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第5章结构钢的金相检验 拨叉 变速齿轮 变速箱 Chapter 机械制造结构钢 齿轮 曲轴 汽车万向节 连杆 Chapter 机械制造结构钢 弹簧 拉力弹簧 离合器弹簧 蝶形弹簧 板弹簧 Chapter 机械制造结构钢 滚珠 滚珠轴承 Chapter 机械制造结构钢 履带 铁轨分道叉 破碎机颚板 挖掘机斗齿 Chapter 机械制造结构钢 工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢是指含碳量低于2 11 的铁碳合金 合金钢是指为了提高钢的性能 在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金 5 0概述钢的分类及编号 一 钢的分类1 按化学成分分 2 按质量分类钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 分为普通质量钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 3 按冶炼方法分 平炉钢 用平炉冶炼钢 转炉钢 用转炉冶炼钢 4 按金相组织分按退火组织分 亚共析钢 共析钢 过共析钢按正火组织分 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 铁素体钢 奥氏体钢 莱氏体钢 5 按用途分类 二 钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母 化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法 1 碳素结构钢和低合金高强度钢Q 最低屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号Q表示 屈服强度 屈服强度值单位是MPa 质量等级符号为A B C D E 由A到E 其P S含量依次下降 质量提高 脱氧方法符号 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 TZ 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF Q235BZ 根据需要 低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 表示平均含碳量的万分之几 和化学元素符号表示 如16Mn 说明 通常情况下 屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢 大于300MPa时为低合金高强度钢 钢桥梁 钢板 钢筋 2 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示 表示钢平均含碳量的万分之几 如45钢 平均含碳量为万分之四十五 即0 45 的优质碳素结构钢 说明 含Mn量为0 7 1 0 时 在两位数字后加元素符号 Mn 如40Mn 对于沸腾钢和半镇静钢 在钢号后分别加字母F和b 如08F 10b 高级优质钢在钢号后加字母A 如20A 3 合金结构钢和合金弹簧钢两位数字 表示平均含碳量的万分之几 合金元素符号 该元素百分含量数字 当合金元素的平均含量小于1 50 时 只标元素符号 不标含量 当合金元素的平均含量为1 50 2 49 2 50 3 49 3 50 4 49 4 50 5 49 时 在相应的合金元素符号后标2 3 4 5 等数字 如20CrNi3 高级优质钢在牌号后加字母A 如60Si2MnA 特级优质钢在牌号后加字母E 如30CrMnSiE 所有合金钢的合金元素量标法相同 1 应用背景机械制造结构钢也称机器零件用钢 包括碳素结构钢和合金结构纲 用于制造各种机械零件所用的钢种 故此得名 可以得到良好的强度和韧性 在机械制造和工程建筑业得到广泛的用途 如各种齿轮零件 轴 杆 类零件 弹簧 轴承及高强度结构件等 广泛应用在汽车 拖拉机 机床 工程机械 电站设备 飞机及火箭等装置上 Chapter5机械制造结构钢 三 机械制造结构钢 Chapter3机器零件用合金结构钢 2 机械制造结构钢的服役条件主要是承受拉伸 压缩 扭转 剪切 弯曲 冲击 疲劳 摩擦等力的作用 或者是它们中的多种载荷的交互作用 服役环境是大气 水和润滑油 温度在 50 100 范围之间 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 由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同 Chapter3机械制造结构钢 3 机器零件用钢对力学性能要求要求强度和韧性以保证机器零件体积小 结构紧凑及安全性好 要求有良好的疲劳性能与耐磨性等 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力 所以机器零件用钢的使用状态通常为淬火加回火态 即强化态 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 机器零件用钢通常以力学性能为主 工艺性能为辅 Chapter 机械制造结构钢 基本要求 了解各类钢的服役条件 对钢的基本性能要求 化学成分特点和热处理特点 掌握常用低碳合金钢 调质钢 弹簧钢等的典型牌号 掌握结构钢中的基本的金相组织特点重点与难点 各类钢的化学成分特点 合金元素的作用 强韧化机制及热处理特点 金相组织特点 四 教学要求 Chapter3机械制造结构钢 五 主要内容 冷变形钢的金相检验易切削结构钢的金相检验调质钢的金相检验低碳低合金钢的组织检验马氏体结构钢的金相检验弹簧钢的金相检验 第一节钢中的非金属杂杂物的金相检验 一 杂质元素对性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn Si P S 是由原料带入或脱氧残留的元素 Mn Si 有利于改善钢的机械性能 S 易使钢热脆 P 易使钢冷脆 必须严格控制在牌号规定的范围之内 气体元素 N 在常温放置过程中钢中过饱和N以FeN Fe4N形式析出使钢变脆 称时效脆化 O 氧在钢中以氧化物或复杂氧化物 硅酸盐2MnO SiO2 MnO SiO2 的形式存在 其与基体结合力弱 不易变形 易成为疲劳裂纹源 H 氢在钢中以原子态溶解时 降低韧性 引起氢脆 当氢在缺陷处以分子态析出时 会产生很高内压 形成微裂纹 其内壁为白色 称白点或发裂 N H O是有害杂质 三 非金属夹杂物的金相检验 夹杂物的金相取样按 GB T10561 1989 标准夹杂物金相制样 镶嵌 检查面的磨制 抛光 在显微镜100倍下观察 一 非金属夹杂物类型的鉴别 在明场 暗场 偏光 有硫化物 氧化物 硅酸盐 氮化物 1 硫化物 主要是FeS MnS 硫化物塑性较好 FeS 明场下呈淡黄色 暗场下不透明 MnS 明场下呈灰蓝色 暗场下不透明 偏光下都不透明 硫化锰 MnS 夹杂物 组织特征 夹杂物呈灰色长条状 是因为在轧钢过程中使其拉长 所以这种夹杂物也被称为塑性夹杂物 材料 各类钢铁腐蚀方法 未腐蚀放大倍数 500倍 球状透明夹杂物 组织特征 黑色圆球状为氧化物夹杂物 白色为基体 未经化学腐蚀 组织特点为半球状夹杂物在光学显微镜明场照明下可看到半球面的表面呈现出黑白交替的等色环 材料 低碳钢焊缝区腐蚀方法 未腐蚀放大倍数 500倍 球状透明夹杂物 组织特征 圆球状透明氧化物在正交偏振光照射下 可看到在圆形的夹杂物中有一个黑十字 这种现象称为 黑十字 效应 这种效应与夹杂物必须是透明的 球形的有关 材料 低碳钢焊缝区腐蚀方法 未腐蚀放大倍数 500倍 组织特征 夹杂物呈金黄色规则外形分布 边缘有棱角 常呈多边形 尤其在含CrMnTi材料中居多 材料 各类钢铁腐蚀方法 未腐蚀放大倍数 200倍 氮化钛 TiN 夹杂物 混合夹杂物 组织特征 夹杂物呈不同颜色及不同形状 当混合夹杂物量多时 材料的力学性能会受到很大的影响 因每一颗夹杂物就象一个裂纹分布在钢中 材料 各类钢铁腐蚀方法 未腐蚀放大倍数 500倍 第二节碳素钢和低合金钢中的基本组织 碳素钢是指除 以外含有少量 n Si S P O N 的元素 低碳钢 25 中碳钢0 25 0 6 高碳钢 6 低合金钢在碳钢的基础上加入一些合金元素 n Cr Mo Ni 等 弥补碳钢的不足 提高钢的强度 韧性 塑性 耐磨性 碳素钢和低合金钢属于亚共析钢 工艺不同组织不同 有 铁素体 珠光体 渗碳体 奥氏体 马氏体 贝氏体 魏氏组织 带状组织 回火马氏体 回火屈氏体 回火索氏体 一 奥氏体 碳钢中奥氏体是 在 e中过饱和固溶体 奥氏体是一个高温相 在 度以上才存在 在光学显微镜下呈多边形晶粒 晶粒内部往往出现平行的孪晶带 这是由于加热和冷却过程中所产生的热应力使奥氏体发生塑性变形所致 奥氏体的硬度较低 约为HB170 220 塑性好 所以钢在压力加工时 都要加热到形成奥氏体温度 二 铁素体 碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 它的溶碳量随着温度的改变而变化 其最大溶碳量在727 为0 0218 经3 5 硝酸酒精溶液浸蚀后呈白色的多边形晶粒 黑色网是晶粒边界 重浸蚀后晶粒呈现明暗不同的颜色 这是由于各晶粒的位向不同 显示出各晶粒具有不同的耐腐蚀性 亚共析钢中 随着含碳量的增加 珠光体量增加而铁素体量减少 当铁素体量多时 它呈块状分布 而当钢的含碳量接近共析成分时 F在P的边界上呈网状分布 铁素体硬度较低约在 图 铁素体显微组织 四 珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物形态 片状 球状珠光体片状 是钢过冷到 线下较高的温度 在 曲线较高的温度发生共析转变的产物 的形成过程 a 形核 渗碳体或F首先在A晶界或相界面 使碳浓度 当 F平衡浓度时 形成铁素体片 b 核长大 F和Fe3C片长大 又使A变成富碳区 促使Fe3C形核 直到许多不同取向的珠光体相遇 A全部分解完毕 四 片状珠光体 组织特征 珠光体为两相组织 铁素体 渗碳体 黑色的片状为渗碳体 白色的连续相为铁素体 有些区域由于分辨率不够 不能将铁素体与渗碳体的界面分开 只能看到灰黑色的块状区域 材料 T8钢热处理状态 退火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液侵蚀放大倍数 400 四 粒状珠光体 组织特征 珠光体为两相组织 铁素体 渗碳体 白色基体为铁素体 球粒状的是渗碳体 材料 T8钢热处理状态 球化退火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液侵蚀放大倍数 500 五 贝氏体 贝氏体是钢的奥氏体在 以下 又称中温转变 550 230 MS 一 贝氏体的组织形态和力学性能1 组织形态A 上贝氏体 又称羽毛状 A过冷 B 贝氏体较高温度 F的排列是平行的 相邻板条之间的位向差为为6 18度 和夹于其间断续的条状渗碳体的两相机械混合物 随着钢中碳含量的增加 上贝氏体中的铁素体板条增多 变薄 渗碳体的形态由粒状 变为短杆状 550 350 为上贝氏体半扩散型 Fe不扩散羽毛状碳化物在F间 韧性差B 下贝氏体 350 Ms 又称低温贝氏体 也是两相组织 F Fe3C 也称针状贝氏体 Fe3C呈颗粒状 约以55 60的角度与下贝氏体针的长轴相交 原子有一定的扩散能力2 贝氏体的力学性能上贝氏体F条粗大 过饱和程度低 强度硬度低 韧性低 下贝氏体针状碳化物在F内 韧性高 综合机械性能好 贝氏体转变 半扩散相变550 Ms A B 上贝氏体 550 350 过饱和片状F 渗碳体下贝氏体 350 Ms 过饱和针状F 弥散 Fe2 4C 上贝氏体 羽毛状 上贝氏体 羽毛状 组织特征 黑色羽毛状为上贝氏体 白色区域为淬火马氏体 组织特征为羽毛状上贝氏体分布在淬火马氏体基体上 并有少量针状下贝氏体 材料 65Mn热处理状态 960 保温 350 等温50秒后 水冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500倍 上贝氏体 组织特征 黑色针状为下贝氏体 白色区域为淬火马氏体 组织特征为针状下贝氏体分布在淬火马氏体基体上 并有少量上贝氏体组织 材料 65Mn热处理状态 960 保温 280 等温2分钟后水冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500倍 下贝氏体 六 魏氏组织 在亚共析和过共析中 由高温以较快的速度冷却时 先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生 称魏氏组织 产生原因 奥氏体晶粒粗大 冷却速度快 导致塑性和冲击韧性下降 脆性转变温度升高 消除办法 可通过正火 退火 锻造的办法消除 严重的可通过二次正火加以消除 魏氏组织 F P 组织特征 黑色为珠光体 白色为铁素体 组织特点是由于加热温度偏高 冷却速度较快 铁素体不能形成等轴晶 而呈现为针片状并沿奥氏体晶界伸向晶内穿过珠光体 材料 亚共析钢 0 35 C 热处理状态 空气快冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 400倍 11魏氏组织 Fe3C P 组织说明 组织特征 彩色为珠光体 白色网状为渗碳体 组织特点是由于加热温度偏高 冷却速度较快 渗碳体不能沿奥氏体晶界缓慢析出形成边缘光滑的网状 而呈现为针片状并沿奥氏体晶界伸向晶内穿过珠光体 材料 过共析钢 1 2 C 热处理状态 空气快冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 400倍 七 马氏体 马氏体是C或合金元素在 Fe中的过饱和固溶体马氏体是1 组织形态 C 1 0 针状马氏体0 3 C 1 混合马氏体 低碳板条马氏体 组织特征 平行排列的条状为马氏体 是由细长板条状的过饱和铁素体晶体构成 组织特征为在原始奥氏体晶粒内可形成若干个马氏体群 马氏体条束大致平行 但马氏体群间以大角度相交 由于马氏体群形成位向不同 故出现不同的浸蚀反差 有些颜色较暗 有些较亮 材料 16Mn热处理状态 950 保温 盐水淬火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500倍 组织特征 彩色长片状为马氏体 黄白色为残余奥氏体 组织特征为马氏体片先形成的较大 往往跨越奥氏体晶粒 而后形成的受到晶粒界面的限制而较小 相邻的片一般互不平行 周围伴随有白色的残余奥氏体 材料 T12 1 2 C 热处理状态 1100 保温 水淬火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500倍 高碳片状马氏体 回火马氏体回火屈氏体回火索氏体 回火马氏体是钢淬火后经低温回火后的产物 特征 仍然具有马氏体的针状特征 经侵蚀后颜色比淬火马氏体深回火屈氏体是淬火后经中温回火后的产物 特征 马氏体的针状特征将逐步消失 但仍可看见 回火索氏体是钢淬火后高温回火后的产物 由于回火温度较高 碳化物 45钢860 加热 水冷M 混合型 板条M 针状M 45钢860 加热 水冷200 回火回火M 45钢860 加热 水冷400 回火回火T 回火M转变为在保持M形态的F基体上分布着极其细小的渗碳体颗粒 45钢860 加热 水冷600 回火回火S 由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗碳体组成的组织称为回火S 回火屈氏体 组织特征 经400 回火的回火屈氏体组织有较多的碳化物析出 部分聚集 原混合马氏体针片形态已不太清楚 侵蚀后色泽较回火马氏体组织浅 组织特点为在马氏体针片内有大量的碳化物析出并聚集 但仍可见原马氏体针片 方位 的痕迹 材料 45钢热处理状态 860 保温 水淬 400 回火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500 回火索氏体 组织特征 经600 回火的回火索氏体组织碳化物已明显的聚集 粗化 原马氏体针片状形态已完全消失 侵蚀后色泽较回火马氏体组织更浅 组织特点为已完全看不到马氏体针片 方位 的痕迹 碳化物颗粒细小 如增加温度或延长回火时间 碳化物颗粒都会粗化 材料 T8钢热处理状态 950 保温 水淬 600 回火腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 500 T10钢900 加热 空冷S Fe3C 网状 T10钢900 加热 水冷M A T10钢780 水淬M A Fe3C粒状 T10钢780 水淬 200 回火回火M 较少A Fe3C粒状 T10钢780 加热 水冷400 回火T回火 Fe3C粒状 回火M转变为在保持M形态的F基体上分布着极其细小的渗碳体颗粒 T10钢780 加热 水冷600 回火S回火 Fe3C粒状 由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗碳体组成的组织称为回火S 第三节合金元素的作用 合金元素在钢中可以两种形式存在 溶解于碳钢原有的相中 另一种是形成某些碳钢中所没有的新相 在高合金钢中还可能形成金属间化合物 1 合金元素与铁的作用 几乎所有的合金元素 除Pb外 都可溶入铁中 形成合金铁素体或合金奥氏体 合金元素可溶于铁素体中 由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变 另外合金元素易分布于位错线附近 对位错线的移动起牵制作用 降低位错的易动性 从而提高塑变抗力 产生固溶强化效果 2 合金元素与碳的作用 在一般的合金化理论中 按与碳亲合力的大小 可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类 1 非碳化物形成元素 Ni Co Cu Si Al N B 2 碳化物形成元素 Mn Cr Mo W V Ti Nb Zr 碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素 它们都有一个未填满的d电子亚层 当形成碳化物时 碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层 使形成的碳化物具有金属键结合的性质 金属原子的d电子亚层愈不满 周期表中 在铁左边离铁愈远 则其与碳的亲和力愈强 形成碳化物的能力愈大 愈稳定 而且不易分解 碳化物形成元素中 有些元素 如Mn 与碳的亲合力较弱 除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外 大部分仍溶于铁素体或奥氏体中 而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素 如Cr Mo W等 当其含量较少时 多半溶于渗碳体中 形成合金渗碳体 当含量较高时 则可能形成新的特殊的合金碳化物 与碳亲合力很强的碳化物形成元素 如Nb Ti Zr等 几乎总是与碳形成特殊的碳化物 溶于基体中形成合金F或合金A 2 对钢中基本相的影响 1 溶于铁素体 起固溶强化作用非碳化物形成元素 Al Co Cu 及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体 形成合金铁素体 Si Mn对强度 硬度提高显著 Cr Ni在适当范围内提高韧性 2 合金元素在钢中的作用 2 形成碳化物 起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Ti Nb V为强碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性高 如TiC VC等 W Mo Cr为中碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较高 如W2C等 Mn Fe为弱碳化物形成元素 碳化物的稳定性 熔点 硬度 耐磨性较低 如Fe3C等 溶于基体中形成合金F或合金A对冲击韧性的影响 硅在钢中的作用 提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低 硅能显著地提高钢的弹性极限 屈服极限和屈强比 这是一般弹簧钢 耐腐蚀性 硅的质量分数为15 一20 的高硅铸铁 是很好的耐酸材料 含有硅的钢在氧化气氛中加热时 表面也将形成一层SiO2薄膜 从而提高钢在高温时的抗氧化性 缺点 使钢的焊接性能恶化 锰在钢中的作用 锰提高钢的淬透性 锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用 锰对钢的高温瞬时强度有所提高 锰在钢中的作用 锰钢的主要缺点是 含锰较高时 有较明显的回火脆性现象 锰有促进晶粒长大的作用 因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意 这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼 钒 钛等来克服 当锰的质量分数超过1 时 会使钢的焊接性能变坏 锰会使钢的耐锈蚀性能降低 铬在钢中的作用 铬可提高钢的强度和硬度 铬可提高钢的高温机械性能 使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性阻止石墨化提高淬透性 铬在钢中的作用 缺点 铬是显著提高钢的脆性转变温度 铬能促进钢的回火脆性 镍在钢中的作用 可提高钢的强度而不显著降低其韧性 镍可降低钢的脆性转变温度 即可提高钢的低温韧性 改善钢的加工性和可焊性 镍可以提高钢的抗腐蚀能力 不仅能耐酸 而且能抗碱和大气的腐蚀 第三节冷变形钢的金相检验 1 概念 在常温下冲压或拉拔等冷变形的方法 以制成某种机械零件 主要船舶 桥梁 锅炉 2 材料牌号 碳素钢08钢08F10钢低合金钢 16Mn15MnV14MnNb3 冷变形用钢金相检验 组织为 铁素体和珠光体1 冷变形钢的铁素体晶粒度评级标准 GB T4335 1984 低碳钢冷轧薄板铁素体晶粒度测定法 2 冷变形钢的渗碳体评级按标准 GB T13299 1991 钢的显微组织评定方法 该方法分 冷变形钢的金相组织 1 游离渗碳体评级 分为A B C三个等级 2 低碳变形钢珠光体评级 分为A B C三个等级 A系列为含碳量为0 1 0 2 的冷轧钢B系列为0 1 0 2 的热轧钢C系列为含碳量为0 2 0 3 的热轧钢 3 带状组织级A系列为含碳量为 0 15 钢 B系列为0 16 0 30 的钢 C系列为含碳量为0 31 0 50 的钢 4 魏氏组织评级A系列为含碳量为0 15 0 30 钢 B系列为0 31 0 50 的钢 02带状组织 P F 组织说明 组织特征 黑色带状为珠光体 白色晶粒为铁素体 组织特点是由于在压力加工时 使材料变形被拉长 同时组织也被拉长 这种由于压力加工造成的带状组织 可通过随后的正火进行消除 变为等轴晶 材料 亚共析钢 0 25 C 热处理状态 热轧后空冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 400倍 09魏氏组织 F P 组织说明 组织特征 黑色为珠光体 白色为铁素体 组织特点是由于加热温度偏高 冷却速度较快 铁素体不能形成等轴晶 而呈现为针片状并沿奥氏体晶界伸向晶内穿过珠光体 材料 亚共析钢 0 35 C 热处理状态 空气快冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 400倍 13魏氏组织 Fe3C P 组织说明 组织特征 彩色为珠光体 白色网状为渗碳体 组织特点是由于加热温度偏高 冷却速度较快 渗碳体不能沿奥氏体晶界缓慢析出形成边缘光滑的网状 而呈现为针片状并沿奥氏体晶界伸向晶内穿过珠光体 材料 过共析钢 1 2 C 热处理状态 空气快冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 400倍 15脱碳层组织 F P 组织说明 组织特征 左下角的黑色区为试样的边缘 表层出现脱碳组织 彩色为珠光体 白色为铁素体 组织特点为铁素体在边缘量多 向内部逐渐减少 脱碳层基本为半脱碳 因在边缘仍有部分铁素体组织 材料 T8钢 0 77 C 热处理状态 高温长时间加热 空冷或炉冷腐蚀方法 4 硝酸酒精溶液放大倍数 100倍 5 冷拉结构钢的金相检验1 概念 冷拉结构钢是用优质碳素结构钢如15 25 45 15Mn由原等轴状变成沿着变形方向延伸拉长的晶粒 2 金相检验 GB T3078 1994有关规定1 断口检验按GB T1814 1979 钢材断口检验法 2 低倍组织检验按GB T226 1991 钢的低倍组织及缺陷酸蚀实验法 进行评级3 脱碳层按GB T224 1987 钢材 第四节易切削钢的金相检验 1 概念 易切削钢是具有优良切削加工性能的专用钢种 它是在钢中加入一种或几种元素 利用其本身或与其它元素形成一种对切削加工有利的夹杂物的作用 从而使切削抗力下降 切屑易断易排 零件表面粗糙度改善且刀具寿命提高 使用最广的元素是S P Pb Ca等 损害钢的力学性能和压力加工与焊接性能 易切削钢的牌号 Y40Mn 易切钢的用途 在高效自动机床上进行大批量生产的非重要零件 如标准件和紧固件 螺栓 螺母 自行车与照相机零件 随着合金易切削钢的研制与应用 汽车工业上的齿轮和轴类零件也开始使用这类钢材 如用加Pb的20CrMo钢制造齿轮 可节省加工时间和加工费用达30 以上 显示了采用合金易切削钢的优越性 易切钢的成分和性能 易切削钢的金相检验 1 夹杂物的形态 硫系易切削钢中 nS夹杂成球状和不规则点状 系易切削钢中成颗粒状 明场 2 低倍组织检验按GB T226 1991 钢的低倍组织及缺陷酸蚀实验法 进行评级 疏松不超过 级3 金相组织低碳组织 粗片状 中碳组织 部分球状 高碳组织 球状 第五节低碳低合金钢的组织检验 1 低合金钢 普通碳素结构钢添加合金元素量不超过5 一般在3 以下 2 主要用途 桥梁 船舶 车辆 锅炉 高压容器 输油输气管道 大型钢结构等 3 特点 较高的强度 屈强比 塑 韧性 良好的焊接性和冷塑性加工性 含有耐大气和海水腐蚀的元素 低碳 由于韧性 焊接性和冷成形性能的要求高 其碳质量分数不超过0 20 加入以锰为主的合金元素 Mn1 8 以内 加入铌 钛或钒等辅加元素 少量的铌 钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物 有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性 成分特点 成分特点 此外 加入少量铜 0 4 和磷 0 1 左右 等 可提高抗腐蚀性能 加入少量稀土元素 可以脱硫 去气 使钢材净化 改善韧性和工艺性能 性能要求 1 高强度 一般屈服强度在300MPa以上 2 高韧性 要求延伸率为15 20 室温冲击韧性大于600kJ m2 800kJ m2 对于大型焊接构件 还要求有较高的断裂韧性 3 良好的焊接性能和冷成型性能 4 低的冷脆转变温度 5 良好的耐蚀性 牌号表示方法 1 牌号 Q345C 4 普通低合金钢的成分 性能 牌号 力学性能 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用 不需要进行专门的热处理 使用状态下的显微组织一般为铁素体 珠光体 索氏体 5 种类 1 热轧钢 组织 带状铁素体 珠光体2 贝氏体型钢 热轧后组织为贝氏体3 马氏体型钢 板条马氏体6 金相检验 1 低倍检验 GB T226 19912 原材料检验 GB T13299 1991GB T224 1987GB T6394 20023 金相组织检验 根据其类型不同分别 第六节 大截面用钢的金相检验 1 概念 指锻造大型工件 直径 700mm 也称大型锻件用钢 如 发电机转子34CrMo1A2 组织特点 最终热处理为淬火 高温回火3 淬火后的组织 马氏体 下贝氏体回火后回火索氏体3 金相检验 由于截面大 所以冷速不同组织有差异1 低倍检验 包括夹杂物 疏松 偏析 2 由表至里块状铁素体面积增大 有针状魏氏组织出现 第七节低合金超高强度钢的金相检验 超高强度钢的概念 b 1500MPa或 s 1380MPa 用途 制造飞机起落架 机翼大梁 火箭及发动机壳体与武器的炮筒 枪筒 防弹板等 结构轻量化 材料有高的比强度和比刚度 低合金超高强度钢的成分特点 1 碳含量0 30 0 45 2 合金元素总量 5 常加入Ni Cr Si Mn Mo V等元素 提高淬透性 回火稳定性和固溶强化 低合金超高强度钢的分类 低合金超高强度钢典型牌号有 典型钢种30CrMnSiNi2A热处理为淬火 低温回火处理 组织 回火马氏体 或下贝氏体 回火马氏体 组织状态使用 此类钢的生产成本较低 用途广 可制做飞机结构件 固体火箭发动机壳体 炮筒 高压气瓶和高强度螺栓 二次硬化型超高强度钢 热处理为 淬火 高温回火 析出特殊合金碳化物达到弥散强化 即二次硬化 的超高强度钢 主要包括两类 Cr Mo V型中碳中合金马氏体热作模具钢 4Cr5MoSiV 和高韧性Ni Co型低碳高合金超高强度钢 如20Ni9Co4Mo1V钢 由于是在高温回火状态下使用 故此类钢还具有良好的耐热性 中合金超高强度钢 马氏体时效钢 1 含碳量超低碳高合金 Ni Co Mo 超高强度钢 有极佳的强韧性 2 热处理 经高温固溶处理 约820 得到高合金的超低碳单相板条马氏体 然后再进行时效处理 480 左右 析出金属间化合物 如Ni3Mo 起弥散强化作用 力学性能优良 工艺性能良好 但价格昂贵 用于固体火箭发动机壳体 高压气瓶等 高合金超高强度钢 4 超高强度不锈钢 在不锈钢基础上发展起来的超高强度不锈钢 具有较高的强度和耐蚀性 依据其组织和强化机制不同 也可分为马氏体沉淀硬化不锈钢 半奥氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢等 由于其Cr Ni合金元素含量较高 故其价格也很昂贵 通常用于对强度和耐蚀性都有很高要求的零件 低合金超高强度钢 常用牌号 低合金超高强度钢的金相检验 制样 腐蚀 酒精 金相检验 根据种类不同组织不同分别检验 第八节调质钢的金相检验 概念 结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能 有较高的强度 良好的塑性和韧性 适用于这种热处理的钢种称为调质钢 Chapter3机械制造结构钢 一 调质钢的化学成分特点碳中碳 碳含量一般在0 3 0 5 钢中的碳保证有足够多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 碳含量过高则韧性下降 Chapter 机械制造结构钢 2 合金元素主加合金元素 Cr Mn Si Ni 辅加合金元素 Mo W V Ti Al B等 重要的调质钢 一般都含有多种合金元素 Chapter 机械制造结构钢 合金元素的作用 提高淬透性 Cr Mn Si Ni溶于 相 起固溶强化作用 Cr Mo W V等阻碍 相的再结晶 也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大 使钢保持高硬度 加入Mo W来防止回火脆性 V Ti Al起细化晶粒的作用 Chapter 机械制造结构钢 二 对调质钢的淬透性要求 调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定 并据此来确定对淬透性的要求 例如 某些轴类零件 它们承受弯曲力 表面受到最大的张应力 随着离表面的距离增大 应力逐渐减低 所以只要求在淬火轴的1 2半径处达到80 马氏体即可 例如 某些重要的销钉或螺栓 在工作时 整个截面上受到大的剪切力或拉力 因此要求零件在整个截面上淬成马氏体 需要根据淬透性曲线来选择钢种 Chapter 机械制造结构钢 三 调质钢的热处理特点1预备热处理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 需要进行预备热处理 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 得到 细小均匀P F Chapter 机械制造结构钢 合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 随后再进行一次高温回火 使马氏体型钢的强度由HB380 550降至HB207 240 可以顺利地进行切削加工 2最终热处理 1 淬火将钢件加热至AC3线以上进行淬火 淬火温度由钢的成分来决定 淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择 Chapter 机械制造结构钢 2 回火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材的回火脆性问题 3 表面处理某些零件除了要求较高的强 韧 塑性配合以外 往往还要求某些部位 如轴类零件的轴颈或花键部分 有良好的耐磨性 为此 经调质处理后 在局部部位进行高频感应表面淬火 Chapter 机械制造结构钢 避免或减轻回火脆性的措施a 避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火 b 尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间 c 回火后采用快冷的工艺方法 d 采用含钼钢种 并尽可能降低钢中的磷 锡 锑含量 e 对已感受回火脆的钢 用重新加热到650 后快冷的方法来恢复 Chapter 机械制造结构钢 四 常用调质钢的成分 热处理 机械性能和用途 表常用调质钢的成分和用途 Chapter 机械制造结构钢 表 常用调质钢的热处理和机械性能 Chapter3机械制造结构钢 典型调质钢及其应用 合金调质钢的钢种很多 按淬透性的高低可分为低 中 高淬透性三类 低淬透性合金调质钢 其油淬临界直径最大为30mm 40mm 典型钢种是40Cr 40CrV 40MnB 40MnV 38CrSi 40MnVB等 这类钢的淬透性较低 通常只用于制造一般尺寸的重要零件 40MnB 40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢 40MnB的淬透性稳定性较差 切削加工性能也差一些 Chapter3机械制造结构钢 连杆 轴 Chapter3机械制造结构钢 中淬透性合金调质钢 其油淬临界直径最大为40mm 60mm 典型钢种是35CrMo 40CrMn 40CrNi 30CrMnSi等 这类钢含有较多的合金元素 主要用于制造截面较大的零件 例如曲轴 连杆等 35CrMo 40CrMn等钢可用于500 以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子 叶轮等 Chapter3机械制造结构钢 电气机车大轴 磨床主轴 Chapter3机械制造结构钢 汽轮机转子 汽轮机转子 AETC公司 叶轮 转子 高淬透性合金调质钢 其油淬临界直径最大为60mm 100mm 典型钢种是37CrNi3A 40CrMnMo 40CrNiMoA 25Cr2Ni4WA等 这类钢多半是铬镍钢 较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性 并获得优良的机械性能 40CrNiMoA钢主要用于制造大截面 重载荷的重要零件 如航空发动机轴 汽轮机主轴 叶轮等 Chapter3机械制造结构钢 某军舰汽轮机主轴 Chapter3机械制造结构钢 第五节调质钢的金相检验 原材料检验 细小均匀的P F 脱碳层检验 224 1987 调质钢的淬火回火检验 回火索氏体 45钢860 加热 空冷S F 表面脱碳 45钢860 加热 水冷600 回火回火S 由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗碳体组成的组织称为回火S 第九节 弹簧钢的金相检验 一 弹簧的工作条件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 保证机器和仪表的正常工作 弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧 板弹簧主要用于机车 汽车 拖拉机上 起着车轮和车架之间联结的作用 受力则以反复弯曲应力为主 提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度 螺旋弹簧不管是受压或受拉 其承受的应力主要是扭转应力 螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳 Chapter3机械制造结构钢 二 对弹簧的性能要求1具有高的强度极限 特别是弹性极限 e 还要求有高的屈强比 s b 以提高强度的利用率 2具有高的疲劳极限 3具有良好的表面状态疲劳性能对于表面状态很敏感 所以要求弹簧钢的表面不应有裂纹 折叠 斑疤 发裂 气泡 夹杂和压入的氧物铁皮等 这就要求注意冶金质量 在加热处理过程中 尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳 采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态 大大提高弹簧的使用寿命 4具有较好的工艺性能具有一定的塑性和淬透性 过热敏感性要小 不易脱碳 弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性 以便于成型 Chapter3机械制造结构钢 三 弹簧钢的化学成分特点