【正文】 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 本課題主要以 馬氏體 時(shí)效不銹鋼中的 AerMet100 為研究對象，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 AerMet100 鋼的組織以及力學(xué)性能的影響。 顯微組織觀察表明在 Y 含量小于 %時(shí)，在基體中有彌散的顆粒析出，對基體起到了強(qiáng)化作用，而當(dāng) Y 含量達(dá)到 %時(shí)在晶界周圍有 MC 型 碳化物大量析出，對基體的強(qiáng)度產(chǎn)生了不好的影響。隨之美國、法國等國相繼研 制 出新型的低、中合金鋼。 超高強(qiáng)度鋼的分類以及應(yīng)用 一般含碳量 在 ～ %之間 ，合金元素總含量小于 5%，經(jīng)過熱處理后強(qiáng)度大于 1400Mpa 的中碳低合金鋼都可稱為低合金超高強(qiáng)度鋼， 其 合金元素的主要 作用是 提高鋼的淬透性 ， 有效的細(xì)化晶粒、細(xì)化組織，起到既提高鋼強(qiáng)度又提高鋼的韌度的作用 。 中合金超高強(qiáng)度鋼是指含合金元素的總量在 5%~10%的由熱作模具鋼改造后得到的中碳鋼。鋼的基體為超低碳的鐵鎳或鐵鎳鈷馬 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 氏體。 超高強(qiáng)度鋼 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)對合金的斷裂韌性產(chǎn)生不良的影響，因?yàn)?C 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]。 國內(nèi)對 AerMetl00 鋼的研究以及應(yīng)用 中國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特色的 G99 和 G50 新型超高強(qiáng)度鋼。 下面是國內(nèi)一些學(xué)者對于超強(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 10?106時(shí)，斷裂韌度達(dá)到 178． 2 MPa ，但對目前工業(yè)化生產(chǎn)而言，也不是總能夠達(dá)到的這樣，控制鋼中殘余雜質(zhì)元素的存在形式、使其對韌性的破壞作用降到最低就成為 AerMetl00鋼研究的重要方面。表現(xiàn)在材料組織中，夾雜 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 物的含量會(huì)略有增加，這可能是標(biāo)準(zhǔn) AMS6532B中對夾雜物要求放松的一個(gè)原因。 各元素對超強(qiáng)鋼的影響 氮：氮元素與碳元素有著基本上相同的作用，都會(huì)提高馬氏體硬度和二次硬化作用，但是相對于碳來說，氮元素的作用在高溫回火下就有很大的下降。因?yàn)殄i與硫能形成熔點(diǎn)為 1620℃ 的 MnS,MnS在高溫時(shí)有一定的塑性，因此可以避免鋼的熱脆現(xiàn)象。 在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。在鉻含量較高的合金鋼中鉻有使碳化物分散孤立分布的趨勢。這種硬度的提高可以持續(xù)到 500℃，但是它對于二次硬化過程沒有明顯的效果。 錳：錳元素與鎳元素有相似的作用，雖然它不是強(qiáng) 奧氏體形成元素，錳能清除鋼中的 FeO， 改善鋼的品質(zhì)，降低鋼的脆性；錳與硫化合生成 MnS，消除硫的有害作用，改善鋼的熱加工性能。 稀土元素在鋼中的強(qiáng)化機(jī)制 a. 深度凈化 ,控制弱化源 在鋼潔凈度不斷提高的今天，稀土元素在鋼中的作用將更好的得到發(fā)揮 ， 稀土在鋼中的凈化作用主要表現(xiàn)在：可深度 的 降低氧和硫的含量 [6]。它們與鋼液反應(yīng)能形成微細(xì)質(zhì)點(diǎn)，而成為凝固過程中的非自發(fā)形核核心，降低了形核功，增大了形核率。 二次枝晶間距的大小將影響顯微偏析、夾雜及疏松，因而對機(jī)械性能產(chǎn)生影響。稀土元素的微合金強(qiáng)化作用日益突出稀土的微合金化包括微量稀土元素的固溶強(qiáng)化，稀土元素與其他溶質(zhì)元素或化合物的交作用、稀土原子的存在狀態(tài) (原子、夾雜物或化合物 )大小、形狀和分布，特別是在晶界的偏聚，以及稀土對鋼表面和基體組織結(jié)構(gòu)的影響等。美國海軍在航空母艦的 F／ A～ 18型戰(zhàn)斗機(jī)的起落架上，已采用 AerMetl00臺(tái)金取代 300M合 金。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第二章 Y 元素對 Aermet100 不銹鋼的組織的影響 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料制備 實(shí)驗(yàn)過程： 樣品制備 → 固溶處理 → 擠壓 → 固溶處理 → 深冷處理 → 時(shí)效處理 → 打磨 → 打硬度→ 打磨、拋光 → XRD分析 → 腐蝕 → SEM分析 → 超景深拍照分析 → 性能測試 → 觀察分析 。母合金切割為約重為 80g的小塊，加入 WK2 非自耗真空電弧爐中重熔。 合金的熱處理 合金進(jìn)行熱處理的主要目的是改善合金的機(jī)械以及力學(xué)性能，得到良好的綜合性能。本實(shí)驗(yàn)中試樣分為三批，首先在 1000℃ 下保溫一小時(shí)進(jìn)行固溶處理，空冷。用 SSX816 箱式電阻爐進(jìn)行時(shí)效處理，實(shí)驗(yàn)方案如下： 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 表 21 熱處理工藝 Table21 heat treatment process 實(shí)驗(yàn)材料 時(shí)效溫度 /℃ 保溫時(shí)間 /h 冷卻方式 第一批 467 5 空冷 第二批 482 5 空冷 第三批 500 5 空冷 保溫時(shí)間（ 5h） 空冷 Time/h 圖 21 熱處理流程 Figure 21 The heat treatment process 顯微組織觀察 首先用 5001500號砂紙?jiān)谒C(jī)上進(jìn)行粗磨、細(xì)磨后在 P2型金相試樣拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋和精拋，直至試樣表面在顯微鏡下觀察沒有明顯的劃痕為止。然后再在拋光機(jī)上拋除沾染在試樣表面的雜質(zhì)，并用 10%的硝酸酒精腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間因試樣成分不同在 15s30s之間變化，腐蝕完成后用水沖洗然后再用酒精清洗，清洗完成后用吹風(fēng)機(jī)吹干，然后用 日本電子 JSM6480掃描電子顯微鏡 (SEM)進(jìn)行組織觀察。（ b） %。與原始組織相比較，從上圖中可以看出，合金中 Y元素含量從 %增加到 %的過程中， MC型碳化物的析出在增加，馬氏體晶粒大小有所下降，而當(dāng) Y元素含量由 01%增加到 %、 %時(shí)，合金組織中析出了 M2C型碳化物，馬氏體組織晶粒大小較小。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 70 75 80 85 90 95 Intensity2 ? M ? 211 ? A ? ??? ? A ? ??? ?M ? m a rt e n si t eA ? a u st e n i t e 圖 24 Aermet100原始組織的 XRD圖譜 Figure24 XRD pattern of original anization of Aermet100 70 75 80 85 90 95M ? m a rt e n si t eA ? a u st e n i t eIntensity 2 ?A ? ??? ? A ? ??? ? M ? ??? ? 圖 25 Y元素含量為 %的 Aermet100合金 XRD圖譜 Figure25 XRD pattern of Aermet100 with % Y 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 70 75 80 85 90 95M ? m a rt e n si t eA ? a u st e n i t eIntensity 2 ? M ? ??? ?A ? ??? ? A ? ??? ? 圖 26 Y元素含量為 %的 Aermet100合金 XRD圖譜 Figure 26 XRD pattern of Aermet100 with % Y 70 75 80 85 90 95M ? m a rt e n si t eA ? a u st e n i t eIntensity 2 ? M ? ??? ? A ? ??? ? A ? ??? ? 圖 27 Y元素為 %的 Aermet100合金 XRD圖譜 Figure27 XRD pattern of Aermet100 with % Y 通過分析可知 在最高峰為馬氏體，其衍射角 2θ為 82176。和 176。 可以得知， AerMet100合金中包含的物相有馬氏體和奧氏體。（ c） %。 a b c d 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 TEM 分析 圖 29 透射 電子顯微鏡下 Aermet100 合金組織的微觀圖像 Figure 29 The microstructure of Aermet100 at the TEM 上圖（ a）所示為含 %Y 元素的 Aermet100 合金微觀組織圖像，圖（ b）為含 %元素的 Aermet100 合金微觀組織圖像，圖（ c）為不添加 Y 元素的 Aermet100合金微觀組織圖像。當(dāng) Y元素的含量達(dá)到 %時(shí) AerMet100合金的硬度達(dá)到了最高值。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第三章 Y 元素含量對 Aermet100 合金力學(xué)性能的影響 實(shí)驗(yàn)方法 材料的力學(xué)性能主要有合金的微觀組織決定，而微觀組織除了元素的影響外在很大程度上有熱處理工藝來決定。在試樣表面不同的地方用壓頭打 35個(gè)的硬度值，然后求出其平均值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知 Y 元素可以使合金的硬度從 增加到 ，增幅近 10%。 （ 3）將原始試樣、還有 %Y、 %Y、 %Y、 %Y、 %Y 的 Aermet100合金在 1000℃ 下固溶處理 1 小時(shí)后進(jìn)行空冷，然后置于液氮中進(jìn)行進(jìn)一步奧氏體轉(zhuǎn)變，然后在 500℃ 下保溫 5 小時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理，空冷后測試其硬度值，并描繪出 其Hardness/HRC 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 硬度曲線。 （ 2） 在某一范圍能增加 Y元素含量會(huì)促進(jìn)合金析出 M2C型碳化物，并且其尺寸小分部均勻，使得基體得到彌散強(qiáng)化作用，然而當(dāng) Y元素含量增加到一個(gè)臨界值后隨著 Y元素含量的繼續(xù)增加，析出的碳化物類型會(huì)逐漸由 M2C型向 MC型轉(zhuǎn)化，此時(shí)析出物尺寸增大，并且分部不均勻，導(dǎo)致了材料的硬度及強(qiáng)度下降，是的綜合力學(xué)性能下降 [39]。在前兩種實(shí)驗(yàn)條件下在 Y 元素含量為 %時(shí)硬度達(dá)到最高值，而在最后一種情況下則在含量為%的情況下得到最大值。 綜合 Y 元素對 Aermet100 合金力學(xué)性能的影響可以看出，適當(dāng)?shù)奶砑?Y 元素，將會(huì)對合金產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，進(jìn)而使得合金獲得良好的綜合力學(xué)性能，故要與實(shí)際的工作條件相結(jié)合，合理的選用恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥磉M(jìn)行對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。 （ 3） 隨著 Y 元素含量增加，在臨界點(diǎn)以內(nèi)，碳化物的含量增加， Aermet100 合金的硬度隨著碳化物含量的增加而升高 ，而后又由于碳化物類型的改變而下降 ，這與力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 致謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在周鵬杰老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 在此，向周老師鞠躬致敬 ！ 在 畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)期間 ，得到了學(xué)校老師和同學(xué)們的大力支持。ericher, L. Aranda. Experimental and thermodynamic study of tantalumcontaining ironbase alloys reinforced by carbides: Part II —Case of (Fe, Ni, Cr)base austenitic steels, Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 31 (20xx