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1、第四章 机器零件用钢,主要内容,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,机器零件用钢的强韧化,超高强度结构钢,了解机器零件用钢的强韧化机制；渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承以及超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以及超强度结构钢的组织性能特点及用途。,本章教学基本要求,一、应用背景：机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用于制造各种机械零件的钢种。机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，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。
2、,引言,拨叉,变速齿轮,变速箱,齿轮,曲轴,汽车万向节,连杆,弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,板弹簧,拉力弹簧,滚珠轴承,滚珠轴承,调心球轴承,履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种载荷的交互作用。服役环境：大气、水和润滑油，温度在-50100。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。,二、机器零件用钢的服役条件,良好的强度和韧性 以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；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
3、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。,三、机器零件用钢对力学性能要求,机器零件用钢制造工艺繁多：热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热处理。冷加工：车、铣、刨、磨等等。通常机器零件的制造工艺流程为：,其中以切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要工艺性能；,型材,改锻,预先热处理,粗加工,最终热处理,精加工,四、机器零件对工艺性能的要求,机器零件用钢钢种：渗碳用钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、氮化用钢、低碳马氏体钢、超高强度钢、低淬透性钢、耐磨钢、易切削钢等。,机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。,第一节 机器零件用钢的强韧化
4、,一、机器零件用钢的强韧化的基本方法 由前面介绍的机器零件用钢的工作环境、力学性能要求和工艺性能要求可以看到：不同零件对性能要求侧重点有很大的区别，但其共同特点都可以归一为强度和韧性两个方面。因此机器零件用钢在使用过程中，总希望尽可能高的强度和保证足够的韧性。为使机器零件用钢获得高强度和足够韧性，主要采用固溶强化、沉淀强化、细晶强化等方法。热处理淬火，回火等相变强化手段也是机器零件用钢必不可少的工艺方法。,二、合金元素在机器零件用钢中的作用,在机器零件用钢中合金元素分为两大类：主加元素：提高淬透性和固溶强化 辅加元素：细化晶粒，防止第二类回火脆性 和改善切削加工性能。1 主加元素作用(1).提
5、高淬透性 提高淬透性元素：Ni，Si，Cr，Mo，Mn，（B）等 只有合金元素完全溶入奥氏体中才能提高淬透性(2).固溶强化 Ni，Si，Cr，Mo，Mn等不仅可以提高淬透性而且都能产生固溶强化效果。,2、辅加元素作用,(1).提高回火稳定性 W，Mo，v，Ti等。(2).细化晶粒 除Mn外，碳化物形成元素均能细化A晶粒，其中强碳化物形成元素作用大。(4).防止第二类回火脆性 Mo，W等(5).改善切削性能 S，Ca，Se，Pb，Bi等,三.机器零件用钢的含碳量和热处理工艺的选择,一般不重要的零件：中碳钢，正火 表面耐磨及接触应力较大的零件：渗碳钢，渗碳、淬火低温回火 综合力学性能：中碳调质钢
6、，淬火高温回火 低碳马氏体钢，淬火低温回火 高的弹性极限：0.6-0.9C，弹簧钢，淬火中温回火 高硬度高耐磨、高接触疲劳性能：轴承钢，淬火低温回火,第二节 渗碳钢,一、渗碳钢 机器零件中，如齿轮，用低碳钢、低碳合金钢进行渗碳，使零件从表面到心部具有从高碳（0.81.1%C）到低碳（0.100.25%C）连续过渡的化学成分。称这类钢为渗碳钢。淬火、回火后：零件表面层具有高强度、高耐磨性，零件心部具有适当的强度和较好的韧性。,1.低碳 一般在0.12%0.25%C。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。2.合金化特点 常用的合金元素有Cr、Mn、Ni、Si、Mo、Ti、V、B、W等。（1）提高淬透
7、性 Cr、Mn、Ni、Si、Mo、B提高钢材的淬透性，提高零件的强度和韧性；,二、渗碳钢的化学成分特点,常加入少量强碳化物形成元素Ti、V等阻止奥氏体的晶粒长大。,（3）细化晶粒,利用碳化物形成元素，如Cr，Mo，W等在渗碳后的表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。,（2）提高渗层硬度和耐磨性,（1）对表层碳浓度及渗碳层浓度梯度的影响 碳化物形成元素 Cr、Mo、W能增大钢表面吸收渗碳气氛中C原子能力，同时又降低了C在奥氏体中的扩散系数，因此渗层表面碳浓度大，渗碳层表面碳分布陡；,3、合金元素对渗层性能的影响,Si元素 Si使钢的表面增碳困难，使渗碳速度降低，因此渗碳钢很少加Si,非碳化物形成元素
8、Ni 的作用相反，加速C原子扩散，降低表层碳浓度，有利于形成由表及里的较平缓的碳浓度梯度。,（2）对表层碳化物形态的影响,V，W，Mo易使表面碳化物呈长条状和网状分布，产生脆化。Cr易使碳化物呈粒状分布，韧性降低不明显。,因此，合理搭配碳化物形成元素和非碳化物形成元素（Ni），可以加快钢渗碳速度和较快获得必要的表面碳浓度、渗层深度，避免表面碳浓度太高及渗层碳浓度分布太陡。,三、常用渗碳钢及热处理,（一）常用渗碳钢,1.低淬透性渗碳钢（适用于负荷不大，对心部要求不高的小型渗碳件）15，20，20Mn2，20MnV，15Cr，20Cr，20CrV,活塞销(20Cr),柴油机凸轮轴,凸轮轴工作原理示
9、意图,2.中淬透性渗碳钢,适用于中型负荷，截面较大的耐磨件，如汽车的变速箱齿轮 20CrMn 20CrMnTi 20MnVB 20Mn2B,汽车的变速箱齿轮,3.高淬透性渗碳钢,适用于重载荷，大截面，高耐磨性，良好心部韧性的零件，如航空发动机齿轮，高速柴油机曲轴等 20CrMnMo，12Cr2Ni4，20Cr2Ni4,18Cr2Ni4WA,增压柴油机曲轴,(二)渗碳钢热处理,预先热处理渗碳渗碳后热处理,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。,第一步：正火,退火（对P型钢）,第二步：,高温回火（对M型钢）,正火的目的：是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便
10、于机械加工，。对珠光体型钢，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；对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在Ac1以下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，这样可使马氏体型钢的硬度由380550HB降低到207240HB，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。温度：900-950,渗碳后热处理：淬火低温回火(高硬度表层强韧的心部组织)具体方法有以下几种：渗碳后降温直接淬火低温回火 渗碳后一次淬火低温回火，渗碳后二次淬火低温回火，渗碳后多次高温回火淬火低温回火(高淬透性渗碳钢)渗碳后空冷并直接冷处理低温回火(高淬透
11、性渗碳钢),渗后热处理,1.渗碳后降温直接淬火低温回火,这种工艺主要用于渗碳后不容易过热的钢种(含Ti，V)，如20CrV，20CrMnTi 零件表面高硬度和高耐磨性，对心部性能要求不高。,20CrMnTi钢齿轮的热处理规范,预备热处理,2.一次淬火,对于碳素钢（15，20）或者易过热的合金渗碳钢（20Mn2，20Mn2B，20Cr等），在渗碳后空冷到室温（即正火处理），再重新加热到略高于心部Ac3温度淬火。细化心部晶粒并消除表面网状组织。对要求表面高硬度、高耐磨性外，对心部性能有较高要求时，可采用这种工艺。,渗碳,3.二次淬火,渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和心部性能的要求都很严格，
12、易过热的钢，可用这种工艺；第一次按钢的心部成分加热淬火 加热温度较高Ac3以上（870左右），目的是细化心部组织并进一步消除表面渗碳层中的网状渗碳体；第二次按（表面)高碳钢成分进行淬火加热温度较低，Ac1以上，不完全淬火，目的是使表面获得细小的马氏体+粒状碳化物组织，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。,4.高合金元素渗碳钢的淬火、回火,高合金含量的渗碳钢，渗后表层碳浓度高，导致Ms点大大降低，使淬火后的残余A量很大，使表面硬度下降，因此为减少残余A数量，一般的方法有两种：（1）渗碳后，淬火前进行一次或多次高温回火；（2）渗碳后空冷并直接冷处理；,（
13、1）渗碳后，淬火前进行一次或多次高温回火,一次或多次回火的目的是，从M及残余A中析出碳化物，然后再加热到Ac13050较低温度淬火，这时已析出的碳化物不能再溶入A中，从而减少了A中碳及合金元素的含量，提高了Ms点，减少了残余A数量。,（2）渗碳后空冷并直接冷处理,有的高合金钢渗碳后的Ms点在室温以下，如18Cr2Ni4W，零件冷却到室温只能有一部分过冷奥氏体转变成M，一般通过深冷处理就可以使A完全转变成M,渗碳,第三节 调质钢,调质钢：淬火高温回火后使用的中碳钢或中碳合金钢为调质钢，是机械制造业中用量最大的钢种。,调质件（螺杆）,一、调质钢组织和性能特点,（一）性能要求 以机床主轴和柴油机曲轴
14、为例：1.受载情况：负荷经常变动，承受冲击作用，轴颈处还存在剧烈摩擦。2.失效形式：易产生疲劳断裂，过量变形，局部磨损。3.性能要求：较高的（屈服、疲劳）强度，高的耐磨性，较好的韧性。,（二）调质钢组织特点,调质后得到回火索氏体，其特点是：1.铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，起弥散强化，溶入基体的碳与合金元素起固溶强化，这样保证了高强度；2.铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，组织均匀，保证良好的塑性、韧性；3.由淬火马氏体转变来的铁素体，晶粒细小，使得韧脆转变温度低。以上组织特点使调质钢具有强度、塑性和韧性的良好配合,二、调质钢化学成分,中碳：0.3-0.5%C 合金元素作用：提高淬透性:M
15、n、Si、Cr、Ni、Mo、B 固溶强化:Mn、Si、Cr、Ni、Mo 细化晶粒:Ti、V、W、Mo 防止第二类回火脆性:0.3-0.5%W、0.3-0.5%Mo,三、常用调质钢,1.低淬透性 45，45Mn2，35SiMn，40MnB，40MnVB，40Cr2.中淬透性 38CrSi，35CrMo，40CrMn，30CrMnSi，40CrNi，38CrMoAl3.高淬透性 37SiMn2MoVA，37CrNi，40CrMnMo，40CrNiMoA，45CrNiMoVA，25Cr2NI4WA等注：根据淬火回火钢的力学性能相似规律，同一级别淬透性的钢种可以相互替代。,四、典型调质钢介绍,调质钢中
16、最常用的有45，40Cr，35CrMo，40CrNiMoA等45钢 有好的强度和韧性的配合，但淬透性低，水中淬火易裂，直径超过80mm，一般不用它。45钢适合表面淬火，代替部分渗碳件 应用：中小型零件，如小型齿轮、轴、螺栓等。,40Cr 最常用的合金调质钢淬透性好于45钢。用于制造中等负荷及中等速度工作的零件，如：汽车转向节，齿轮，蜗杆，轴等。,汽车转向节,35CrMo 具有较好的淬透性，高的屈服强度，疲劳强度和冲击韧性用于受冲击，振动，弯曲，扭转的零件。用于制造：车轴，大电机轴，锤杆，汽轮机主轴，工作温度高的螺栓和螺母。,汽轮机,40CrNiMoA 高强度，高韧性，高淬透性。用于制作高强度，
17、高韧性的大尺寸重要零件。如：重型机械中的高负荷轴类，直径大于250mm的汽轮机轴和叶片，高负荷传动件，曲轴等。,某军舰汽轮机主轴,五、调质钢的热处理,1.预处理对珠光体型钢：热加工后的组织是铁素体和细片状珠光体的，应加热到Ac3以上正火或完全退火，以细化晶粒，减轻带状程度，改善钢的切削加工性能。对马氏体型钢：热加工后的组织出现马氏体，应正火高温回火，以降低硬度，便于切削加工。,淬火高温回火淬火：Ac3以上，油淬。回火：500-650，获得回火索氏体，但应注意第二类回火脆性。,45#调质处理后的回火索氏体,有时为了获得高强度，调质钢也可进行低温（200-250）回火，适当牺牲塑性、韧性，获得回火
18、马氏体。,2、最终热处理,六、调质钢的发展动向,（一）低碳马氏体钢 1.调质钢热处理后性能的缺点（1）淬火高温回火（S回）塑性、韧性的提高牺牲了强度。（2）淬火低温回火（M回）强度的提高牺牲了韧性。2.低碳马氏体钢（解决了上述一对矛盾）低碳马氏体钢是低碳（合金）钢，淬火后获得组织为：M板板条间相界A薄膜板条内部自回火或低温回火析出的均匀分布的细小碳化物,这种组织实现了钢的强度、塑性和韧性的最佳配合，比调质钢热处理后具有更优越的综合力学性能。,3.代表牌号,15MnVB，20CrMnTi，20SiMn2MoVA，18Cr2Ni4WA 用低碳马氏体钢代替调质钢40Cr，40CrNi等可大幅度降低构
19、件的重量，改善产品工艺性能（切削，焊接等），提高产品质量、可靠性及使用寿命。是机械制造行业中调质钢的一个重要分支。,（二）中碳微合金非调质钢,1.中碳微合金非调质钢：是调质零件用钢的一种新型钢种。优点：在锻造（热轧）后直接加工成零件，就可以达到强度韧性的要求，省去了调质处理及热处理变形校直等工序，工序简单，节省成本，节约能源。2.合金化特点（1）中碳合金钢，Mn固溶强化；（2）加微量元素：V，Ti，Nb 细化晶粒，沉淀强化；（3）加S，Pb改善切削加工性能；3.组织：FP 如果在高强韧性非调质钢适当降低碳含量并再添加Cr、Mo、B，便可获得B或M组织。4.牌号、性能和用途 45MnV，42Mn
20、NbV，35MnVS等 这种钢强度较高，可达900MPa，但韧性较差。一般用在非重要的构件。,第四节 弹簧钢,弹簧的主要作用：1.吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用；2.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。,汽车板簧，连接车轮和车架，承受车厢的自重和载重，并承受由于路面不平引起的冲击,一、对弹簧组织性能的要求,1.组织 回火屈氏体。2.性能 高的弹性极限；高的屈服强度；高的疲劳强度；良好的加工性，有利成型；某些条件下，具有良好的耐热性和耐蚀性。,二、弹簧钢的化学成分,1.碳素弹簧钢 含碳量：0.6-0.9，接近共析点 2.合金弹簧钢 含碳量：0.45-0.7，接近
21、共析点，这是由于合金元素使共析点左移的结果 主加合金元素：Si、Mn（Cr）輔加合金元素：Mo、W、V等 主要作用（1）提高淬透性：Si、Mn（Cr）（2）提高回火稳定性：Mo、W、V（还可以降低Si的脱碳敏感性）,三、常用弹簧钢及热处理,（一）常用弹簧钢 1.碳素弹簧钢 代表钢种：65钢 特点：淬透性差，适用制作小截面弹簧，冷成形制造。2.合金弹簧钢 代表钢种：65Mn，60Si2Mn，50CrVA，60CrMnBA 特点：较好的强度、硬度、淬透性，制造较尺寸的弹簧。,常用弹簧钢,（二）弹簧钢的热处理,弹簧按加工方法分为热成形与冷成形两大类：冷成型弹簧：先进行冷变形使钢具有一定性能之后再制作
22、成一定形状弹簧。冷拔绕簧（冷成型）定型处理（250-300去应力、稳定尺寸）磨端面 喷丸第二次去应力退火发蓝。用于直径小于10mm弹簧。热成型弹簧：热成型淬火+中温回火喷丸 使用状态下的组织：T回 用于大截面弹簧(10mm)弹簧的弯曲、扭转应力在表面最大，因此表面状态非常重要，弹簧热处理后，一般要进行喷丸强化使表面产生残余压应力来提高疲劳强度。,大型热卷弹簧,65钢淬火中温回火组织,（1）65Mn和60Si2Mn等 用于制造截面尺寸较大的弹簧。用Si、Mn的复合合金化，其性能又高于单用Mn的好，这类钢主要用于汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧等。,（三）常用合金弹簧钢举例,（2）50CrVA
23、 Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。这类钢可用于制造350-400下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。弹簧钢除制作弹簧外，还可以制造耐磨，耐冲击的工模具。,第五节 滚动轴承钢,圆柱滚子轴承,自动调心球轴承,一、滚动轴承钢的工作环境及性能要求,用于制造轴承套圈和滚动体的专用钢种。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚轮、滚针）和保持架四部分组成。其中除保持架用低碳钢薄板冲制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。,向心球轴承,（一）轴承工作环境特点,轴承滚动时，内套和滚珠发生转动和滚动1.周期性的负荷（滚动轴承内、
24、外套圈与滚动体之间，呈点或线接触，造成局部压应力很大，高达1800MPa-5000MPa）。2.除滚动外，滚珠还有滑动，存在摩擦。3.与水，润滑剂接触，受腐蚀。4.某些情况下，还受冲击。,（二）轴承的失效形式,疲劳剥落磨损破裂锈蚀,（三）轴承性能要求,1.高的接触疲劳强度和屈服强度 2.高而均匀的硬度和耐磨性 3.适当的韧性 4.适当的耐蚀性,二、轴承钢的化学成分和冶金质量,（一）化学成分1.高碳 0.95-1.15 保证硬度2.加入Cr，Si，Mn Cr：0.4-1.65，最常用，提高淬透性，形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，提高耐磨性和接触疲劳抗力，提高耐蚀性 Si，Mn：提高淬透性 Si
25、还可以提高回火稳定性,（二）冶金质量,由于滚动轴承钢的性能要求很严格，特别是重要场合使用的轴承。为提高使用寿命，对原材料的冶金质量要求很严格，尽量降低钢中非金属夹杂物，提高纯净度。另外还要求轴承钢原始组织无缩孔，并要严格控制疏松组织和改善碳化物不均匀性。,1.钢中夹杂物对性能影响,夹杂物对轴承的接触疲劳性能影响很大，钢中夹杂物可以形成应力集中，形成疲劳裂纹源。,钢中的MnS夹杂,钢中氧化物夹杂,2.组织均匀性影响,由于轴承钢是高碳钢，钢中碳化物多，易形成不均匀的碳化物分布。不均匀的碳化物分布通常通过球化退火工艺调整（在淬火前进行）。目的：获得均匀的细片状珠光体，使在后续淬火时，碳化物易于溶解于
26、奥氏体中，使奥氏体有较高的合金度，成分均匀，保证淬透性和淬硬性及淬火组织的均匀性，使回火后得到最佳的力学性能。,三、常用轴承钢及热处理,（一）Cr轴承钢及热处理,1.Cr轴承钢代表钢种 GCr15，GCr9SiMn，GCr15SiMn 其中GCr15使用最广泛，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。,GCr15轴承,球化退火目的：为得到粒状，分布均匀的珠光体，为淬火做组织准备,2.Cr轴承钢的热处理,（1）预处理,GCr15正常锻后空冷组织,GCr15球化退火组织,GCr15非正常锻后空冷组织,（2）最终热处理,淬火 淬火温度：840左右 温度过低，碳化物溶解
27、不足，淬透性淬硬性差；温度过高，易出现过热组织 淬火组织：隐针马氏体碳化物残余奥氏体 回火：低回火，1605 回火组织：回火马氏体均匀分布的细粒状碳化物少量残余奥氏体 硬度：61-65HRC,Gr15正常的淬火、回火组织：回火马氏体未溶碳化物颗粒少量残余奥氏体；黑区为 回火隐针马氏体 亮区为 回火细小的针状马 氏体少量残余奥氏体 白色小颗粒为碳化物,GCr15 850淬火，160回火,（二）其他轴承钢,1.无Cr轴承钢 为节约Cr而开发的轴承钢：GSiMnV，GMnMoV，GSiMnMoV 利用合金元素共同作用，使此类钢有较好的淬透性，高硬度，耐磨性，接触疲劳抗力和韧性，可替代GCr15,轧钢
28、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。因而也可以选用渗碳钢制造。渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：“G20CrNiMo”。特级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”，例如：“G20CrNiMoA”。,2.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、G20CrNiMo、G20Cr2Mn2Mo、
29、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。,3.不锈轴承钢,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。,4.高温轴承钢,高温轴承钢：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。GCr15轴承钢的最高工作温度不超过180，含抗回火稳定性元素
30、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。,超高温轴承,高温、耐腐蚀、自润滑轴承,常用的高温轴承钢 Cr4Mo4V、Cr14Mo4、Cr15Mo4、GCr18Mo、W6Mo5Cr4V2等。这类钢的成分特点是含有大量的W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，淬火后可获得高合金化的高碳马氏体，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。Cr4Mo4V钢是航空发动机上最常用的高温轴承钢。在热处理和性能上具有高速钢的特点，但含合金元素含量略少，故高温硬度不如高速钢，但这种钢的加工
31、性能好于高速钢。,超高强度钢是上世纪40年代以来发展起来的新钢种。超高强度钢最先是为了满足飞机结构件上需要的具有高比强度（强度/密度）的材料而研究的。为了提高飞机的飞行速度，要求飞机的结构材料具有更高比强度，以便减轻重量。Al合金的比重为钢的1/3，Al合金的强度极限已达到500600MPa，这就要求钢的强度提高到15001800MPa以上才能与Al合金匹配。所以一般钢的强度必须达到1500MPa的超高强度才能在飞机获得广泛应用。例如火箭发动机外壳，飞机的起落架、机身骨架，高压容器以及常规武器等。一般认为超高强度是指：s1400MPa，b 1500MPa,第六节 超高强度钢,按成分和使用性能不
32、同超高强度钢可分：低合金中碳M型超高强度钢 中合金低碳M型超高强度钢 中合金中碳二次硬化型超高强度钢 高合金超低碳M时效型超高强度钢 沉淀硬化超高强度不锈钢（在不锈钢中介绍）,（一）性能要求 1.高的强度 b 1500MPa 2.合适的塑性 8 3.一定的韧性 ak80 J/cm2 4.高的疲劳强度 5.良好的焊接性能 为保证合适的塑性、一定的韧性，低的缺口敏感性，高的疲劳强度，良好的焊接性能。采取真空熔炼、真空热处理；尽量降低C含量。,一、低合金中碳M型超高强度钢,（二）合金化特点,低合金中碳M型超高强度钢的强度为15002000MPa，是由调质钢发展起来的。不同点，调质钢是淬火+高温回火；
33、这类钢是淬火+低温回火，组织为回火M或下贝氏体。1.合金化特点（1）C含量 含C量对钢的性能影响非常大，随着含C量增加钢的强度随之增加；但塑性、韧性下降，工艺性能也随之恶化。因此为了使钢具有超高强度，而又具有良好塑性、韧性，根据经验及有关计算含碳量应控制在0.3 0.5范围。,提高淬透性元素 碳对强度的贡献,必须保证零件截面完全淬透,才能使零件截面得到回火M,碳的作用才能发挥。加入提高淬透性元素：Si、Mn、Cr、Ni、Mo 提高回火稳定性元素 Si是提高回火稳定性最有效的元素（将第一类回火脆性温度从250提高到350）,其次是碳化物形成元素。回火稳定性的提高，可以使在保证强度前提下，可适当提
34、高低温回火温度，来改善塑性、韧性。细化晶粒元素 加入V、Ti、Nb细化晶粒，从而细化淬火M，以提高塑性、韧性。,（2）合金元素,2.典型牌号,40CrNi2Mo 30CrMnSiNi2A 35Si2Mn2MoVA(1)40CrNi2Mo 是由调质钢40CrNiMo提高Ni含量发展起来的，提高Ni含量可提高其塑性、韧性。（2）30CrMnSiNi2A 是由调质钢30CrMnSiNiA提高Ni含量发展起来的，提高Ni含量可提高其塑性、韧性。,（3）35Si2Mn2MoVA 是由调质钢35SiMnMoVA发展起来的比较成熟的不加Ni 的低合金超高强度钢。适当提高Si、Mn量可进一步提高淬透性。适当提
35、高Si量可进一步提高回火稳定性，将第一类回火脆性温度从250提高到350 以上。V细化晶粒，抑制Mn过热敏感性。Mo提高淬透性并能改善韧性。,25Si2Mn2CrNiMoVA为典型的中合金低碳M型超高强度钢 与低合金中碳M型超高强度钢相比，含碳量低，淬火后组织为低碳M。低碳M与中碳M相比表现出较高的韧性。另外采用多组元合金化，合金元素含量由低合金提高到中合金，因此淬透性、回火稳定性以及强化效果更好。,二、中合金低碳M型型超高强度钢,三、中合金中碳二次硬化型超高强度钢,这类钢实际上是由热作模具钢发展得到的。例如飞机上的某些轴类和螺栓工作在中温下，为了保证其超高强度和塑性、韧性而研制的。为了保证得
36、到超高强度，就要求材料在中温（550650）回火时产生二次硬化。1、典型牌号 4Cr5MoSiV（H11)4Cr5MoSiV1（H13),2.合金化及性能特点,（1）淬透性高 Cr、Mo、Si具有高淬透性，空冷即可获得M。(2)二次硬化效果好 550650回火时从M中析出M2C、MC产生二次硬化。（3）具有超高强度和良好塑性、韧性 具有高的室温、中温强度和塑性、韧性。（4）良好抗氧化和耐蚀性 由于Cr含量较高，抗氧化和耐蚀性好。,四、高合金超低碳M时效型超高强度钢,低合金中碳M、中合金低碳M以及中合金中碳二次硬化型超高强度钢，强度已达到2000MPa。但这类钢在提高强度同时，其断裂韧性将降低；
37、热处理时要防止脱碳；淬火回火后变形比较大；焊接性能一般也不太好。为了克服上述钢的缺点，上世纪50年代末发展了M时效型超高强度钢。这类钢具有超高强度、良好断裂韧性以及良好加工性能。,（一）合金化特点,1、化学成分 基本成分：0.03C,1825Ni,加入不同时效硬化合金元素Co、Mo、Ti、Nb、Al等。根据Ni的含量不同分为三种：18 Ni-Ni18Co9Mo5TiAl 20 Ni-Ni20Ti2AlNb 25 Ni-Ni25Ti2AlNb 为了保证足够钢的塑性、韧性，钢中杂质元素控制比较严格。,2、合金元素在钢中作用,（1）C 超低碳，为了保证足够钢的塑性、韧性及加工性能。（2）Ni 主要合
38、金元素，保证M形成，保证足够钢的塑性、韧性；与Mo、Ti、Nb、Al形成金属间化合物析出强化。（3）Mo、Ti、Nb、Al 与Ni形成金属间化合物析出强化。（4）Co 提高Ms点，与Mo配合促进Mo从M中析出和细小分布。,（二）热处理,高合金超低碳M时效钢热处理包括两个基本工艺过程：固溶处理（得到M）+时效处理（沉淀强化）1、18 Ni-Ni18Co9Mo5TiAl,815,480,空冷,空冷,由于含 Co 提高Ms点，固溶处理后空冷可获得M。沉淀析出相：Fe2 Mo、Ni3 Ti、Ni3 Mo Ni3Al,HRC28-32,HRC52 b 1800MPa,由于不含 Co，Ms点很低，残余A量
39、很大。因此在固溶处理与时效处理之间加一个冷处理工艺。沉淀析出相:（Ni,Fe）3（Ti,Al,Nb）,815,空冷,-70冷处理,480,空冷,HRC52,2、20 Ni-Ni20Ti2AlNb,不含 Co、Ni含量更大，Ms点更低，残余A量更大。因此热处理工艺分两种方法：（1）固溶处理+高温时效（705）+冷处理+低温时 效处理。（2）固溶处理+冷变形（25）+冷处理+低温时效处理。沉淀析出相:（Ni,Fe）3（Ti,Al,Nb）,3、25 Ni-Ni25 Ti 2Al Nb,（1）固溶处理+高温时效（705）+冷处理+低温时效处理 高温时效（705）从A中析出金属间化合物，使Ms点升高。,
40、空冷,空冷,空冷,705,HRC52,815,435,-70冷处理,HRC10,（2）固溶处理+冷变形（25）+冷处理+低温时效处理 冷变形使残余A的稳定性降低，使Ms点升高。,815,435,-70冷处理,HRC52,空冷,空冷,冷变形,（三）性能与应用,1、性能 高合金超低碳M时效钢之所以具有优异性能：（1）淬火后：超低碳M+大量残余A，具有和良好塑性、韧 性，另外通过时效沉淀析出使钢具有超高强度；（2）工艺性能良好，固溶处理后超低碳M+大量残余A硬度 不高，其冷变形、加工性能、焊接性能良好，焊接后无需固溶处理直接时效就可以；（3）热处理中无脱碳、热处理变形小，淬火不需要快冷无淬火开裂危险
41、。,2、用途 航空、航天工业的飞机某些部件，火箭发动机外壳等。各种要求变形小、形状复杂的模具，例如塑料模具等。海洋潜艇零部件及低温零部件。,第六节 特殊用途结构钢,机械制造中特殊用途结构钢，包括低温用钢、耐磨钢、无磁钢、易切削用钢以及轨道钢等。本节主要介绍耐磨钢、易切削用钢。一、高锰耐磨钢 高Mn钢的基体组织为A，由于Mn能降低奥氏体层错能，提高钢材在冷变形过程中的加工硬化能力，这种性能应用于Mn13耐磨钢中。1、高Mn钢的化学成份 0.91.4C,11.515 Mn,0.31.0Si,0.05 S,0.05 P,1.0 Cr 1.0 Ni,0.3 Cu,2、铸态组织 A+沿晶界析出的碳化物
42、3、热处理 铸造后的高Mn钢要进行固溶处理，以消除沿A晶界析出的碳化物，得到单一的A组织。固溶处理温度10501100，水冷却，称水韧处理4、性能 固溶处理后的性能 b 800 1500MPa;0.2 250 400MPa;35 45；40 50；HB170 300；ak（20）20 30 J/cm2,水韧处理后的高Mn钢，受冲击后表面会产生加工硬化，内部是高塑性的A。因此兼有高硬度、高耐磨性、高塑性。5、用途 挖掘机铲斗、粉碎机顎板、内衬，挖掘机、拖拉机、坦克履带板等。*高锰钢中的碳化物对钢的性能是有害的，它降低钢的强度并使其发脆。因此，高锰钢铸件需加热使其奥氏体化，使钢中的碳化物溶于奥氏体
43、中，然后让其在水中快冷，使碳化物来不及析出，得到单一的奥氏体组织。这种处理方法叫水韧处理。,二 易切削用钢,（一）合金元素对钢切削加工性能的影响 S、P、Se、Te、Pb、Bi等元素加入中，常常以非金属夹杂物的形式存在来提高钢的切削性能。这些元素的非金属夹杂物之所以能改善钢的切削性能的原因，在于满足了下述条件：1.在切削平面上，夹杂物作为应力集中源，从而起到起源裂纹和脆化切屑的作用。这样切屑与刃具间的接触长度可以减少，从而有利于切削性的改善。这种应力集中源，还应恰好不致使工件产生裂纹。2.夹杂物具有一定塑性，而不致切断金属塑性流变而损害刃具表面。3.夹杂物在刃具的前面与切屑之间形成热量传播障碍
44、，进而降低刃具表面温度升高。4.夹杂具有光滑表面，不能在刃具的侧面作为磨料。,（二）对切削性有益的夹杂物,1.MnS 是目前了解最清楚和应用最广泛的易切削钢添加物。一般认为，MnS夹杂物在切削剪切区作为应力集中源，可以起裂纹源的作用，并随后引起切屑断裂。MnS夹杂还能在切削刃具表面沉积为MnS薄层，降低刃具有切屑的摩擦，使切削温度降低，并减少刃具的摩擦或成为热量传播的障碍，从而延长刃具的使用寿命。2.MnSe与MnTe Se 与Te既可单独使用也可与S，Pb等共同加入钢中使用。MnSe可以改善工件表面粗糙度和促进切屑断裂，并形成较多的球形夹杂物，提高切削性能。MnTe可以降低切削力和切削温度，
45、使切屑变薄而易破断，从而减少刃具的磨损。,3.Pb和Bi Pb可以与MnS结合，在不加S钢中以Pb的质点分布。Pb的添加可作为内部润滑剂降低摩擦力，并转过来降低剪切抗力，得到较薄较小和较紧密的螺旋状切屑，减少切屑与刃具的接触面积，从而降低切削温度和减少刃具的磨损。Bi与Pb类似。4.含Ca夹杂物 通过Ca-Si和Si-Fe脱氧，可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物，它在机械加工时，将刃具磨损表面沉积一个薄层（20m），这个薄层是磨损的障碍，可以延长刃具的使用寿命,（三）损害切削性能的夹杂物,（1）Al2O3（2）SiO2（3）复杂氧化物-硅酸盐夹杂物（4）氮化物（5）碳氮化合物 这些夹杂物硬度高，往往限制剪切和阻碍剪切区的塑性变形，从而提升切削温度；另外在切削时，这些夹杂物与刃具摩擦，加剧刃具磨损。因此降低刃具的寿命。,（四）常用的易切削用钢,钢中加入S、P、Se、Te、Pb等，经合金化可以提高钢的切削加工性能。碳钢（含S、P）：Y12,Y20,Y40Mn 碳钢（含Pb）：YP40 碳钢（含Se）：Y35S 铬钢（含Se）：Y40CrS 合金钢（含Pb）：YP12CrNi,YP30CrMo 热处理：碳钢，热轧、正火。合金钢，调质处理。,
