4140合金結構鋼介紹

4140鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，淬火時變形小，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。高溫時有高的蠕變強度和持久強度。該鋼通常將調質后表面淬火作為熱處理方案。適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。

中國執行標準GB/T 3077-1999

特性及適用范圍

強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造要求較35CrMo鋼強度更高和調質截面更大的鍛件，如機車牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、壓力容器齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于 2000m以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具，并且可以用于折彎機的模具等。

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化學成分

碳(C)0.38～0.45

硅(Si)0.17～0.37

錳(Mn)0.50～0.80

磷(P)≤0.035

硫(S)≤0.035

鉻(Cr)0.9～1.20

鎳(Ni)≤0.30

鉬(Mo)0.15～0.25

銅(Cu)≤0.30

力學性能

抗拉強度 σb (MPa)：≥1080(110)

屈服強度 σs (MPa)：≥930(95)

伸長率 δ5 (%)：≥12

斷面收縮率 ψ (%)：≥45

沖擊功 Akv (J)：≥63

沖擊韌性值 αkv (J/cm2)：≥78(8)

硬度 ：≤217HB

試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為25mm

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合金元素在結構鋼中的作用

有三個方面：①增大鋼的淬透性。淬透性是指鋼淬火時，從表層起淬成馬氏體層的深度，是取得良好綜合性能的主要參數。除Co外，幾乎所有合金元素如 Mn、Mo、Cr、Ni、Si和C、N、B等都能提高鋼的淬透性，其中 Mn、Mo、Cr、B的作用最強，其次是Ni、Si、Cu。而強碳化物形成元素如 V、Ti、Nb等，只有溶于奧氏體中時才能增大鋼的淬透性。②影響鋼的回火過程。由于合金元素在回火時能阻礙鋼中各種原子的擴散，因而在同樣溫度下和碳素鋼相比，一般均起到延遲馬氏體的分解和碳化物的聚集長大作用，從而提高鋼的回火穩定性,即提高鋼的抗回火軟化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比較顯著，Al、Mn、Ni的作用不明顯。含有較高含量的碳化物形成元素如V、W、Mo等的鋼，在500～600℃回火時，析出細小彌散的特殊碳化物質點如V4C3、Mo2C、W2C等,代替部分較粗大的合金滲碳體,使鋼的強度不再下降反而升高,即出現二次硬化（見回火）。Mo對鋼的回火脆性有阻止或減弱的作用。③影響鋼的強化和韌化。Ni以固溶強化方式強化鐵素體；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以彌散硬化方式又以固溶強化方式提高鋼的屈服強度；碳的強化作用最顯著。此外，加入這些合金元素，一般都細化奧氏體晶粒，增加晶界的強化作用。影響鋼的韌性因素比較復雜，Ni改善鋼的韌性；Mn易使奧氏體晶粒粗化，對回火脆性敏感；降低P、S含量，提高鋼的純凈度，對改善鋼的韌性有重要作用（見金屬的強化）。

合金鋼的分類

合金結構鋼一般分為調質結構鋼和表面硬化結構鋼。

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①調質結構鋼 這類鋼的含碳量一般約為0.25%～0.55%，對于既定截面尺寸的結構件，在調質處理（淬火加回火）時，如果沿截面淬透，則力學性能良好，如果淬不透，顯微組織現有自由鐵素體，則韌性下降。對具有回火脆性傾向的鋼如錳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼等，回火后應快冷。這類鋼的淬火臨界直徑，隨晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn鋼約為30～40mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV鋼則約為 60～100mm，常用于制造承受較大載荷的軸、連桿等結構件。

②表面硬化結構鋼 用以制造表層堅硬耐磨而心部柔韌的零部件,如齒輪、軸等。為使零件心部韌性高,鋼中含碳量應低，一般在0.12～0.25%，同時還有適量的合金元素，以保證適宜的淬透性。氮化鋼還需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。滲碳或碳氮共滲鋼，經850～950℃滲碳或碳氮共滲后，淬火并在低溫回火(約200℃)狀態下使用。氮化鋼經氮化處理(480～580℃)，直接使用，不再經淬火與回火處理。

合金鋼生產工藝

根據鋼種和鋼的質量要求，合金結構鋼的冶煉，可采用氧氣頂吹轉爐、平爐、電弧爐；或再加電渣重熔、真空除氣。鑄錠可采用連鑄或模鑄。鋼錠應緩慢冷卻或熱送鍛造、軋制。鋼錠加熱時，應力求溫度均勻并有足夠的保溫時間，以改善偏析缺陷和避免鍛、軋時變形不均勻；鍛、軋后的鋼材，尺寸小的、特別是含碳0.2%左右的滲碳鋼,在600℃以上時應快速冷卻,以免加重帶狀組織；截面較大的鍛件，應采取措施消除內應力和白點。調質鋼應盡可能淬火成馬氏體組織，然后回火成索氏體組織；滲碳鋼在滲碳過程中，滲層濃度梯度不宜過大,以免在滲層晶界上出現連續網狀碳化物;氮化鋼必需先經熱處理得到所需的性能，再經最后精加工才能進行氮化。氮化處理后除將脆薄的“白層”研磨除去外，不再加工。

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