第3章机械制造结构钢-2014

3.1概述用来制造各种机械零件的钢种。如轴类、齿轮、连杆、弹簧、轴承和紧固件等。一.基本概念第三章机械制造结构钢综合力学性能（主要是强韧性）；良好的加工性能（成型、切削加工、热处理）；一定的耐腐蚀性能。

二.工作条件与性能要求三.成分与合金化主要由C素或合金亚共析钢；C含量在0.08-0.70%之间；Me主要有Mn,Si,Cr,Ni,Mo,W,

V,Nb,Ti,N，Al，

B等；合金元素总量一般不超过5%，少量例外；镇静钢；优质或高级或特级优质钢。四.强化方式四种基本强化形式位错强化；细晶强化；固溶强化；沉淀强化马氏体强化

位错强化+固溶强化+沉淀强化（+细晶强化）形变热处理

位错强化+沉淀强化+马氏体强化

五.热处理一般都要通过热处理（淬火+回火）1）马氏体回火后比F+P具有较好的综合室温机械性能;2）淬透的零件比未淬透的零件具有较好的机械性能。提高钢的淬透性，要加入合金元素（低）Ni→Si→Cr→Mo→Mn→B

（高）

六.钢种调质钢非调质钢低温回火马氏体钢渗碳钢氮化钢轴承钢弹簧钢易切削钢超高强度钢高锰钢3.2调质钢

概念成分、合金化与分类组织热处理性能

一.调质钢的概念

结构钢在淬火与高温回火（500-650℃）后具有良好的综合力学性能，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。二.调质钢的成分、合金化成分0.30~0.50%C的C钢或中、低合金钢。合金化

Mn,Si,Cr,Ni,Mo,

V,Nb,Ti,

Al,

B

合金元素作用：

提高淬透性（主要作用）；提高回火稳定性；防止回火脆性；强化。合金化及常用钢

含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向；Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向；Ni:↑基体韧性，

Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆；Mo：↑淬透性，

↑回稳性，细晶，

↓↓回脆倾向；V：细晶，沉淀强化，(↑淬透性)，↓↓过热敏感性。三.调质钢的种类与分级

常用调质钢按淬透性大小可分为几级：

1）40，45，45B2）40Cr，45Mn2,45MnB,35MnSi3）35CrMo,42MnVB,40MnMoB，40CrNi4）40CrMnMo,35SiMn2MoV，40CrNiMo

依据

不同成分的调质钢只要其淬透性相当，当淬火及高温回火后，其性能相近。

在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。DC为油淬临界直径

低淬透性合金钢:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等

中淬透性合金钢:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性合金钢:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等分析比较：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回稳性塑韧性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo四.调质钢的组织与性能回火S或回火T或回火M;具有良好综合力学性能，尤其是冲击韧性。强度（屈强：700-1200MPa）

Cr,Mo,W,V可阻碍K在高温回火时聚集长大，使钢保持高强度；阻碍α再结晶，使α相保持细小；合金元素的固溶强化、细晶强化韧性:调节温度可具有不同的韧性；细化；防止或减轻回火脆性，加入Mo,W五.调质钢的应用调质钢的不足：1）没有利用马氏体精细结构强化作用；2）K的弥散强化作用也没有充分体现。

应用：在要求良好的综合机械性能，尤其是需要较高的（冲击）韧性时，采用中C钢的调质处理才正能发挥其优势。

微合金非调质钢

一、微合金元素对强韧化的贡献

非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。

主要强化作用：细化组织和沉淀强化。

微合金化元素：Ti、Nb、V、N等，V最主要。

多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等—主要贡献是细化组织。二、获得最佳强韧化的工艺因素

相间析出沉淀强化细化组织工艺参数是关键细化组织和沉淀析出要协调控制轧制控制冷却决定各种强化机制的效果相间沉淀析出示意图三、组织因素对强韧性贡献的大小

间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量一般认为可提高150~400MPa，甚至可达到600MPa。细化组织强化量大约在50~300MPa，脆化矢量为-0.66℃/MPa。其它强化机制都不同程度地降低韧度。

C、N原子的固溶强化；

Mn和Cr元素的脆化矢量为零；

Si为0.53℃/MPa。铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶量有限。所以固溶强化相对是较小的。在强化机制上，不同的成分和工艺是不同的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。

Mn对非调质钢韧性的影响

V、Ti、Nb对强度的影响牌号CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03Mo30ΧΓΦΤ(俄)0.300.551.00.60≤0.2≤0.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11MoNC33HFB(日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日)0.35~0.400.15~0.351.30~1.600.05~0.1545VNbN(中)0.440.140.790.100.110.02N复合微合金化非调质钢典型成分3.3低温回火状态使用的结构钢

一.钢种

在淬火后低温回火（150℃~250℃）后使用的较大C%范围（0.15%~1.40%）低合金钢。

1）0.15~0.25%C的低C.M钢和渗碳钢；2）0.30-0.60%C的低合金超高强度钢；3）滚动轴承钢等。二.低温回火钢组织与性能

成分：C量较宽，合金元素综合合金化；组织：回火M（未渗透：有B，P或F）

位错马氏体和孪晶马氏体两类两者强度相当，前者韧性较好强化：固溶强化；精细结构强化；弥散强化:部分C以片状ε析出韧化：提高回火T；Si；W,Mo；降P等。3.4渗碳钢

一.概念表面渗碳、整体淬火加低温回火；表面是高碳M，心部是低碳M；表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性；心部又有高强度和韧性。应用：齿轮、活塞销、凸轮、

二.渗碳钢的成分与合金化

低C钢，一般<0.25%；合金元素：Mn，Cr，Ni，Si，W，V，Ti，B主要作用之一是提高渗碳钢淬透性。Ti、V阻止A在高温渗碳时长大；

Cr,Mn，Mo

有利于渗碳层增厚；

Ti,V能减小渗碳层厚度；

Ni,Si等元素不利于渗碳层增厚。

三.渗碳钢钢种

根据淬透性的大小，可分级为：1）15，202）15Cr，20Cr，20MnV，20Mn2B3）20MnVB，25MnTiBRE，20MnMoB，20MnTiB，20CrMn，20CrMnTi4）12CrNi3，22CrMnMo，20SiMnVB5）20Cr2Ni4，18Cr2Ni4W3.5氮化钢

一.概述在氮化前要调质处理，得到回火S；

显著提高其疲劳强度和耐磨性，还具有抗介质腐蚀能力；氮化温度低；零件变形小。适用于在一些要求疲劳强度高，耐磨性好，尺寸精确、稳定性好的零件，如镗床、磨床的主轴、蜗杆等；氮化处理的缺点：生产周期长，成本高；钢中最有效的氮化元素是Al、Nb、V，其次是Cr,Mo,W。二.提高疲劳寿命和耐磨性的原因表面形成的高硬度的氮化层γ’相（Fe4N）和ε相（Fe3-2N）；渗入的N原子形成高弥散的合金氮化物的弥散强化作用；N原子溶入表面层所产生的残留压应力可以抵消因外力作用而产生的张应力减少了疲劳破裂的可能性。三.氮化钢的合金化思想加入Al（其氮化物硬度HV1000以上）；V,Cr,Mo,（其氮化物HV900以下）可以提高表面硬度；加入Cr，Mn，Mo提高淬透性；加入Mo，V等可以使钢在高温下保持高强度；加入少量Mo，可以防止高温回火脆性。

四．常用的氮化钢

氮化层的厚度通常在0.2~0.5mm；

我国常用氮化钢种主要有：

38CrMoAl,

38CrAl

，35CrMo等

3.6弹簧钢

一.工作条件与性能要求

高的弹性极限高的疲劳强度足够的塑性和韧性导电、无磁、耐高温和耐腐蚀等弹簧按外形分为板弹簧和螺旋弹簧二.成分、合金化与常用钢种

1．成分与合金化

中、高碳素钢或低合金钢碳素弹簧钢

C%0.60%~1.05%65，70，75，80，85具有较高的强度，适当的韧性，但淬透性低。

低合金弹簧钢0.45％-0.75％C加入Si、Mn、Cr、V，W，Mo，Nb

Si

主要提高弹性极限Cr,Mn

主要是提高淬透性V,Mo,Nb

细化晶粒,提高淬透性为保证弹簧有高疲劳寿命，要求钢的纯净度高，非金属夹杂物少，表面质量高。

2．常用钢种

1）Mn弹簧钢：60Mn，65Mn2）MnSi弹簧钢：55Si2Mn，60Si2MnA3）Cr弹簧钢：50CrMn，50CrVA,50CrMnVA（使用T<300℃）

4）耐热弹簧：30W4Cr2VA（可达500℃）

5）耐蚀弹簧：30Cr13,40Cr13,12Cr18Ni9Ti温度<400℃

3．热处理工艺淬火和中温回火，得到回火T渗碳体以细小的颗粒分布在α相的基体上；由马氏体分解产生的α相已发生回复；高碳马氏体孪晶结构已经消失,晶粒开始多边形化，但尚未长大，保持晶粒的细小；相变引起的内应力已经大幅度下降；钢中残余奥氏体已分解。3.7超高强度结构钢一.概述低合金超高强度钢调质钢成分+合金化+淬火与低温回火组织：回火M或下B中合金超高强度钢热锻模具钢成分+合金化+高温回火组织：回火S（T）或回火M高合金超高强度钢马氏体时效钢、超高强度不锈钢等。二.低合金超高强度结构钢1.概念凡含合金元素总量不超过5%，用回火M或下B作为其使用组织，经过热处理后抗拉强度大于1400MPa

（或屈服强度大于1300MPa）的中碳低合金钢，均可称为低合金超高强度钢。用作飞机起落架、飞机机身大梁、火箭发动机外壳、火箭壳体。2.成分与合金化

C：0.27%—0.45%M：Cr,Mn,Ni,Si,Mo,V等40CrNiMo,30CrMnSiNi,35Si2Mn2MoV

合金元素的主要作用：1）保证钢的淬透性（Cr,Mn,Ni）；

2）增加钢的抗回火稳定性（V,Mo）；

3）推迟低温回火脆性（Si）；

4）细化晶粒（V,Mo）。3.热处理淬火+低温回火-----回火M

如，40MnNiMo，900℃淬火，200℃回火，屈强>1628MPa，

抗强>1884MPa

等温淬火------

下B4.性能特点强度高；成本低廉；生产工艺较简单；韧塑性较差；较大的脱C倾向；焊接性不太好。三.马氏体时效钢开发思路低合金超高强度钢：以C强化（固溶强化）为主

转变为

马氏体时效钢：（超）低C下金属间化合物沉淀强化（或时效强化）为主。马氏体时效钢化学成分？合金化？热处理工艺？？强化机制？？主要性能？？应用？？1.化学成分及其控制其基本成分：C<0.03%,Ni18~25%,+时效硬化元素Ti,Al,Co,Mo，Nb等。类型（根据Ni量不同）

Ni18%,+Ti,Al,Co,Mo等应用最广，有三个级别：1400,1700,2100MPa。

Ni20%,+Ti,Al,Nb等合金量较低，成本低，强度较低。

Ni25%,

+Ti,Al,Nb等时效前硬度较低，可深冲冷拔。高纯度钢：杂质少，C,N,P,S,Si都要控制；偏析小、含气量低，一般用真空炉熔炼。CNiCoMoAlTiNbMnSiPS18%Ni<0.00318~198.5~9.53.5~5.50.15~0.300.15~0.80<0.1<0.01<0.01<0.0120%Ni19~200.15~0.301.30~1.600.3~0.525%Ni25~260.15~0.301.30~1.600.3~0.5表马氏体时效钢的化学成分（%）2.主要合金元素作用Ni

1）时效强化相的主要形成元素；2）扩大γ相区，并能发生M转变；（加入沉淀强化元素多为α形成元素）3）使钢保持良好的韧塑性；4）提高钢的淬透性（空淬）。Co1）协助Ni扩大γ区；2）但提高Ms点,可减少Ar；

3）可间接提高强化效果。Ti,Al,Mo,Nb

时效强化元素，能形成时效强化相，如Ni3Al,Ni3Ti，Ni3Mo，（Fe，Ni,Co）2Mo等。Mo

时效强化元素；防止回火脆性，提高韧塑性。C<0.03%;Mn，Si降低到最少；S<0.01%；其它杂质元素如N，P等也要严格控制。3.热处理原理：利用金属间化合物在含C极低的马氏体中弥散析出来强化的（沉淀强化或时效强化）。（高温）奥氏体-----淬火马氏体-----时效马氏体热处理工艺包括两个基本工序：1）高温奥氏体化后淬火成马氏体；合金元素溶解在M中，为随后时效工序作好组织上准备；2）进行时效，产生强烈沉淀强化效应，显著提高强度。

18%Ni20%Ni冷处理马氏体时效钢的热处理的典型工艺25%Ni表3-118%Ni马氏体时效钢的性能（棒材815度保温1h,空冷＋４８０度保温３小时空冷）表18%Ni马氏体时效钢的性能4.强化机制过程

高温奥氏体----淬火马氏体----时效马氏体三种强化机制固溶强化：100-300MPa

冷作相变强化：400-600MPa

时效强化：

1100MPa总强度>1400MPa各种强化机制对马氏体时效钢强度的贡献示意图5.性能高强度，同时具有良好的塑韧性和缺口强度；热处理工艺简单：1）不存在脱C；2）固溶处理后进行各种成型加工，再500℃时效；3）变形小；淬火后硬度低，冷变形性能和切削性能好；焊接性较好。高合金度，冶炼质量要求高，钢的成本高；Ni、Co资源紧缺，推广使用受到限制；其性能受生产过程和化学波动的影响很大（相比其它钢种）。40CrNiMo低合金超强钢与18%Ni马氏体时效钢的冲击韧性比较高塑韧性和抵抗脆断能力的主要原因分析：（1）淬火后存在大量可动位错，没有受到C、N间隙原子钉轧；（2）时效后淬火应力被松驰；（3）韧化元素Ni、防回火脆性元素Mo等。6、应用一般只限于航空、航天与武器制造工业的重要构件。只用来生产比强度高，可靠性强，尺寸精确，而使用低合金超高强度钢时难以满足要求的重要构件。马氏体时效钢总结化学成分？合金化？低碳与超低碳+Ni+其它沉淀强化元素如Ti,Al,Mo,Nb热处理工艺？高温奥氏体化+淬火（空冷）+中温时效强化机制？时效强化为主，固溶强化与冷作相变强化为辅主要性能？？超高强度的同时，具有良好塑韧性及缺口强度；焊接性能较好应用？？要求超高强度、良好塑韧性的重要零件（安全性好）。3.8轴承钢

一.工作条件及对组织性能要求工作条件循环交变应力——接触疲劳失效摩擦磨损

———磨损失效冲击,振动腐蚀性能要求:高而均匀的硬度和耐磨性；高的弹性极限和高的接触疲劳强度；适当的韧性；

良好的尺寸稳定性；一定的耐蚀性；良好的工艺性能；一些特殊条件下使用的轴承还有不同的要求，如耐高温、耐腐蚀、耐冲击和防磁。对组织要求使用状态下组织:

回火M+均匀分布的细K+少量Ar组织均匀—疲劳强度重要影响因素钢中碳化物要细小，分布要均匀

常用高碳铬轴承钢的化学成分高C：0.95-1.05%

固溶强化提高硬度;形成碳化物。Cr：0.6%~1.5%Cr提高淬透性；耐磨性；耐蚀性。Mo,V,Mn,Si等：制造大型轴承，提高淬透性。严格控制杂质元素S，P和残余元素Cu,

Ni。常用钢种

高碳铬轴承钢

GCr6,GCr9,GCr15;GCr9SiMn,GCr15SiMn

无铬轴承钢

GSiMnV;GSiMnVRE二.轴承钢的冶金质量

纯净度和组织均匀性是轴承钢冶金质量的两个主要问题。轴承钢由冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65％。这里是指非金属夹杂物和碳化物不均匀性所造成的冶金质量缺陷。可见钢材的冶金质量对轴承的使用寿命起着非常重要的影响。1.非金属夹杂物（1）分类

根据化学成分：简单氧化物：如Al2O3,SiO2复杂氧化物：包括尖晶石：MnO·Al2O3

钙的铝酸盐：CaO·2A12O3硅酸盐和硅酸盐玻璃：

lFeO-mMnO-nAl2O3-pSiO2硫化物：如MnS，(Mn,Fe)S，CaS等氮化物：如AlN等。

根据检验时金相形态来分类：脆性夹杂物

如刚玉(Al2O3),尖晶石,沿轧制方向排列呈点链状分布塑性夹杂物

在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有MnS和铁锰硅酸盐球状不变形夹杂物

钙的铝酸盐半塑性夹杂物：

主要是复相铝硅酸盐，含有Al2O3或尖晶石氧化物（2）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响其危害程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；理想的情况是：

数量少、尺寸小、塑性好、细条状

均匀分布。（3）非金属夹杂物的形成与消除脱氧产物凝固时析出的氧化物和硫化物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等

彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔，可极大提高钢的纯净度

形成消除2.轴承钢的K不均匀性

（1）轴承钢在使用状态下的显微组织

回火M+K（均匀细小）+Ar淬火时A晶粒度为9级以上；M中C

量为0.45%~0.5%；残留K量为6%~9%；Ar<5~7%。（2）[淬火前的]原始组织与碳化物粒度

淬火前（球化退火后的）原始组织应为（细）粒状珠光体为最好。（铁素体+均匀细小K）在淬火加热时，细颗粒K比粗颗粒碳化物更易溶解，可保证合金度；细颗粒状比片状K溶解慢，奥氏体不易粗化，淬火温度范围较宽；可保持少量的细颗粒状K；得到综合的性能。

为了获得均匀细颗粒的球化组织：控制球化退火工艺，控制退火前的实际原始组织，尽可能消除碳化物缺陷。常见的碳化物缺陷有以下几类：液析碳化物带状碳化物网状碳化物大颗粒碳化物液析碳化物和带状碳化物比较均起因于钢锭结晶时产生的树枝状偏析液析碳化物属于偏析引起的伪共晶碳化物（一次碳化物）；带状碳化物属于二次碳化物偏析（固相凝固过程中）。成分带状碳化物）（Fe,Cr）3C；液析碳化物（Cr,Fe）7C3+（Fe,Cr）3C。影响液析K尺寸大，硬度高，脆性大，危害大。危害

降低轴承的使用寿命，增大零件的淬火开裂倾向，造成硬度和力学性能的不均匀性（各向异性）。预防与消除

1）控制成分（C，Cr%）；2）合理设计钢锭，改进工艺；3）大的锻（轧）造比来破碎碳化物；4）采用高温扩散退火（1200℃左右）。网状碳化物形成高碳铬轴承钢为过共析钢，网状碳化物是在热轧（锻）加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。原因

终轧温度过高或冷却速度过慢，或偏析程度大，在K密集处形成。危害

显著提高脆性，淬火开裂倾向增大；增加硬度和性能的不均匀性，降低疲劳强度。预防与消除

1）工艺上提高冷速，降低终轧温度；2）成分上适当降低C，Cr%；3）网薄者，可直接用球化退火消除；网厚者，应用正火消除。

三.轴承钢的控轧控冷控制轧制主要目的是改善碳化物的不均匀性和细化片状珠光体组织，以使球化退火后得到均匀分布的细小颗粒状组织。

控制冷却

从停轧阶段到奥氏体转变终了阶段(900-700℃),易析出网状K，需快冷；转变终了后慢冷，可以避免形成白点，减少钢材的内应力。

四.轴承钢的热处理

轴承钢的热处理包括：预先热处理（扩散退火，正火）+球化退火最终热处理

淬火+低温回火+（稳定化处理）1.正火目的主要是消除网状K；返修退火不合格品。工艺

对粗网状K：较高的加热温度930-950℃；细网状K：850-870℃。

2.球化退火获得球状珠光体组织球化退火加热为780—800℃轴承钢球化退火的冷却方式有两种：

1）一般球化退火（连续冷却）按冷却速度20-30℃/h冷到650℃出炉2）等温球化退火在700℃等温2-4h，再炉冷到650℃，出炉（等温球化退火）。

轴承钢的球化退火工艺

过热组织欠热组织正常组织锻后空冷后的正常组织（片P+少粒K）锻后空冷后的组织（片P+少粒K+少网K）锻后慢冷后的正常组织（片P+网K）欠热退火后的混合组织正常退火后的组织脱碳组织正常的淬火回火组织过热的淬火回火组织过热的淬火组织3.轴承钢的淬火和回火目标：提高硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，适当韧性淬火：淬火温度为840℃1）碳化物，其含量为7%—9%；2）防止氧化脱碳，一般采用保护气氛加热或真空加热。回火160℃保温3h或更长，硬度在HRC62-66。4.稳定化处理精密轴承为保证尺寸稳定，要求消除Ar，一般采用淬火后立即进行冷处理，然后低温回火。轴承在磨削加工后要进行消除磨削应力的回火，一般采用120-150℃保温3-5h。对要术特别精密者，在粗磨、细磨和精磨后各进行一次回火，时间在15-24h。

五.特殊用途的轴承钢（简介）特大型轴承钢（外径大于450mm）

合金渗碳钢20Cr2Ni4，20CrNi2Mo，20Cr2Mn2Mo不锈轴承钢

马氏体不锈钢9Cr18，9Cr18Mo高温轴承钢

GCr15使用温度为180℃高速钢W18Cr4V,W6Mo5Cr4V

高铬马氏体不锈钢：Cr15Mo4

高温渗碳钢：12Cr2Ni3Mo5(430℃）

3.9易切削钢

自动车床的广泛使用，要求发展易切削钢以提高切削速度，延长刀具寿命，发挥自动机床的能力。为改善钢的切削性，通过加入合金元素并在钢中形成的非金属夹杂物或金属间化合物起了主要作用。一.夹杂物需满足的条件1）应力集中源，成为裂纹源，实现细碎化切削，又不致使工件产生裂纹;2）要有一定塑性，不致阻断被加工金属的塑性流变；3）能阻断在切削物和刀具间的热传导；4）夹杂物有比较光滑的表面，与刀具间摩擦系数较低，不致划伤刀具。

二.易切削钢的合金化

原理钢中加入一定量的S、Te、Pb、Se或Ca等元素，形成MnS、CaS、MnTe、PbTe、CaO-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2等或Pb的夹杂物种类国产易切削钢用Y表征，如Y12，Y40Mn,Y15Pb

1）S易切削钢S，S-Pb，S-Pb-Te复合2）Pb易切削钢S-Pb-Te（MnS,MnTe,Pb）

3）Ca易切削钢(日本)

2CaO-Al2O3-SiO2三.易切削钢对性能的影响含S、Pb、Ca等易削钢，由于这些元素处于夹杂物中，因而热处理工艺与相同成分的非易削钢