第4章 航空工程铁合金材料.pdf

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1、崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 目 录 0505 特殊性能钢 0606 铸铁 0101 钢的分类与牌号 0202 钢中的杂质元素与合金元素 0404 工具钢 0303 结构钢 0707 铁合金在航空领域的应用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铁合金是指以铁为主要成分，以碳或其他化学元素为辅助添加元素组成的合金。铁合金 钢 铸铁 钢的分类与牌号钢的分类与牌号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.按化学成分分类 4.1.1钢的分类 钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。表4.1 非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值（GB

2、/T 13304.1-2008）合金元素合金元素 合金元素规定含量界限值（质量分数）合金元素规定含量界限值（质量分数）%非合金钢非合金钢 低合金钢低合金钢 合金钢合金钢 Al 0.10 0.10 B 0.0005 0.0005 Bi 0.10 0.10 Cr 0.30 0.300.50 0.50 Co 0.10 0.10 Cu 0.10 0.100.50 0.50 Mn 1.00 1.001.40 1.40 Mo 0.05 0.050.10 0.10 Ni 0.30 0.300.50 0.50 Nb 0.02 0.020.06 0.06 Pb 0.40 0.40 Se 0.10 0.10 Si

3、 0.50 0.500.90 0.90 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表4.1 非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值（续）合金元素合金元素 合金元素规定含量界限值（质量分数）合金元素规定含量界限值（质量分数）%非合金钢非合金钢 低合金钢低合金钢 合金钢合金钢 Te 0.10 0.10 Ti 0.05 0.050.13 0.13 W 0.10 0.10 V 0.04 0.040.12 0.12 Zr 0.05 0.050.12 0.12 La系（每一种元素）0.02 0.020.05 0.05 其他规定元素（S、P、C、N除外）0.05 0.05 因为海关关税的目的而区分

4、非合金钢、低合金钢和合金钢时，除非合同或订单中另有协议，表中Bi、Pb、Se、Te、La系和其他规定元素（S、P、C、N除外）的规定界限值可不予考虑。1.按化学成分分类 4.1.1钢的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 非合金钢按主要质量等级分为普通质量非合金钢、优质非合金钢、特殊质量非合金钢。低合金钢按主要质量等级分为普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢。合金钢的按主要质量等级分为优质合金钢、特殊质量合金钢。2.按主要质量等级分类和主要性能或使用特性分类（1）按主要质量等级分类 4.1.1钢的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表4.2按主要性能或使用特性

5、分类（GB/T 13304.2-2008）（2）按主要性能或使用特性分类 按化学成分分类 按主要性能或使用特性分类 举例 非合金钢 以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢 冷成型用薄钢板、供镀锡、镀锌、镀铅板带和原板用碳素钢 以规定最低强度为主要特性的非合金钢 碳素结构钢、造船、压力容器、管道等用的结构钢 以限制碳含量为主要特性的非合金钢（合金易切削钢、非合金工具钢除外）钢盘条、非合金调质钢、碳素弹簧钢、焊条用钢 非合金易切削钢 易切削结构钢、特殊易切削钢 非合金工具钢 碳素工具钢 具有专门规定磁性或电性能的非合金钢 电磁纯铁 其他非合金钢 原料纯铁 2.按主要质量等级分类和主要性能或使

6、用特性分类 4.1.1钢的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表4.2按主要性能或使用特性分类（GB/T 13304.2-2008）（续）（2）按主要性能或使用特性分类 按化学成分分类 按主要性能或使用特性分类 举例 低合金钢 可焊接的低合金高强度结构钢 一般用途低合金结构钢、锅炉、压力容器、造船、汽车用低合金钢 低合金耐候钢 低合金耐候钢 低合金混凝土用钢及预应力用钢 一般低合金钢筋钢、预应力混凝土用钢 铁道用低合金钢 低合金轻轨钢、低合金重轨钢 矿用低合金钢 矿用低合金钢、矿用低合金结构钢 其他低合金钢 易切削结构钢、焊接用钢 合金钢 工程结构用合金钢 一般工程结构用合金钢、合

7、金钢筋钢、压力容器用钢、汽车用钢、预应力用合金钢、矿用合金钢、高锰钢、耐磨钢 机械结构用合金钢 调质合金结构钢、表面硬化合金结构钢、冷塑性成型、合金弹簧钢 不锈、耐蚀和耐热钢 马氏体型钢、铁素体型钢、奥氏体型钢、奥氏体-铁素体型钢、沉淀硬化型钢 工具钢 合金工具钢、高速钢 轴承钢 高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢 特殊物理性能钢 软磁钢、永磁钢、无磁钢及高电阻钢和合金 其他 焊接用合金钢 2.按主要质量等级分类和主要性能或使用特性分类 4.1.1钢的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号（1）碳素结构钢和低合金高强度结构

8、钢 碳素结构钢和低合金高强度结构钢的牌号通常有四部分组成。第一部分：前缀符号+强度值（以N/mm2或MPa为单位），其中通用结构钢前缀符号为代表屈服强度的拼音的字母“Q”，专用结构钢的前缀表4.3；第二部分（必要时）：钢的质量等级，用英文字母A、B、C、D、E、F等表示，顺序按硫、磷含量降低；表4.3 专用结构前缀（摘自GB/T 221-2008）名称名称 采用的汉字及汉语拼音或英文单词采用的汉字及汉语拼音或英文单词 采用采用 字母字母 位置位置 汉字汉字 汉语拼音汉语拼音 英文单词英文单词 热轧光圆钢筋 热轧光圆钢筋 Hot Rolled Plain Bars HPB 牌号头 热轧带肋钢筋

9、热轧带肋钢筋 Hot Rolled Ribbed Bars HRB 牌号头 细晶粒热轧带肋钢筋 粒热轧带肋钢筋+细 Hot Rolled Ribbed Bars+Fine HRBF 牌号头 冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋 Cold Rolled Ribbed Bars CRB 牌号头 预应力混凝土用螺纹钢筋 预应力、螺纹、钢筋 Prestressing、Screw、Bars PSB 牌号头 焊接气瓶用钢 焊瓶 HAN PING HP 牌号头 管线用钢 管线 Line L 牌号头 船用锚链钢 船锚 CHUAN MAO CM 牌号头 煤机用钢 煤 MEI M 牌号头 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技

10、术学院 （1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢 第三部分：脱氧方式符号，即沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。镇静钢、特殊镇静钢的表示符号通常可以省略；第四部分（必要时）：产品用途、特性和工艺方法表示符号，见表4.4。表4.4 产品用途、特性和工艺方法表示符号（摘自GB/T 221-2008）名称名称 采用的汉字及汉语拼音或英文单词采用的汉字及汉语拼音或英文单词 采用采用 字母字母 位置位置 汉字汉字 汉语拼音汉语拼音 英文单词英文单词 锅炉和压力容器用钢 容 RONG R 牌号尾 锅炉用钢（管）锅 GUO G 牌号尾 低温压力容器用钢 低容 DI RONG DR 牌

11、号尾 桥梁用钢 桥 QIAO Q 牌号尾 耐候钢 耐候 NAI HOU NH 牌号尾 高耐候钢 高耐候 GAO NAI HOU GNH 牌号尾 汽车大梁用钢 梁 LIAN L 牌号尾 高性能建筑结构用钢 高建 GAO JIAN GJ 牌号尾 低焊接裂纹敏感性钢 低焊接裂纹敏感性 Crack Free CF 牌号尾 保证淬透性钢 淬透性 Hardenability H 牌号尾 矿用钢 矿 KUANG K 牌号尾 船用钢 采用国际符号 1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号

12、也可以采用二位阿拉伯数字（表示平均含碳量，以万分之几计）加元素符号及必要的产品用途、特性和工艺方法表示符号，按顺序表示。如20Mnk，表示含碳量为0.15%0.26%，锰含量为1.20%1.60%的矿用钢。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢 优质碳素结构钢的牌号通常由五部分组成。第一部分：以二位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）；第二部分（必要时）：较高含锰量的优质碳素结构钢，加锰元素符号Mn；第三部分（必要时）：钢材冶金质量，即高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示；第四部

13、分（必要时）：脱氧方式符号，即沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。镇静钢、特殊镇静钢的表示符号通常可以省略；第五部分（必要时）：产品用途、特性和工艺方法表示符号，见表4.4。优质碳素弹簧钢的牌号表示方法与优质碳素结构钢相同。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）合金结构钢和合金弹簧钢 合金结构钢通常由四部分组成。第一部分：以二位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）；第二部分：合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示，具体表示方法为：平均含量小于1.5%时，牌号仅标明元素，一般不标明含量；平均含量为1

14、.50%2.49%、2.50%3.49%、3.50%4.49%、4.50%5.49%时，在合金元素后应相应写成2、3、4、5。化学元素符号的排列顺序推荐按含量值递减排列，如果两个或多个元素含量相等时，相应符号位置按英文字母的顺序排列；第三部分：钢材冶金质量，即高级优质钢、特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示；第四部分（必要时）：产品用途、特性和工艺方法表示符号，见表4.4。合金弹簧钢的牌号表示方法与合金结构钢相同。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）工具钢 1）碳素工具钢 碳素工具钢牌号通常由四部分组成。第一部分：碳素工具

15、钢符号“T”；第二部分：以二位阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几计）；第三部分（必要时）：较高锰含量的碳素工具钢，加锰元素符号Mn；第四部分（必要时）：钢材冶金质量，即高级优质碳素工具钢以A表示，优质钢不用字母表示。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）工具钢 2）合金工具钢 合金工具钢牌号通常由两部分组成。第一部分：平均含碳量小于1.00%时，采用一位数字表示含碳量（以千分之几计）；平均含碳量不小于1.00%时，不标明含碳量数字。第二部分：合金元素含量，以化学元素符号及阿拉伯数字表示，表示方法同合金结构钢第二部分。低铬（平均含铬量

16、小于1%）合金工具钢，在铬含量（以千分之几计）前加数字“0”。如9SiCr表示碳质量分数平均为Wc=0.85%0.95%，Wsi=1.20%1.60%、WCr=1.95%1.25%。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）工具钢 3）高速工具钢 高速工具钢牌号表示方法与合金结构钢相同，但在牌号头部一般不标明表示含碳量的阿拉伯数字。为了区别牌号，在牌号头部可以加“C”表示高碳高速工具钢。如CW6Mo5Cr4V2。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （5）轴承钢 1）高碳铬轴承钢 高碳

17、铬轴承钢牌号通常由两部分组成。第一部分：（滚珠）轴承钢表示符号“G”，但不标明含碳量。第二部分：合金元素“Cr”符号及其含量（以千分之几计），其他合金元素含量，以化学元素符号及其阿拉伯数字表示，表示方法同合金结构钢第二部分。2）渗碳轴承钢 在牌号头部加“G”，采用合金结构钢的牌号表示方法。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。如G20CrNiMoA。3）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢 在牌号头部加“G”，采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （6）不锈钢和耐热钢 1）碳含量用两位或三位阿拉伯数字表示含碳量最

18、佳控制值（以万分之几或十万分之几计）。只规定碳含量上限者，当碳含量上限不大于0.10%时，以其上限的3/4表示碳含量。例如WC0.08%，WCr=18.00%20.00%，WNi=8.00%11.00%的不锈钢，牌号为06Cr19Ni10。当碳含量上限大于0.10%时，以其上限的4/5表示碳含量。例如WC0.25%，WCr=24.00%26.00%，WNi=19.00%22.00%的耐热钢，牌号为20Cr25Ni20。对超低碳不锈钢（即碳含量不大于0.030%），用三位阿拉伯数字表示含碳量最佳控制值（十万分之几计）。WC0.030%，WCr=16.00%19.00%，WTi=0.10%1.00

19、%的不锈钢，牌号为022Cr18Ti。规定上、下限者，以平均碳含量100表示。如碳含量0.16%0.25%时，其牌号的中的碳含量以20表示。例如WC=0.15%0.25%，WCr=14.00%16.00%，WMn=14.00%16.00%，WNi=1.50%3.00%，WN=0.15%0.30%的不锈钢，牌号为20Cr15Mn15Ni2N。2）合金元素含量以化学元素符号及阿拉伯数字表示，表示方法同合金结构钢第二部分。钢中有意加入的铌、钛、锆、氮等合金元素，虽然含量很低，也应在牌号中标出。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （7）铸钢 根据

20、GB/T 5613-2014，铸钢代号用“铸”和“钢”两字的汉语拼音的第一个大写正体字母“ZG”表示。当要表示铸钢的特殊性能时，可以用代表铸钢特殊性能的汉语拼音的第一个大写正体字母排列在铸钢代号的后面。焊接结构用铸钢用“ZGH”表示、耐热铸钢用“ZGR”表示、耐蚀铸钢用“ZGS”表示、耐磨铸钢用“ZGM”表示。1）以力学性能表示的铸钢牌号 牌号：ZG+屈服强度最低值-抗拉强度最低值。如ZG200-400。2）以化学成分表示的铸钢牌号 牌号：ZG+碳含量（两位或三位，以万分之几计）+合金元素及含量（以百分之几计）平均碳含量0.1%，第一位数字为“0”，名义碳含量用上限表示；碳含量0.1%，牌号中

21、名义碳含量用平均碳含量表示。如ZG15Cr2MoV、ZGM120Mn13Cr2RE。1.钢的牌号的表示方法 4.1.2钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.钢铁牌号统一数字代号体系 统一数字代号由固定的6位符号组成，左边首位用大写的拉丁字母作前缀（一般不用“I”和“O”），后接5位阿拉伯数字，字母和数字之间应无间隙排列。每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号，其结构形式如下：大写拉丁字母，代表不同钢铁及合金类型 第一位阿拉伯数字，代表各类型钢铁及合金细分类 第二、三、四、五位阿拉伯数字，代表不同分类内的编组和同一编组内不同牌号的区别顺序号（各类型材料编组不同）4.1.2

22、钢铁材料的编号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 钢中的杂质元素与合金元素 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.硫、磷的影响 4.2.1钢中常存杂质元素对性能的影响 硫、磷都是炼铁时矿石及燃料中带来的有害杂质，在炼钢时未能全部除掉而残留于钢中。硫使钢在高温下产生脆性，称为热脆性。磷主要溶于铁素体中，明显提高钢的强度，但在室温下使钢的塑性、韧性显著下降，尤其在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。生产中应严格控制磷含量，一般Wp0.040%。2.锰、硅的影响 硅、锰来自炼钢原料，硅和锰还可以作为脱氧剂残留在钢中，它们是钢中的有益元素。锰有较好的脱氧能力，可使钢中的FeO还原成铁，改

23、善钢的质量；硅能与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响；锰和硅能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度；锰能进入渗碳体代替部分铁原子，形成合金渗碳体。当锰、硅含量不高时，对钢性能影响不大。作为杂质元素，碳钢中锰、硅含量分别控制在0.8%和0.5%以下。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.合金元素与碳的相互作用 4.2.2 合金元素在钢中的主要作用 合金元素按其与钢中碳的相互作用的情况，可将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等属于非碳化物形成元素。铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等属于碳化物形成元素。所有合金元素都能不同程

24、度地溶入铁素体或奥氏体中形成合金铁素体或合金奥氏体，起到固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性和韧性下降。a)对韧性的影响 b）对硬度的影响 图4.1 合金元素对铁素体力学性能的影响 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 当含量超过溶解度以后，碳化物形成元素以合金渗碳体或合金碳化物的形式存在。一些合金元素置换渗碳体中的部分铁原子形成合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。一些强碳化物形成元素可以形成特殊碳化物，如WC、VC、TiC、Mo2C、Cr23C6、Fe3W3C、

25、Cr7C3等。通常，碳化物越稳定，其硬度越高；碳化物颗粒越细小，对钢的强化效果越显著。高速钢制作的刃具因含有大量稳定性高的碳化物，故其硬度高，耐磨性好。1.合金元素与碳的相互作用 4.2.2 合金元素在钢中的主要作用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 扩大奥氏体区元素：Mn、Ni、C、N、B、Cu等元素可使A3向左下方移动，A1降低，扩大了奥氏体单相区，如图4.2a所示。当钢中含有大量的这类元素时，可在室温形成单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。缩小奥氏体区元素：合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、Nb、Zr等可使A3向左上方移动，缩小了奥氏

26、体单相区，如图4.2b所示。当钢中含有较多这类元素时，可在室温形成单相铁素体组织，称为铁素体钢。（a）锰的影响 （b）铬的影响 图4.2 合金元素锰、铬对Fe-Fe3C相图的影响 4.2.2 合金元素在钢中的主要作用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 单相奥氏体和单相铁素体具有抗蚀、耐热等性能，是不锈钢、耐热钢中常见的组织。对S、E点位置的影响：加入合金元素后，S、E点左移。S点左移，使共析成分的含碳量降低，使原来的亚共析钢变为共析钢或共析钢；E点左移，发生共晶转变的含碳量降低，含碳量低于2.11%的钢中出现莱氏体组织。2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 4.2.2 合金元素在钢中

27、的主要作用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.合金元素对热处理的影响 4.2.2 合金元素在钢中的主要作用（1）对钢加热转变的影响 除钴、镍外，大多数合金元素均减缓奥氏体形成过程。合金元素（除锰、磷外）均不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大，强碳化物形成元素更为显著。（2）对奥氏体冷却转变的影响 除钴、铝外（wAl2.5%）能不同程度地阻碍碳的扩散，使奥氏体稳定性增加，C曲线右移，提高钢的淬透性。合金元素（钴、镍外）除外，均会推迟珠光体转变。Cr、Mn、Ni对贝氏体转变有较大的推迟作用。大多数合金元素（除钴、铝外）均使Ms和Mf降低，其中锰使Ms、Mf下降最为显著，从而增加了淬火后钢中残留

28、的奥氏体含量。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）对回火转变的影响 1）提高钢的耐回火性（回火稳定性）耐回火性是指淬火钢在回火时抵抗软化的能力。大多数合金元素（尤其是强碳化物形成元素）对原子扩散起阻碍作用，延缓了马氏体分解。因此，在相同回火温度下，合金钢的硬度和强度比相同含碳量的碳钢高，即合金元素提高了钢的耐回火性。2）产生二次硬化 含有较多Mo、Cr、W、V等碳化物形成元素的合金钢，在500-600回火时，将从马氏体中析出特殊合金碳化物。这类碳化物硬度高，颗粒细小，数量多，分散均匀，使钢回火后硬度有所提高，此现象称为二次硬化，如图4.3所示。图4.3 Mo、Cr、W、V含量较高的

29、高合金钢的硬度与回火温度关系曲线 3.合金元素对热处理的影响 4.2.2 合金元素在钢中的主要作用 3）回火脆性 W、Mo可抑制第二类回火脆性。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 结构钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.1碳素结构钢 碳素结构钢冶炼简便，成本低，含碳量低，在热轧空冷状态下以板、带、棒及型钢的形式使用。其塑性高，焊接性好。这类钢的用量约占钢材总量的70%，一般不进行热处理，对某些零件也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高使用性能。4.3.2低合金高强度结构钢 低合金钢高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素而形成的钢。钢中Wc0.2，常加入的合金元

30、素有硅、锰、钛、铌、钒等，其总含量WMe3。钢中含碳量低是为了获得良好的塑性、焊接性和冷变形能力。低合金高强度结构钢大多在热轧、正火状态下供应，组织为铁素体加珠光体，使用时一般不再进行热处理。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.3优质碳素结构钢 这类钢中有害杂质元素硫、磷受到严格控制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好。供货状态通常为热轧或热锻状态。一般热处理后使用，主要制作较重要的机械零件。按锰含量不同，优质碳素结构钢可分为正常锰含量的钢和较高锰含量的钢。正常锰含量的钢，当含碳量小于0.25%时，锰含量在0.35%0.65%之间；当含碳量大于0.25%时，锰含量在0.50%0

31、.80%之间。较高锰含量的钢，当含碳量为0.15%0.60%时，锰含量在0.70%1.00%之间；当碳含量大于0.60%时，锰含量在0.90%1.20%之间。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.4渗碳钢 渗碳钢是指经渗碳（或碳氮共渗）淬火、低温回火后使用的钢。主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如某些机械零件的齿轮、内燃机凸轮轴、活塞销等。这些零件的表面硬度高、耐磨性好，心部具有足够的强度和韧性，达到“表硬里韧”。1.工作条件和性能要求（1）C含量0.100.25，可保证心部有良好的塑性和韧性。（2）加入合金元素Ni、Cr、Mn、B等，作用是提高淬透性，

32、强化铁素体，改善表面和心部的组织与性能。镍在提高心部强度的同时还能提高韧性和淬透性。（3）加入微量的Mo、W、V、Ti等合金元素，能够形成稳定的合金碳化物，防止渗碳时晶粒长大，提高渗碳层的硬度和耐磨性。2.化学成分 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）低淬透性合金渗碳钢 常用的有15Cr、20Cr、20Mn2、20MnV等。这类钢碳和合金元素总的质量分数(Me2)较低，淬透性较差，水淬临界直径约为2035mm，心部强度偏低。（2）中淬透性合金渗碳钢 常用的有20CrMnTi、20CrMn、20CrMnMo、20MnVB等。这类钢合金元素的质量分数（WMe4）较高，淬透性较好，油淬临

33、界直径约为2560mm，渗碳淬火后有较高的心部强度。（3）高淬透性合金渗碳钢 常用的有18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4等。这类钢的合金元素的质量分数更高(WMe7.5)，在铬、镍等多种合金元素共同作用下，淬透性很高，油淬临界直径大于100mm，淬火和低温回火后心部有很高的强度。4.3.4渗碳钢 2.化学成分 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是淬火加低温回火，或是渗碳后直接淬火。渗碳后工件表面碳的质量分数可达到0.801.05，热处理后表面渗碳层的组织是回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体，硬度可达到6062HRC。心部组织与钢的淬透性和零

34、件的截面尺寸有关，全部淬透时为低碳回火马氏体+铁素体，硬度为4048HRC。未淬透时为索氏体+铁素体，硬度为2540HRC。3.热处理特点 4.3.4渗碳钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 某航空发动机的齿轮如图4.4所示，材料为12Cr2Ni4A。该钢含有大约2%Cr、4%Ni，属于高淬透性合金渗碳钢，通常尺寸大小的零件均能淬透。渗碳技术要求：齿面渗碳层深度为0.91.1mm，加工余量为0.1620.230mm，渗碳表面硬度60HRC，非渗碳表面和基体硬度为3141HRC。4.应用实例 4.3.4渗碳钢 图4.4 齿轮 该齿轮的制造工艺流程如下：模锻正火高温回火机加工非渗碳面镀铜渗

35、碳高温回火精加工淬火冷处理低温回火退铜磨削。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.5调质钢 调质钢主要用于制造受力较复杂的重要结构零件，如航空发动机的涡轮轴、飞机起落架的承力零件、油泵的传动轴等。这些零件大多工作在交变载荷、冲击载荷的条件下，不仅要求具有较高的强度，还要求具有良好的塑性和韧性，即具有优良的综合力学性能。1.工作条件和性能要求 调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在0.300.50%之。合金调质钢的主加元素是铬、镍、硅、锰，它们的主要作用是提高淬透性，并能够溶入铁素体中使之强化，还能使韧性保持在较理想的水平。钒、钛、钼、钨等能细化晶粒，提高钢的回火稳定性。钼、钨还可以

36、减轻和防止钢的第二类回火脆性，微量硼对C曲线有较大的影响，能明显提高淬透性。铝则可以加速钢的氮化过程。2.化学成分 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）低淬透性合金调质钢 多为锰钢、硅锰钢、铬钢、硼钢，有40Cr、40MnB、40MnVB等。这类钢合金元素总的质量分数（Me2.5）较低，淬透性不高，油淬临界直径约为2040mm。（2）中淬透性合金调质钢 多为铬锰钢、铬钼钢、镍铬钢，如35CrMo、38CrMoAl、38CrSi、40CrNi等。这类钢合金元素的质量分数较高，油淬临界直径大于4060mm。（3）高淬透性合金调质钢 多为铬镍钼钢、铬锰钼钢、铬镍钨钢，如40CrNiMoA

37、、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。这类钢合金元素的质量分数最高，淬透性也很高，油淬临界直径大于60100mm。铬和镍的适当配合，使此类钢的力学性能更加优异。2.化学成分 4.3.5调质钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 预先热处理采用退火或正火工艺，目的是改善锻造组织，细化晶粒，为最终热处理作组织上的准备最终热处理是淬火+高温回火，淬火加热温度在850左右，回火温度在500650之间。合金调质钢的淬透性较高，一般都在油中淬火，合金元素质量分数较高的钢甚至在空气中冷却也可以得到马氏体组织。为了避开第二类回火脆性发生区域，回火后通常进行快速冷却。热处理组织是回火索氏体，某些零件

38、除了要求良好的综合力学性能外，表面对耐磨性还有较高的要求，这样在调质处理后还可以进行表面淬火或氮化处理。根据零件的实际要求，调质钢也可以在中、低温回火状态下使用，这时得到的组织是回火托氏体或回火马氏体。它们的强度高于调质状态下的回火索氏体，但冲击韧性值较低。3.热处理特点 4.3.5调质钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 某发动机的九级压气机盘如图4.5所示，选用材料30CrMnSiA制造。该零件的技术要求为：热处理弯曲变形1.1mm，布氏硬度值为300365HBW，横向力学性能：Rm990MPa，ReL765MPa，A5%，Z27%，ak0.8MJ/m2。4.应用实例 4.3.5调

39、质钢 图4.5某发动机的九级压气机盘 该压气机盘的制造工艺流程如下：模锻880正火机械加工880淬火550高温回火（水冷）精加工。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.6 弹簧钢 弹簧在工作时主要受冲击、振动等动载荷以及承受扭转、弯曲等交变应力作用，要求弹簧钢必须有较高的强度、疲劳极限、弹性极限，以保证有足够的弹性变形能力，承受较大负荷，能吸收冲击能量，从而缓和振动和冲击。同时，弹簧钢还要求一定的塑性和韧性，一定的淬透性，过热敏感性低，不易脱碳等。特殊场合下，弹簧钢还应具有一定的耐热性、耐蚀性等。弹簧钢主要用于制作各种弹簧和弹性元件，如仪表弹簧、发动机气门弹簧等。1.工作条件和性能

40、要求 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 常用弹簧钢材料为优质碳素弹簧钢和低合金弹簧钢。非合金弹簧钢含碳量为0.40%0.90%，按照含锰量又分为一般含锰量（0.50%0.80%Mn）和较高锰含量（0.90%1.20%Mn）两类。非合金弹簧钢制成的弹簧件力学性能较差，只能做一些工作在不太重要场合的小弹簧。低合金弹簧钢常加入硅和锰，主要是为了提高淬透性和屈强比，硅的作用比较明显，但是硅会使弹簧钢热处理表面脱碳倾向增大，锰则会使钢易于过热。铬、钒、钨的加入为的是在减少弹簧钢脱碳、过热倾向的同时，进一步提高其淬透性和强度，这些元素可以提高过冷奥氏体的稳定性，使大截面弹簧得以在油中淬火，降低其变

41、形、开裂的几率。此外，钒还可以细化晶粒，钨、钼能防止第二类回火脆性，硼则有利于淬透性的进一步提高。2.化学成分 4.3.6 弹簧钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 根据弹簧的生产方式不同，可分为冷成型弹簧和热成形弹簧两类，它们的热处理工艺也有所不同。（1）冷成形弹簧 1）铅浴处理冷拉钢丝 2）油淬回火钢丝 3）退火状态钢丝（2）热成形弹簧的热处理 直径或厚度较大（1015mm）的螺旋弹簧或板簧，一般在高于正常淬火温度5080的条件下热成形，再经淬火+中温回火，获得回火托氏体，硬度为4048HRC。热成形弹簧也可进行等温淬火强化，获得下贝氏体组织。弹簧热处理后一般还要进行喷丸处理。3.

42、热处理特点 4.3.6 弹簧钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.7滚动轴承钢 滚动轴承在工作时，滚动体与套圈处于点或线接触方式，承受很高的周期性交变承载，经常会发生疲劳破坏使局部产生小块的剥落。除滚动摩擦外，滚动体和套圈还存在磨损失效。滚动轴承必须具有较高的淬透性，高且均匀的硬度和耐磨性，良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度，在大气及润滑介质下有良好的耐蚀性和尺寸稳定性。1.工作条件和性能要求 高碳铬钢，含碳量约为0.951.05。铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，合金渗碳体(Fe，Cr)3C，可以使奥氏体晶粒细化，减轻钢的过热敏感性，提高耐磨性和增加韧性。但铬的含量不易过

43、高。对大型轴承（如钢珠直径超过3050mm的滚动轴承），还可以加入硅、锰、钒，进一步提高淬、强度、耐磨性和回火稳定性。滚动轴承钢的接触疲劳强度等对杂质和非金属夹杂物的含量和分布比较敏感，硫、磷的质量分数分别控制在0.020和0.025之内，其他杂质也应控制在规定的范围之内。2.化学成分 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 滚动轴承的预先热处理采用球化退火，目的是得到细粒状珠光体组织，降低锻造后钢的硬度（一般不高于210HBW），提高切削加工性能，并为最终热处理作组织准备。滚动轴承钢的最终热处理为淬火+低温回火。GCr15是用量最大的轴承钢，淬火加热温度严格控制在820840，150160

44、回火，组织应为回火马氏体+细小粒状碳化物+少量残余奥氏体，硬度为6165HRC。对于尺寸性稳定要求很高的精密轴承，可在淬火后于-60-80进行冷处理，减少残余奥氏体的量，然后进行低温回火和磨削加工，最后稳定化处理（120130保温510h），消除应力，稳定组织和尺寸。3.热处理特点 4.3.7滚动轴承钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.8超高强度钢 习惯上将室温抗拉强度超过1500MPa或屈服强度超过1380MPa的合金结构钢称为超高强度钢，以别于一般的调质及非调质的高强度钢。超高强度钢除了要求其高的抗拉强度外，还要求具有一定塑性和韧性。按合金化程度 低合金超高强度钢-淬火加

45、低温回火的马氏体钢 中合金超高强度钢-热作模具钢5%Cr-Mo-V的改型钢种 高合金超高强度钢-包括马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢等 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.8超高强度钢 低合金中碳马氏体强化型超高强度钢（MART），一般含碳量0.300.45，合金元素总量一般不超过6%，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo、W和V的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒。钢中杂质容易造成脆性，只有置换元素和间隙元素含量极少的超纯钢才可克服脆性。主要牌号：镍铬钼调质钢4340（40CrNi2MoA）、镍铬钼钒钢D6AC

46、（45CrNiMo1VA）、铬锰硅镍钢N31（30CrMnSiNi2A）、300M钢（40CrNi2Si2MoVA或42CrNi2Si2MoVA）、硅锰钼钒或硅锰铬钼钒钢等。由于这类钢中合金元素含量较低，成本低，生产工艺简单，广泛用于飞机大梁、起落架、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。1.低合金超高强度钢 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.8超高强度钢 表4.13 低合金超高强度钢的力学性能（摘自GB/T 38809-2020）1.低合金超高强度钢 牌号 推荐热处理制度 取样 方向 公称尺寸/mm Rm/MPa Rp0.2/MPa A/%Z/%KU2/J

47、 不小于 40CrNi2MoA 组 90010保温10.1h空冷 85020保温10.1h油冷 56010保温20.2h空冷 纵向 300 1080 980 12 45 47 组 90010保温10.1h空冷 84010保温10.1h油冷 一次22020保温20.2h空冷 二次22020保温20.2h空冷 纵向 80300 1794 1497 6 25-40CrNi2Si2MoVA 预备热处理 92515保温10.1h空冷 650700保温14h空冷 最终热处理 87015保温10.1h油冷 一次3005保温20.2h空冷 一次3005保温20.2h空冷 纵向 400 1860 1515 8

48、30 39 横向 285 1860 1515-平均30 单个25 23 285400 1860 1515-平均25 单个20 23 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.8超高强度钢 表4.13 低合金超高强度钢的力学性能（摘自GB/T 38809-2020）1.低合金超高强度钢 牌号 推荐热处理制度 取样 方向 公称尺寸/mm Rm/MPa Rp0.2/MPa A/%Z/%KU2/J 不小于 42CrNi2Si2MoVA 预备热处理 92515保温10.1h空冷 650700保温14h空冷 最终热处理 87015保温10.1h油冷 一次3005保温20.2h空冷 一次3005保温

49、20.2h空冷 纵向 400 1930 1585 6 25-横向 280 1930 1585-平均30 单个25-280340 1930 1585-平均25 单个20-340400 1930 1585-平均20 单个15-30CrMnSiNi2A 90010保温10.1h油冷 200300保温22.5h空冷 纵向 200 1620 1375 9 45 47 横向 1620 1375 5 25 27 纵向 200300 1620 1375 8 40 39 横向 1620 1375 5 25 24 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.3.8超高强度钢 表4.13 低合金超高强度钢的力学性

50、能（摘自GB/T 38809-2020）1.低合金超高强度钢 牌号 推荐热处理制度 取样 方向 公称尺寸/mm Rm/MPa Rp0.2/MPa A/%Z/%KU2/J 不小于 30Si2MnCrMoVE 910930保温10.1h空冷 920940保温10.1h油冷 290310保温30.2h空冷 纵向 450 1620 1320 9 40 40 31Si2MnCrMoVE 910930保温10.1h空冷 920940保温10.1h油冷 290310保温30.2h空冷 纵向 450 1620 1320 9 40 40 45CrNiMo1VA 890920保温10.1h空冷 880900保温1