金属材料学课件：第4章 机器制造结构钢1

第4章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分特点和热处理特点。基本要求：了解机器制造结构钢的强韧化机制；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，化学成分特点和热处理特点；掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。重点与难点:低碳马氏体型结构钢低碳低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马氏体时效钢马氏体型结构钢的类型4.4马氏体型结构钢中碳低合金M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，σb已接近2000MPa，其产量仍居超高强度钢总产量的首位。背景随着强度↑，塑韧性不断↓，容易发生材料的早期脆性破坏。钢的强度越高，缺口敏感性越大，早期破坏现象越严重。三、马氏体时效钢（1）破坏的性质和缺口的性质有关：当构件存在钝缺口时（例如应力集中系数K=5），σb在1900~2000MPa的钢种，其实际破坏应力尚能与设计破坏应力相当；当构件存在尖锐缺口时（如应力集中系数K=10），低合金中碳M型钢的σb水平不能超过1700MPa，否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。主要问题（2）中碳低合金M型钢是中碳钢，在热处理过程中有较大的脱碳倾向，需要在热处理设备和工艺上采用保护措施。这类钢的热处理变形较大，不易校直，焊接性较差。由于用C强化的中碳低合金M型钢具有C强化的先天性弱点。发展了无C的M时效钢，在Fe-Ni合金M基础上，利用时效析出金属间化合物相进一步强化。

合金化原理：M时效钢的强化效应是由于置换元素在M中固溶及沉淀析出所造成的，且这些置换元素大都是F形成元素，因此要能够得到M基体，必须加入扩大A相区的元素。马氏体时效钢的合金化化学成分特点：≤0.03%C，Ni，还加入Co、

Ti、Al、Mo。Ni：主加元素。提高淬透性，保证M的形成，必须含高Ni，但又不能使MS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交互作用能量，促进应力松弛，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之间交互作用能量，减少脆断倾向；Co↑MS点，↓AR含量，↑板条M的形成；板条M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获得细小的沉淀物。Ni、Ti、Al、Mo、Nb等：形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo等沉淀硬化相。Mo和Co复合加入，使沉淀强化效应进一步加强——协同效应。Mo和Co的协同效应：产生协同效应的原因：Co减小含Mo强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出；Mo还可以降低M时效钢的回火脆性。Ti除了形成沉淀相以外，还会与残余C或C形成Ti的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在A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C：≤0.03%。↑C，强度↑↑，但是塑韧性↓↓。固溶于M中的C会形成气团，钉扎位错，降低M的范性；C与Mo、Ti、Nb能形成稳定的K，在晶界上析出时使韧性降低，缺口敏感性增加，同时还减少其有效含量，使强化效应减少。N：形成TiN和NbN，裂纹源。少量Si和Mn有强化作用，但对韧性有害。S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C、N、S、P、Si等的含量，强度越高，杂质控制越严格。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“索性形变”，又称为“范性形变”。根据钢的含Ni量，M时效钢可分为18%、20%和25%Ni三种类型。18Ni钢：根据强度分为1400MPa、1700MPa、2100MPa三级。三者基本成分相似，主要是强化元素Ti含量不同。18Ni钢的基本成分：Ni=18%、Co=8%、Mo=5%、Al=0.1%、C<0.003%、Mn<0.1%、Si<0.01%、S、P<0.01%。Ti%：1400MPa级：0.2%；1700MPa级：0.4%；2100MPa级：0.65%。1700MPa级还加B=0.003%、Zr=0.02%、Ca=0.05%20Ni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：Ni=25%、Ti=1.4%、Nb=0.4%、Al=0.2%。马氏体时效钢的热处理

(※)18Ni马氏体时效钢的热处理815℃固溶处理，硬度在28~32HRC之间，很容易进行进一步的机械加工。480℃时效：3~6h。时效过程中形成Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相，仅引起很小的尺寸变化，因而它可以作为产品的最终热处理。

M时效钢的高强度来源于Me的固溶强化、M相变的冷作硬化和时效析出金属间化合物的沉淀强化。工业纯铁的强度约215MPa，由于时效析出强化相后，基体中Me含量不高，固溶强化对强度贡献不大，约200MPa。相变冷作硬化使强度的增值约500~600MPa；沉淀强化使强度的增值最高，约1100MPa。在高强度水平下还具有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进行焊接而不需要预热。不足之处：这类钢的高合金度和生产工艺极其严格，使得钢的生产成本很高，使用范围受到限制。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、航天和武器制造工业的重要构件：4.6轴承钢

一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求

滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、针）及保持架组成。

滚动轴承及其受载分布情况

保持架用低碳钢（08钢）薄板冲制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。

工作条件高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa高转速→循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度→精度要求高→磨损、麻点→噪音失效形式接触疲劳破坏或磨损性能要求

高而均匀的硬度和耐磨性→足够淬透性和淬硬性，>60HRC；高接触疲劳强度→以免过早失效→保证材质、组织；一定韧度→承受冲击，以免碎裂；尺寸稳定性好→保证精度；一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。关键因素冶金质量、化学成分和加工工艺

二、轴承钢的冶金质量冶金质量要求

纯净→杂质元素和非金属夹杂物要少：主要有各种氧化物（如A12O3）、硫化物（如MnS）和硅酸盐等；危害程度依次递减：刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、铝硅酸盐、硫化物。接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀非金属夹杂物的来源：冶炼时的脱氧产物，钢液凝固时析出氧化物和硫化物；出钢时钢液与渣混出时残留在钢中的渣；冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀；出钢时钢液的二次氧化。利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔可提高钢的纯净度。高碳铬轴承钢的使用组织：M回基体上分布着均匀细小的颗粒状K和少量AR；未溶K数量占7～8%左右，AR量不大于8％左右，固溶体的C含量在0.45～0.50%之间；K的尺寸和分布对轴承的接触疲劳寿命有很大的影响。组织不均匀：轴承钢的碳化物不均匀性。组织均匀

碳化物细小均布。主要有三类K：

K液析→结晶时枝晶偏析而存在→高温扩散退火，不允许液析严重；

带状K→轧制时二次碳化物偏析→长时间的高温扩散退火；

网状K→冷却时在A晶界析出→正火或控轧大颗粒K→正火消除网状K时，加热保温和随后退火时未溶K

颗粒继续长大。三、滚动轴承钢的合金化高C，加入Cr、Si、Mn、V等。一般为0.95~1.15%，属于过共析钢。一部分存在于M基体中以强化M；另一部分形成足够数量的K以获得所要求的耐磨性。过高的C含量会增加K分布的不均匀性，且易生成网状K而降低其性能。

高C——保证轴承钢有高的硬度和耐磨性。部分Cr形成的(Fe,Cr)3C在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经热处理后可以得到较细的组织，且K能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。适宜的Cr含量为0.40~1.65%。主加Me：Cr

——提高钢的淬透性和形成合金渗碳体，提高轴承钢的耐腐蚀性能。当Cr>1.65%以后，会使AR增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，还会增加K的不均匀性，降低钢的韧性。大型轴承用钢通常加入Mn、Si提高淬透性，适量的Si（0.40~0.60%）还能明显地提高钢的强度和弹性极限；V一部分溶于A，提高淬透性，另一部分形成VC，提高钢的耐磨性并防止过热。通常无Cr钢中都含有V。

Si、Mn、V等：进一步提高淬透性。降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提高冶金质量。由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以要求S＜0.02%，P≤0.027%，一般采用电渣重熔、电炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。预先热处理：轴承钢是过共析钢，且对K的形状和分布要求较高，通常采用球化退火。四、滚动轴承钢的热处理目的：降低钢的硬度，退火后硬度一般为207~229HB，这样可改善切削加工性能，获得细球状P和均匀分布的细粒状K，为最终热处理作组织准备。球化退火工艺——加热温度：780~800℃S中片层状K已断开，残存一定量细小未溶K质点，A成分不均匀，为冷却时获得许多K形核的颗粒状非自发形核核心，得到球状P组织。加热温度过高，A中未溶K量过少，A成分进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层P，或有大块聚集K，这是不合格的过热组织；加热温度不足，片状P溶解得不充分，A成分很不均匀，冷却过程中K沿着原片层析出，或呈细小的链状特征。球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，按冷却速度20-30℃/h冷到650℃出炉；或者在700℃等温2-4h，再炉冷到650℃出炉。K的形状取决于加热温度，而K的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，K的弥散度也越大，其硬度也越高。

对GCr15钢，淬火加热温度为820-840℃。温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则A中溶解的Cr和C的含量不够，钢淬火后硬度不足。M中的C含量在0.45-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。最终热处理：

淬火+低温回火（1）细小均匀的A晶粒(5～8级)；（2）显微组织：隐晶M基体上分布着均匀细小的颗粒状K；占7～9%左右，AR量不大于8％左右，固溶体的C含量在0.50～0.60%之间；（3）淬火组织硬度为HRC64～66；（4）淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。轴承零件淬火后一般要满足以下要求：淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；回火温度一般为（150~160）℃，保温时间为2~4h。为使回火性能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行。轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火M、均匀分布的细粒状K以及少量的AR，硬度为62~66HRC。轴承在淬回火后的磨削加工过程中，还会产生磨削应力，通常还要进行一次附加回火（回火温度为120~150℃，回火时间为2~3h）以稳定组织和尺寸。对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的AR进一步发生转变；再在磨削加工后进行附加回火（温度为120~150℃，时间为5~10h）。

五、滚动轴承钢的应用实例常用轴承钢根据其Me的种类分为两类：Cr轴承钢典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高淬透性，如GCr15SiMn钢等，主要用于制造大型轴承；

为了节约Cr，可以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE钢等，其性能和用途与GCr15相近。特大型轴承大型圆锥滚子轴承

离合器分离轴承

各类标准轴承

四列圆锥滚子轴承

轮毂轴承

必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠丝杠副

丝杠轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等一些受冲击负荷较大的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度。可以选用渗碳钢制造。其它类型的轴承钢渗碳轴承钢可用于制造轴承钢的渗碳钢，如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，并发展了一些新钢种，如G10CrNi3Mo、G20CrMo、G20Cr2Mn2Mo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo及G20Cr2Ni4等。用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳、淬火及回火处理后，在零件的表面形成有利的残余压应力，提高轴承的使用寿命。对于在酸、碱、盐等腐蚀介质中使用的轴承，要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高碳高铬不锈钢制造，如9Cr18等。高碳铬不锈轴承钢水下轴承

外球面轴承

燃汽轮机、航空及航天工业用轴承的工作温度已超过300℃以上，因此对所用轴承的材料要求有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、良好的尺寸稳定性和高温下的寿命。高温轴承钢GCr15轴承钢的最高工作温度不超过180℃，含抗回火稳定性元素Si、Mo、V、Al的低合金轴承钢的工作温度也不能超过260℃。因此在更高温度下使用的轴承必须采用高温轴承钢。常用的高温轴承钢有Cr4Mo4V、Cr14Mo4、Cr15Mo4、GCr18Mo、W6Mo5Cr4V2等。这类钢的成分特点是含有大量的W、Mo、Cr、V等K形成元素，淬火后可获得高合金化的高碳M，具有良好的回火稳定性，并在高温回火后产生二次硬化现象，能在高温下保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。超高温轴承高温、耐腐蚀、自润滑轴承1、渗碳钢的服役条件及对性能要求有一些机器零件，在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。这些零件对材料的机械性能要求：(1)表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性。一、渗碳钢4.7渗碳钢和氮化钢表面高硬度、高耐磨性的获得可采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，称这类钢为渗碳钢。(2)心部具有高强度和韧性。碳素渗碳钢的缺点：淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入Me而发展合金渗碳钢具有更高的性能。低C：0.12~0.25%。保证心部有良好的韧性。Cr、Mn、Ni、Si、B等：提高淬透性。提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；元素Cr在渗碳后于表层形成K，提高硬度和耐磨性。Ni对渗碳层和心部的韧性非常有利。2、渗碳钢的合金化渗碳温度高达930℃左右，对于用Mn、Si脱氧的钢，A晶粒会发生急剧长大。少量V、Ti、Mo、W等：阻止A的晶粒长大；还可增加渗碳层硬度，进一步提高耐磨性。K形成元素对渗C的作用：（a）增大钢表面吸收C原子的能力；（b）增大渗C层表面C浓度；（c）阻碍C在A中的扩散。前两因素加速渗C，有利于渗C层的加厚，而后一因素不利于渗C层的加厚。总的效果是Cr、Mn、Mo等加大渗C层的厚度，Ti减小渗C层的厚度。

对于一般零件:(1)渗C层的含C量限制为0.8～1.1%C；(2)渗C层的深度控制在0.6～2.0mm之内。非K形成元素对渗C的作用与K形成元素相反：总的效果：Ni、Si、Cu等元素减慢渗C，不利于渗C层的加厚。K形成元素含量过多，将在渗C层中产生许多块状K，造成表面脆性。所以Me的含量要适当。Mn是一个较好的Me，既可以加速渗C层增厚，又不过多提高渗C层的含C量。

2、渗碳钢的热处理预先热处理：合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。预先热处理+渗碳+最终热处理。第一步：正火退火（对P型钢）第二步：高温回火（对M型钢）正火：细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢材具有等轴状晶粒。对P型钢：通常用在800℃左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能；对M型钢：则必须在正火之后，再在Ac1以下温度进行高温回火，以获得回火S组织，这样可使M型钢的硬度由380~550HB降低到207~240HB，以顺利地进行切削加工。渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。渗碳温度：910～930℃。钢表面的固溶碳极限是由A在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在A中的极限溶解度，在表面层中就会出现K。渗碳扩散层的厚度决定于：（1）C在A中的极限溶解度；（2）C在A中的扩散速度；（3）扩散的时间。最终热处理：淬火+低温回火。零件的渗C表面：高C回火M+细小的K，硬度（60~62HRC），耐磨性高。零件的非渗C表面和基体部分（心部）：低C回火M—淬透性高的钢种；低C回火M+B（40~48HRC）—淬透性中等的钢种；低C回火T（25~40HRC）—淬透性小的钢种。这些组织使基体具有更好的强硬度与韧塑性的配合，心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。渗碳后直接淬火，再低温回火。采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性，而对基体性能要求不高。主要用于渗碳后不容易过热的钢种(如20CrMnTi钢）。图3-420CrMnTi钢齿轮的热处理规范渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有较高要求时，可采用这种工艺。主要用于渗碳后容易过热的钢种，如20Cr、20Mn2等。渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高（870℃左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体；

第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目的是使表面获得细小的M加粒状K组织，以满足表面高性能的要求；最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。航空发动机齿轮(可达GB10095-884级)碳素渗碳钢：15、20合金渗碳钢按淬透性的高低可分为（1）低淬透性合金渗碳钢：

20Cr、20Mn2等（2）中淬透性合金渗碳钢：

20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。（3）高淬透性合金渗碳钢：

12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、

18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。3、典型渗碳钢及其应用低淬透性合金渗碳钢

抗拉强度通常为σb=800~1000MPa。典型钢种：20Cr、20Mn2等。这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。中淬透性合金渗碳钢

抗拉强度通常为σb=1000~1200MPa。典型钢种：20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。20CrMnTi钢：有良好的机械性能和工艺性能。淬透性较高，由于含有Ti，其过热敏感性小。20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到875℃直接淬火。先预冷再淬火是为了减少淬火变形；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的AR的数量减少。大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。20Mn2TiB、20MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。离合器片淬火抗拉强度通常为σb＞1200MPa。典型钢种：12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢由于含有较多的Cr和Ni等Me，渗碳后表层的C含量又很高，这样就导致了MS点的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的AR，使表面硬度下降，因此必须设法减少AR的数量。高淬透性合金渗碳钢由于这类钢含有较多的Ni，使得钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。为了减少AR的数量，通常可以采用下面的三种方法：第