1、各種工具、結(jié)構(gòu)和合金鋼應(yīng)用第二部分 各種工具、結(jié)構(gòu)及合金鋼第三章 碳鋼第四章 高強(qiáng)度低合金鋼第五章 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼第六章 超高強(qiáng)度鋼第七章 工具鋼第八章 耐熱鋼第三章 碳鋼3.1 概述 3.2 碳和常存元素3.3 強(qiáng)度分級(jí)第四章 高強(qiáng)度低合金鋼4.1 概述 4.2 合金化4.3 分類第五章 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼5.1 概述 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5.3 滲碳鋼 5.4 彈簧鋼3 碳鋼碳鋼: 以鐵碳合金為基礎(chǔ), 含有少量Mn, Si, S, P,稱為常存元素也可能含有Cu、Cr、Ni、Mo、V、Ti等，視原料情況不同。氣體元素：N、H、O，取決于冶煉方法和工藝 碳鋼 3.1 概述3 碳鋼碳鋼的機(jī)械性能主要

2、決定于含碳量，即主要決定于顯微組織。0.1%碳 25HB含碳量對(duì)熱軋?zhí)间摍C(jī)械性能的影響 碳對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素3 碳鋼Mn：來源于煉鋼過程中錳鐵的脫氧和脫硫后的殘余，鋼中一般必須含有一定的錳。碳鋼中一般為0.25-0.5%或0.3-0.6%。Mn大部分固溶在鐵素體中，固溶強(qiáng)化，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性。含碳量高，提高M(jìn)n量，利于淬火。0.3-0.5%c，Mn提到0.5-0.8%,增加淬透性 錳對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素少部分和滲碳體結(jié)合，影響不大。3 碳鋼Si：強(qiáng)脫氧元素，僅次于Al，0.35%。形成SiO2，造渣或夾雜。Si在鋼中不形成碳化物，也不溶于滲碳

3、體，基本全部固溶于鐵素體中。固溶強(qiáng)化，對(duì)強(qiáng)度稍有貢獻(xiàn)。 硅對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素3 碳鋼S：來自原料中的雜質(zhì)。室溫下基本不溶于鐵素體高溫形成Fe-FeS-FeO共晶，分布在奧氏體晶界，低熔點(diǎn)共晶溶化。“熱脆”。 硫?qū)μ间摍C(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素Fe-S二元相圖3 碳鋼S和Mn形成MnS，熔點(diǎn)1620，消除熱脆。但形成夾雜。 硫?qū)μ间摍C(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素有害元素，碳鋼中0.05%，優(yōu)質(zhì)碳鋼0.035%,特殊優(yōu)質(zhì)鋼0.025%。MnS夾雜導(dǎo)致切屑易斷，減小切削力，減輕刀具磨損。易切削鋼含硫量0.08-0.15%，最高0.33%。3 碳鋼 磷對(duì)碳鋼機(jī)械

4、性能的影響 3.2 碳和常存元素P：來自原料中的雜質(zhì)，碳鋼中限定0.045%。室溫下鐵素體中最大溶解度為0.7%。鋼中的碳劇烈降低鐵素體中磷的溶解度。磷在鋼液凝固過程中極易偏析，在晶界形成富磷區(qū)域，造成鋼在低溫和室溫脆性，“冷脆”。易切削鋼含P量0.08-0.15%改善切削性能；建筑用鋼中加入0.1-0.15%，提高抗大氣腐蝕能力3 碳鋼 氮對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素N：煉鋼過程中來自大氣。鐵素體中溶解的過飽和N在200-250時(shí)效析出，析出Fe4N，形成“藍(lán)脆”（鋼在300形成表面藍(lán)色的薄氧化膜）加入Al或Ti，使N形成氮化物形式析出。3 碳鋼 氫對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2

5、 碳和常存元素H：煉鋼過程中來自潮濕空氣。固溶于鐵素體形成“氫脆”鋼材產(chǎn)生“白點(diǎn)”，顯著降低塑性和韌性。3 碳鋼 銅對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響 3.2 碳和常存元素武鋼原料中含有銅。熱軋形成表面魚鱗狀開裂：選擇氧化形成富銅層，溶解的銅沿晶界向內(nèi)擴(kuò)散，造成熱變形脆裂。含銅0.2-0.4%抗大氣腐蝕。耐候鋼Fe-Cu相圖3 碳鋼3.3 強(qiáng)度分級(jí)按屈服強(qiáng)度s分為5個(gè)級(jí)別: Q195, Q215 ,Q235, Q255, Q275如Q235: C Mn Si S P s (Mpa) b (Mpa) 0.14 0.22 0.30 0.65 0.30 0.05 0.045 235 375 4604 高強(qiáng)度低合金

6、鋼 “高強(qiáng)度”是對(duì)應(yīng)于普通碳結(jié)構(gòu)鋼而言，其屈服強(qiáng)度規(guī)定不小于235MN/m2，抗拉強(qiáng)度規(guī)定為375460 MN/m2；“低合金”是指鋼中合金元素一般總含量不超過5 %。其英文簡(jiǎn)寫成HSLA Steels。 高強(qiáng)度低合金鋼 4.1 概述4 高強(qiáng)度低合金鋼 HSLA發(fā)展的幾個(gè)階段： 發(fā)展階段 4.1 概述 1.單一加1.5%錳的低碳鋼，含碳量最高為0.25%。這種鋼的強(qiáng)度級(jí)別(屈服強(qiáng)度)只能達(dá)到345 MN/m2. 2. 微合金化：加入釩、鈮和鈦，不僅有細(xì)化晶粒作用，而且因?yàn)槟軌蛐纬商蓟镌阼F素體中沉淀，而產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，這樣就可以把鋼的含碳量降低到0.15%以下。 3.微合金化與控制軋制工藝相

7、結(jié)合：可更充分發(fā)揮合金元素的作用，發(fā)揮組織對(duì)性能影響的潛力，從而獲得高強(qiáng)度、足夠的韌性和其他綜合性能優(yōu)異的鋼種。4 高強(qiáng)度低合金鋼 性能要求 4.1 概述1. 較高強(qiáng)度： 2良好塑性15 例：16Mn: b: 345Mpa, :203. 良好冷加工、焊接性等4 高強(qiáng)度低合金鋼 固溶強(qiáng)化 4.2 合金化 1固溶強(qiáng)化： Mn： 3/4 溶入Fe中，1/4溶入Fe3C中，Si：全部溶入Fe中，1Mn使s提高35 Mpa， 1Si 使s提高85 Mpa 。4 高強(qiáng)度低合金鋼 細(xì)化晶粒 4.2 合金化2.細(xì)化晶粒：Hall-Petch公式s = o + Ky*d -1/2 如晶粒從8級(jí)細(xì)化到15級(jí)，s提

8、高200290 MPa4 高強(qiáng)度低合金鋼 彌散強(qiáng)化 4.2 合金化3. 彌散強(qiáng)化：0.1%V使s提高5080 Mpa， 0.01%Ti (Nb) 使s提高3050 Mpa， 當(dāng)釩鈦或釩鈮復(fù)合加入時(shí)強(qiáng)化效果更佳。4 高強(qiáng)度低合金鋼4.2 合金化由于釩、鈦、鈮在鋼中有優(yōu)先形成碳化物的特性，以及它們?cè)阼F素體中溶解度的劇烈變化，所以在冷卻時(shí)形成鐵素體階段，首先在鐵素體與奧氏體的相界面上靠鐵素體一側(cè)析出各自的碳化物；析出碳化物處，碳濃度下降，使鐵素體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力增加，隨后鐵素體相向前生長(zhǎng)， 相界繼續(xù)向奧氏體內(nèi)遷移，又沉淀出新的碳化物，如此重復(fù)，構(gòu)成列狀沉淀，這個(gè)析出過程被稱為“相間沉淀”。 相間沉淀 彌散

9、強(qiáng)化 碳化物的相間沉淀的示意圖 多邊形鐵素體基體， 銅在位錯(cuò)線上的析出660，700等溫20分鐘出現(xiàn)相間沉淀Nb的碳化物的相間沉淀 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.2 合金化獲得彌散強(qiáng)化所需要的釩、鈦、鈮等合金元素含量非常微少，譬如釩0.050.12%，鈦0.030.15%，鈮0.030.10%，所以這種合金化常被稱為“微合金化”。 彌散強(qiáng)化 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.2 合金化K-S取向關(guān)系：111110, 試驗(yàn)證明，能夠起彌散強(qiáng)化作用的碳化物粒子應(yīng)當(dāng)是超顯微的，它們的直徑不過是1020nm，間距不過50nm，其形態(tài)如圖所示 彌散強(qiáng)化 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類1建筑結(jié)構(gòu)鋼：應(yīng)用于建筑、橋梁、車輛，有

10、295、345、390、440 MPa級(jí) 按用途分類 2鋼筋鋼：對(duì)比第1類有特殊要求，如高強(qiáng)度、冷加工、焊接性能等，有16Mn、20MnSi、20MnTi、45SiMnV等。3耐候鋼：許多建筑結(jié)構(gòu)和鐵路車輛結(jié)構(gòu)要求有良好的耐大氣腐蝕性能，成功地應(yīng)用的元素是 銅和磷，如09CuTi、08CuPV就是我國(guó)研制的耐大氣腐蝕鋼，已經(jīng)成批量地應(yīng)用于鐵路車輛制造，和一些近海設(shè)施。4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類4.低溫鋼：耐-60 -196低溫, 明顯特點(diǎn)是低碳或超低碳(0.06%)，另外加入少量釩、鈦、鈮、鋁等細(xì)化晶粒元素，以保持鋼的低溫韌性。 按用途分類 5工程機(jī)械用鋼：工程機(jī)械如推土機(jī)、挖掘機(jī)、起重運(yùn)

11、輸機(jī)等?？估瓘?qiáng)度從690至1080 MPa，添加鉻、鎳、錳以及鉬、釩等元素。4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類一、鐵素體珠光體鋼鋼中錳的作用一方面是使鐵素體固溶強(qiáng)化，另方面是用錳增大鋼的奧氏體過冷能力，導(dǎo)致實(shí)際晶粒細(xì)化。 按組織分類 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類一、鐵素體珠光體鋼16Mn： 一般是在熱軋狀態(tài)下使用，s: 295 345Mpa, : 21加入Ti、Nb： 15MnV, 15MnTi，16MnNbs: 390Mpa,15MnVN: s: 440Mpa, 由于形成V(CN) 強(qiáng)度極限 建筑、橋梁 按組織分類 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類二貝氏體鋼 以Mo系或Mo-B為基礎(chǔ)，加入Mn,

12、 Cr V, Ti, Nb在空冷條件下獲得貝氏體。 按組織分類 1合金元素作用：Mo使C曲線右移，且推 遲貝氏體轉(zhuǎn)變?nèi)酢?. 微量B：聯(lián)合Mo，使C曲線進(jìn)一步右移3. Mn、Cr等使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，可獲得更多的下貝氏體，且使淬透性提高. 4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類二貝氏體鋼 按組織分類 C曲線如圖：4 高強(qiáng)度低合金鋼4.3 分類二貝氏體鋼 按組織分類 典型鋼種： 14MnMoV, 14MnMoVB, 14CrMnMoVB(1) 成分：C： ； Mn： Mo：； B： Cr：0.(2) 性能：s ： 440 980 MPa b ： 540 1180 MPa5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼分類：調(diào)質(zhì)鋼

13、、滲碳鋼、彈簧鋼、氮化鋼、 易削鋼等用途：軸、齒輪、連桿、彈簧、緊固件等 分類及用途 5.1 概述5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼承受拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、 震動(dòng)、摩擦等力作用 受力條件 5.1 概述5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼1強(qiáng)度水平： 中碳回火索氏體鋼： 1350 MPa M時(shí)效鋼：1850 2250 MPa 高碳冷拔鋼絲：2930 3900 MPa 強(qiáng)度與脆性 5.1 概述2強(qiáng)化方法3脆性斷裂： 韌脆轉(zhuǎn)化溫度4疲勞斷裂: 長(zhǎng)時(shí)承受交變循環(huán)應(yīng)力5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼零件淬火后獲得馬氏體層深度的特性, 一般用頂端淬透性曲線表示淬透性, 淬透性 5.1 概述淬透性要求:某些汽車上的軸，承受彎曲及扭轉(zhuǎn)力，表

14、面受到最大的張應(yīng)力及切應(yīng)力，所以只要求在淬火后軸的1/2半徑處 達(dá)到80%的馬氏體即可；有些重要的銷釘或螺栓，在工作時(shí)整個(gè)截面上受到大的剪切力或張應(yīng)力，因此要求零件在整個(gè)截面上淬成馬氏體。5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼1. 高強(qiáng)度 2. 良好韌性 3. 高淬透性 性能要求 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼1C%：中碳 2合金化： 提高淬透性：Mn、Cr、Ni、B 防止高溫回火脆性：Mo 成分及合金化 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼按淬透性大小分級(jí)1. 40Cr, 40MnB2. 35CrMo, 40CrNi3. 40MnMoB4. 40CrNiMo, 40CrMnMo 典型鋼種 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5

15、機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼 典型鋼種 5.2 調(diào)質(zhì)鋼 C Mn Si Cr Mo40Cr 35CrMo 40CrNiMo 0.360.44 0.500.80 0.17.37 0.60 0.90 0.15 0.25 Ni: 1.251.75 5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼例1. 40Cr的調(diào)質(zhì)處理1. 淬火: 850奧氏體化, 油淬獲得M 2. 回火: 500高溫回火, 獲得回火索氏體性能 : b 980MPa,s 784MPa, ak: 60J/cm2 熱處理工藝 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼例2. 40CrNiMo1. 淬火: 850奧氏體化, 油淬獲得M 2. 回火: 620高溫回火, 獲得回火索氏體性

16、能 : b : 980 MPa, s: 833 MPa, ak: 98 J/cm2 熱處理工藝 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼例3.汽車后軸, 40Cr 工藝流程: 鍛造 退火粗加工調(diào)質(zhì)處理精加工 表面淬火低溫回火 表面淬火: 感應(yīng)加熱, 表面淬火獲得M, 使表面強(qiáng)度提高, 因而使疲勞強(qiáng)度提高 熱處理工藝 5.2 調(diào)質(zhì)鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼工作時(shí)受到周期性變化的扭轉(zhuǎn)或彎曲力的作用，要求具有：1.高的彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度2.高的表面硬度，高的耐磨性3. 心部較高韌性4. 高淬透性 性能要求 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼 性能要求 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼 （一）心部C%較低

17、：0.10.25%C 表面C%較高: 0.81.1%C如表面超過碳在奧氏體中的極限溶解度，表面層中會(huì)出現(xiàn)粗大碳化物。 成分及合金化 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼1. 表面C%:滲碳溫度時(shí)，鋼處于奧氏體狀態(tài)，鋼表面首先被碳原子所飽和，溫度越高表面C%越高，隨滲碳時(shí)間增長(zhǎng)，碳原子向內(nèi)部擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層。但溫度太高，晶粒易長(zhǎng)大，一般滲碳溫度定為910930。 根據(jù)滲碳工藝分析合金化 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼2. 擴(kuò)散層厚度：擴(kuò)散層厚度決定于：1）碳在奧氏體中的極限溶解度2）碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度3）擴(kuò)散時(shí)間 根據(jù)滲碳工藝分析合金化 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼3 .合金元素的影

18、響：1）碳化物形成元素：增大鋼表面吸收碳原子的能力，使表面c%增大，有利于滲碳層加厚。但阻礙碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，不利于滲碳層的加厚。為了避免滲碳層中含碳量過高甚至形成多量的塊狀碳化物，鋼中的碳化物元素的含量不能過高。非碳化物形成元素減小鋼表面吸收碳原子的能力，降低滲碳層中的含碳量而加速碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散。總的效果是鎳、硅、銅等元素減慢滲碳，不利于滲碳層的加厚。 根據(jù)滲碳工藝分析合金化 5.3 滲碳鋼元素合金影響表面碳含量 滲碳層厚度5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼3 .合金元素的影響：2) 細(xì)化晶粒 滲碳溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，為避免奧氏體晶粒長(zhǎng)大： (1). 鋁脫氧的本質(zhì)細(xì)晶粒鋼 (2). 加入細(xì)化晶粒的合金元素如V 、Ti。3) 提高淬透性 根據(jù)滲碳工藝分析合金化 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼按淬透性大小(1)15、20；(2)15Cr、20Cr、20Mn2B(3)20Mn2TiB、20CrMnTi；(4)12CrNi3, 22CrMnMo(5) 12Cr2Ni4, 18Cr2Ni4W、20CrNiMo(4)、 (5)用于大尺寸重要零件。 典型鋼種 5.3 滲碳鋼5 機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼1. 高的彈性極限2. 高的疲勞強(qiáng)度3. 足夠的塑性和韌性 性能要求 5