【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 界上的共晶體熔化，是鋼變脆，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱脆性，硫是有害雜質(zhì)，因此，鋼中的含碳量必須嚴(yán)格控制。增加鋼中的 Mn的含量，可以消除硫的有害作用。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。 鈦：鈦元素是有效的強(qiáng)化元素，在馬氏體時(shí)效鋼中主要是通過(guò)析出金屬間化合物來(lái)強(qiáng)化鋼的，在無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼中，每添加 %Ti，強(qiáng)度會(huì)增加 54MPa。但是有鈦強(qiáng)化的 FeNi合金在強(qiáng)度達(dá)到較高水平時(shí)其塑性會(huì)嚴(yán)重惡化。 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。 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。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。由于鉻在奧氏體中的擴(kuò) 散速度比較小，加之阻礙碳的擴(kuò)散，因而可提高奧氏體的穩(wěn)定性，使 C曲線(xiàn)右移，降低臨界冷卻速度，提高淬透性。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。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(shì)。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 鉻也明顯地提高鋼的強(qiáng)度，在相同的強(qiáng)度硬度條件下，鉻鋼有比碳鋼高的塑性。鉻在鋼中有使殘留奧氏體增加的趨勢(shì)。 鈷： 鈷元素是奧氏體形成元素， 鈷元素可以 在整個(gè)回火過(guò)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。這種硬度的提高可以持續(xù)到 500℃，但是它對(duì)于二次硬化過(guò)程沒(méi)有明顯的效果。它對(duì)硬 度的提高能夠持續(xù)到很高的溫度是由于固溶體硬化，但是在降低 Ac1和 Ms溫度上的作用很細(xì)微 [21]。 鎳：鎳能夠提高鋼的強(qiáng)度 ，這是由于鎳元素對(duì)固溶體產(chǎn)生硬化作用以及它能降低Ms溫度，這可以對(duì)奧氏體化產(chǎn)生一些影響。 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，含鎳 %的鋼可以在 100℃ 時(shí)使用，含 Ni9%的鋼可以在196℃ 。 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。在碳鋼中錳的含量一般控制在 %之間，錳能溶于鐵素體中，形成含錳的鐵素體，起著強(qiáng)化鐵素體的作用；錳還能溶于 Fe3C中形成合金滲碳體，從而提高碳鋼的強(qiáng)度，錳是有益的雜質(zhì)元素，少量的錳對(duì)鋼的性能影響不顯著。 銅：銅元素對(duì)奧氏體硬度有很少一點(diǎn)或者基本上沒(méi)有作用，但是它對(duì)二次硬化過(guò)程有非常顯著的作用。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]。硼和稀土元素對(duì)氧、氮有很大的親和力，并能形成密度小容易上浮的難熔化合物。所以它們有脫氧、去氮、降氫的作用，能減少非金屬夾雜物，改善夾雜物類(lèi)型以及分布，另外將稀土元素加入鋼中，與熔點(diǎn)低的 As、 Sb、 Sn、 Pb、 Bi等雜志元素作用能形成高熔點(diǎn)的金屬間化合物，從而可以消除由這些元素所引起的鋼的脆性，改善鋼的冶金質(zhì)量，保證鋼的熱塑性和高溫強(qiáng)度 [27]。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 稀土元素在鋼冶煉過(guò)程中能改變鋼的凝固過(guò)程和鑄態(tài)組織。它們與鋼液反應(yīng)能形成微細(xì)質(zhì)點(diǎn)，而成為凝固過(guò)程中的非自發(fā)形核核心，降低了形核功，增大了形核率。稀土元素在鋼中都是表面活性元素，容易吸附在固態(tài)晶核表面，阻礙了晶體生長(zhǎng)所需的原子供應(yīng)，從而降低了晶核長(zhǎng)大率。所以，在鋼冶煉過(guò)程中加入這些元素，可以細(xì)化鑄態(tài)組織，減少枝晶偏析，改善鋼的化學(xué)成分均勻性。另外，稀土元素可增大 鋼的流動(dòng)性，提高鋼的致密度。 二次枝晶間距的大小將影響顯微偏析、夾雜及疏松，因而對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生影響。稀土在鋼中形成較高熔點(diǎn)的化合物，在鋼液凝固前析出，呈細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)分布在鋼液中，作為非均質(zhì)形核中心，降低鋼液結(jié)晶的過(guò)冷度，因而可細(xì)化鋼的凝固組織，減少偏析，實(shí)現(xiàn)凝固 “ 組織控制 ” 。另外，認(rèn)為，稀土作為表面活性元素可以使表面張力降低，因此降低了形成臨界尺寸的晶核所需的功，使結(jié)晶核心增加 。 稀土在鋼中有凈化和明顯的變質(zhì)作用。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(duì)鋼表面和基體組織結(jié)構(gòu)的影響等。主要有增加固溶度以及固溶強(qiáng)化、抑制局部弱化提高韌性、改善和強(qiáng)化晶界、影響雜質(zhì)元素的溶解度，減少脫溶量、影響箱變和改善組織、與其他微量合金元素交互作用 ，王龍妹等人的研究中指出，稀土元素能夠通過(guò)與鈮、釩、銅、鈦等元素在鐵基液中相互作用，與這些微量元 素不會(huì)形成化合物，會(huì)降低這些元素的活度，增加溶解度，促進(jìn)這些元素的利用率 [2830]。 應(yīng)用前景 AerMet100合 金是一種超高強(qiáng)度和抗疲勞的合金，特別是在含氯化物的環(huán)境中具有優(yōu)良的耐沖擊力和抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力，因此在航空領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景[3134]。 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。美國(guó)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。美國(guó)陸軍也 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 將在 LH4輕型直升機(jī)用 AerMet100臺(tái)金代替 AISI4340合金。預(yù)計(jì)不久的將來(lái) AerMetl00合 金會(huì)成為新一代高性能飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料。 課題的主要研究?jī)?nèi)容以及意義 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。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第二章 Y 元素對(duì) 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(guò)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(cè)試 → 觀察分析 。 本實(shí)驗(yàn)所采用的基本材料為 Aermet100不銹鋼，用于研究的的試樣中分別添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %、 %、 %、 %以及 %的 Y元素。 實(shí)驗(yàn)方法 材料制備 母合金采用真空感應(yīng)爐熔煉，成 胚錠后熱軋成 英寸的板材。 采用的原始合金為 Aermet100 合金，其質(zhì)量百分比為 ，余量為 Fe。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。真空度為102Pa，反復(fù)翻轉(zhuǎn) 3 次。在充入氬氣保護(hù)氣體后，加入 AlY 中間合金，中間合金的含 Y 量約為 81%。通過(guò)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(xiàn)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。 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。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用固溶加時(shí)效的熱處理工藝對(duì) Aermet100 不銹鋼進(jìn)行熱處理。固溶處理的主要作用是使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體， 形成單一的奧氏體組織， 并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型。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 。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。而后進(jìn)行擠壓變形，變形量越 為20%，以增加試樣位錯(cuò)數(shù)量，而后在 1000℃ 下保溫一小時(shí)進(jìn)行固溶處理，進(jìn)行油淬。然后置于液氮中放置一晚，進(jìn)行深冷處理，然后試樣分三批在不同溫度下進(jìn)行時(shí)效處理。原始材料中 Y 元素含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0%、 %、 %、 %、 %以及 %。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(hào)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(méi)有明顯的劃痕為止。然后在 島津XRD6000x射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行合金的相組成分析，掃描角度為 7295176。，掃描速度 1176。/min。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。 組織觀察分析 不同 Y含量的 Aermet100合金在經(jīng)過(guò)熱處理后顯微組織會(huì)有所不同 。 Y元素對(duì)合金微觀組織的改變作用是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)研究對(duì)象。圖 不同 Y元素含量 Aermet100合金 在掃描電鏡下的顯微結(jié)圖： ℃/T 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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） %。（ b） %。（ c） %。（ d） %。（ e） 0%. 從圖中可以看出， Aermet100合金鋼中 Y元素的含量為 %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，當(dāng) Y元素含量增加到 %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(jiàn)此時(shí)合金的力學(xué)性能是最佳的，當(dāng) Y元素含量增加到 %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，隨之在 Y元素含量增加到 %時(shí)，如a b c d e 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 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。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(guò)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。 圖 23 （ a） Y元素含量為 %的 Aermet100合金 中 的 析出物 ，（ b）析出物的能譜圖 Figure 23 （ a） Precipitate in Aermet100 with % Y content, （ b） EDS of the precipitate a b 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 表 22 Y元素含量為 %Aermet100中析出物的成分 Table22 Composition of precipitate in Aermet100 of % Y content 元素 重量 原子 百分比 百分比 C K Cr K Fe K Co K Ni K Y L Mo L 總量 如上圖所示，取 Y元素含量為 %的 Aermet100不銹鋼組織中的一處析出物，通過(guò) SEM以及 EDS測(cè)試可以看出析出相中主要的組成成分，其中包含 Y元素的 MC型碳化物 中 Y元素的 重量百分比為 %，原子百分比為 %。 上圖中可以看出碳化物中原子百分比為 %，所以可以基本上確定析出物為 MC型碳化物。 XRD 分析 本實(shí)驗(yàn)中選用了 Y元素含量為 %、 %、以及 %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(xiàn)衍射儀 ， 主要分析合金中 的 主要 物相 。 江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 70 75 80 85 90 95 Inte