【文章內(nèi)容簡介】 界上的共晶體熔化，是鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，硫是有害雜質(zhì)，因此，鋼中的含碳量必須嚴格控制。增加鋼中的 Mn的含量，可以消除硫的有害作用。因為錳與硫能形成熔點為 1620℃ 的 MnS,MnS在高溫時有一定的塑性，因此可以避免鋼的熱脆現(xiàn)象。 鈦：鈦元素是有效的強化元素，在馬氏體時效鋼中主要是通過析出金屬間化合物來強化鋼的，在無鈷馬氏體時效鋼中，每添加 %Ti，強度會增加 54MPa。但是有鈦強化的 FeNi合金在強度達到較高水平時其塑性會嚴重惡化。 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，反而會促進奧氏體的形成，因此硌可以部分替代鎳元素。 在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。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 散速度比較小，加之阻礙碳的擴散，因而可提高奧氏體的穩(wěn)定性，使 C曲線右移，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。 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 鉻也明顯地提高鋼的強度，在相同的強度硬度條件下，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。 鈷： 鈷元素是奧氏體形成元素， 鈷元素可以 在整個回火過程中提高鋼的馬氏體硬度，這要歸功于它可以硬化固溶體。這種硬度的提高可以持續(xù)到 500℃，但是它對于二次硬化過程沒有明顯的效果。它對硬 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溫度上的作用很細微 [21]。 鎳：鎳能夠提高鋼的強度 ，這是由于鎳元素對固溶體產(chǎn)生硬化作用以及它能降低Ms溫度，這可以對奧氏體化產(chǎn)生一些影響。 含鎳 的 鋼可以適當降低含碳量，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，減少鋼對缺口的敏感性，同時鎳可以降低低溫脆化溫度，含鎳 %的鋼可以在 100℃ 時使用，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 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，從而提高碳鋼的強度，錳是有益的雜質(zhì)元素，少量的錳對鋼的性能影響不顯著。 銅：銅元素對奧氏體硬度有很少一點或者基本上沒有作用，但是它對二次硬化過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保持一個比較高的硬度水平 [2226]。 稀土元素在鋼中的強化機制 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，改善夾雜物類型以及分布，另外將稀土元素加入鋼中，與熔點低的 As、 Sb、 Sn、 Pb、 Bi等雜志元素作用能形成高熔點的金屬間化合物，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度 [27]。 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 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。它們與鋼液反應(yīng)能形成微細質(zhì)點，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。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，阻礙了晶體生長所需的原子供應(yīng)，從而降低了晶核長大率。所以，在鋼冶煉過程中加入這些元素，可以細化鑄態(tài)組織，減少枝晶偏析，改善鋼的化學成分均勻性。另外，稀土元素可增大 鋼的流動性，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，因而對機械性能產(chǎn)生影響。稀土在鋼中形成較高熔點的化合物，在鋼液凝固前析出，呈細小的質(zhì)點分布在鋼液中，作為非均質(zhì)形核中心，降低鋼液結(jié)晶的過冷度，因而可細化鋼的凝固組織，減少偏析，實現(xiàn)凝固 “ 組織控制 ” 。另外，認為，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。主要有增加固溶度以及固溶強化、抑制局部弱化提高韌性、改善和強化晶界、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 素不會形成化合物，會降低這些元素的活度，增加溶解度，促進這些元素的利用率 [2830]。 應(yīng)用前景 AerMet100合 金是一種超高強度和抗疲勞的合金，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、傳動機構(gòu)、火炮、彈射器、制動器、瑣氣發(fā)動機軸、駕駛桿、直升飛機主軒和抑制環(huán)等航空零部件。美國海軍在航空母艦的 F／ A～ 18型戰(zhàn)斗機的起落架上，已采用 AerMetl00臺金取代 300M合 金。美國陸軍也 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 將在 LH4輕型直升機用 AerMet100臺金代替 AISI4340合金。預計不久的將來 AerMetl00合 金會成為新一代高性能飛機的重要結(jié)構(gòu)材料。 課題的主要研究內(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 AerMet100馬氏體時效不銹鋼性能的影響， 實驗主要研究內(nèi)容： 1） 分析不同的 Y元素含量對 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 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） 合金力學性能以及 強度的測試與分析。 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第二章 Y 元素對 Aermet100 不銹鋼的組織的影響 實驗設(shè)備及材料制備 實驗過程： 樣品制備 → 固溶處理 → 擠壓 → 固溶處理 → 深冷處理 → 時效處理 → 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 。 本實驗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)量分數(shù)為 %、 %、 %、 %以及 %的 Y元素。 實驗方法 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，反復翻轉(zhuǎn) 3 次。在充入氬氣保護氣體后，加入 AlY 中間合金，中間合金的含 Y 量約為 81%。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，合金塊作為實驗所需的樣品。 合金的熱處理 合金進行熱處理的主要目的是改善合金的機械以及力學性能，得到良好的綜合性能。因此，在本實驗中，我們采用固溶加時效的熱處理工藝對 Aermet100 不銹鋼進行熱處理。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。時效處理的主要目的是消除試樣內(nèi)部因機械加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機械性能 ，最主要的目的是析出碳化物強化合金 。本實驗中試樣分為三批，首先在 1000℃ 下保溫一小時進行固溶處理，空冷。而后進行擠壓變形，變形量越 為20%，以增加試樣位錯數(shù)量，而后在 1000℃ 下保溫一小時進行固溶處理，進行油淬。然后置于液氮中放置一晚，進行深冷處理，然后試樣分三批在不同溫度下進行時效處理。原始材料中 Y 元素含量質(zhì)量分數(shù)分別為 0%、 %、 %、 %、 %以及 %。用 SSX816 箱式電阻爐進行時效處理，實驗方案如下： 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 表 21 熱處理工藝 Table21 heat treatment process 實驗材料 時效溫度 /℃ 保溫時間 /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號砂紙在水磨機上進行粗磨、細磨后在 P2型金相試樣拋光機上進行粗拋和精拋，直至試樣表面在顯微鏡下觀察沒有明顯的劃痕為止。然后在 島津XRD6000x射線衍射儀進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行腐蝕，腐蝕時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，清洗完成后用吹風機吹干，然后用 日本電子 JSM6480掃描電子顯微鏡 (SEM)進行組織觀察。 組織觀察分析 不同 Y含量的 Aermet100合金在經(jīng)過熱處理后顯微組織會有所不同 。 Y元素對合金微觀組織的改變作用是本實驗的重點研究對象。圖 不同 Y元素含量 Aermet100合金 在掃描電鏡下的顯微結(jié)圖： ℃/T 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（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，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 Y元素含量增加到 %時，如圖 b所示，組織中析出了細小的顆粒，板條狀馬氏體的大小亦有所變化，可以預見此時合金的力學性能是最佳的，當 Y元素含量增加到 %時，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，這會降低材料的強度以及硬度，隨之在 Y元素含量增加到 %時，如a b c d e 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（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，這使得合金的力學性能進一步下降。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 Y元素含量由 01%增加到 %、 %時，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 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（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 SEM以及 EDS測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 本實驗中選用了 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合金進行 XRD圖譜分析，實驗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 。 江蘇科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 70 75 80 85 90 95 Inte