第3章
机器零件用合金结构钢
第二部分
3.5 马氏体型结构钢
马 氏 体 型 结 构 钢 的 类 型
低碳马氏体型结构钢
低碳低合金马氏体型结构钢 低碳中合金马氏体型结构钢
低合金中碳马氏体型超高强度结构钢 马氏体时效钢
3.5 马氏体型结构钢
一,低碳马氏体型结构钢
1. 低碳低合金马氏体型钢 背景:中碳(合金)结构钢经通常的热处理后, 其强度与塑性,韧性是一对互为消长的矛盾. 低碳马氏体型结构钢的组织特点:低碳(合金)结 构钢淬火后形成位错板条马氏体+板条相界残余 奥氏体薄膜+板条内部自回火或低温回火析出的 细小分散碳化物,可实现强,韧,塑性的最佳配 合.
低碳马氏体型结构钢的性能特点:
在静载下具有良好的强度和塑性,韧性的配合, 即使C含量提高到0.25%,这种优良性能仍然存 在; 低碳马氏体型结构钢不仅在静载下具有低的缺 口敏感性,而且还具有低的疲劳缺口敏感性. 低碳马氏体型结构钢与中碳调质钢相比较,其 冷脆倾向性小.
如从室温到低温(≤-60℃)系列冲击试 验中,若取室温αk值的40%时的温度作为 脆性转变温度TC,那么低碳马氏体的冷脆 转变温度为TC≤-60℃- -70℃;而40Cr钢 调质态的TC为-50℃.
低碳马氏体表现出较高的韧性和塑性的原 因:
板条束是脆性断裂的最小断裂单元,板条束的 宽度愈小,钢的脆性转化温度愈低; 奥氏体晶粒愈细,淬火得到的马氏体板条束宽 度也愈窄,韧性也愈好; 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成微裂 纹,这显然也不降低钢的韧性.
板条马氏体的相界还常常存在连续或不 连续的残余奥氏体薄膜,这种塑性第二相 的存在也促进实现低碳马氏体性能的优化: 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; 也可以钝化裂纹,导致应力集中下降; 在应力作用下诱导残余奥氏体向马氏体转 变而释放应力.
典型钢种:
我国研制成功的低碳马氏体型高强 度冷镦螺栓用钢15MnVB(15MnB)和石油机 械用钢20SiMn2MoVA(25SiMn2MoVA)等.
15MnVB钢经880℃淬火+200℃回火后具 有比40Cr钢调质处理优良的综合力学性 能,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. 这种钢制造的螺栓的静强度比40Cr螺 栓提高了三分之一以上,从而使螺栓承载 能力提高了45%-70%,这不仅显著改进了汽 车螺栓的质量,而且还能满足大功率新型 车型的设计要求.
15MnVB钢的设计还简化了生产流程,提高了 冶金工艺质量. 38Cr(或40Cr)铸锭后,钢锭冷却速度快, 易产生裂纹,因而要求"红送" 或在热态装 炉退火. 而15MnVB钢的裂纹敏感性小,钢锭不需要红 送或退火,这给生产带来了很大的方便.
2. 低碳中合金马氏体型结构钢 低碳低合金马氏体型结构钢在强,韧性结合方 面取得了很大的成功.但对于强度和韧性的不 同配合要求,还可以通过增加合金元素来适当 增加强度或韧性: 增加合金元素的含量以增加钢的韧性,如 18Cr2Ni4WA钢.由于此钢中含有4%的Ni,因而 改善了室温和低温韧性和断裂韧性,可用于大 马力高速柴油机曲轴等. 提高合金元素的含量还可增加强度,以获得更 高的强度要求.
25Si2Mn2CrNiMoV低碳中合金马氏体型超高 强度钢的设计思路为: 第一是保证韧性,强化低碳马氏体:有效利 用碳的强化;充分发挥Si,Mn,Ni和Mo的固 溶强化; 第二是发挥低碳马氏体韧性高的优越性,并 探索进一步改善韧性的途径. 具体在以下 四个方面:
(1)在合金化强化马氏体的同时,使其亚结构 基本上保持位错型. 合金元素影响马氏体亚结构的一般规律为: 缩小A相区的元素(如Cr,Mo,W,V等)只形 成位错马氏体,而扩大A相区的元素(如C, Mn,Ni)在含量低时也只形成位错马氏体, 只有加入量较高时,才能形成孪晶马氏体. 因此,这类钢通常采用多组元,少含量的合 金化原则,以优化马氏体的亚结构.
(2)在马氏体板条相界形成稳定的残余奥氏
体薄膜.通常,扩大A相区的合金元素均有利
于在板条相界产生残余奥氏体薄膜,其中以Mn, Ni为典型代表,因此低碳中合金马氏体超高
强度钢的设计中,在考虑Mn,Ni的固溶强化 的同时,也希望通过的加入Mn,Ni保证残余 奥氏体薄膜的出现.
(3)在保证必要强度的情况下,尽可能

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