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2020/6/15 22:29:17 人评论

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这类合金元素在钢中,
一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体,如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等,是低合金钢中存在的主要碳化物,比渗碳体的硬度高,且稳定。
二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物,如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等,它们具有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好,主要存在于高碳高合金钢中,产生弥散强化,提高钢的强度 、硬度和耐磨性。
(3)其它:如稀土元素,钢号中统一用Re表示。

2.合金元素在钢中的作用
作用机理比较复杂,可归纳以下几个方面:
(1)阻碍晶粒奥氏体晶粒长大,细化晶粒;
(2)提高淬透性 (Co除外);
(3)提高回火稳定性,防止回火脆性;
(4)提高钢的使用性能,使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能;
(5)提高钢的强韧性。金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的,主要方法有:
 固溶强化,提高强度和硬度;
 细晶强化,提高强韧性;
 位错强化,位错密度增加,提高强度;
 弥散强化(第二相强化),细小均匀的第二相硬质点分布在基体上,阻碍位错移动面强化;
 加工硬化,金属产生塑性变形后位错密度增加,晶料变得细碎,使金属的强度硬度提高。
大多数的合金元素较好利用了上述前四种强化机制。如合金钢淬火时,形成马氏体,马氏体中含较高的位错密度,马氏体的形成分割了A的晶粒,使之细小,马氏体中碳的过饱和产生固溶强化,回火时析出的碳化物颗粒又产生弥散强化,等等。

第三节  结构钢
结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。
一、 工程结构钢
用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢,如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、钻井架、车辆构件等,所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢,包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
1. 碳素结构钢
见第四章碳钢的分类、编号及用途。

2. 低合金高强度结构钢
用途:在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件,如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶 、输油输气管道、压力容器等。
性能特点:强度高,良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能 ,可抵抗大气腐蚀。
成分特点:
低碳(<0.2%),保证良好的塑性;
合金元素:以Mn为主,强化铁素体基体,产生固溶强化;加入少量的Ti、V、Nb、Re等,细化晶粒,提高强韧性。

牌号:Q+数字+(质量等级符号A、B、C、D、E)
共11个牌号,6个等级,以强度等级分类,如表所示。
热处理工艺特点:一般在热轧空冷状态下使用,必要时经正火处理后使用。正火处理的温度在Ac3+(30~50)℃,使用态组织为(P+F)。
典型牌号及用途:
(1)在Q345较低级别的钢中,16Mn最具有代表性,是目前我国用量最多、产量最大的一种低合金高强度钢。其派生钢种有16MnRe、16MnCu等,Re的主要作用是提高塑性和韧性,提高疲劳强度,降低冷脆转变温度,Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。
(2)对Q420级的15MnVN、14MnVTiRe等,加入了钒、氮起到细化晶粒和第二相强化作用,稀土又起净化晶界作用,提高强韧性,因此强度高于15MnTi。
(3)Q460级的钢种,如14MnMoVBRe,加入钼和微量硼元素,可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出,而对贝氏体转变则影响不大,正火后得到贝氏体组织,然后再高温回火,以稳定组织,消除内应力,提高塑性和韧性,焊接性好,适于制造400~500℃的锅炉、中温高压容器等。
工程结构用钢的发展趋势:
低合金高强度钢由于其强度高,韧性和加工性能优异,合金元素耗量少,并且不需进行复杂的热处理,已越来越受到重视。目前,这类钢发展趋势是:
(a)通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来,实行控制轧制,以达到更高的强度。
(b)通过合金化改变基体组织,提高强度。在钢中加入较多的其它元素,如Cr、Mn、Mo、Si、B等,使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织,甚至马氏体组织。这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程,甚至不需要专门进行回火。
(c)超低碳化。为了保证韧性和焊接性能,含碳量进一步降低,甚至降到PPM级,此时必须采用真空冶炼,或真空去气的先进冶炼工艺。

二、 机器结构钢
指用于制造各种机器零件,如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种,又称机器零件用钢,包括优质碳素结构钢和合金结构钢。
机器零件用钢不但要求钢材具有高的强度、塑性和韧性,良好的疲劳强度和耐磨性;而且还要求具有良好的切削加工性能和热处理工艺性能。机器零件用钢一般都经过热处理后使用。
按用途不同,分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。

1. 渗碳钢
用途:主要作于制作承受交变载荷、很大的接触应力,并在冲击和严重磨损条件下工作的零件,如汽车、重型机床齿轮、活塞销,内燃机的凸轮轴等。
性能要求:“表硬心韧”。 要求零件表面硬度高、耐磨,心部则具有较高的韧性和足够的强度以承受冲击。一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度≥58HRC,心部35~45HRC。
成分:Wc=0.15—0.25%,保证心部塑韧性;
主加元素Cr、Ni、Mn、B,强化基体,提高淬透性,保证心部强韧性;
微量元素V、Ti、W、Mo,防止渗碳时过热,细化晶粒,提高耐磨性。
分类和典型牌号:                
低淬透性渗碳钢,典型钢种20、20Cr,其水淬临界直径20-35mm,渗碳淬火后,心部强韧性较低,只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件,如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。
中淬透性渗碳钢,典型钢种为20CrMnTi,其油淬临界直径约为25~60mm,主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。
高淬透性渗碳钢,典型钢种为18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A,其油淬临界直径>100mm,主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件,如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。
 常用牌号:15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等,通常尺寸小、受力小的零件,采用低碳钢,而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。
热处理特点:
预备热处理,一般是正火,组织为P+F,目的是调整硬度,改善组织和切削加工性能;
最终热处理,一般是渗碳后直接淬火+低温回火。其组织为:
表面组织为“M回+细小碳化物+少量Ar”,
心部组织依钢的淬透性及工件尺寸而定,淬透时为低碳M回,未淬透为低碳M回+F+P。
应用举例:
下面以应用广泛的20CrMnTi钢为例,分析其热处理工艺规范。
20CrMnTi是中淬透性钢,适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。
用20CrMnTi钢制作齿轮的加工工艺路线如下:
下料→锻造→正火→机加工齿形→滲碳,预冷淬火+低温回火→磨齿。
预备热处理为正火,正火后的组织为(S+F),其目的是改善锻造组织;调整硬度(170~210HBS)便于机加工。
最终热处理为滲碳后预冷到875℃直接淬火+低温回火;预冷的目的在于减少淬火变形,同时在预冷过程中,滲层中可以析出二次滲碳体,在淬火后减少了残余奥氏体量。最终热处理后组织由表面到心部为“M回+细小碳化物+少量A残→M回+少量A残→低碳M+F+P。

2. 调质钢
采用调质处理,即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢,统称为调质钢。
应用:用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件,以及连杆、螺栓、齿轮等。
性能要求:具有良好的综合力学性能,即高的强度、良好塑性和韧性。
成分特点:
碳含量:中碳Wc:0.25~0.5%,保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。含碳量太低,强度硬度不足;太高,塑性、韧性降低;为达到两者兼顾,取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低,含碳量偏上限;合金调质钢淬透性好,随合金元素的增加,含碳量趋于下限,如30CrMnSi、38CrMoAl。
合金元素:主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等,提高淬透性,调质处理后有良好的综合力学性能;辅加W、Mo元素,防止高温回火脆性,细化晶粒,提高回火稳定性。
分类及典型牌号:按淬透性的高低,调质钢大致可以分为三类:
①低淬透性调质钢。典型钢种45、40Cr,这类钢的油淬临界直径最大为30~40mm,广泛用于制造一般尺寸的重要零件,如轴、齿轮、连杆螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。
②中淬透性调质钢。典型钢种40CrNi,这类钢的油淬临界直径最大为40~60mm,含有较多的合金元素,用于制造截面较大、承受较重载荷的零件,如曲轴、连杆等。
③高淬透性调质钢。典型钢种40CrNiMoA,这类钢的油淬临界直径为60~100mm,多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合,可大大提高淬透性,并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件,如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。
钢种的选择根据零件的工作载荷大小及其尺寸、形状来确定的。载荷大、尺寸大、形状复杂的零件,为保证有足够的淬透性,就要采用合金调质钢。
热处理工艺特点:
(1)预备热处理:采用完全退火或正火(高淬透性的调质钢正火后应再高温回火),其目的是细化晶粒,改善组织;调整硬度,改善切削加工性能。组织(P+F)。

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