飞机高强度钢件的强化及表面处理工艺研究大学论文Word文档下载推荐.docx
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1绪论
自从飞机发明以后,飞机日益成为现代文明不可缺少的运载工具。
它深刻的改变和影响着人们的生活。
随着航空工业的发展,起落架、飞机大梁等飞机承力机构的研究,已成为航空工业中的关键技术。
高强度合金钢是指应用于制造承受较高应力结构件的合金钢类,一般屈服强度大于120kgf/mm2、抗拉强度大于140kgf/mm2。
自20世纪60年代以来,合金钢和不锈钢的质量与性能都有所提高,成本降低,工艺性能改善,因而在航空航天工业中仍占有重要地位。
其中低合金超高强度钢是超高强度钢中的佼佼者。
低合金超高强度钢的生产成本低廉,生产工艺比较简单,又具有良好的焊接性能,仍然是今后在航空工业中使用量最大的钢种。
通过提高冶金质量、调整成分和改善热处理工艺,这类钢可满足各种使用要求。
新型超高强度钢的强度已达到2000兆帕(200公斤/毫米2)。
随着强度的提高,缺口敏感性增加,出现氢脆、应力腐蚀和腐蚀疲劳问题,强度超过一定限度后断裂韧性降低,直接影响部件的使用可靠性和使用寿命,甚至会在使用中突然断裂。
因此需要选择合理的热处理制度,以获得良好的综合性能。
马氏体时效钢不仅强度高,断裂韧性、抗氢脆和应力腐蚀性能也都比低合金超高强度钢好,有良好的可焊性和工艺塑性,是一种
综合性能良好的钢种,适于制作飞机起落架
由于低合金高强度钢对应力集中敏感性高,电镀易引起氢脆显然不适合低合金高强度钢的表面处理。
磷化处理及能对低合金高强度钢零件起到有效的保护作用又能避免氢脆的发生,符合低合金高强度钢零件的防腐要求。
由于磷化膜不够致密不能对低合金高强度钢零件起到长期有效的保护,所以要涂漆加以保护。
传统一般采用硝基烤漆加以保护。
随着油漆技术的发展,现在多采用树脂烤漆。
从经济上来说,40CrMnSiMoVA钢是我国研制定型的一种无Ni超高强度结构钢,立足于国内资源,可代替30CrMnSiNi2A钢,用于制造飞机起落架等重要零件。
2高强度钢的合金化机理及分析
合金元素在钢中的作用非常复杂,到目前为止对它的认识还很不全面。
下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图影响以及对热处理的影响的规律。
2.1合金元素与铁和碳的作用
合金元素加入钢中,主要与铁形成固溶体,或者与碳形成碳化物,少量存在于夹杂物(如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等)中,在高合金钢中还可能形成金属间化合物。
2.1.1合金元素与铁的作用
几乎所有合金元素(除Pb外)都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。
按照合金元素对a-Fe或-Fe的作用,可将它们分为两大类。
Mn,原子%Cu,原子%
(a)Fe-Mn相图(b)Fe-Cu相图
图2.1扩大区的Fe-Mn相图(Mn代表合金元素)
扩大y相区元素亦称奥氏体稳定化元素,主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等。
它们使As点下降,A4点上升,从而扩大相的存在范围。
其中Ni、Mn等元素加入到一定量后,可使A4点将到室温以下,使a相完全消失,如图2.1(a)的Fe-Mn相图所示,它们称为完全扩大区的元素,另外一些元素如C、N和Cu等,虽扩大相区,但不能将其扩大到室温,如图2.1(b)的Fe-Cu相图所示,所以它们称为部分扩大区的元素。
缩小相区元素亦称铁素体稳定化元素,主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。
它们使A3点上升,A4点下降(铬有例外,铬含量小于7%时,A3点下降;
大于7%后A3点迅速上升,)从而缩小y相的存在范围,使铁素体稳定区域扩大。
其中Cr、Mo、W、V、Ti,Al、Si等元素超过一定含量时,A3点于A4点重合,使相区被封闭,这时合金在固态范围内一直处于单相a相状态,如图2.2(a)的Fe-Cr相图所示,它人称为完全封闭区的元素。
另外一些元素,如B、Nb、Zr等,虽然也使相区温度范围缩小,但不能使其封闭,如图2.2(b)的Fe-Nb相图所示,它们称为部分缩小区的元素。
Cr,原子%Nb原子%
Fe-Cr相图Fe-Nb相图
图2.2缩小区的Fe-Me相图
上述元素中,只有C、N、B、与铁形成间隙固溶体,其它均与铁形成置换固溶体。
2.1.2合金元素与碳的作用
合金元素按其与钢中碳亲合力的大小,可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。
常用非碳化物形成元素有:
Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。
它们不与碳形成化合物,除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外,基本上都溶于铁素体和奥氏体中。
常用碳化物形成元素有:
Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等(按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列。
)它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。
Mn与碳的亲合力较弱,少部分溶于渗碳体中,大部分溶于铁素体或奥氏体中。
与碳的亲合力较强的Cr、Mo、W等,含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体;
含量较高时可形成新的合金碳化物。
而与碳的亲合力很强的元素V、Nb、Zr、Ti等,几乎都是形成特殊碳化物。
此外,总还有一部分强碳化物形成元素会溶于素体或奥氏体中。
合金碳化物Mn3、C、Cr7、C3、Cr23、C6、Fe3、W3C等,比合金渗碳体的稳定性更高,而特殊碳化物Mo2、W2c、Vc、TiC等的稳定性最高。
稳定性愈高的碳化物,其熔点和硬度也愈高,加热时也愈难溶于奥氏体中,因此对钢中的机械性能和工艺性能的影响很大,表2.1中给出了钢中常见碳化物的类型及特性。
表2.1钢中常见碳化物的类型及基本特性
2.2合金元素对铁碳相图的影响
合金元素对铁碳相图的影响与对纯铁的影响类似,但更复杂一些。
影响主要分两方面:
2.2.1对奥氏体和铁素体存在范围的影响
扩大相区元素均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域,其中完全扩大区的元素Ni或Mn的含量较多时,可使钢在室温下得到单相奥氏组织,例如lCrl8Ni9高镍奥氏体不锈钢和ZGMnl3高锰耐磨钢等。
缩小相区元素均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域,其中完全封闭区的元素(例如Cr、Ti、Si等)超过一定含量后,可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体组织,例如lCrl7Ti高铬铁素体不锈钢等。
2.2.2对铁碳相图临界点(S点和E点)的影响
扩大相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降;
缩小相区的元素则使其上升,并都使共析反应在一个温度范围内进行。
几种主要合金元素对共析温度的影响如图2.3(a)所示。
合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。
如图2.3(b)所示,几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低;
共晶点也有类似的规律,尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。
S点和E点的左移,使合金钢的平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图来分析)。
例如,含0.3%C的3Cr2W8V热模具钢已为过共析钢,而碳含量不超过0.1%的Wl8Cr4V高速钢,在铸态下已具有莱氏体组织。
2.3合金元素对热处理的影响
合金元素对热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。
2.3.1.合金元素对加热时转变的影响
合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。
1)对奥氏体形成速度的影响Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大,形成难溶于奥氏体中的合金碳化物(见表2.1),显著阻碍碳的扩散,大大减慢奥氏体形成速度。
为了加速碳化物的溶解和奥氏体成分的匀化,必须提高加热温度并保温更长的时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素,因增大碳的扩散速度,使奥氏体的形成速度加快。
Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。
2)对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素有阻止奥氏体晶粒长大的作用,但影响程度不同。
碳化物形成元素的作用最明显,因形成的碳化物在高温下较稳定,不易溶于奥氏体中,能阻碍其晶界外移,显著细化晶粒。
按照对晶粒长大作用的影响,合金元素可分为:
图2.3合金元素对共析温度及共析点碳含量的影响
a.强烈阻止晶粒长大元素:
V、Ti、Nb、Zr等。
Al在钢中易形成高熔点Aln、Al2O3细质点,也强烈阻止晶粒长大。
b.中等阻碍晶粒长大的元素:
W、Mo、Cr。
c.对晶粒长大影响不大的元素:
Si、Ni、Cu。
d.促进晶粒长大的元素:
Mn、P、B也略有此倾向。
由于锰钢有较强的热倾向,其加热温度不应过高,保温时间应较短。
2.3.2.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响
除Co外,几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,推迟珠光体类型
转变,使c曲线右移,即提高钢的淬透性,如图2.4所示。
图2.4合金元素对碳钢C曲线的影响
这是钢中加入合金元素的主要目的之一。
常用提高淬透性的元素有:
Mo、Mn、Cr、N
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