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Chapter3机器零件用合金结构钢第二部分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马氏体型结构钢的类型3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢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（表3-5），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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢如从室温到低温（≤-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℃。低温下αk值（表3-6）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有高得多的αk值；3.5马氏体型结构钢Chapter3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，淬火得到的马氏体的板条束的宽度也愈窄，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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢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，这种塑性的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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢典型钢种：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量常用零件的淬透性和使用性能的要求。但对于一些特定的零件，在保证力学性能的同时，还要满足工艺性能的要求。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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢15MnVB钢是一种以冷镦法制造M20以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、搓丝等加工工艺性能。采用15MnVB钢还可使螺栓的工艺性能获得显著改善。如冷拔、冷镦不易开裂，冷拔模具、冷镦模具、搓丝板、滚丝轮等不易损坏，使工模具寿命提高20%~30%。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢同时低碳马氏体螺栓用钢的回火温度低，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。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38Cr（或40Cr）制造，但是其冷镦性能较差。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢15MnVB钢经880℃淬火加200℃回火后具有比40Cr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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢为了保证顶锻合格率，38Cr（或40Cr）钢坯必须经过酸洗、研磨、消除表面缺陷；而15MnVB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。为了节约成本，不用微量元素V，制成15MnB钢，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35CrMo钢制造高强度螺栓。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢20SiMn2MoVA和25SiMn2MoVA钢。加入Si、Mn、Mo，既能强化马氏体，又能保证较高的淬透性；Si、Mn可以保证板条相界残余奥氏体的数量及其稳定性，Si还可以阻止Fe3C的形核与长大，并推迟回火马氏体脆性的发生；少量V可以细化奥氏体晶粒，改善韧性。合金元素的综合作用使得20SiMn2MoVA和25SiMn2MoVA钢具有较高的淬透性。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢20SiMn2MoVA钢的预先热处理为920℃~940℃正火，690℃~720℃高温回火（空冷），硬度小于269HB，其切削性能稍差。最终热处理为900℃淬油，250℃回火。20SiMn2MoVA和25SiMn2MoVA钢都具有较高的综合力学性能，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Ф100mm左右的机器零件提供了合适的低碳马氏体型钢种。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢综上所述，低碳低合金马氏体型结构钢的设计与开发为机械制造工业增添了一类新型钢种，用于代替中碳调质钢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量。因而是机械制造用钢的一个重要分支。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢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的在强、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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢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：3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢（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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢（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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢（3）在保证必要强度的情况下，尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大的恢复。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体的脆性。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，应加入石墨化元素，如Si、Ni、Al等能有效地阻止Fe3C的形核与长大，并稳定残余奥氏体；从抑制回火脆性的角度考虑，应加入Mo，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Chapter3机器零件用合金结构钢（4）采用精选原料、真空熔炼和细化晶粒（添加0.2V%），以减少杂质元素的含量或改变其分布，也有利于改善钢的韧性。综上所述，从强化、韧化和保证所需要的组织结构三个方面综合考虑，Si、Mn、Ni和Mo是这类钢成分设计时主要考虑的元素。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢次要考虑的合金元素还有：从改善淬透性和提高耐蚀性来考虑，加入1%左右的Cr也是必要的。从细化晶粒的角度来考虑，加入V可以细化晶粒，改善强韧性。因此25Si2Mn2CrNiMoV钢的合金设计思路是合金化与强韧性机理综合运用的典型例子之一。3.5马氏体型结构钢Chapter3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背景飞行器提速的需要当飞行器的马赫数（Machnumber）M=2时，飞行器表面温度达到100℃~200℃；当M=3时，飞行器表面温度达到200℃~300℃；当M=4时，飞行器表面温度达到540℃。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢航天飞机外蒙皮的承受温度Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢高强钢与高强度铝合金、钛合金的竞争由于铝合金在低于150℃时具有最高的比强度，且成形性好，因此铝合金是马赫数小于2的飞行器（飞机）的主要结构材料。钛合金在马赫数M=2.5~3.5范围内（即温度在250℃~450℃）具有最高的比强度，但钛合金的价格昂贵，且工艺性能较差。3.5马氏体型结构钢Chapter3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比强度的结构如：制造飞机起落架飞机机身大梁或骨架火箭发动机外壳高压容器及常规武器的某些零件等。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢美军研发超声速斜置机翼高速远程飞机Chapter3机器零件用合金结构钢3.5马氏体型结构钢飞机大梁3.5马氏体型结构钢涡轮风扇喷气发动机加力式涡扇发动机不加力式涡扇发动机3.5马氏体型结构钢涡轮喷气发动机涡喷发动机剖视示意图国产涡喷-7涡轮喷气发动机及剖视图3.5马氏体型结构钢日本海上自卫队“涡潮”级常规潜艇日本海上自卫队“夕潮”级常规潜艇海上自卫队水下杀手：“亲潮”级潜艇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。我们知道，调质钢经调质处理（淬火+高温回火）得到的回火索氏体组织不能充分发挥碳在提高钢的强度方面的潜力。淬火后如采用低温回火则得到中、低碳马氏体，可以发挥碳在过饱和相的固溶强化、α-Fe2.4C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。3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢类型：超高强度钢按成分和使用性能的不同主要分为：3.5马氏体型结构钢Chapter3机器零件用合金结构钢沉淀硬化超高强度不锈钢中碳中合金二次硬化型高合金超低碳马氏体时效型低合金中碳马氏体型中合金低碳马氏体型合金化：碳：当钢中碳含量每增加0.10%时，钢的强度约增加300MPa：如钢中碳含量为0.30%时，钢的强度可获得1700MPa左右；当碳含量提高到0.40%时，钢的强度增加到2000MPa左右；当碳含量提高到0.50%时，