飛機高強度鋼件的強化及表面處理工藝研究-預覽頁

　

【正文】 C等，比合金滲碳體的穩定性更高，而特殊碳化物MoW2c、Vc、TiC等的穩定性最高。縮小相區元素均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區域，其中完全封閉區的元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內的廣大溫度范圍內獲得單相鐵素體組織，例如lCrl7Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。（b）所示，幾乎所有合金元素都使共析點碳含量降低；共晶點也有類似的規律，尤以強碳化物形成元素的作用最強烈。 合金元素影響加熱時奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。Al在鋼中易形成高熔點Aln、Al2O3細質點，也強烈阻止晶粒長大。由于錳鋼有較強的熱傾向，其加熱溫度不應過高，保溫時間應較短。微量硼（%）即能明顯提高淬透性，但其作用不穩定。別外，兩種或多種合金元素的同時加入對淬透性的影響，比單元素的影響總和還強得多，例如鉻錳、鉻鎳鋼等。Ms、Mf點的下降，使鋼中殘余奧氏體量增多（），許多高碳高合金鋼中的殘余奧氏體量可高達3040%以上。使得合金鋼在相同溫度下回火時，比同樣碳含量的碳鋼具有更高的硬度和強度（對工具鋼和耐熱鋼特別重要），或者在保證相同強度的條件下，可在更高的溫度下回火，而使韌性更好些（對結構很重要）。當回火溫度低于約450℃時，鋼中析出滲碳體；在450℃以上滲碳體溶解，鋼中開始沉淀出彌散穩定的難熔碳化物M02C、W2C、VC，使硬度重新升高，而在550℃左右沉淀過程完成時，硬度達到峰值。250400℃間的第一類回火脆性，是由相變機制本身決定的，無法消除，只能避開，但加入13%硅，可使其溫區移向較高溫度。強度一般指對塑性變形的抗力。此應力場與運動位錯的應力場發生交互作用，使位錯的運動受阻。其中C、N的強化效果最大；P的強化效果也很顯著，但它增大鋼的冷脆性；一般以Mn、Si等為強化元素較適宜。強化量 與晶粒度有以下關系：=K式中d代表晶粒的直勁；Kg是與晶粒尺寸無關的比例系數。 合金元素對鐵素體屈服強度的影響。當粒子間距或粒子直徑很小時，位錯切割粒子而通過[（a）]，強化效應隨粒子間距的增大而增強；但當粒子間距大于某臨界值時（例如一般工業合金的情況），位錯則繞過粒[（b）]，其強化量與粒子間距成反比，即粒子愈大，強化量 愈小： =式中 代表粒子間距：Kp是比例系數。一種是依靠熱處理從過飽和固溶體中沉淀析出第二相（稱為析出強化或沉淀硬化）；另一種是利用機械、化學等方法引入極細的第二相粒子（物為分散硬化）。位錯所造成的強化量 與金屬中的位錯密度的平方根成比例：=式中P代表位錯密度；Kd是比例系數。合金中的相變，特別是低溫下伴隨有容積變化的相變，如馬氏體相變等，都會造成大量的位錯，也能使合金顯著強化。馬氏體中溶有過飽和碳和合金元素，產生很強的固溶強化效應：馬氏體形成時產生高密度位錯，位錯強化效應很大；奧氏體轉變為馬氏體時，形成許多極細小的、取向不同的馬氏體束，產生細晶強化效應。由此可知，馬氏體強化充分而合理地利用了全部四種強化機制，是鋼的最經濟和最有效的強化方法。合金元素加入的第二個目的是提高鋼的回火穩定性，使鋼回火時析出的碳化物更細小、均勻和穩定；并使馬氏體的微細晶粒及高密度位錯保持到較高溫度。 合金元素對鋼的韌性的影響1）韌性的概念 韌性是指材料對斷裂的抗力。第一種是解理斷裂，金屬沿特定的晶面（鋼的解理面為{100}）斷開，為典型的和質量重要的脆性斷裂形式，多發生在溫度低，加載速度大、金屬塑性差的情況下；第二種是韌窩斷裂，以金屬中某些第二相粒子或夾雜物為中心形成孔洞，然后孔洞長大、匯合而導致斷裂，在斷口上有大量窩坑，是一種韌性斷裂形式；第三種是沿晶斷裂，裂紋由晶界產生并沿晶界傳播而發生斷裂，是很脆的斷裂形式，主要由于晶界上元素富集，析出第二相特別是脆性相所引起。低、中強鋼的TC較高，而且在TC以下解理斷裂時韌性非常低，在TC以上韌窩斷裂時韌性較高，所以只要不發生解理斷裂，它們一般都有足夠高上由鋼的解理斷裂抗力來決定。 中、低強度鋼和高強度鋼的沖擊韌性隨溫度變化的關系2）提高鋼韌性的途徑與強度比較，韌性對組織更敏感，影響強度的因素，對韌性的影響更大。但是某些置換元素例如鎳，溶入鐵素體中能改變位錯運動的特點，使其容易繞過某些障礙，避免產生大的應力集中，而不至導致解理斷裂，所以可大大改善基體的韌性。 鋼的間隙固溶強化和位錯強化是最有效的強化方法，但它們帶來較大脆性。粗大的碳化物對強度和韌性沒有任何好處。 非金屬夾雜、氫及其它雜質元素在合金鋼中的有害作用表現得最強烈，對它們要嚴格控制。材料沒有良好的工藝性能，很難獲得廣泛應用。固、液相線的溫度愈低和結晶溫區愈窄，鑄造性能愈好。熱加工工藝性能通常由熱加工時金屬的塑性和變形抗力、可加工溫度范圍、抗氧化能力、對鍛造加熱鍛后冷卻的要求等來評價。總的說，合金鋼的鍛造性能比碳鋼差得多。Si、Ni、Cr、V、Cu等降低鋼的深沖性能，Nb、Ti、Zr、和Re因能改善硫化物的形態，提高鋼的沖壓性能。例如，對于C﹥%的Mn鋼、熱軋鋼、調質鋼，碳當量Ceq為： =C+Mn+Si+Ni+Cr+Mo+V (%)式中元素符號代表其重量百分含量。但鋼中含有少量鈦和釩，因形成穩定的碳化物，使晶粒細化并降低淬透，可改善鋼的焊接性能。硬度過低，切削時粘刀，易形成刀瘤，加工表面光潔度差；硬度過高，切削抗力大，刀具易磨損。%以下時，鋼的切削性能隨碳含量增加而改善；%時，需經熱處理降低硬度。最常用的元素是硫。—%，—%。合金鋼的淬透性高使淬火燥作變得比較容易，并且減少工件變形和開裂的傾向。它具有重量輕（約占飛機重量的3%~5%）、體積小、結構復雜的特點。在選用材料的強度時，應考慮持續的振動和疲勞載荷對材料強度的影響，就是說材料的屈服強度，在使用過程中，并不是恒定不變的。這就需要通過給定的下沉速度和相當質量來明確規定其緩沖系統吸收的功量，對材料來說要有一定的塑性和韌性。我國新機種的設計除用靜強度外，也采用安全壽命設計的原則。在沖擊載荷下，應力應變往往以波的形式傳播，在遇到界面時會發生波的反射和干涉現象，對拉伸沖擊疲勞受力狀態實測結果表明，名義上只承受拉伸沖擊載荷的試樣，實際上承受的卻是拉——壓疲勞載荷；其次在沖擊載荷的作用下，材料的應變速率很高，會引起疲勞斷裂機制的改變。而超高強度鋼當處理成抗拉強度為1765~1961MPa時，疲勞極限僅為588~686MPa,疲~，而橫向疲勞極限還會更低。隨著冶煉方法的不同，雜質少的材料斷裂韌性會高些，在選用起落架鋼的強度水平下，各種高強鋼的K1c值并無很大差別。在基本相同的強度和斷裂韌性kc條件下，超高強度鋼的顯微組織不同，裂紋擴展速率da/dN出現成倍的差別，通過改變熱處理工藝、降低裂紋擴展速率是提高安全性的有效措施。氫脆是超高強度鋼加工和使用過程中的重大問題。鋼的抗拉強度愈高，其缺口敏感性往往愈大。焊接由于引起吸[H]過程，并產生熱影響區和內應力，影響到超高強度鋼的最終性能。 起落架的失效形式對失效形式的分析是一項嚴肅而復雜的任務，切不可輕率下結論，應對故障進行全面的科學分析，必要時應做模擬試驗以致再現故障。例如，因表面切削加工刀痕造成的應力集中，導致某機左支柱上合攏處疲勞破壞；因設計不當，充氣孔角處的應力集中導致孔角早期疲勞裂紋，并在很大的著陸載荷下造成起落架折斷；因裝配不當，則在較大單向彎曲預應力下，加工螺紋根部的應力集中，導致其轉動拉桿的疲勞斷裂。根據起落架的受力特點及所出現的故障事故分析認為，它的主要失效形式是疲勞引起的斷裂。根據起落架的服役條件及失效形式，它的失效抗拉指標主要是：為承受飛機的全部重量，必須有高的強度，1500Mpa 為抵抗巨大的沖擊負荷，必須有高的塑性和韌性，一般8%,35%,59cm 為抵抗疲勞破壞，必須有高的疲勞強度。有表中可見，后兩種鋼的性能比前三種鋼優越，同一強度相比，40CrMnSiMoV鋼有較好的綜合機械性能。以工藝性方面比較得出以下結論：1)淬透性 40CrMnSiMoVA鋼的淬透性較大，油淬截面80mm可以淬透，當淬火雙面冷卻時，筒形零件的厚度不超過40mm，可以淬透，可見其淬透性比30CrMnSi2A鋼稍大，因而滿足了起落架支柱的淬透性要求。在調質狀態下相對易削性為45%。淬火是強化鋼的重要熱處理方法，其本質問題是馬氏體轉變。 雙液淬火法它是將加熱好的工件，先于鹽水中冷卻至400C左右，然后迅即轉至油中，（b）所示。據經驗總結，碳鋼工件厚度在5～30mm時，其水冷時間可按每3～4mm厚度冷卻1s. 分級淬火法與單液淬火相比，雙液淬火確有一定的優點，但畢竟比較難于掌握，尤其對形狀復雜及截面尺寸相差懸殊的工件來說，仍經常出現變形甚至開裂，而分級淬火可有效的克服雙液淬火的不足。由于這些因素的影響，工件淬火時的變形和開裂傾向顯著減少。這是因為作等溫停留可顯著減少熱應力和組織應力，且貝氏體的比容較小，在淬火后保留的殘余奧氏體量也較多之故。 預冷淬火法預冷淬火法是將加熱好的工件，自爐中取出后在空氣中預冷一定時間，使工件的溫度降低一些，再置于淬火介質中進行冷卻的一種淬火方法，（f）所示。回火溫度為150到 熱處理工藝對顯微組織的影響不同淬火溫度下，40CrMnSiMoV鋼的顯微組織有所不同。 不同熱處理工藝的顯微組織（x500）熱處理工藝對機械性能的影響。隨著回火溫度的提高，硬度值有所下降，但并不明顯。尤其是860加熱，180回火提高240回火，%。900加熱油淬+240回火為準解理和部分沿晶混合的斷裂模式，其準解理單元較大而斷面起伏較小。工藝B：860油淬+200回火即有較高硬度又有較好抗沖擊能力，具有較好綜合機械性能，滿足了起落架的性能要求。40CrMnSiMoV鋼在190等溫60分淬火，19016h + 2604h回火和300等溫30min淬火、19016h回火后的強度、塑性、沖擊韌性（室溫、低溫）、斷裂韌性、多沖疲勞壽命、周期強度， 可見，經300等溫淬火后，鋼的強度可達到超高強度水平。從斷口上，也看到了兩種工藝之間的差異。該鋼的M點是260。在典型的貝氏體中，特別是在典型的上貝氏體中，粗大的碳化物呈方向性地分布在鐵素體板條間，因此在碳化物與鐵素體的界面處易于萌生裂紋，進而誘發解理裂紋，導致解理斷裂。 當裂紋在基體中擴展遇到殘余奧氏體時，由于裂紋尖端處應力集中超過A的屈服極限，A發生塑性變形，使裂紋尖端鈍化，這時裂紋或者穿過A繼續擴展，或者避開而改變到阻力較小的基體內進行，這兩種方式都將使斷裂能增加。從圖中可以看出一個趨勢，即隨A量增多，kc升高。所以，300C等溫淬火獲得的貝氏體組織，具有良好的強韌性配合，并因此而具有優良的疲勞性能。因此，通常金屬表面經磷化處理后，還需根據實際使用情況進行鈍化處理、涂油或涂漆以滿足防蝕的要求。磷化膜用作漆底層可提高漆膜的黏附性能，提高漆膜的耐潮濕和耐侵水性能，可以基本上阻止可能發生的腐蝕擴散。金屬表面磷化處理后的腐蝕過程便會被限制在覆膜損壞的地方，因為金屬基體的其余部分為非導體的磷化膜所絕緣。的重要作用。③ 漆膜光澤性好，且保光，保色，經久不變。3）T041脂膠磁漆干性良好，干后漆膜堅韌，顏色鮮艷，耐水性強，附著力好，有一定的耐氣候性。用該類鋼制成的構件經淬火低溫回火或等溫淬火后具有良好的韌性和高的強度，尤其是經淬火低溫回火后強度更高而采用等溫淬火可獲的高的強度的同時獲得更好的韌性并且變形小，處理后的精度高，由此可見對高強度鋼構件進行上述熱處理可充分發揮材料的性能潛力。因此，我國的發展重點應是大力開發經濟型二次硬化超高強度鋼，以滿足飛機承力部件、坦克和裝甲車輛的結構件等研制的需求，這對兵器裝備和航空工業的發展、研制水平的提升都有十分重要的作用。劉教授不僅在學業上給我以精心指導，同時還在思想上給我以無微不至的關懷，在此謹向劉老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。特別感謝楊漢嵩老師，張保豐老師和趙奎，丁丹丹同學他們對我的課題做了不少工作，給予我不少的幫助。Y 18