材料工程学院金属材料力学性能（论文）20Cr钢强化方法的研究现状学生姓名：xxxxxxxx学生学号：xxxxxxxxxxxxx院（系）：材料工程学院年级专业：xxxxxxxxxxxxx指导教师：xxxxxxx 讲师二〇一三年12月目录目录 (2)1 20CR钢 (3)1.1简介 (3)1.2特性 (3)1.3加工 (3)1.4工艺及规范 (4)1.4.1工艺路线 (4)1.4.2工艺规范 (4)1.5主要特性 (4)1.6应用举例 (4)2 20CR强化手段及其应用 (5)2.1固溶强化 (5)2.2弥散强化 (5)2.3细晶强化 (5)2.4冷变形强化 (6)2.5马氏体强化 (6)2.6形变一相变强化 (6)2.7形变强化 (6)2.8脱溶强化 (7)2.9表面热处理 (7)2.9.1渗碳 (7)2.9.2渗氮 (7)参考文献 (8)1 20Cr钢1.1 20Cr钢简介20钢的20是指含碳量，含碳量为0.2%，属于低碳钢。
钢中可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
低碳钢：含碳量一般小于0.25%；中碳钢：含碳量一般在0.25～0.60%之间；高碳钢：含碳量一般大于0.60%。
钢中除含有碳(C)元素和为脱氧而含有一定量硅(Si)(一般不超过0.40%),锰(Mn)(一般不超过0.80%,较高可到1.20%)合金元素外,不含其他合金元素(残余元素除外)。
含碳量低于 2.1%为钢，含碳量高于2.1%为铁。
钢中含碳量越高其韧性越差，铁中含碳量越高其韧性越好。
20Cr钢是我国目前产最大的几个合金结构钢之一，用途非常广泛。
供货状态及硬度：退火态，硬度≤179HBS。
它的化学成分[质量分数(%)]、参考对应钢号以及相变点对应温度分别如下表1、表2、表3：元素 C Si Mn Cr P S 质量分数0.18-0.24 0.17-0.37 0.5-0.8 1.70-1.00 ≤0.03≤0.03表1 20钢的化学成分国家中国GB 日本JIS 德国DIN 英国BS 法国NF 美国AISI 国际ISO 标准钢号20Cr SCr22 20Cr4 590M17 18C3 5120 20Cr4温度（℃）765 863 799 702表3 相变点对应温度1.2 特性硬度较高，韧性比15CrA差，该钢具有比较好的淬透性、中等的强度和韧性。
油淬到半马氏体硬度的淬透性为Φ20-Φ23mm。
该钢经渗碳淬火表面强化处理后，在模具表面会获得细针状回火马氏体，硬度为58-62HRC；心部获得低碳马氏体组织，硬度35-40HRC，基体强韧性高，可满足冷作模具高硬度、高强度、高韧性和适当的耐腐蚀性的使用性能要求。
正火可促进组织球化，细化大块状先共析铁素体，改进毛胚的切削性能。
1.3 加工20Cr钢淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。
渗碳时钢的晶粒有长大趋势，所以要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。
当正火后硬度为170-217HB时，相对切屑加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100-150℃，冷变形时塑性中等。
为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。
对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理。
国内也有不少应用低碳马氏体刚强烈淬火制造冷作模具的实例。
1.4 工艺及规范1.4.1 工艺路线下料-锻造模胚-退火-机械粗加工-冷挤压成型-再结晶退火-机械精加工-渗碳-淬火、回火-研磨抛光-装配。
1.4.2 工艺规范正火规范:温度920-950℃，硬度156-179HBS。
冷压毛胚软化处理规范：温度700~720℃，保温时间8~15h，以50~100℃/h 的冷速，随炉降至温度≤550~600℃，出炉空冷。
处理前硬度≤179HBS，软化后硬度≤140HBS。
1.5 主要特性与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。
1.6 应用举例1、冷挤压冲头，重载冷镦冲头，10-25mm中厚钢板冲孔冲头，直径小于Φ5-6mm的小冲头。
2、该钢用于制造汽车软管锌合金接头八角模冲头，硬度要求58-62HRC。
原来采用Cr12MV钢制造的摸具寿命很短，往往不到0.2万件就断裂；把冲头材料换成20Cr钢并经渗碳淬火处理后，渗层深1.0-1.2mm，硬度为60-62HRC，使用寿命提高到3万件2 20Cr强化手段及其应用20Cr钢是通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高材料的强度。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
对20Cr来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、弥散强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的，强化一般伴随着韧性、塑性的降低，但有时也不会降低甚至有所提高。
而在工程上更加切实有效的方法是在晶体中引入大量缺陷及阻止位错的运动来提高金属的强度。
由于各种强化方法对20Cr材料强度的不同影响，采用不同强化手段后可使铁的强度提高，这些手段包括固溶强化、细晶强化、冷变形强化、马氏体强化、形变一相变强化、形变强化和脱溶强化等多种强化方法，形变热处理和冷拔高碳钢丝的强度已接近晶须的强度。
2.1 固溶强化尹桂丽[1]等人将合金元素加入到20Cr中形成固溶体以达到强化金属的方法。
一般来说,固溶体总是比组成基体的纯金属有更高的强度和硬度,随着合金元素含量的增加,钢的强度和硬度提高。
但是当合金元素的含量适当时,固溶体不仅具有高的强度和硬度,而且有良好的塑性和韧性。
它是利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。
绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。
2.2 弥散强化要承勇[2]使金属基体(金属或固溶体)中含有高度分散的第二相质点而达到提高强度的目的。
弥散强化机构的代表理论是位错理论。
在弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服障碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。
位错理论有多种模型用以讨论屈服强度、硬化和蠕变。
2.3 细晶强化裴新华，胡恒法[3]等人使20Cr钢的晶粒更细,晶界更多,使晶界对位错的运动阻力更大,从而使20Cr的强度提高,并改善塑性和韧性。
细晶强化还可使20Cr的脆性转变温度降低,使钢件能适应寒冷地区的工作性能要求。
它并且是可以提高20Cr强度而不恶化韧性的一种强化方式。
2.4 冷变形强化刘辉，孙维[4]研究发现20Cr钢随着冷塑性变形程度的增大,强度和硬度逐渐升高,而塑性和韧性逐渐降低的现象。
冷变形强化生产上可以对一些不能用热处理来提高强度的金属或合金,如某些不锈钢、黄铜等常用此方法来提高强度。
但冷变形强化是以牺牲金属塑性和韧性为代价的,而且会给随后的加工带来困难,往往需要采用再结晶退火等措施来改善金属塑性以利于随后继续加工。
2.5 马氏体强化张慧杰，李鸿美[5]等人研究发现将20Cr钢淬火获得马氏体组织以达到强化的目的。
马氏体中的含碳量过饱和,使马氏体产生严重的晶格畸变,造成非常大的应力场,严重阻碍位错运动,从而使钢强化,这相当于固溶强化。
固溶强化是一般马氏体强化的主要原因,但对低碳马氏体来说,细晶强化和位错强化却是马氏体强化的决定因素。
2.6 形变一相变强化田景，刘锦[6]等人研究发现形变热处理有很多种方法，按形变所处的工艺位置可归结为3类：相变前形变类、相变途中形变类和相变后形变类。
相变的类型可以是非扩散型的马氏体相变，也可以是扩散型的脱溶转变或珠光体转变。
在20Cr钢的强化中，以相变前形变类最为突出。
这种方法就是将20Cr钢在奥氏体状态下形变，接着淬火和回火的一种综合强化工艺。
2.7 形变强化高惠临[7]发现对于不再经受热处理，并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如20Cr钢)，经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。
因而，形变强化的实质就是在20Cr钢的再结晶温度以下进行冷形变，随着形变程度(应变量)的增大，在晶体内产生高密度的位错(晶体缺陷)，位错密度越高，强化的程度越大，即流变应力值越高。
形变后金属的流变应力应当等于未形变前的流变应力加上形变强化的流变应力的增量。
随着形变程度的增大，20Cr 钢的强度和硬度越来越高，但它的塑性和韧性却往往越来越低，脆性越来越大。
2.8 脱溶强化尹桂丽，周立岱，王劲松三人通过高温加热的固溶处理，将多量的合金元素的化合物溶入20Cr钢中，淬火后形成马氏体，即过饱和的铁基固溶体，然后再在较低温度(固溶度线以下)加热，依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化。
2.9 表面热处理2.9.1 渗碳刘承杰，汤小文，邱亚玲，谭军[8]将20Cr钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C)，使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火，使表面具有高的硬度,而心部仍保持足够的强度。
2.9.2 渗氮张涛，洪晓露[9]等人使氮原子渗入20Cr钢的表面，形成富氮硬化层。
研究表明与渗碳相比，渗氮处理后20Cr钢具有高的硬度和耐磨性，高的疲劳强度等,渗氮过程在钢的相变温度以下(450-600C)进行,因而变形小，体积稍有胀大。
缺点是周期长(一般气体渗氮土艺的渗氮时间长达数十到100h)、成本高、渗层薄(一般为0.5mm左右)而脆，不能承受太大间接触应力和冲击载荷。
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