【正文】 re of stainless steel江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要本課題主要以馬氏體時(shí)效不銹鋼中的AerMet100為研究對(duì)象，主要研究添加不同含量的稀土元素Y、不同的熱處理工藝對(duì)AerMet100鋼的組織以及力學(xué)性能的影響。XRD分析發(fā)現(xiàn)在添加Y元素的AerMet100合金中馬氏體的含量相對(duì)較高，%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下時(shí)碳化物析出以M2C為主，%時(shí)，主要以MC型碳化物為主。到了60年代，研制成功了馬氏體時(shí)效鋼，并形成了18Ni系列。通常添加的元素有V、Nb等。它和低合金超高強(qiáng)度鋼有類似的缺點(diǎn)，就是抗腐蝕能力差和斷裂韌度低。鋼的基體為超低碳的鐵鎳或鐵鎳鈷?cǎi)R氏體。二次硬化超強(qiáng)鋼分為中合金和高合金二次硬化超高強(qiáng)度鋼，中合金超強(qiáng)鋼是從熱變模具鋼發(fā)展而來。根據(jù)鋼的基體組織和熱處理工藝不同，可以分為馬氏體沉淀硬化型和半奧氏體沉淀硬化型兩類。主要的合金元素是鈷和鎳，但也被添加鉻，鉬，和碳。在韌性損失較小的條件AerMet100鋼比AFl410具有更高的強(qiáng)度。但是當(dāng)碳含量過高時(shí)則會(huì)對(duì)合金的斷裂韌性產(chǎn)生不良的影響，因?yàn)镃元素含量的增加會(huì)導(dǎo)致碳化物析出量的增加；Co元素和C元素通過合適的配比后會(huì)使得合金獲得很好的強(qiáng)硬性。Aermet100合金中Ni可以提高合金的斷裂韌度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，但是當(dāng)其含量過高時(shí)會(huì)使C元素在鋼中的溶解度下降，從而導(dǎo)致碳化物析出量增加，使韌性下降。實(shí)驗(yàn)表明：在所有商業(yè)用的鋼材中這種合金具有最高的強(qiáng)度和最高的抗斷裂能力，通過熱處理，可以使其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1930~2070 MPa，在強(qiáng)度為1930 MPa時(shí)其斷裂韌性超過了110 MPa因此，它是新一代的超高強(qiáng)度合金．是制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的理想材料。但是AerMet100的抗疲勞性是最好的[5]。中國(guó)近年來一直在二次硬化鋼上尋求突破，現(xiàn)在已經(jīng)成功地研制出具有中國(guó)特色的G99 和G50 新型超高強(qiáng)度鋼。下面是國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)于超強(qiáng)鋼的一些研究成果。文中指出一定溫度下不同的保溫時(shí)間或者相同的保溫時(shí)間不同的回火溫度的熱處理后，板條馬氏體內(nèi)析出的碳化物的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生根本改變。張慧杰，李鴻美，項(xiàng)金鐘，包耀宗在高強(qiáng)度超低碳馬氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)理一文中就固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等不同的強(qiáng)化機(jī)理對(duì)低碳馬氏體超強(qiáng)鋼力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。低溫奧氏體化使未溶相數(shù)量增多，屈服強(qiáng)度也略低。當(dāng)S含量在0．000 5％、A1含量在0．002％、氧和氮只有10180。但鋼在1260℃空燒后斷裂韌度仍未降低，表明Ce等元素和P形成化合物有效防止了P在鋼中的偏析，這樣稀土元素就促使鋼的韌度上升到一個(gè)新的水平，一般地KIC約在125 MPam以上。在追求斷裂韌度的更高層面上，夾雜物形態(tài)與數(shù)量和穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧氏體是兩個(gè)主要的控制因素，夾雜物多時(shí)，失穩(wěn)擴(kuò)展多由夾雜物造成的缺陷引起，而夾雜物少時(shí)，晶界處的逆轉(zhuǎn)變奧氏體的滑移并最終失穩(wěn)擴(kuò)展將使得AerMetl00 鋼具有更高的斷裂韌(194．9 MPam)[1117]。增加鋼中的Mn的含量，可以消除硫的有害作用。鉻：鉻元素是鐵素體形成元素，鉻元素在FeCrNi三相系中不僅不組織奧氏體的形成，反而會(huì)促進(jìn)奧氏體的形成，因此硌可以部分替代鎳元素。鉻也因降低相變溫度，從而可使碳化物在較低溫度析出，使組織和碳化物細(xì)化。鈷：鈷元素是奧氏體形成元素，鈷元素可以在整個(gè)回火過程中提高鋼的馬氏體硬度，這要?dú)w功于它可以硬化固溶體。含鎳的鋼可以適當(dāng)降低含碳量，因而可以使韌性和塑性有所改變，它可以提高鋼的疲勞抗力，減少鋼對(duì)缺口的敏感性，同時(shí)鎳可以降低低溫脆化溫度，%的鋼可以在100℃時(shí)使用，含Ni9%的鋼可以在196℃。在回火的后期，含銅量比較高的鋼材會(huì)保持一個(gè)比較高的硬度水平[2226]。稀土元素在鋼冶煉過程中能改變鋼的凝固過程和鑄態(tài)組織。另外，稀土元素可增大鋼的流動(dòng)性，提高鋼的致密度。稀土在鋼中有凈化和明顯的變質(zhì)作用。其用途包括：緊嗣件、受力構(gòu)件，裝甲板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、火炮、彈射器、制動(dòng)器、瑣氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸、駕駛桿、直升飛機(jī)主軒和抑制環(huán)等航空零部件。本課題主要研究稀土元素的含量以及不同的熱處理工藝對(duì)AerMet100馬氏體時(shí)效不銹鋼性能的影響，實(shí)驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容：1） 分析不同的Y元素含量對(duì)Aermet100不銹鋼的組織以及性能的影響規(guī)律；2） 分析不同的熱處理工藝對(duì)Aermet100不銹鋼中馬氏體以及殘余奧氏體含量的影響，確定最佳熱處理溫度；3） 合金微觀組織的觀察與分析；4） 合金力學(xué)性能以及強(qiáng)度的測(cè)試與分析。采用的原始合金為Aermet100合金，余量為Fe。通過加入不同數(shù)量的AlY合金，得到不同含量的含Y合金，然后壓鑄形成了紐扣錠，經(jīng)線切割形成所需要的合金塊，合金塊作為實(shí)驗(yàn)所需的樣品。時(shí)效處理的主要目的是消除試樣內(nèi)部因機(jī)械加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機(jī)械性能，最主要的目的是析出碳化物強(qiáng)化合金。原始材料中Y元素含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、%、%、%、%%。/min。：ba cd e圖22 各Y元素含量合金的掃描電子顯微圖Figure22 SEM images of alloys with various Y contents,（a）%。（e）0%.從圖中可以看出，%時(shí)，如圖a所示，合金的組織主要是板條狀馬氏體，并且有少量的MC型碳化物析出，%時(shí)，如圖b所示，組織中析出了細(xì)小的顆粒，板條狀馬氏體的大小亦有所變化，可以預(yù)見此時(shí)合金的力學(xué)性能是最佳的，%時(shí)，如圖c所示，可以明顯的看出在合金的晶界處有明顯的MC型碳化物析出，這樣的碳化物不是我們所希望看到的，這會(huì)降低材料的強(qiáng)度以及硬度，%時(shí)，如圖d所示，在合金組織晶界附近析出了更多的MC型碳化物，這使得合金的力學(xué)性能進(jìn)一步下降。 XRD分析%、%、%的Aermet100不銹鋼合金和不添加Y元素的原始的Aermet100合金進(jìn)行XRD圖譜分析，實(shí)驗(yàn)中使用的儀器是島津XDR6000x X射線衍射儀，主要分析合金中的主要物相。176。時(shí)，Aermet100原始合金的組成相為殘余奧氏體γ，其hkl分別為（220）和（311）。（b）%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于Y元素細(xì)化了滲碳體、細(xì)化了板條馬氏體亞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)馬氏體結(jié)構(gòu)，改變鐵素體的含量和尺寸、抑制碳化物的聚集粗化等現(xiàn)象[3536]。由圖可知，沒有加入Y元素的Aermet100原始合金組織與含有Y元素的合金組織相比較，在強(qiáng)度方面總體來說有了一定的提高，這可能是由于Y元素的加入使得γ含量下降，促進(jìn)了馬氏體的轉(zhuǎn)化，對(duì)于M2C的產(chǎn)生有促進(jìn)作用。（2）在合金組織中碳化物的含量、大小和分布情況對(duì)合金的強(qiáng)度和硬度有著重要的影響，而合金的硬度隨著Y元素的增加而增加，%時(shí)達(dá)到最高值，而后又有所下降，這個(gè)結(jié)果符合衍射峰值所表現(xiàn)出來的結(jié)果大致相符合，原因是適量的Y元素能夠細(xì)化M2C碳化物，使其間距減小，從而使得合金的硬度提高。本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闃悠酚捕容^高，故采用洛氏硬度計(jì)來打硬度。由上圖可以看出，合金的銀硬度隨著合金中Y元素的含量的增加而逐漸增加，%的時(shí)候達(dá)到最大值，而后隨著Y元素含量的增加合金的硬度逐漸下降，%時(shí)硬度降到最低值，而后又開始逐漸增加。表32不同Y元素含量下Aermet100合金的硬度Table32 Hardness curve of Aermet100 Me with different Y含量硬度1硬度2硬度3平均硬度/HRC04748414043454644434041Hardness/HRC 圖32不同Y元素含量下的Aermet100合金硬度曲線Figure 32 Hardness curve of Aermet100 Me with different Y圖32,、表32說明了Y元素含量對(duì)Aermet100合金的硬度的影響，從上圖可以看出，原始合金的硬度在482℃下最高，而后在加入Y元素后突然下降，而后在Y元素含量逐漸增加的過程中合金的硬度也在逐漸增加，%時(shí)達(dá)到最高值，而后又逐漸下降，%時(shí)降到最低值，這一情況與在467℃下基本相同，但是總的來說在482℃下合金的總體硬度有所下降。對(duì)以上現(xiàn)象的產(chǎn)生其主要原因分析如下：（1） 在基體中添加Y元素，會(huì)提高原子的結(jié)合力，降低固溶體中元素的擴(kuò)散系數(shù)，降低堆垛層錯(cuò)能，產(chǎn)生短程有序及原子偏聚，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，能夠強(qiáng)化合金的基體，是合金產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的作用，從而提高了合金的硬度以及強(qiáng)度，使得合金的力學(xué)性能得以提升，然而當(dāng)合金中Y元素的含量過高時(shí)會(huì)使基體中的析出物增多，從而降低了合金的強(qiáng)度以及硬度，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符合的。本實(shí)驗(yàn)所采用的三種方法都在一定程度上表明隨著Y元素含量的增加，合金的硬度均會(huì)增大，%時(shí)Aermet100馬氏體不銹鋼的硬度達(dá)到最大值達(dá)；%時(shí)，合金的硬度均有所下降。高的時(shí)效溫度d導(dǎo)致了強(qiáng)度的下降，這很可能是由于不穩(wěn)定的奧氏體產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)變引起的。（2） Y元素含量過高時(shí)會(huì)使得碳化物從晶界析出，并且使析出物的尺寸增大，形狀不規(guī)則，分部不均勻，從而降低Aermet100合金的硬度和強(qiáng)度。（5） 在467℃進(jìn)行時(shí)效處理得到的合金硬度最高。周老師對(duì)我們嚴(yán)格的要求讓我受益匪淺，使得我在知識(shí)、能力、素質(zhì)、修養(yǎng)各個(gè)方面都有了不小的提升。tates in Isothermal Tempering of High Co—Ni SecongdaryHardening Steel．Metall Mater Trans A，1996(27)：3466—3472[17]任海鵬．稀土對(duì)CuP耐大氣腐蝕鋼韌性的影響[J]．東北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1989，12(1)：169[18]林勤，李文超，葉文，等．稀土在含砷低碳鋼中作用的熱力學(xué)[J]．北京鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1982．9．[19]張東彬，吳承建，趙錫霖，等．鈰對(duì)Fe—sb合金中晶界偏聚的影響[J]．北京鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1984．[20]戢景文，肖連芳，高懷蘇．稀土對(duì)兩種錳磷低合金鋼回火脆化的影響[J]．．金屬學(xué)報(bào)，1980，16：115[21] ARUN M. GOKHALE, MANISH D. DIGHE and MARK HORSTEMEYER. Effect of Temperature on Silicon Particle Damage in A356 Alloy, METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A VOLUME 29A, MARCH 1998—907.[22] H. KWON, . KIM, . LEE, . YANG, and . Effects of Co and Ni on Secondary Hardening and Fracture Behavior of Martensiti