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    钢的强韧化改变钢的内部构造

    2019-01-05   来源:   点击数:21次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港撰文:力学性能 碳素船体钢要有足够的强度和良好的塑性、韧性及疲劳强度。其力学性能见表2。屈服强度是进行船体强度计算、确定船体结构尺寸的最基本的技术依据,对不同的船体建造应选择不同屈服强度的碳素船体钢。材料具有良好的塑性,才能在加工过程中经受冷热加工,在航行过程中避免因局部受力而破坏。韧性是表示抵抗脆性破坏的能力。船体钢由于加工后应力状态、加载速度和温度等因素不同,其表现脆性状态的倾向也不同,容易发生脆性断裂。因此,要求具有良好的韧性,特别是低温韧性,以保证船舶远洋航行的安全。疲劳性能是保证船舶在使用过程中承受各种交变载荷的作用下不产生低周疲劳,使船舶提高寿命。
      
      在给定外界条件下,通过不同的工艺过程,改变钢的内部构造,使钢的强度和韧性得以提高和改善的方法和效果。这里所说的外界条件包括温度、应力、磁场、电场、辐照和化学介质等;不同的工艺过程包括冶炼、铸造、热形变、冷形变、焊接、激光照射和热处理等。在不同的外界条件下,相同的材料也会有不同的性能。强度,这是一个相当广义的概念,它是指材料在宏观上抵抗形变(弹性形变或塑性形变)的能力。在工程上人们规定了不同的强度指标(单位是MPa)来限定它的具体涵义。诸如室温拉伸(或压缩)条件下的短时屈服强度、长时(譬如1000h等)屈服强度、抗拉强度,由屈服强度或抗拉强度派生出来的比强度(屈服强度对材料密度的比值或抗拉强度对密度的比值);各种温度(室温以上)及断裂时间下的持久强度,一定温度、一定时间、一定允许形变量下的蠕变强度(或蠕变极限);各种化学介质环境下的应力腐蚀断裂强度;在低温或高温各种循环应力下的疲劳强度(或疲劳极限)等等。韧性,也是一个相当广义的概念。它是材料断裂能量的判据,是强度和塑性的综合表征。在缺口断裂力学及裂纹断裂力学中,分别有缺口韧性和裂纹韧性之分。缺口韧性指标包括梅氏U形缺口冲击功Ak值(单位是J),夏氏V形缺口冲击功Cv值(单位是J)。裂纹韧性指标包括适用于高强度和超高强度钢的平面应变断裂韧性KIc(量纲是MN%26bull;m-2),适用于中高强度钢的、在弹性和弹塑性范围内的裂纹扩展力GIc和JIc(量纲是MN/m),以及适用于中低强度钢的临界裂纹张开位移COD或%26zeta;c(单位是mm),等等。一般来说,结构材料的强度和韧性是一对矛盾。通常提高强度,就降低韧性。或者反过来,韧性改善了,强度就下降。合理的办法是,在满足给定要求强度的前提下,设法提高钢的韧性,以保证材料的可靠使用。或者反过来,在保证给定要求韧性的前提下,设法提高强度。统一协调这一对矛盾,得到又强又韧的钢材,就是钢强韧化的目的。
      
      钢的强化方法 钢的强化方法包括:(1)形变强化;(2)固溶强化;(3)脱溶强化;(4)细化晶粒强化;(5)复合强化(上述各种强化方式的复合);(6)马氏体强化;(7)形变一相变综合强化(形变热处理强化);(8)其他强化方法。
      
      中国钢管信息港撰文:形变强化 利用形变使钢强化的方法。也称应变强化或加工硬化。因为通常把硬度和强度都看作是材料的%26ldquo;强度性质%26rdquo;。强度是材料在宏观上(或者说是整体上)抵抗形变的能力(或称流变应力)。硬度是材料局部抵抗塑性形变的能力(不论是显微硬度、维氏硬度、洛氏硬度,还是布氏硬度)。二者在不少情况下有近似的相应关系。材料的强度越高,塑性形变抗力越大,硬度值也越高。反之,材料的硬度越高,可能因材料脆性增大,其强度未充分反映出来,使得强度指标数值并不高。对于不再经受热处理,并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料(譬如低碳低合金钢),经常利用冷加工(冷形变)手段使之通过形变强化来提高强度。因而,形变强化的实质就是在材料的再结晶温度以下进行冷形变,随着形变程度(应变量)的增大,在晶体内产生高密度的位错(晶体缺陷),位错密度越高,强化的程度越大,即流变应力值越高。形变后金属的流变应力应当等于未形变前的流变应力加上形变强化的流变应力的增量。流变应力增量与位错密度的高低有关:%26tau;=%26tau;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1. 式中%26tau;为金属的流变切应力%26tau;0为退火态金属的流变切应力(它表示除了位错相互作用以外其他因素对位错运动的摩擦阻力);%26alpha;为常数;%26mu;为切变弹性模量;b为位错柏氏矢量; %26rho;为位错密度;指数n1=0.5。利用形变强化达到高强度的钢铁制品,典型的就是高碳钢冷拉钢丝和低碳低合金双相钢冷拉钢丝。随着形变程度的增大,材料的强度和硬度越来越高,但它的塑性和韧性却往往越来越低,脆性越来越大,这就需要采取相应韧化措施来加以改善。在马氏体型相变过程中引起的内部相变冷作硬化,就其物理实质来说,也属于形变强化,只不过这时的形变并非来自外部,而是来自马氏体相变过程中晶体自身切变所产生的高密度位错。
      
      固溶强化 利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。它是一种常用的强化方法。绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。这种强化方法的实质是,溶质原子使基体的点阵(或称晶格)发生畸变,位错运动受到阻碍,从而有效地提高了合金的强度。在合金元素浓度不高的固溶体中,合金屈服流变应力随溶质浓度的变化关系为:%26sigma;=%26sigma;0+Kcn2。式中%26sigma;为合金的屈服流变应力;%26sigma;0为基体金属的流变应力;K为常数,决定于基体与合金元素的性质;c为溶质的原子浓度;指数n2为常数,强化能力较弱的合金元素(置换式元素)n2=1,强化能力较强的间隙式元素n2=0.5。铁基合金中,屈服流变应力与置换溶质元素浓度间呈线性关系(常用元素中,磷、硅、铜强化效果较大,锰、钼、镍、铝强化效果较小,铬倒有软化效果);而与间隙溶质元素(如碳)浓度的平方根成正比。间隙溶质强化的效果比置换溶质的强化效果高得多,前者是后者的10~100倍。然而,碳在%26alpha;-铁中的最大溶解度却只有0.0218%,这样就使得强化的总效果有限。不过,利用铁基固溶体的多形性转变这一重要现象,把钢加热到高温%26gamma;相区,这样就可以有大量的碳溶在%26gamma;-铁中,例如Fe%26mdash;C合金中,%26gamma;-铁的最大溶碳量可高达2.11%(是%26alpha;-铁中最大溶碳量的近100倍),然后再用淬火的方法使%26gamma;相转变成具有同样碳含量的马氏体(非扩散型相变)。这样,碳的固溶强化就成了淬火马氏体强化的主要因素。这是结构钢和工具钢中最基本、最常用的强化方法。同样,当固溶强化效果过大导致材料脆性增大时,也需要采取韧化措施(如回火)来加以改善。
      
      注:a-试样厚度,mm;b-试样宽度,mm;d-弯芯直径,mm。
      
      工艺性能 根据船体结构,船体钢要加工成各种形状,要求具有良好的冷热弯曲、火工矫正和焊接性能。
      
      耐腐蚀性 船舶长期受到周围各种介质的化学和电化学作用,使钢受到不同程度的腐蚀,影响使用性能。所以要求钢的表面平整光滑无铁皮,另外船体表面要涂好防锈漆和采用牺牲阳极保护法。
      
      中国钢管信息港撰文:发展趋势 随着造船工业和船舶运输工业的迅速发展,为满足减轻船舶自重、增加吨位和远洋船舶运输的需要,碳素船体钢正在向低合金高强度方向发展。目前美国、英国等在造船中使用低合金高强度(235~590MPa)钢日益增多,尤其是巨型油轮的发展,对高强度钢的使用更多,而且形成系列化、规范化、军民通用化。中国目前已用16Mn、15MnTi钢建造远洋货轮,使用的屈服强度为235~400MPa范围的低合金钢。为了满足造船工业的需要,船体钢正向改善质量,提高强度等级,增加产量等方面发展。
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