中碳浓度均匀，可以阻止裂纹扩展。 高碳区脆性大，低碳区强度低，裂纹通常沿高高碳区脆性大，低碳区强度低，裂纹通常沿高 碳区和低碳区的交界处扩展。碳区和低碳区的交界处扩展。3.3 整体强化态钢整体强化

40、态钢未溶未溶碳化碳化物物提高耐磨性，并在淬火加热时细化奥氏体晶粒。提高耐磨性，并在淬火加热时细化奥氏体晶粒。 数量为数量为78%（体积）；（体积）； 均匀分布；均匀分布； 颗粒颗粒细小，通常为细小，通常为0.50.6m； 大小匀称。大小匀称。残余残余奥氏奥氏体体 少量残余奥氏体可阻碍裂纹形成和扩展。少量残余奥氏体可阻碍裂纹形成和扩展。 吸收应变能，减少应力集中；吸收应变能，减少应力集中； 产生加工硬化和相变强化。产生加工硬化和相变强化。 残余奥氏体过多会降低硬度和耐磨性，并影响尺残余奥氏体过多会降低硬度和耐磨性，并影响尺寸稳定性。寸稳定性。淬火淬火晶粒晶粒度度细化晶粒可提高机械性能。细化晶粒可

41、提高机械性能。 马氏体组织的细化及改善碳浓度的均匀性。马氏体组织的细化及改善碳浓度的均匀性。 提高强度和韧性。提高强度和韧性。 提高抗裂纹扩展能力。提高抗裂纹扩展能力。3.3 整体强化态钢整体强化态钢高高碳碳 0.95-1.15%，保证马氏体的碳含量和未溶碳化，保证马氏体的碳含量和未溶碳化物的数量。物的数量。Cr 主要作用是提高淬透性，促使淬火及回火后主要作用是提高淬透性，促使淬火及回火后整个截面上获得较均匀的组织；整个截面上获得较均匀的组织； 部分形成比较稳定的（部分形成比较稳定的（Fe，Cr）3C。Mo，Mn，Si，V 进一步增加淬透性，用于制造大型轴承进一步增加淬透性，用于制造大型轴承。

42、严格控制杂质元素（严格控制杂质元素（S，P）和残余元素（）和残余元素（Ni，Cu）含量）含量 GCr15的的化学化学成分成分 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）轴承钢的冶金质量（二）轴承钢的冶金质量 轴承钢由非金属夹杂物和碳化物不均匀性冶金质量缺陷造成的轴承钢由非金属夹杂物和碳化物不均匀性冶金质量缺陷造成的失效占总失效的失效占总失效的65%。1. 非金属夹杂物非金属夹杂物（1）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，显著

43、降低疲劳寿命。于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，显著降低疲劳寿命。 其影响与其影响与数量、类型、大小、形态和分布数量、类型、大小、形态和分布有关，需综合考虑。有关，需综合考虑。 3.3 整体强化态钢整体强化态钢 夹杂物尺寸越大，危害也越大。夹杂物尺寸越大，危害也越大。2030m，急剧降低疲劳寿命。，急剧降低疲劳寿命。 在相同尺寸大小情况下，夹杂物的危害大小程度顺序为：在相同尺寸大小情况下，夹杂物的危害大小程度顺序为：刚玉刚玉尖晶石尖晶石点状不变形夹杂物点状不变形夹杂物半塑性夹杂物半塑性夹杂物塑性硅酸盐塑性硅酸盐硫化物硫化物 夹杂物的数量越多，寿命越低夹杂物的数量越多，寿命越低 夹杂物呈细条状塑性

44、夹杂物危害较小，棱角锋锐的脆性夹杂物危害最大夹杂物呈细条状塑性夹杂物危害较小，棱角锋锐的脆性夹杂物危害最大分布均匀时危害小。分布均匀时危害小。非非金金属属夹夹杂杂物物对对轴轴承承钢钢疲疲劳劳寿寿命命的的影影响响 3.3 整体强化态钢整体强化态钢危害危害在球化退火和淬火时不能完全消除，在球化退火和淬火时不能完全消除，明显增加零件的脆性明显增加零件的脆性形成形成A.终轧温度过高；终轧温度过高；B. 轧后冷却速度过慢；轧后冷却速度过慢；C. 钢锭中原始碳化物偏析大钢锭中原始碳化物偏析大消除消除正火处理正火处理网网状状碳碳化化物物2. 轴承钢的碳化物不均匀性轴承钢的碳化物不均匀性3.3 整体强化态钢整

45、体强化态钢 危害危害 A. 退火后不易得到均匀的细粒状珠光体；退火后不易得到均匀的细粒状珠光体； B. 淬火组织和硬度不均匀；淬火组织和硬度不均匀； C. 机械性能呈各向异性；机械性能呈各向异性；D. 降低接触疲劳强度性降低接触疲劳强度性 形成形成 钢锭有枝晶偏析，在各枝晶之间富集钢锭有枝晶偏析，在各枝晶之间富集C和和Cr，富富C和富和富Cr区沿轧制方向延伸，在冷却过程中从区沿轧制方向延伸，在冷却过程中从奥氏体中析出碳化物，形成带状碳化物。奥氏体中析出碳化物，形成带状碳化物。消除消除扩散退火扩散退火带带状状碳碳化化物物3.3 整体强化态钢整体强化态钢危害危害颗粒大，硬度高，脆性大。颗粒大，硬度

46、高，脆性大。 容易剥落；容易剥落； 疲劳裂纹发源地；疲劳裂纹发源地； 硬度不均匀；硬度不均匀； 机械性能呈现方向性；机械性能呈现方向性； 淬火开裂淬火开裂 形成形成 在成分严重偏析时，局部地区达到共晶成分，形成在成分严重偏析时，局部地区达到共晶成分，形成莱氏体，未消除的莱氏体中的共晶莱氏体，未消除的莱氏体中的共晶K在热加工时被压在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布。碎并沿轧向呈条带状分布。消除消除 将将Cr和和C量控制在中、下限；量控制在中、下限； 1200扩散退火扩散退火液液 析析碳碳化化物物形态形态共晶碳化物在热加工时被压碎，并沿轧向呈条带状分布共晶碳化物在热加工时被压碎，并沿轧向呈条带状

47、分布3.3 整体强化态钢整体强化态钢大大颗颗粒粒碳碳化化物物 正火消除网状碳化物时加热未溶解的碳化物正火消除网状碳化物时加热未溶解的碳化物颗粒，在正火保温和随后退火时继续长大而形颗粒，在正火保温和随后退火时继续长大而形成大颗粒。成大颗粒。3.3 整体强化态钢整体强化态钢（三）轴承钢的热处理（三）轴承钢的热处理 轴承钢的一般工艺路线为：锻（轧）轴承钢的一般工艺路线为：锻（轧）球化退火球化退火机械加工机械加工 淬火、回火淬火、回火磨加工磨加工 1. 轴承钢的球化退火轴承钢的球化退火目目的的获得均匀细粒状珠光体组织获得均匀细粒状珠光体组织 降低硬度，便于切削加工；降低硬度，便于切削加工； 为淬火作组

48、织准备；为淬火作组织准备； 消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔和冲压加工。消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔和冲压加工。3.3 整体强化态钢整体强化态钢合适硬度：合适硬度：HB205215加加热热温温度度 780810。控制加热温度是控制。控制加热温度是控制K形态的关键形态的关键温度过高：温度过高：K溶解过多，奥氏体成分均匀，得到粗片状珠溶解过多，奥氏体成分均匀，得到粗片状珠 光体或大块聚集碳化物。光体或大块聚集碳化物。温度过低：温度过低：K没完全溶解和团聚，奥氏体中成分极不均匀，没完全溶解和团聚，奥氏体中成分极不均匀， 得到片状或细小链状碳化物。得到片状或细小链状碳化物。球球化化退退火火工工艺艺

49、保温时间：保温时间：46h，依具体情况而定，时间过长引起，依具体情况而定，时间过长引起K粗化。粗化。冷冷却却速速度度 冷却速度是控制碳化物弥散度的关键冷却速度是控制碳化物弥散度的关键连续冷却：连续冷却：2030h；等温冷却：等温冷却：700等温等温24h，再炉冷到，再炉冷到650出炉；出炉；冷速快：大量细密的碳化物（形核率大，来不及长大）。冷速快：大量细密的碳化物（形核率大，来不及长大）。冷速慢：碳化物颗粒粗大。冷速慢：碳化物颗粒粗大。3.3 整体强化态钢整体强化态钢加加热热温温度度 930950加热：消除粗大网状碳化物。加热：消除粗大网状碳化物。 850870加热；返修，消除细网状碳化物。加

50、热；返修，消除细网状碳化物。正正火火工工艺艺冷冷却却速度速度50/min。空冷、风冷、喷雾、浸水等空冷、风冷、喷雾、浸水等2. 轴承钢的正火轴承钢的正火 目的：目的： 消除网状碳化物；消除网状碳化物； 返修退火不合格品。返修退火不合格品。3.3 整体强化态钢整体强化态钢防氧化脱防氧化脱C：采用真空淬火或者保护气氛加热。：采用真空淬火或者保护气氛加热。3. 轴承钢的淬火和回火轴承钢的淬火和回火目的：提高钢的硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，并使之具有适当目的：提高钢的硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，并使之具有适当的韧性。的韧性。淬火淬火：得到隐晶马氏体基体上分布细小均匀的颗粒碳化物（：得到隐晶马氏体基

51、体上分布细小均匀的颗粒碳化物（78%） ，和少量残余奥氏体（，和少量残余奥氏体（10%）加加热热温温度度 830860，是控制淬火质量的重要因素是控制淬火质量的重要因素温度过高：温度过高：K溶解过多，溶解过多，M粗大，粗大，AR过多，未溶过多，未溶K少。少。温度过低：温度过低：K溶解过少，溶解过少，M含含C低，出现非低，出现非M组织，未溶组织，未溶K多。多。 都会造成性能下降。都会造成性能下降。冷却：在冷却：在650250必须快冷，避免发生贝氏体和珠光体转变。必须快冷，避免发生贝氏体和珠光体转变。 250以下必须慢冷，减少变形开裂。以下必须慢冷，减少变形开裂。3.3 整体强化态钢整体强化态钢磨

52、削后回火：磨削后回火：120150，35h。 消除磨削应力，防止尺寸变化和龟裂。消除磨削应力，防止尺寸变化和龟裂。回回火火 160，3h或更长。或更长。消除残余应力，提高韧性，提高组织尺寸稳定性。消除残余应力，提高韧性，提高组织尺寸稳定性。稳稳定定化化处处理理高精密轴承尺寸变化要求为高精密轴承尺寸变化要求为10-610-7，需进行稳定化处理。，需进行稳定化处理。尺寸不稳定原因：尺寸不稳定原因： 残余应力；残余应力； 残余奥氏体转变。残余奥氏体转变。措施：措施： 冷处理，淬火后冷至冷处理，淬火后冷至-40-70 。 要求淬火后到冷处理之间在室温停留的时间不超过要求淬火后到冷处理之间在室温停留的时

53、间不超过 4h，冷处理后立即低温回火。，冷处理后立即低温回火。 提高回火温度：提高回火温度：180250回火（允许硬度较低时）回火（允许硬度较低时）3.3 整体强化态钢整体强化态钢4. 常用常用轴承承钢 （1）铬轴承承钢 铬轴承承钢的典型代表是的典型代表是GCr15，使用量占，使用量占轴承承钢的的绝大部分。大部分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。承。 （2）添加）添加Mn、Si、Mo、V的的轴承承钢 在在铬轴承承钢中加入中加入Mn、Si可提高淬透性，如可提高淬透性，如GCr15SiMn钢等，等，主要用于制造大型主要用于制造大型轴承；承； 为

54、了了节约Cr，可以加入，可以加入Mo、V，得到不含，得到不含铬的的轴承承钢，如，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE钢等，其性能和用途与等，其性能和用途与GCr15相近。相近。 必必须指出的是高碳指出的是高碳铬轴承承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、也可用于制造精密量具、冷冲模、机床机床丝杠等耐磨件。杠等耐磨件。3.3 整体强化态钢整体强化态钢五、低碳马氏体钢五、低碳马氏体钢 1. 低碳马氏体钢的特点低碳马氏体钢的特点 （1）利用低碳马氏体具有的高强度、良好塑性和韧性的特点。可）利用低碳马氏体具有的高强度、良好塑性和韧性的特点。可替代调质钢。替代调质钢。 低碳低碳(合金合金)结构钢淬火后形成

55、位错板条马氏体结构钢淬火后形成位错板条马氏体+板条相界残余奥板条相界残余奥氏体薄膜氏体薄膜+板条内部自回火或低温回火析出的细小分散碳化物，可板条内部自回火或低温回火析出的细小分散碳化物，可实现强、韧、塑性的最佳配合。实现强、韧、塑性的最佳配合。 （2）保持了低碳钢冷成型和焊接性好，热处理脱碳倾向小，淬火）保持了低碳钢冷成型和焊接性好，热处理脱碳倾向小，淬火变形开裂倾向小，缺口敏感性低等优点。变形开裂倾向小，缺口敏感性低等优点。 指低碳钢或低碳合金钢经淬火指低碳钢或低碳合金钢经淬火+低温回火处理，得到低碳马氏体组低温回火处理，得到低碳马氏体组织作为使用状态的钢。织作为使用状态的钢。3.3 整体强

56、化态钢整体强化态钢0.150.25%C碳碳 淬透性；淬透性；改善韧性，降低韧脆转改善韧性，降低韧脆转化温度：化温度：Ni尤为显著；尤为显著；提高回火稳定性，提高回火稳定性，Si钢的低温回火稳定性。钢的低温回火稳定性。适当降低适当降低Ms点，防止自回火。点，防止自回火。 Mn,Cr,Ni,Mo,V,Si低低碳碳马马氏氏体体的的合合金金化化 总的来说，低碳马氏体钢合金化的方向是在保证淬透性的前提总的来说，低碳马氏体钢合金化的方向是在保证淬透性的前提下，加入具有高的低温回火抗力和适当降低下，加入具有高的低温回火抗力和适当降低 Ms点温度的元素。点温度的元素。3.3 整体强化态钢整体强化态钢3. 低碳

57、马氏体型结构钢的性能特点低碳马氏体型结构钢的性能特点 （1） 在静载下具有良好的强度和塑性、韧性的配合，即使在静载下具有良好的强度和塑性、韧性的配合，即使C含量提高到含量提高到0.25%，这种优良性能仍然存在；，这种优良性能仍然存在； （2） 低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低的缺口敏感低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低的缺口敏感性，而且还具有低的疲劳缺口敏感性。性，而且还具有低的疲劳缺口敏感性。 （3） 低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比较，其冷脆倾低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比较，其冷脆倾向性小。向性小。 3.3 整体强化态钢整体强化态钢六、超高强度钢六、超高强度钢背景背景 ：飞行

58、器提速的需要：飞行器提速的需要 马赫数（马赫数（M）是以奥地利物理学家马赫命名，定义为物体速）是以奥地利物理学家马赫命名，定义为物体速度与音速的比值。度与音速的比值。M0.3为低速；为低速；M5为高超音速。为高超音速。 当当M=2时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到100200； 当当M=3时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到200300； 当当M=4时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到540。3.3 整体强化态钢整体强化态钢高强高强钢与钢与高强高强度铝度铝合金合金、钛、钛合金合金的竞的竞争争 由于铝合金在由于铝合金在150时具有最高的比强度，时具有最高的比强度，且成形

59、性好，因此铝合金是马赫数且成形性好，因此铝合金是马赫数M2的飞行器的飞行器（飞机）的主要结构材料。（飞机）的主要结构材料。 钛合金在马赫数钛合金在马赫数M=2.53.5范围内（即温度范围内（即温度在在250450）具有最高的比强度，但钛合金）具有最高的比强度，但钛合金的价格昂贵，且工艺性能较差。这时就可采用超的价格昂贵，且工艺性能较差。这时就可采用超高强度钢。高强度钢。超高强度钢主要用于航空航天器上的高比强度的结构如：超高强度钢主要用于航空航天器上的高比强度的结构如： 制造飞机起落架；制造飞机起落架； 飞机机身大梁或骨架；飞机机身大梁或骨架； 高压容器和常规武器的某些零部件上高压容器和常规武器

60、的某些零部件上 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（一）低合金超高强度钢（一）低合金超高强度钢0.270.45% C ；碳碳 淬透性，在截面上得到全马氏体，保淬透性，在截面上得到全马氏体，保证证C的强化作用的强化作用 ； Si低温回火稳定性，低温回火稳定性，推迟低温回火脆性，推迟低温回火脆性，12%Si ；细化奥细化奥氏体晶粒氏体晶粒 ，改善塑性、韧性。，改善塑性、韧性。 Cr,Mn,Si,Ni,Mo,V,Nb合合金金化化 淬火低温回火或等温淬火淬火低温回火或等温淬火以回火马氏体或下贝氏体以回火马氏体或下贝氏体+马氏体状态使用马氏体状态使用对表面缺陷如刻痕、焊缝及表面加工造成的缺陷十分敏感。对表

61、面缺陷如刻痕、焊缝及表面加工造成的缺陷十分敏感。 热热处处理理工工艺艺 常用钢种：常用钢种：40CrNiMo（4340）国外广泛使用；）国外广泛使用； 35Si2Mn2MoVA 中国研制。中国研制。 3.3 整体强化态钢整体强化态钢（二）二次硬化型超高强度钢（二）二次硬化型超高强度钢 某些零件要求在较高温度下具有高的力学性能，就需要钢具有二某些零件要求在较高温度下具有高的力学性能，就需要钢具有二次硬化效应。次硬化效应。 1. 特点特点：淬火：淬火+高温回火，在高温回火时弥散析出高温回火，在高温回火时弥散析出M7C3、M2C和和MC型碳化物，产生二次硬化效应，具有较高的中温强度。型碳化物，产生二

62、次硬化效应，具有较高的中温强度。 2. 缺点缺点：塑韧性、焊接性和冷变形性较差。：塑韧性、焊接性和冷变形性较差。 3. 主要钢种主要钢种： （1）4Cr5MoVSi（H11）、）、20Ni9Co4CrMo1V等等 制造飞机发动机承受中温强度的零部件、紧固件等。制造飞机发动机承受中温强度的零部件、紧固件等。 （2）9Ni-4Co型和型和10Ni-14Co型型 热处理后可获得高强度和高韧度，并具有良好的热稳定性和焊热处理后可获得高强度和高韧度，并具有良好的热稳定性和焊接性，常用于制造飞机重要受力构件、海军飞机着陆钩等。接性，常用于制造飞机重要受力构件、海军飞机着陆钩等。3.3 整体强化态钢整体强化

63、态钢（三）（三）马氏体氏体时效效钢 航空和宇航工业的发展，对钢的强度提出更高的要求。但是，如果航空和宇航工业的发展，对钢的强度提出更高的要求。但是，如果继续走以碳强化的道路，将无法克服碳带来的严重脆性。马氏体时效钢继续走以碳强化的道路，将无法克服碳带来的严重脆性。马氏体时效钢放弃了以碳强化的途径，采用超低碳，以时效析出的金属间化合物产生放弃了以碳强化的途径，采用超低碳，以时效析出的金属间化合物产生沉淀强化获得高强度。沉淀强化获得高强度。 超低碳（超低碳（ w(C) 0.03% ），在），在Fe-Ni合金马氏体基础上，合金马氏体基础上，以时效析出的金属间化合物产生沉淀强化获得高强度以时效析出的金

64、属间化合物产生沉淀强化获得高强度 。 不仅有高强度，而且有良好的塑性、韧性和缺口强度值。不仅有高强度，而且有良好的塑性、韧性和缺口强度值。 热处理工艺简单。热处理工艺简单。 不存在脱不存在脱C问题；问题； 不需急冷，变形和开裂倾向小；不需急冷，变形和开裂倾向小； 便于冷成形和切削加工，焊接。便于冷成形和切削加工，焊接。特特点点 3.3 整体强化态钢整体强化态钢2. 马氏体时效钢的强化机理马氏体时效钢的强化机理 马氏体时效钢是通过马氏体时效钢是通过奥氏体奥氏体马氏体马氏体时效马氏体时效马氏体的转变获得的转变获得所需组织和性能。所需组织和性能。固溶强化固溶强化强化效果达强化效果达150250MPa

65、，贡献不大。，贡献不大。位错强化位错强化相变后马氏体中有高密度位错。相变后马氏体中有高密度位错。强化效果达强化效果达500600MPa。时效强化时效强化弥散分布的时效相引起强化。弥散分布的时效相引起强化。强化效果达强化效果达1100MPa，起主要作用。，起主要作用。3.3 整体强化态钢整体强化态钢 18%Ni，20%Ni，25%Ni。 有效地降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙有效地降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙原子间交互作用的能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂原子间交互作用的能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂的倾向。的倾向。 保证高温时得到单相奥氏体。因为时效强化元素均为保

66、证高温时得到单相奥氏体。因为时效强化元素均为铁素体形成元素，所以要加入大量铁素体形成元素，所以要加入大量Ni。 保证足够的淬透性，空冷时得到马氏体。这种无碳板保证足够的淬透性，空冷时得到马氏体。这种无碳板条马氏体的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供了大量条马氏体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和保证了较高的扩散速率，从而保证时效过潜在的形核位置和保证了较高的扩散速率，从而保证时效过程中获得细小的沉淀物。程中获得细小的沉淀物。 析出金属间化合物，产生时效强化作用。析出金属间化合物，产生时效强化作用。 3. 马氏体时效钢的化学成分马氏体时效钢的化学成分Ni的的作作用用

67、3.3 整体强化态钢整体强化态钢 作为时效强化作用元素，析出作为时效强化作用元素，析出Ni3Ti，Ni3Mo，Fe2Mo等，等，产生时效强化作用。产生时效强化作用。 马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，又有马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性，但其强度并不高，需配合金属间化较好的低温塑性和韧性，但其强度并不高，需配合金属间化合物沉淀强化后可获得最佳的强韧性。合物沉淀强化后可获得最佳的强韧性。Ti,Al,Nb,Mo 保证高温时得到单相奥氏体。保证高温时得到单相奥氏体。 降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙原子间交降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与

68、间隙原子间交互作用的能量。互作用的能量。 升高升高Ms点，有利于板条马氏体的形成，减少残余奥氏点，有利于板条马氏体的形成，减少残余奥氏体。体。 增加时效强化效果，析出（增加时效强化效果，析出（Fe,Ni,Co）2Mo。Co的的作作用用 3.3 整体强化态钢整体强化态钢820加热，空冷，得到马氏体，加热，空冷，得到马氏体，HRC2632，AR多。多。480时效时效36h，析出，析出Fe2Mo，Ni3Ti，Ni3Mo。18Ni 淬火和时效工艺与淬火和时效工艺与18%Ni型基本相同。型基本相同。 不同之处：因不同之处：因Ni%高，淬火后高，淬火后AR增多，需要进行增多，需要进行一次冷处理（一次冷处理

69、（-70），减少），减少AR后再时效。后再时效。热热处处理理工工艺艺 20Ni25Ni 淬火后淬火后AR很多，硬度很低，很多，硬度很低，HV160230。需消除需消除AR 对奥氏体进行时效对奥氏体进行时效 在在705保温几个小时，奥氏体中保温几个小时，奥氏体中析出一部分金属间化合物，奥氏体析出一部分金属间化合物，奥氏体合金含量降低，合金含量降低，Ms升高，随后冷却升高，随后冷却并进行冷处理，奥氏体基本上可转并进行冷处理，奥氏体基本上可转变为马氏体。变为马氏体。 冷加工变形冷加工变形 进行进行25%的冷变形，使的冷变形，使Ms升高，再进行冷处理，使奥氏体升高，再进行冷处理，使奥氏体转变为马氏体。

70、转变为马氏体。消除残余奥氏体后马氏体在消除残余奥氏体后马氏体在430480时效，析出金属间化合物，达到要求强度。时效，析出金属间化合物，达到要求强度。3.4 表面强化态钢表面强化态钢 用于采用表面强化工艺制作表面受磨损，心部用于采用表面强化工艺制作表面受磨损，心部受冲击负荷的零件。受冲击负荷的零件。 零件受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，零件受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件之间还有相对的摩擦，并有高的并且零件与零件之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。零件要求有高的屈服强度、高的弯曲接触应力。零件要求有高的屈服强度、高的弯曲疲劳和接触疲劳强度和高的耐磨性。疲劳和接触疲劳强度

71、和高的耐磨性。 基基本本情情况况 既改变表面化学成分又改变组织：渗碳、渗既改变表面化学成分又改变组织：渗碳、渗氮、渗硼等。氮、渗硼等。 不改变表面化学成分但改变组织：感应加热不改变表面化学成分但改变组织：感应加热淬火、火焰淬火、激光表面热处理等。淬火、火焰淬火、激光表面热处理等。表表面面强强化化3.4 表面强化态钢表面强化态钢一、合金渗碳钢一、合金渗碳钢 渗碳钢大量用来制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。渗碳钢大量用来制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。 在滑动、滚动相对运动的工况下工作，工件在滑动、滚动相对运动的工况下工作，工件间有摩擦；间有摩擦； 承受一定的交变弯曲应力和接触疲劳应力；承受一定的交变弯

72、曲应力和接触疲劳应力； 一定的冲击力。一定的冲击力。服服役役条条件件常见失效形式：常见失效形式： 过量磨损、表面剥落，断裂等。过量磨损、表面剥落，断裂等。表面：高硬度、高耐磨性（高表面：高硬度、高耐磨性（高C的回火马氏体、的回火马氏体、 细小的未溶碳化物）细小的未溶碳化物）心部：高的屈服强度、高的冲击韧性（低碳的回心部：高的屈服强度、高的冲击韧性（低碳的回 火马氏体）火马氏体）性能性能要求要求和和组织组织3.4 表面强化态钢表面强化态钢（二）渗碳钢的合金化（二）渗碳钢的合金化 渗碳温度高，时间长（渗碳温度高，时间长（930，几几十个小时），对于用，几几十个小时），对于用Mn、Si脱脱氧的钢，氧

73、的钢， 奥氏体晶粒会发生急剧长大；奥氏体晶粒会发生急剧长大； 并且渗碳后热处理温度不一定高于心部组织的并且渗碳后热处理温度不一定高于心部组织的Ac3，心部组织不一定，心部组织不一定可重新细化。可重新细化。 （1）含）含C量：量：0.120.25%C（个别可到（个别可到0.28%），），主要目的是为了保证心部有良好的韧性；主要目的是为了保证心部有良好的韧性； （2）提高淬透性：）提高淬透性： Mn、Cr、Mo、Ni、W、V、Ti、B等。心部淬火应得到低碳马氏体，以保证强度。等。心部淬火应得到低碳马氏体，以保证强度。 （3）细化奥氏体：）细化奥氏体：Ti、V、W、Mo；加入；加入0.050.30%

74、V，0.060.12%Ti，阻止奥氏体的晶粒长大；同时，阻止奥氏体的晶粒长大；同时还可增加渗碳层硬度，进一步提高耐磨性。还可增加渗碳层硬度，进一步提高耐磨性。根据根据心部心部性能性能要求要求3.4 表面强化态钢表面强化态钢2. 根据渗碳根据渗碳层性能要求性能要求 （1）渗碳）渗碳层表面有适宜的含碳量（表面有适宜的含碳量（0.81.05%C），碳），碳浓度梯度平度梯度平缓过渡。渡。如含如含C量太高量太高K数量太多，呈粗大块网状，分布不均匀。数量太多，呈粗大块网状，分布不均匀。AR增多。增多。 强和中强强和中强K形成元素不能含量过高，因为他们增大钢表面吸收碳原形成元素不能含量过高，因为他们增大钢表

75、面吸收碳原子的能力，增加渗层的碳浓度。同时它们又阻碍碳在奥氏体中的扩散，子的能力，增加渗层的碳浓度。同时它们又阻碍碳在奥氏体中的扩散，不利于渗碳层的增厚，使得浓度梯度增大。不利于渗碳层的增厚，使得浓度梯度增大。 如含如含C量太低，硬度、耐磨性不够。量太低，硬度、耐磨性不够。 因此，非因此，非K形成元素不能太高。（形成元素不能太高。（Ni，Si）3.4 表面强化态钢表面强化态钢（2）渗碳速度快）渗碳速度快 K形成元素促形成元素促进渗碳。但渗碳。但强强碳化物形成元素会阻碍碳化物形成元素会阻碍C的的扩散。散。 Cr、Mn、Mo有利于渗碳有利于渗碳层增厚，而增厚，而Ti能减小渗碳能减小渗碳层厚度。厚度

76、。 非非K形成元素（形成元素（Ni，Si）阻碍渗）阻碍渗层厚度增加。厚度增加。原则上，渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度原则上，渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度（3）渗碳）渗碳层中残余奥氏体不能多中残余奥氏体不能多 Mn、Ni含量不能含量不能过高。高。3.4 表面强化态钢表面强化态钢 含量范围含量范围Si1.2%；Mn3.3%；Cr2%；Ni4%；Mo0.6%；W1.2%；V0.3%；Ti0.12%；B950），以快速冷却条件），以快速冷却条件使过饱和碳固溶于奥氏体中，以获得单相奥氏体组织。使过饱和碳固溶于奥氏体中，以获得单相奥氏体组织。3.5 耐磨钢耐磨钢注意注意： 高锰钢导热性较差，

77、仅为碳钢的高锰钢导热性较差，仅为碳钢的1/41/5，热膨胀系数比普通，热膨胀系数比普通钢大钢大50%，而铸件尺寸又较大，所以要缓慢加热；，而铸件尺寸又较大，所以要缓慢加热； 铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出；铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出； 水冷前水温不宜超过水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小于，水冷后水温应小于60； 水韧处理后不宜再进行水韧处理后不宜再进行250350的回火处理，也不宜在的回火处理，也不宜在250350以上温度环境中使用。（因为在高于以上温度环境中使用。（因为在高于250时，会析出碳时，会析出碳化物，降低性能。）化物，降低性能。）3.5 耐磨钢耐磨钢（2）细化晶粒处理）细化晶粒处理 高锰钢的铸态组织为粗大奥氏体和碳化物，水韧处理时只发高锰钢的铸态组织为粗大奥氏体和碳化物，水韧处理时只发生碳化物溶解，基本未发生奥氏体转变，因而奥氏体晶粒度未改生碳化物溶解，基本未发生奥氏体转变，因而奥氏体晶粒度未改变。变。工艺工艺：先在共析转变温度范围内的：先在共析转变温度范围内的500600加热加热1030h，发生，发生共析转变，再进行水韧处理，能得到细小的奥氏体晶粒。共析转变，再进行水韧处理，能得到细小的奥氏体晶粒。