1、Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢第二部分第二部分低碳马氏体型结构钢低碳马氏体型结构钢低碳低合金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低碳中合金马氏体型结构钢低合金中碳马氏体型超高强度结构钢低合金中碳马氏体型超高强度结构钢马氏体时效钢马氏体时效钢马马氏氏体体型型结结构构钢钢的的类类型型3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢一、低碳马氏体型结构钢一、低碳马氏体型结构钢1. 低碳低碳低合金低合金马氏体型钢马氏体型钢背景：背景：中碳（合金）结构钢经通常的热处
2、中碳（合金）结构钢经通常的热处理后，其强度与塑性、韧性是一对互为消理后，其强度与塑性、韧性是一对互为消长的矛盾。长的矛盾。低碳马氏体型结构钢的组织特点：低碳马氏体型结构钢的组织特点：低碳低碳(合合金金)结构钢淬火后形成位错结构钢淬火后形成位错板条板条马氏体马氏体+板板条条相界残余奥氏体薄膜相界残余奥氏体薄膜+板条内部自回火板条内部自回火或低温回火析出的或低温回火析出的细小分散碳化物细小分散碳化物，可实，可实现强、韧、塑性的最佳配合。现强、韧、塑性的最佳配合。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢低碳马氏体型结构钢的性能特点：低碳马氏体型
3、结构钢的性能特点：l在在静载下具有良好的强度和塑性、韧性静载下具有良好的强度和塑性、韧性的配合的配合（表表3-5），即使），即使C含量提高到含量提高到0.25%，这种优良性能仍然存在；，这种优良性能仍然存在；l低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低的缺口敏感性，而且低的缺口敏感性，而且还具有低的疲劳还具有低的疲劳缺口敏感性缺口敏感性。l低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比较，其较，其冷脆倾向性小冷脆倾向性小。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u如从室温到低温（如从室温
4、到低温（-60）系列冲击）系列冲击试验中，若取室温试验中，若取室温k值的值的40%时的温时的温度作为脆性转变温度度作为脆性转变温度TC，那么，那么低碳马低碳马氏体的冷脆转变温度为氏体的冷脆转变温度为TC-60-70；u而而40Cr钢调质态的钢调质态的TC为为-50。低温下。低温下k值（值（表表3-6）的对比突出地显示了低）的对比突出地显示了低碳马氏体比中碳钢正火态及调质态具碳马氏体比中碳钢正火态及调质态具有高得多的有高得多的k值；值；3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢低碳马氏体表现出较高的韧性和塑性的低碳马氏体表现出较高的韧性和塑性
5、的原因原因n板条束板条束是脆性断裂的最小断裂单元，板条是脆性断裂的最小断裂单元，板条束的束的宽度宽度愈小，钢的脆性转化温度愈低；愈小，钢的脆性转化温度愈低；n奥氏体晶粒愈细，淬火得到的马氏体的板奥氏体晶粒愈细，淬火得到的马氏体的板条束的宽度也愈窄，韧性也愈好；条束的宽度也愈窄，韧性也愈好；n板条马氏体的板条束是平行长成的，不象板条马氏体的板条束是平行长成的，不象针状马氏体非平行成长而发生相互撞击造针状马氏体非平行成长而发生相互撞击造成微裂纹，这显然也不降低钢的韧性。成微裂纹，这显然也不降低钢的韧性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢
6、n板条马氏体的相界还常常存在连续或板条马氏体的相界还常常存在连续或不不连续的残余奥氏体薄膜连续的残余奥氏体薄膜，这种塑性的第，这种塑性的第二相的存在也促进实现低碳马氏体性能二相的存在也促进实现低碳马氏体性能的优化：的优化：n沿马氏体板条相界呈薄膜分布的奥氏体沿马氏体板条相界呈薄膜分布的奥氏体可以使裂纹分支，增加能量消耗；可以使裂纹分支，增加能量消耗；n也可以钝化裂纹，导致应力集中下降也可以钝化裂纹，导致应力集中下降；n在应力作用下诱导残余奥氏体向马氏体在应力作用下诱导残余奥氏体向马氏体转变而释放应力。转变而释放应力。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机
7、器零件用合金结构钢典型钢种：典型钢种：常用的低碳合金钢淬火获得低常用的低碳合金钢淬火获得低碳马氏体后，可以满足机械制造工业中大碳马氏体后，可以满足机械制造工业中大量常用零件的淬透性和使用性能的要求。量常用零件的淬透性和使用性能的要求。但但对于一些特定的零件，在保证力学性能对于一些特定的零件，在保证力学性能的同时，还要满足的同时，还要满足工艺性能工艺性能的要求的要求。n我国研制成功的低碳马氏体型高强度冷镦我国研制成功的低碳马氏体型高强度冷镦螺栓用钢螺栓用钢15MnVB(15MnB)和石油机械用和石油机械用钢钢20SiMn2MoVA(25SiMn2MoVA)等。等。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型
8、结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l15MnVB钢是一种以冷镦法制造钢是一种以冷镦法制造M20以以下的高强度螺栓用的低碳马氏体型钢。下的高强度螺栓用的低碳马氏体型钢。由于中小直径的螺栓通常采用冷镦成型六由于中小直径的螺栓通常采用冷镦成型六角螺栓头，采用搓丝或滚丝工艺加工螺纹，角螺栓头，采用搓丝或滚丝工艺加工螺纹，这就要求螺栓用钢具有良好的冷镦、搓丝这就要求螺栓用钢具有良好的冷镦、搓丝等加工工艺性能。等加工工艺性能。u采用采用15MnVB钢还可使螺栓的钢还可使螺栓的工艺性能获工艺性能获得显著改善得显著改善。如冷拔、冷镦不易开裂，冷。如冷拔、冷镦不易开裂，冷拔模具、
9、冷镦模具、搓丝板、滚丝轮等不拔模具、冷镦模具、搓丝板、滚丝轮等不易损坏，使工模具寿命提高易损坏，使工模具寿命提高20%30%。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n同时低碳马氏体螺栓用钢的同时低碳马氏体螺栓用钢的回火温度低回火温度低，也节省了电力和炉用耐热材料，并缩短也节省了电力和炉用耐热材料，并缩短了热处理的生产周期，提高了生产效率。了热处理的生产周期，提高了生产效率。n汽车用重要螺栓（连杆螺栓、缸盖螺栓、汽车用重要螺栓（连杆螺栓、缸盖螺栓、半轴螺栓等）过去一般采用中碳调质钢半轴螺栓等）过去一般采用中碳调质钢38Cr（或（或40Cr
10、）制造，但是其）制造，但是其冷镦性能冷镦性能较差。较差。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n15MnVB钢经钢经880淬火加淬火加200回火回火后后具有比具有比40Cr钢调质处理优良的综合力学钢调质处理优良的综合力学性能，即既具有较高的强度又具有良好性能，即既具有较高的强度又具有良好的韧性和低的冷脆转化温度。的韧性和低的冷脆转化温度。n这种钢制造的螺栓的静强度比这种钢制造的螺栓的静强度比40Cr螺栓螺栓提高了三分之一以上，从而使螺栓承载提高了三分之一以上，从而使螺栓承载能力提高了能力提高了45%70%，这不仅显著改，这不仅显著改进了
11、汽车螺栓的质量，而且还能满足大进了汽车螺栓的质量，而且还能满足大功率新型车型的设计要求。功率新型车型的设计要求。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u15MnVB钢的设计还钢的设计还简化了生产流程简化了生产流程，提高了冶金工艺质量。提高了冶金工艺质量。n38Cr（或（或40Cr）铸锭后，钢锭冷却速）铸锭后，钢锭冷却速度快，易产生裂纹，因而要求度快，易产生裂纹，因而要求“红送红送” 或在热态装炉退火。或在热态装炉退火。n而而15MnVB钢的裂纹敏感性小，钢锭不钢的裂纹敏感性小，钢锭不需要红送或退火需要红送或退火，这给生产带来了很大，这
12、给生产带来了很大的方便。的方便。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u为了保证顶锻合格率，为了保证顶锻合格率，38Cr（或（或40Cr）钢）钢坯必须经过酸洗、研磨、消除表面缺陷；坯必须经过酸洗、研磨、消除表面缺陷；n而而15MnVB钢可以取消酸洗、研磨工序钢可以取消酸洗、研磨工序，这也为提高生产率创造了条件；由于低碳这也为提高生产率创造了条件；由于低碳马氏体型钢塑性好，脱碳倾向小，因而钢马氏体型钢塑性好，脱碳倾向小，因而钢材的合格率也大大提高。材的合格率也大大提高。u为了节约成本，不用微量元素为了节约成本，不用微量元素V，制成，制成1
13、5MnB钢钢，其过热敏感性小，晶粒度和低，其过热敏感性小，晶粒度和低温韧性也都表现良好，已用于代替温韧性也都表现良好，已用于代替35CrMo钢制造高强度螺栓。钢制造高强度螺栓。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l20SiMn2MoVA和和25SiMn2MoVA钢。钢。u加入加入Si、Mn、Mo，既能强化马氏体，又，既能强化马氏体，又能保证较高的淬透性；能保证较高的淬透性；uSi、Mn可以保证板条相界残余奥氏体的数可以保证板条相界残余奥氏体的数量及其稳定性，量及其稳定性，Si还可以阻止还可以阻止Fe3C的形核的形核与长大，并推迟回火马
14、氏体脆性的发生；与长大，并推迟回火马氏体脆性的发生；u少量少量V可以细化奥氏体晶粒，改善韧性。可以细化奥氏体晶粒，改善韧性。n合金元素的综合作用使得合金元素的综合作用使得20SiMn2MoVA和和25SiMn2MoVA钢具有较高的淬透性。钢具有较高的淬透性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n20SiMn2MoVA钢的钢的预先热处理预先热处理为为920940 正火，正火，690720高温回火（空冷），硬高温回火（空冷），硬度小于度小于269HB，其切削性能稍差。，其切削性能稍差。最终热处最终热处理理为为900淬油，淬油，250回火。
15、回火。 n20SiMn2MoVA和和25SiMn2MoVA钢都具有较钢都具有较高的综合力学性能，已用于制造某些石油机高的综合力学性能，已用于制造某些石油机械产品的重要零件，并为制造有效截面在械产品的重要零件，并为制造有效截面在100mm左右的机器零件提供了合适的低碳左右的机器零件提供了合适的低碳马氏体型钢种。马氏体型钢种。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢综上所述，综上所述，低碳低合金马氏体型结构低碳低合金马氏体型结构钢钢的设计与开发为机械制造工业增添的设计与开发为机械制造工业增添了一类新型钢种，用于代替了一类新型钢种，用于代替中碳
16、调质中碳调质钢钢可以大幅度减轻结构重量，延长使可以大幅度减轻结构重量，延长使用寿命，改善工艺性能和提高产品质用寿命，改善工艺性能和提高产品质量。因而是机械制造用钢的一个重要量。因而是机械制造用钢的一个重要分支。分支。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 2. 低碳低碳中合金中合金马氏体型结构钢马氏体型结构钢低碳低合金马氏体型结构钢的在强、韧性低碳低合金马氏体型结构钢的在强、韧性结合方面取得了很大的成功。但对于强度结合方面取得了很大的成功。但对于强度和韧性的不同配合要求，还可以通过增加和韧性的不同配合要求，还可以通过增加合金元素来适当增
17、加强度或韧性：合金元素来适当增加强度或韧性：n增加合金元素的含量以增加合金元素的含量以增加钢的韧性增加钢的韧性，如，如18Cr2Ni4WA钢。由于此钢中含有钢。由于此钢中含有4%的的Ni，因而改善了室温和低温韧性和断裂韧，因而改善了室温和低温韧性和断裂韧性，可用于性，可用于大马力高速柴油机曲轴大马力高速柴油机曲轴等。等。n提高合金元素的含量还可提高合金元素的含量还可增加强度增加强度，以获，以获得更高的强度要求。得更高的强度要求。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢25Si2Mn2CrNiMoV低碳中合金马氏体低碳中合金马氏体型超高强度
18、钢的设计思路为：型超高强度钢的设计思路为：l第一第一是保证韧性，是保证韧性，强化低碳马氏体强化低碳马氏体：有：有效利用碳的强化；充分发挥效利用碳的强化；充分发挥Si、Mn、Ni和和Mo的固溶强化；的固溶强化；l第二第二是发挥低碳马氏体韧性高的优越性，是发挥低碳马氏体韧性高的优越性，并探索进一步并探索进一步改善韧性改善韧性的途径。的途径。 具体在具体在以下四个方面：以下四个方面： 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢（1）在合金化强化马氏体的同时，）在合金化强化马氏体的同时，使其使其亚结构基本上保持位错型亚结构基本上保持位错型。合金元素
19、影。合金元素影响马氏体亚结构的一般规律为：缩小响马氏体亚结构的一般规律为：缩小A相区的元素（如相区的元素（如Cr、Mo、W、V等）只等）只形成位错马氏体，而扩大形成位错马氏体，而扩大A相区的元素相区的元素（如（如C、Mn、Ni）在含量低时也只形成）在含量低时也只形成位错马氏体，只有加入量较高时，才能位错马氏体，只有加入量较高时，才能形成孪晶马氏体。形成孪晶马氏体。因此，这类钢通常采因此，这类钢通常采用多组元、少含量的合金化原则，以优用多组元、少含量的合金化原则，以优化马氏体的亚结构。化马氏体的亚结构。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结
20、构钢（2）在马氏体板条相界形成稳定的残余在马氏体板条相界形成稳定的残余奥氏体薄膜奥氏体薄膜。通常，扩大通常，扩大A相区的合金元相区的合金元素均有利于在板条相界产生残余奥氏体薄素均有利于在板条相界产生残余奥氏体薄膜，其中以膜，其中以Mn、Ni为典型代表，因此为典型代表，因此低碳低碳中合金马氏体超高强度钢的设计中，在中合金马氏体超高强度钢的设计中，在考虑考虑Mn、Ni的固溶强化的同时，也希望的固溶强化的同时，也希望通过的加入通过的加入Mn、Ni保证残余奥氏体薄膜保证残余奥氏体薄膜的出现。的出现。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢（3）
21、在保证必要强度的情况下，尽可能在保证必要强度的情况下，尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大的恢复。大的恢复。要做到这一点必须防止高温回火要做到这一点必须防止高温回火时碳的石墨化，同时还要设法抑制回火马氏时碳的石墨化，同时还要设法抑制回火马氏体的脆性。体的脆性。n从防止高温回火时碳的石墨化角度考虑，从防止高温回火时碳的石墨化角度考虑，在进行这类钢的成分设计时，应加入石墨化在进行这类钢的成分设计时，应加入石墨化元素，如元素，如Si、Ni、Al等能有效地阻止等能有效地阻止Fe3C的的形核与长大，并稳定残余奥氏体；形核与长大，并稳定残余奥氏体；n从抑制回火脆性的
22、角度考虑，从抑制回火脆性的角度考虑，应应加入加入Mo，既可引起固溶强化，也可以抑制回火脆性。既可引起固溶强化，也可以抑制回火脆性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢（4）采用精选原料、真空熔炼和细化晶采用精选原料、真空熔炼和细化晶粒粒（添加（添加0.2V%），以减少轧制元素的），以减少轧制元素的含量或改变其分布，也有利于改善钢的含量或改变其分布，也有利于改善钢的韧性。韧性。综上所述，综上所述，l从强化、韧化和保证所需要的组织结构从强化、韧化和保证所需要的组织结构三个方面综合考虑，三个方面综合考虑，Si、Mn、Ni和和Mo是这类钢成分
23、设计时是这类钢成分设计时主要考虑的元素主要考虑的元素。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l次要考虑的合金元素次要考虑的合金元素还有：还有：n从改善淬透性和提高耐蚀性来考虑，从改善淬透性和提高耐蚀性来考虑，加入加入1%左右的左右的Cr也是必要的。也是必要的。n从细化晶粒的角度来考虑，从细化晶粒的角度来考虑，加入加入V可可以细化晶粒，改善强韧性。以细化晶粒，改善强韧性。u因此因此25Si2Mn2CrNiMoV钢的合金设钢的合金设计思路是合金化与强韧性机理综合运计思路是合金化与强韧性机理综合运用的典型例子之一。用的典型例子之一。 3.5
24、马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢二、低合金中碳马氏体型超高强度结构钢二、低合金中碳马氏体型超高强度结构钢背景背景l飞行器提速的需要飞行器提速的需要u当飞行器的马赫数（当飞行器的马赫数（Mach number）M=2时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到100200；u当当M=3时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到200300；u当当M=4时，飞行器表面温度达到时，飞行器表面温度达到540。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 航航天天飞飞机机外外蒙蒙皮皮的的承承受受
25、温温度度 Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢l高强钢与高强度铝合金、钛合金的竞争高强钢与高强度铝合金、钛合金的竞争u由于铝合金在低于由于铝合金在低于150时具有最高的比时具有最高的比强度，且成形性好，因此铝合金是马赫数强度，且成形性好，因此铝合金是马赫数小于小于2的飞行器（飞机）的主要结构材料。的飞行器（飞机）的主要结构材料。 u钛合金在马赫数钛合金在马赫数M=2.53.5范围内（即温范围内（即温度在度在250450）具有最高的比强度，）具有最高的比强度，但钛合金的价格昂贵，且工艺性能较差。但钛合金的价格昂贵，且工艺性能较差。3.5
26、 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢超高强度钢主要用于航空航天器上的高超高强度钢主要用于航空航天器上的高比强度的结构如：比强度的结构如：l制造飞机起落架制造飞机起落架l飞机机身大梁或骨架飞机机身大梁或骨架l火箭发动机外壳火箭发动机外壳l高压容器及常规武器的某些零件等。高压容器及常规武器的某些零件等。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢低合金中碳马氏体型超高强度结构钢是低合金中碳马氏体型超高强度结构钢是在调质钢的基础上发展起来的。在调质钢的基础上发展起来的。l我们知道，调质钢经调质处
27、理（淬火我们知道，调质钢经调质处理（淬火+高高温回火温回火）得到的回火索氏体组织）得到的回火索氏体组织不能充不能充分发挥碳在提高钢的强度方面的潜力。分发挥碳在提高钢的强度方面的潜力。l淬火后如采用淬火后如采用低温回火低温回火则得到中、低碳则得到中、低碳马氏体，马氏体，可以发挥可以发挥碳在过饱和相的固溶碳在过饱和相的固溶强化、强化、-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强与基体共格产生的沉淀强化以及马氏体相变引起的冷作硬化。化以及马氏体相变引起的冷作硬化。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢类型：类型：超高强度钢按成分和使用性能的超高强度钢
28、按成分和使用性能的不同主要分为：不同主要分为：3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢沉淀硬化超高强度不锈钢沉淀硬化超高强度不锈钢中碳中合金二次硬化型中碳中合金二次硬化型高合金超低碳马氏体时效型高合金超低碳马氏体时效型低合金中碳马氏体型低合金中碳马氏体型中合金低碳马氏体型中合金低碳马氏体型合金化：合金化：l碳：碳：u当钢中当钢中碳碳含量每增加含量每增加0.10%时，钢的强时，钢的强度约增加度约增加300MPa：n如钢中碳含量为如钢中碳含量为0.30%时，钢的强度可时，钢的强度可获得获得1700MPa左右；左右；n当碳含量提高到当碳含量提高
29、到0.40%时，钢的强度增时，钢的强度增加到加到2000MPa左右；左右；n当碳含量提高到当碳含量提高到0.50%时，钢的强度增时，钢的强度增加到加到2300MPa左右。左右。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢b=288000C%+800(MPa)u必须指出的是，碳含量增加时，虽然能必须指出的是，碳含量增加时，虽然能增加钢的强度，但是增加钢的强度，但是钢的塑性和韧性是钢的塑性和韧性是下降的下降的；n同时同时工艺性能工艺性能（如加工性、焊接性）也（如加工性、焊接性）也随之随之恶化恶化。n因此通过增加碳含量来提高钢的强度受因此通过增加碳
30、含量来提高钢的强度受对钢的韧性和塑性要求的限制，一般在对钢的韧性和塑性要求的限制，一般在0.20%0.50%的范围内。的范围内。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l合金元素：合金元素：n加入的合金元素为加入的合金元素为Si、Mn、Cr、Ni、Mo等等，以有效地提高钢的过冷奥氏体，以有效地提高钢的过冷奥氏体的稳定性，从而提高钢的淬透性，的稳定性，从而提高钢的淬透性，提高提高钢的强度。钢的强度。n加入加入V、Nb等合金元素等合金元素，以细化奥氏体，以细化奥氏体晶粒，从而细化淬火后的马氏体，有效晶粒，从而细化淬火后的马氏体，有效地地提高
31、钢的塑性和韧性提高钢的塑性和韧性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n加入合金元素使回火马氏体的低温回加入合金元素使回火马氏体的低温回火脆性移向高温，即避开低温回火脆火脆性移向高温，即避开低温回火脆性的温度范围。性的温度范围。由于由于硅硅Si可以增加钢可以增加钢的抗回火稳定性，并能使回火马氏体脆的抗回火稳定性，并能使回火马氏体脆性温度移向高温区。如钢中加入性温度移向高温区。如钢中加入1%2%的硅，可以使回火马氏体脆性的硅，可以使回火马氏体脆性温度推高到温度推高到350。n这样就可以把这类钢的回火温度提高到这样就可以把这类钢的回火温度
32、提高到300320，从而可以在保证高强度，从而可以在保证高强度的同时，适当改善塑性和韧性。的同时，适当改善塑性和韧性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n采取提高钢的纯度，降低钢中夹杂物、采取提高钢的纯度，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素含量的措施。气体及有害杂质元素含量的措施。如如采用真空冶炼、真空自耗和电渣重熔采用真空冶炼、真空自耗和电渣重熔后，杂质元素和夹杂物质量分数可显后，杂质元素和夹杂物质量分数可显著下降。从而进一步改善低合金中碳著下降。从而进一步改善低合金中碳超高强度钢的韧性。超高强度钢的韧性。n表表3-9 几种低合金
33、中碳马氏体型超高强几种低合金中碳马氏体型超高强度结构钢的牌号、化学成分、热处理度结构钢的牌号、化学成分、热处理工艺及室温力学性能工艺及室温力学性能3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢典型钢种：典型钢种：n40CrNi2Mo(4340)：钢中的钢中的铬铬和和锰锰主要是主要是提高淬透性；提高淬透性；镍镍和和铬铬的组合可有效地提高的组合可有效地提高淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性。淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性。n300M（40SiNiCrMoV）：）：在在40CrNi2Mo钢的基础上加入钒和硅并提高钼含量的钢的基础上加入钒和硅并提高
34、钼含量的300M（40SiNiCrMoV）中，加入）中，加入钒钒可以可以细化奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒，硅硅可提高钢的回火稳定可提高钢的回火稳定性，将回火温度由性，将回火温度由200提高到提高到300以上，以上，以改善韧性。以改善韧性。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n300M钢有高的淬透性和强韧性，特别钢有高的淬透性和强韧性，特别是大截面钢材。经过是大截面钢材。经过真空感应炉冶炼和真空感应炉冶炼和电渣重熔成锭电渣重熔成锭，再经过两次镦粗拔长开，再经过两次镦粗拔长开坯，由于钢的纯净度大大提高，在大截坯，由于钢的纯净度大大提高，在
35、大截面上钢的横向力学性能得到改善，纵向面上钢的横向力学性能得到改善，纵向和横向的断裂韧性基本一致。和横向的断裂韧性基本一致。300M钢钢可用于制造大型可用于制造大型飞机的起落架飞机的起落架等重要结等重要结构材料。构材料。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢三、马氏体时效钢三、马氏体时效钢背景背景n低合金中碳马氏体型钢在超高强度结构低合金中碳马氏体型钢在超高强度结构钢中发展的最早，成本低廉，生产工艺钢中发展的最早，成本低廉，生产工艺较为简单，性能已接近较为简单，性能已接近2000MPa的抗拉的抗拉强度，因此其产量仍居超高强度钢总产强度
36、，因此其产量仍居超高强度钢总产量的首位。量的首位。随着强度的升高，塑性、韧随着强度的升高，塑性、韧性不断下降，容易发生材料的早期脆性性不断下降，容易发生材料的早期脆性破坏。破坏。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢主要问题主要问题（1）破坏的性质和缺口的性质有关：破坏的性质和缺口的性质有关：l当构件存在当构件存在钝钝缺口时缺口时（例如应力集中系数（例如应力集中系数K=5），抗拉强度在），抗拉强度在1900MPa2000MPa的的钢种，其实际破坏应力尚能与设计破坏应钢种，其实际破坏应力尚能与设计破坏应力相当；力相当；l当构件存在当构件存
37、在尖锐尖锐缺口时缺口时（如应力集中系数（如应力集中系数K=10），低合金中碳马氏体型钢的），低合金中碳马氏体型钢的抗拉强抗拉强度水平不能超过度水平不能超过1700MPa，否则就会发生，否则就会发生低强度下的早期破断。钢的强度愈高，这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。种早期破坏现象就愈严重。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢（2）低合金中碳马氏体型钢低合金中碳马氏体型钢是中碳钢，在是中碳钢，在热处理过程中热处理过程中有较大的脱碳倾向有较大的脱碳倾向，需要，需要在热处理设备和工艺上采用保护措施。在热处理设备和工
38、艺上采用保护措施。必须指出的是，这类钢的必须指出的是，这类钢的热处理变形较热处理变形较大大，不易校直，不易校直，焊接性较差焊接性较差。n由于用碳强化的低合金中碳马氏体型钢由于用碳强化的低合金中碳马氏体型钢具有具有碳强化的先天性弱点碳强化的先天性弱点。为此就发展。为此就发展了了无碳的马氏体时效钢无碳的马氏体时效钢，它是在，它是在Fe-Ni合合金马氏体基础上，利用时效析出金属间金马氏体基础上，利用时效析出金属间化合物相进一步强化。化合物相进一步强化。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢马氏体时效钢的合金化马氏体时效钢的合金化l合金化原理：
39、合金化原理：n马氏体时效钢的高强度来源于合金元素的马氏体时效钢的高强度来源于合金元素的固溶强化固溶强化、马氏体相变的、马氏体相变的冷作硬化冷作硬化和时效和时效析出金属间化合物的析出金属间化合物的沉淀强化沉淀强化。n由于马氏体时效钢的强化效应是由于置换由于马氏体时效钢的强化效应是由于置换元素在马氏体中固溶及沉淀析出所造成的，元素在马氏体中固溶及沉淀析出所造成的，且这些且这些置换元素大都是铁素体形成元素，置换元素大都是铁素体形成元素，因此要能够得到马氏体基体，必须加入扩因此要能够得到马氏体基体，必须加入扩大大A相区的元素相区的元素。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用
40、合金结构钢机器零件用合金结构钢l合金化元素：合金化元素：n主加元素主加元素NiuNi的加入可以的加入可以保证马氏体的形成保证马氏体的形成，从而增，从而增加基体的强度，并降低其它合金元素在基加基体的强度，并降低其它合金元素在基体中的溶解度；体中的溶解度；uNi的加入能降低点阵中位错运动抗力和位的加入能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，促进应错与间隙元素之间交互作用能量，促进应力松弛，从而力松弛，从而减少脆性断裂倾向减少脆性断裂倾向；uNi的加入还的加入还有利于马氏体中的沉淀相的均有利于马氏体中的沉淀相的均匀形核与成长匀形核与成长，这种均匀沉淀将促进良好，这种均匀沉淀将促进良
41、好的塑性变形特性和高的延性。的塑性变形特性和高的延性。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n加入一定量的钴加入一定量的钴Cou降低残余奥氏体含量：降低残余奥氏体含量：随着镍含量的增随着镍含量的增加，加，MS点也会下降，因此要控制镍的加点也会下降，因此要控制镍的加入量；加入入量；加入钴钴Co能升高能升高MS点；点；u增加钢中扩大增加钢中扩大A相区的能力，降低点阵中相区的能力，降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进板条马氏体的形成。互作用能量，促进板条马氏体的形成。u这种无碳板条马
42、氏体的特征是具有高密这种无碳板条马氏体的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供了大量潜在的度均匀分布的位错，提供了大量潜在的形核位置和保证了较高的扩散速率，从形核位置和保证了较高的扩散速率，从而而保证时效过程中获得细小的沉淀物保证时效过程中获得细小的沉淀物。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n加入合金元素镍、钛、铝、钼、铌等，以加入合金元素镍、钛、铝、钼、铌等，以形成金属间化合物形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和和Fe2Mo相等的沉淀硬化相。相等的沉淀硬化相。u马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑马氏体时效钢的板条马
43、氏体具有良好的塑性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性。性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性。其原因在于板条马氏体中具有大量数目的其原因在于板条马氏体中具有大量数目的可动位错，组织中可动位错的利用率的增可动位错，组织中可动位错的利用率的增加不仅改善塑性，而且使解理缩小到最低加不仅改善塑性，而且使解理缩小到最低限度。限度。u马氏体时效钢的板条马氏体的强度并不高，马氏体时效钢的板条马氏体的强度并不高，但但配合金属间化合物沉淀强化后可获得最配合金属间化合物沉淀强化后可获得最佳的强韧性。佳的强韧性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n加入合金元素
44、钼和加入合金元素钼和钴产生协同效应：钴产生协同效应：加合金元素钼和钴加合金元素钼和钴在形成沉淀强化的在形成沉淀强化的同时，还会形成一同时，还会形成一些附加的效应。如些附加的效应。如钼钼和和钴钴的复合加入，的复合加入，使沉淀强化效应进使沉淀强化效应进一步加强一步加强协同协同效应。效应。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u产生协同效应的原因：产生协同效应的原因：钴钴减小含钼强化相的溶解度，使更多的强减小含钼强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出；化相在时效过程中析出；钼钼还可以降低马氏体时效钢的回火脆性。还可以降低马氏体时效钢的
45、回火脆性。钛钛除了形成沉淀相以外，还会与残余碳或除了形成沉淀相以外，还会与残余碳或氮形成钛的碳氮化合物而细化钢的组织，氮形成钛的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在奥氏体晶界引起各向异性但它们常沉淀在奥氏体晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。效应，并降低钢的塑性。铝铝对马氏体也有一定的强化效应，然而它对马氏体也有一定的强化效应，然而它损害时效前后的延性。损害时效前后的延性。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n严格控制冶炼过程中钢中杂质元素含量。严格控制冶炼过程中钢中杂质元素含量。u碳碳固溶于马氏体中的碳会形成气团，钉扎固溶于马
46、氏体中的碳会形成气团，钉扎位错，位错，降低马氏体的范性降低马氏体的范性；碳与钼、钛、；碳与钼、钛、铌能形成稳定的碳化物，在晶界上析出时铌能形成稳定的碳化物，在晶界上析出时使钢的使钢的韧性降低，缺口敏感性增加韧性降低，缺口敏感性增加，同时，同时还还减少其有效含量，使强化效应减少减少其有效含量，使强化效应减少。u氮氮在钢中形成在钢中形成TiN和和NbN，会作为裂纹源会作为裂纹源。u少量少量硅硅和和锰锰有强化作用，但有强化作用，但对韧性有害对韧性有害。u硫硫形成硫化物，降低钢的横向性能。形成硫化物，降低钢的横向性能。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件
47、用合金结构钢马氏体时效钢的热处理马氏体时效钢的热处理l相变滞后相变滞后是指这类钢在冷却过程中冷却到是指这类钢在冷却过程中冷却到260 320左右时发生马氏体相变，形左右时发生马氏体相变，形成马氏体组织，但把形成的马氏体组织再成马氏体组织，但把形成的马氏体组织再加热时，则必须加热到加热时，则必须加热到520左右时，马氏左右时，马氏体才分解，也正由于这类马氏体组织加热体才分解，也正由于这类马氏体组织加热到一定的温度范围仍保持不变，从而保证到一定的温度范围仍保持不变，从而保证了时效强化得以进行。了时效强化得以进行。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件
48、用合金结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢l马氏体时效钢的典型热处理工艺为：马氏体时效钢的典型热处理工艺为：n815固溶处理固溶处理，随后空冷至室温，合金冷却，随后空冷至室温，合金冷却时转变为马氏体。由于合金中时转变为马氏体。由于合金中Ni含量很高以含量很高以及几乎不存在及几乎不存在C，钢的淬透性极高，因而常常，钢的淬透性极高，因而常常在空气中冷却。在空气中冷却。固溶处理后其硬度在固溶处理后其硬度在3035 HRC之间之间，很容易进行进一步的机械加工。，很容易进行进一步的机械加工。n马氏体时效钢的硬化是通过马氏体时效钢的硬化是通
49、过480时效时效36h来完成的。由于时效过程中来完成的。由于时效过程中形成金属间化合形成金属间化合物物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和和Fe2Mo相等的沉淀相等的沉淀硬化相硬化相仅引起很小的尺寸变化，因而它可以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。作为产品的最终热处理。 3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢马氏体时效钢的优越性能马氏体时效钢的优越性能l在高强度水平下还在高强度水平下还具有高的强重比以及优具有高的强重比以及
50、优越的韧性越的韧性；l比许多常用合金结构钢比许多常用合金结构钢有较好的氢脆和应有较好的氢脆和应力腐蚀抗力力腐蚀抗力；l在固溶处理和时效以后均在固溶处理和时效以后均可进行焊接而不可进行焊接而不需要预热需要预热。n这类钢的这类钢的高合金度高合金度和和生产工艺生产工艺极其严格，极其严格，这使得钢的生产成本很高。这使得钢的生产成本很高。3.5 马氏体型结构钢马氏体型结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n应用于航空、航天的重要构件：应用于航空、航天的重要构件：如大型火箭如大型火箭发动机壳体、空间运载工具的扭力棒悬挂体、发动机壳体、空间运载工具的扭力棒悬挂体、火箭发动机零件、
