（材料学专业论文）aermet100超高强度钢激光相变硬化的研究.pdf

摘要 摘要 a e r m e t l 0 0 钢是一种新型的超高强度钢，具有优良的强韧性配合，有可能作 为飞机的主要承力件用钢。因此，在使用过程中，除对材料的整体性能的要求外， 有可能对应用的局部和表面性能有较高的要求。 本文使用激光相变硬化处理工艺，对a e r m e t l 0 0 超高强度钢进行了表面强 化。考察了原始状态、激光功率、冷处理、回火工艺等对微观组织、硬度分布的 影响，使用x 射线衍射仪对淬硬层的逆转变奥氏体含量、残余应力分布进行了 分析，研究了逆转变奥氏体的转变机制及二次硬化现象。结果表明激光相变硬化 后表面硬度得到提高，且随着激光功率的增大淬硬层的深度变大，硬度升高；原 始状态对淬硬层的硬度有影响，原始态为淬火态的激光淬硬层的硬度比退火态的 高，淬硬层深度也比退火态的深；冷处理细化了激光相变硬化后试样的晶粒，使 残余奥氏体向马氏体转变，使激光相变硬化后的硬度得到进一步的提高；回火工 艺影响逆转变奥氏体的含量，回火时间越长，逆转变奥氏体含量越多，回火温度 越高，逆转变奥氏体含量越多；激光相变硬化后试样表面为压应力，且随着激光 功率的增大而变大；激光相变硬化后的回火过程中存在着二次硬化现象，导致 a e r m e t l 0 0 钢在经激光相变硬化处理后4 8 2 回火3 h 时表面残余压应力最大。 本文还通过多次冲击疲劳试验研究了a e r m e t l 0 0 钢经激光相变硬化后在小 能量多次冲击条件下的力学性能，观察了断口形貌，绘制了a n 曲线和d a d n 一k 曲线，结果表明，激光相变硬化提高了材料的疲劳寿命；随着激光功率的 增加，材料的疲劳裂纹扩展速率降低。 关键词：激光相变硬化，a e r m e t l 0 0 超高强度钢，逆转变奥氏体，残余应力，多 次冲击疲劳 a b s f r a c f a b s t r a c t a e r m e t l 0 0s t e e li san e wt y p eo f u l t r a - h i 曲s t r e n g t l as t e e lw i me x c e l l e n ts t r e n g t h a n dt o u g h n e s s i tm a yb eu s e da sm a i ns t e e lf o rl o a d - b e a r i n gs t r u c t u r eo fp l a n e t h e r e f o r c i nt h eu s eo ft h ep r o c e s s i na d d i t i o nt ot h er e q u i r e m e n t so fo v e r a l l p e r f o r m a n c e t h es u r f a c ea n dl o c a lp a r to fa e r m e t l o oi sl i k e l yt oh a v eh i g l a e l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i nt h i ss t u d y , l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ( l t h ) 仃e a t m e n tw e i r eu s e dt o s t r e n g t h e nt h es u r f a c eo fu l t r a - h i 吐s t r e n g t hs t e e la e r m e t l o o n 地i n f l u e n c eo f p r i m i t i v ec o n d i t i o n s 1 a s e rp o w e r , a n dd e e pf r e e z i n gt om i c r o s t r u c t u r e sa n dt h e d i s t r i b u t i o no fh a r d n e s sw e r es t u d i e d t h ec o n t e n to fr e v e r t e da u s t e n i t em a dt h e d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sw 哪a n a l y s i s e db yu s i n gx - r a yd i f f r a e t i o n , t h e m e c h a n i s mo fr e v e r s eo fa u s t e n i t ea n ds e c o n d a r yh a r d e n i n gp h e n o m e n o nw c r c s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh a r d n e s so ft h es u r f a c ew a si m p r o v e da f t e rl a s e r t r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，a n dt h ed e p t ho fh a r d e nl a y e ri n c r e a s ea n dt h eh a r d n e s s i n c l - 8 a s ew h i l el a s e rp o w e ri n c r e a s e ；o r i 商h a ls t a t ea f f e e t st h eh a r d n e s s , t h eh a r d n e s s o fh a r d e nl a y e ro fq u e n c h e ds t a t ei sh a r d e rt h a nt h a to fa n n e a l e ds t a t ea f t e rl t h ：t h e d e 印f r e e z i n gp r o c e s sr e f i n e m e n t e dt h es i z eo fg r a i n , r e t a i n e da u s t e n i t et om a r t c n s i t e t r a n s f o r m a t i o n f u r t h e ri m p r o v e dt h eh a r d n e s so f h a r d e nl a y e r ；t h et e m p e r i n gp r o c e s s i m p a c ti n v e r s ea u s t e n i t ec o n t e n t t h ec o n t e n to fr e v e r t e da u s t e n i t ei nl a s e rh a r d e n e d s a m p l e si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et e m p e r i n gt i m ea n dt e m p e r i n gt e m p r e t u r e a n dt h i sl e a d st ot h eh a r d n e s sd e c r e a s ei nh a r d e n e dl a y e r c o m p r e h e n s s i v es t r e s sw c r c d e t e c t e do nt h es u r f a c eo fh a r d e nl a y e ra l l c r 删a n di ti n c r e a s i n gw h i l el a s e rp o w e r i n c r e a s e ；s e c o n d a r yh a r d e n i n gp h e n o m e n o ne x i s t si nt h et e m p e r i n gp r o c e s so f h a r d e n l a y e ra f t e rl t h w h i c hc a u s e ds u r f a c er e s i d u a ls t r e s sr e a c h e di t st o pw h i l et e m p e r e d a f t e r 3 h o u r sa t 4 8 2 。c t l 】i sp a d e l a l s os t u d i e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa e r m e t l o os t e e la f t e rl t h b yu s i n gm u l t i - i m p a c tf a t i g u et e s t t h ef r a c t u r ew a so b s e r v e db ys e m ，t h ea - n d i a g r a ma n dd a d n - kd i a g r a mw e r ed r a w e d 1 r t 地r e s u l ts h o w st h a t 唧i n c r e a s e t h ef a t i g u el i f eo fa e r m e t l 0 0 ，a n dw h i l et h el a s e rp o w e ri n c l e a 蹁t h ec r a c kg r o w t h r a t eo f t h em a t e r i a ld e c r e a s e k e y w o r d ：l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g , a e r m e t l 0 0u l t r a - h i g hs t r e n g t hs t e e l ， r e v e r t e da t t s t e n i t e ，r e s i d u a ls t r e s s ，m u l t i i m p a c tf a t i g u et e s t n 第一章绪论 第一章绪论 i i 引言 超高强度钢是近3 0 年来为适应航空和航天技术的需要而发展起来的一种比 强度高的结构材料，其室温拉伸强度ob 超过1 4 0 0 m p a ，屈服强度o0 2 大于 1 3 0 0 胁。 根据航空工业发展的需要，美国c a r p e n t e r 技术公司开发出一种新型的超高 强度钢a e r m e t l 0 0 ，考虑用在要求材料具有高强、高韧的3 种零部件上( 起落架、 气体涡轮发动机主轴和机轮螺栓之类的紧固件) 。此材料是一种由c 、c r 和m o 强化的f c n i c o 合金，其名义成分为( 研) ：1 3 4 c o ，i i i n i ，3 1 c r ，1 2 m o ， 0 2 3 c ，其余为f c ，合金专利号为5 0 8 7 4 1 5 。1 9 9 2 年7 月被命名为a m s 6 5 3 2 。 它具有最高的强度和断裂韧性匹配。它可以处理到1 9 3 0 2 0 7 0 m p a 的ob 而娲c 可超过i i o m p a m 。在现用的钢中，a e r m e t l 0 0 并不具有绝对的最高的 强度或最高的韧性，然而它提供了不寻常的高水平的、理想的综合性能。目前 a e r m e t l 0 0 已用作美国f - 2 2 战斗机的起落架材科以及r a h - 6 6 上的一些要求防 弹性好的结构材料。 随后，c a r p e n t e r 公司在a e r m e t l 0 0 的基础上开发出了a e r m e t 3 1 0 合金，它 比a e r m e t l 0 0 合金的强度高1 0 ，且其延展性( 经拉伸试验测量) 或抗应力腐 蚀断裂也毫不逊色。但是就c h a r p yv 型缺口冲击韧性而言，a e r m e t 3 1 0 不如 a e r m e t l 0 0 ，这种差别反映了强度与韧性平衡上的考虑。 a e r m e t l 0 0 与a f l 4 1 0 以及早期开发的王1 8 0 都属于二次硬化超高强度钢， 这组钢二次硬化特点是在4 8 0 5 1 0 范围回火( 或时效) ，不仅提高强度、硬度， 还能提高韧性。加c o 能提高再结晶温度使位错结构保持下来，增加细小碳化物 的形核地点，以便析出更多的细小碳化物。随着固溶温度的提高，f e 3 c 溶解， 细小的m 2 c 沉淀在位错线上，这种细小的合金碳化物m 2 c 或( c r ，m o ) 2 c 代 替大的沉淀物就是强化的原因，另外f e 3 c 溶解也是导致韧性提高的原因。另外， 通过锻造获得细晶粒，达到a s t m i i 级，这是a e r m e t l 0 0 钢获得良好综合性能 的另一关键因素【1 1 由于a e r m e t l 0 0 钢良好的综合性能，所以其在航空工业中的应用前景极其广 阔。虽然其强韧性已经达到了比较优秀的配合，但是在某些应用上仍然希望其强 韧性能够在原有的基础上进一步的提高。激光相变硬化是一种特殊的表面强化工 艺，由于其瞬间加热、瞬间冷却的特点，可以使材料的表面组织细化，大大提高 材料的硬度、耐磨性等性能。 两北t 业大学硕十学何论文 本课题作为a e r m e t l 0 0 钢增强增韧研究的一部分，旨在通过对超高强度钢 a e r m e t l 0 0 激光相变硬化后的力学性能以及残余应力的分析，了解该钢在激光相 变硬化过程中的组织转变和强韧化机理，探索对其进行激光处理的可行性，从而 推动该材料在我国航空业的应用。 1 2 超高强度钢概况 在航空、宇航工程领域，超高强度钢是指屈服强度( oo 2 ) 在1 4 0 0 1 6 0 0 m p a 以上的高强度钢。从2 0 世纪5 0 年代至今，经过半个多世纪的研究发展，超高强 度钢已成为材料科学与工程一个专门的学科领域。 超高强度钢的最大特点是具有高的强度密度比，具有足够的塑性和韧性。超 高强度钢用于飞机起落架、主梁、涡轮发动机主轴，火箭发动机壳体和承力螺栓 等关键承力构件。这些零件要求材料具有最高强度和优良的综合性能，其中包括 优良的韧性、抗应力腐蚀开裂能力，高疲劳强度和焊接性能。 超高强度钢按钢中所含合金总量分低、中、高三种合金系。 1 低合金超高强度钢( 合金元素含量 1 0 ) 其中有二次硬化马氏体钢系列，包括9 n i - 4 c o ，9 n i 5 0 0 ，1 0 n i 8 c o ( h y l 8 0 ) ， 1 0 n i 1 4 c o ( a f l 4 1 0 ，a e r m e t l 0 0 等) ；1 8 n i 马氏体时效钢系列( 1 8 n i ( 2 5 0 ) ， 1 8 n i ( 3 0 0 ) ，1 8 n i ( 3 5 0 ) ) ；以及沉淀硬化不锈钢系列( 如p h l 3 - 8 m o ) 等。 1 2 1 低合金超高强度钢 这类超高强度钢含合金元素量少，经济性好，强度高，屈强比低。但其韧性 相对较低。一些重要的低合金超高强度钢的名义成分和典型性能见表l l 。 2 第一章绪论 表l 一1 一些低合金超高强度钢的名义成分和典型性能 化学成分a bk l c 牌号 cs im nn ic rm ov田am p t m l n a i s l 4 3 4 00 4o 30 71 8o 8o 2 51 8 0 0 之1 0 05 7 3 0 0 m0 4o 6o 80 8o 80 4o 0 81 9 0 0 一2 1 0 07 4 3 5 n c d l 60 3 50 1 54 01 8 o 5 1 8 6 09 l d 6 a c0 4o 3o 9o 71 21 1o 11 9 0 m 之1 0 06 8 3 0 c r m n s i n i 2 ao 31 01 21 61 o1 7 6 0 6 4 4 0 c 小l l l s i m o v ao 41 41 01 4o 50 11 8 0 0 也0 0 07 1 3 0 c r m n s i n i 2 a 钢曾在航空工业中广泛应用，如用于制造飞机起落架和梁 等，但其韧性相对较低。4 0 c r m n s i m o v a 钢是在3 0 c r m n s i n i 2 a 钢成分的基础 上改进发展的，其强度和韧性均有所改进。 a i s l 4 3 4 0 钢的研究成功是低合金超高强度钢发展史上的重要一步。4 3 4 0 钢 不仅具有高强度和高延性，而且具有高的疲劳和蠕变抗力。它已被当作其他超高 强度钢的比较标准。曾应用于制造波音7 0 7 民用客机和f 1 0 4 飞机的起落架。 但4 3 4 0 钢在强度达到1 8 0 0 2 1 0 0 m p a 时的断裂韧性仅为5 7m p a - m ”。在4 3 4 0 钢的基础上加入1 6 s i 和少量v ，并略为提高c 和m o 的含量，发展了3 0 0 m 钢，其韧性比4 3 4 0 钢有较大的提高。 d 6 a c 钢的届强比很高，延性很好，具有很好的缺口韧性和冲击韧性，可焊， 特别适合应用于飞机和导弹结构。 t 2 2 中合金超高强度钢 中合金超高强度钢中典型的有h 1 l m o d ，h - 1 3 等，是二次硬化钢它们是 常用的含5 c r 韵热作模具钢，也广泛用作结构材料。但是它们现在已经没有那 么广泛地应用于结构了。因为已经有一些价格与之相当，而在相同强度时断裂韧 性更高的材料。然而h 1 l m o d 和h 1 3 具有某些特点，它们在大截面时也可空冷 强化。 h 1 l m o d 和h - 1 3 钢的名义成分见表卜一2 。 表1 - 2h - i l m o d 和h 1 3 钢的名义成分 化学成分肋 牌号 cs im nc rm o v h 1 t m o d0 4 0o 9 0o 3 0 5 o 1 3 0o 5 0 h 1 30 3 81 o0 3 55 11 41 o 西北工业大学硕士学付论文 h 1 l m o d 钢和h 1 3 钢在5 1 0 左右回火获得最佳性能，但其断裂韧性不高， 其典型性能见表1 3 。 表1 - 3h 1 1 m o d 和h 1 3 钢的室温典型性能 力学性能 牌号 ob m p ao0 2 m p a 6 s 甲肠 墨n 亿 h 1l m o d ( ! )2 1 2 01 7 1 05 92 9 51 3 6 h 1 3 1 9 6 01 5 7 01 34 6 21 6 ( d 5 1 0 c 回火 ) 5 2 t c 回火。 h 1 l m o d 的典型应用包括飞机起落架部件，机体部件，蒸汽和燃气轮机内 部部件，热作模具等。h 1 3 不如h 1 l m o d 应用广泛。 1 2 3 高合金超高强度钢 高合金超高强度钢中有二次硬化马氏体钢系列，其中包括9 n i 4 c o ，9 n i 5 c o ， l o n i 8 c o ( h y l 8 0 ) ，1 0 n i 1 4 c o ( a f l 4 l o ) ，a e r m e t l 0 0 ) 等；1 8 n i 马氏体时效 钢系列，1 8 n i ( 2 5 0 ) ，1 8 n i ( 3 0 0 ) ，1 8 n i ( 3 5 0 ) 等；以及沉淀硬化不锈钢系列， 如p h l 3 8 m o 等。其中以二次硬化马氏体钢系列，其中包括1 0 n i 一8 c o ( h y l 8 0 ) ， l o n i 1 4 c o ( a f l 4 1 0 ) ，a e r m e t l 0 0 等的综合性能最好。 在航空和航天上应用较多的高合金超高强度钢的成分见表l 一4 。 f e - c - m o c r n i c o 系合金是在9 n i - 4 c o 钢的基础上发展起来的。l o n i 8 c o 的 h y l 8 0 钢应用于深海舰艇壳体，海底石油勘探装置等。但其强度还较低。进一 步发展出来的1 0 n i 1 4 c o 的a f l 4 1 0 和a e r m e t l 0 0 等具有极其优秀的综合性能。 在a e r m e t l 0 0 基础上发展的a e r m e t 3 1 0 具有更高的强度。其名义成分为 0 2 5 c 2 4 c r - 1 4 m o 1 1 n i 1 5 c o 。与a e r m e t l 0 0 相比，c 和m o 含量提高，而c r 含量降低。其强度可达2 1 7 0 m p a 。部分高合金二次硬化马氏体超高强度钢的性 能见表1 - - 5 。 表1 4 部分高合金二次硬化马氏体超高强度钢的名义成分 化学成分 牌号 cn ic r m o c o h y l 8 0o 1 l1 0 02 o1 o8 o a f l 4 1 0o 1 61 0 o2 o1 o1 4 0 a e r m e t l 0 0o 2 4 1 1 5 2 91 21 3 4 4 第一章绪论 表1 5 部分高合金二次硬化马氏体超高强度钢的室温性能典型值 机械性能 牌号 o b 1 p a0 0 2 i v p a6 甲脱 k i c m p a m 1 。 h y l 8 01 4 1 31 3 4 51 67 5 a f l 4 1 0 1 7 5 01 5 4 51 66 91 5 4 a e r m e t l o o1 9 6 51 7 5 81 46 5 1 1 5 a f l 4 1 0 的性能和试验温度的关系见图l l 【2 】。 图i - - ia f l 4 1 0 的性能和试验温度的关系 1 8 n i 马氏体时效钢系列，1 8 n i ( 2 5 0 y , 1 8 n i ( 3 0 0 ) ，1 8 n i ( 3 5 0 ) 等，也是 一类重要的超高强度钢。它们具有很好的强韧性配合。但是它们的形交硬化率低， 屈强比高，在高速碰撞时抗剪切失稳能力差。标准的1 8 n i 马氏体时效钢系列的 名义成分见表l 一6 。 表1 6 标准的1 8 n i 马氏体时效钢系列的名义成分 成分肠 合金 n im oc o t ia i 1 8 n i ( 2 0 0 )1 83 38 50 2 0 1 1 8 n i ( 2 5 0 )1 85 08 5o 4 0 1 1 8 n i ( 3 0 0 )1 85 o9 0 o 7o 1 1 8 n i ( 3 5 0 )1 84 21 2 51 6 o 1 1 8 n i ( c a s t ) 1 74 61 0 oo 3o 1 5 两北= r 业大学硕十学伊论文 标准的1 8 n i 马氏体时效钢系列的典型性能见表1 7 。 表1 7 标准的l g n i 马氏体时效钢系列的典型性能 力学性能 合金热处理 o i , m p a a 0 2 m p a6 甲膈 ( i c m p a 1 1 1 1 n 1 8 n i ( 2 0 0 )a1 5 0 01 4 0 01 06 01 5 5 - 2 4 0 1 8 n i ( 2 5 0 )a1 8 0 01 7 0 085 51 1 0 1 8 n i ( 3 0 0 )a2 0 5 02 0 0 0 74 07 3 1 8 n i ( 3 5 0 )b2 4 5 02 4 0 062 53 2 4 5 1 8 n i ( c a s t )c1 7 5 01 6 5 083 59 5 热处理a ：固溶8 2 0 l h ，时效4 8 0 3 h 。 热处理b ：固溶8 2 0 c l h ，时效4 8 0 c 1 2 h 。 热处理c ：退火1 1 5 0 l h ，固溶8 2 0 l h ，时效4 8 0 3 h 。 一些超高强度钢的屈服强度和断裂韧性比较见图1 - - 2 。 孑 图1 - - 2 一些超高强度钢的屈服强度和断裂韧性比较 毒 空白方框表示屈服强度，阴影方框表示断裂韧性。 由图中的数据可以看出，在屈服强度相当的情况下，a f l 4 1 0 和a e r m e t l 0 0 的断裂韧性要比4 3 4 0 和3 0 0 m 高得多，更不用说比h - 1 1 高了。 一些超高强度钢的疲劳性能比较见图l 一3 。 6 第一章绪论 l 1 2 7 1 6 岔 正 凄1 3 7 7 棠 盖 研 蜘 l t i 1 0 ，1 0 i o h 产 头敏固期砍敦 图l - - 3 一些超高强度钢的疲劳性能比较 就s - n 曲线的比较来看，a e r m e t l 0 0 远远地超过其余几种合金。a f l 4 1 0 居 其次，但也超过其余几种合金。 目前已有的工业生产的超高强度钢中，a e r m e t l 0 0 具有最佳的综合性能。在 航空航天工业中将会获得越来越多的应用。 1 2 4 超高强度钢的发展和展望 a i s i4 3 4 0 钢是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典 型代表。美国从1 9 5 0 年开始研究4 3 4 0 钢，1 9 5 5 年正式用于飞机起落架。1 9 5 2 年美国国际镍公司研制开发出的3 0 0 m 钢在1 9 6 6 年后作为美国韵军机和主要 民航飞机的起落架材料而获广泛的应用，f 1 5 、f 1 6 、d c - 1 0 、m d 1 1 等军用战 斗机都采用了3 0 0 m 钢，此外波音7 4 7 等民用飞机的起落架及波音7 6 7 飞机机 翼的襟滑轨、缝翼管道等也采用3 0 0 m 钢制造。美国于6 0 年代初开始研制 d 6 a c ，它是由a i s i4 3 4 0 钢改进而成的低合金超高强度钢，被广泛用于制造战 术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了7 0 年代中期，d 6 a c 逐渐取代了 其它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。 为满足快速发展的航空工业对材料的需要，人们分析了航空构件的结构重量 效率和对材料断裂韧性的要求，提出了开发新型二次硬化高强度合金钢来代替低 合金超高强度钢的目标。二次硬化钢a e r m e t l 0 0 是综合性能最高的材料之一， 也是目前国际上超高强度铜研究的热点，第四代战斗机和航母舰载机起落架之首 选材料。美国己成功地将其应用在最先进的f 2 2 隐形战斗机起落架上和f 一1 8 舰 载机的起落架上。a e r m e t l 0 0 钢具有最佳的强韧性配合和广泛应用前景，将成为 未来军事装备中关键器件的首选材料。 7 西北丁业大学硕士学仲论文 航空、航天等高科技领域对超高强度钢的要求主要包括超高强度、高韧性和 耐腐蚀等，以满足其减轻结构质量、缩小体积、延长寿命和提供可靠使用需求。 为了达到高强度和高韧性，除了设计新型合金之外，提高洁净度是一个重要手段。 此外，影响马氏体时效钢广泛应用的主要因素是其高合金含量带来的高价格，开 发经济型的无钴马氏体时效钢是超高强度钢的又一重要发展方向。 超高强度钢研究发展的主要驱动力是k e l l y 、f r a n k e l 理论模型计算的体心立 方铁( 或钢) 的理论强度。而其赖以发展的主要科学技术基础包括金属物理和金 属学理论、强韧化理论和实践、超纯熔炼技术和抗疲劳损伤容限等工程科学理 论和应用技术等p 】。 1 2 5a e r m e t l 0 0 超高强度钢 1 2 5 1a e r m e t l 0 0 超高强度钢的成分和特点 根据航空工业发展的需要，美国c a r p e n t e r 技术公司开发出一种新型的超高 强度钢a e r m e t l 0 0 ，考虑用在要求材料具有高强、高韧的3 种零部件上( 起落架、 气体涡轮发动机主轴和机轮螺栓之类的紧固件) 。此材料是一种由c 、c r 和m o 强化的f e - n i c o 合金，其名义成分为( 训= ) ：1 3 4 c o ，1 1 1 n i ，3 1 c r ，1 2 m o ， o 2 3 c ，其余为f e ，合金专利号为5 0 8 7 4 1 5 。1 9 9 2 年7 月被命名为j m s 6 5 3 2 。 r & d 杂志已指出a e r m e t l 0 0 是1 9 9 1 年1 0 0 项最重要的发明之一1 4 】。 a e r m e t l 0 0 钢具有相当高的强度和断裂韧性匹配。它可以处理到1 9 3 0 2 0 7 0 m p a 的甩而k i c 可超过1 1 0 m p a m ”。另外与其它钢相比，它具有不寻常的 抗应力腐蚀断裂能力和高的疲劳强度。显然最重要的是具有突出的综合性能：高 的强度、硬度和抗疲劳性能并兼有高的断裂韧性和延展性。在现用的钢中， a e r m e t l 0 0 并不具有绝对的最高的强度或最高的韧性，然而它提供了不寻常的高 水平的、理想的综合性能。 a e r m e t l 0 0 钢和其它两个前身钢种化学成分见表1 - - 8 。6 种常用超高强度钢 的力学性能列于表1 - - 9 t 5 1 。从表中可以看出两个特点： ( 1 ) 3 种钢n i 、c o 、c r 和c 的含量不同，决定了表1 - 9 中所示的性能差异。 ( 2 ) a e r m e t l 0 0 钢中残留微量元素含量水平极低。换句话说是纯度更提高 了。例如h y l 8 0 允许s 含量是w s - - 6 0 x1 0 6 ，a e r m e t l 0 0 中允许含w s = 2 0 x1 0 6 ， 与此同时，a e r m e t l 0 0 中p 、n 和o 的含量都控制在非常低的水平，这都有利于 综合力学性能的提高。 8 第一章绪论 表1 83 种n i - - c o 高强高韧钢的化学成分( ) 表1 9 几种高强度钢的室温力学性能 性能 a e r m e l l o oa f l 4 1 0h y l 8 0 m a r a g e 2 5 0 3 0 0 mh 1 1 o 2 屈服强度m p a 1 7 5 81 5 1 71 3 4 51 7 0 31 6 8 91 6 7 5 极限拉伸强度m p a 1 9 6 51 6 5 51 4 1 31 7 9 31 9 9 32 0 0 6 延伸率，( ) 1 4 1 51 689 59 6 断面收缩率c ) 6 56 87 55 53 1 3 0 6 硬度i - i r c 5 44 91 35 05 35 6 纵向夏比冲击功j 4 l 6 1 1 9 03 52 02 0 断裂韧性i c q e m p a i 1 1 s1 5 4 9 9 5 7 3 l 注：所示性能的热处理工艺： a e r m e t l 0 08 8 5 1 2 1 l l ，空冷 - 7 3 ，1 空气升温4 8 2 5 h ，空冷； a f l 4 l o8 2 9 ，1 h ，油淬，7 3 ，1 空气升温5 1 0 ，5 l l ，空冷； h y l 8 09 0 0 ，1 h 水淬“3 1 “水淬5 1 0 5 l l 空冷； m a m g e 2 5 0 8 1 5 1 1 1 ，空冷4 8 2 3 h 空冷； 3 0 0 m8 5 7 油淬- 3 1 6 c 2 h 空冷 h 1 l1 0 1 0 ，l l 空冷5 3 8 2 h ，空；冷5 3 8 c 2 h 空冷； a e r m e t l 0 0 是一个空气硬化级钢，热处理后钢的硬度( h r c ) 为5 3 5 4 ， 由于高硬度，机加工困难，应退火状态进行加工。退火工艺为6 7 7 c ( 1 2 5 0 。f ) ， 保温1 6 h ，退火后的硬度( h r c ) 大约为3 7 3 9 ，低于此硬度时，钢的延展性很 大，不形成碎屑，而是形成长长的象绳子一样的皮粘附刀具；若高于此硬度，则 9 两北下业大学硕十学何论文 常规工具很难切削。在相同硬度下，a e r m e t l 0 0 的机加工比a f l 4 1 0 容易，与4 3 4 0 相当。 a e r m e t l 0 0 合金钢的熔炼在真空中进行，首先在真空感应炉( v 以) 中使所 含元素均匀化，在熔炼过程中，残余的硫由硫化铬转变成危害较小的硫氧化物。 随后真空自耗重熔( 、，a r ) 对合金进一步精炼，主要是去除气体元素如氧和氮， 以及那些高蒸气压的元素如碱金属。 1 2 5 2 a e r m e t l 0 0 超高强度钢的力学性能 表l 一1 0 列出了a e r m e t l 0 0 钢的一些典型力学性能参数值( 来源自c a r p e n t e r 公司网站1 ，热处理工艺为：加热温度8 8 5 c ，保温l h ，空冷，- 7 3 ( 2 深冷l h ，4 8 2 回火5 h 。 表l l o a e r m e t l 0 0 钢的典型力学性能 屈服强度抗拉强度延伸率断面收缩率 c h a r p y 冲击功 断裂韧性k i c ( 口a )( 毋a )( j )( m p a m 1 1 2 ) 径向 1 7 2 41 9 6 51 46 54 11 2 6 横向 1 7 2 41 9 6 51 35 53 4 1 1 0 在美国俄亥俄州首府哥伦布市b a t t e l l e 研究所和c a r p e n t e r 技术公司对 a e r m e t l 0 0 和正在使用的5 种超高强度钢进行了广泛的试验获得了可比较的力学 性能【l 】。 1 ) 强度和韧性 图l 一2 表示了每一种合金屈服强度和断裂韧性综合性能，有着和a e r m e t l 0 0 钢的c r o ：相当的所有合金其k i c 值均比较低。k n c 值的变化范围从a e r m e t l 0 0 的 1 2 5m p a m 1 彪到h 1 l 钢的3 0 m p a - m 忱，具有较高k n c 的合金a f l 4 1 0 的0 0 只有2 1 5 1 5 m p a 而a e r m e t l 0 0 的c r n ，为1 7 2 5 m p a 。 图l 一4 显示了夏氏v 型缺口冲击试样被冲断需要多大的冲击能：a f l 4 1 0 需要7 0 j ；a e r m e t l 0 0 要4 5 j ；其它合金都低于2 5 j ( 如3 0 0 m 和h 1 1 ) 。 由美国所进行的单独的试验表明：a e r m e t l 0 0 钢在5 5 很冷的情况下夏氏v 型缺口冲击功达到4 0 j ，而大多数高强钢在低温下有变脆的倾向。a e r m e t l 0 0 和 a f l 4 1 0 的艿( ) 分别是1 3 和1 5 ，而y ( ) 分别为6 5 和6 8 ，1 8 n i 2 5 0 为5 7 。其余的2 种钢的 f ，不及a f l 4 1 0 的一半。 1 0 第一章绪论 a f l 4 1 0a f r m r t 1 8 n i4 3 4 03 0 0 m h - ii 1 0 0 ( 2 5 0 ， 船种 图1 4 几种超高强度钢夏氏v 型缺口冲击功的差异( 纵向数据) 2 ) 抗疲劳性能 优良的综合力性( 高强高韧) 使a e r m e t l 0 0 比其它超高强度钢有更好的疲劳 强度以及高于h r c 5 0 的硬度，为在更恶劣的工作条件下工作更长时间、设计更 强零件提供了更大的活动余地。a e r m e t l 0 0 钢显微组织相对有更好的纯净度以及 析出的碳化物更细，其结果是在a e r m e t l 0 0 钢中存在相对少一些的疲劳裂纹萌生 区，再结合钢的高强度和高韧性，使得a e r m e t l 0 0 具有较强的阻止任何裂纹扩展 的倾向。 3 ) 抗应力腐蚀开裂能力( s c c ) 有很多试验方法可以用来评价材料的应力腐蚀敏感性，但是交替浸蚀试验是 最通用的。用这种方法来检验具有相近强度和硬度的a e r m e t l 0 0 ，3 0 0 m 和h - 1 l 钢，试验包括把试样固定成半径合适的u 形弯曲试样，使得加在试样外端的应 力大于屈服强度，交替把弯曲试样浸在3 5 的n a c i 溶液中和离开溶液至干燥， 然后重新浸入，周期是1 0 m i n 浸在溶液中，5 0 m i n 干燥。对试样定期用目测法进 行检查，检查裂纹情况，每一条裂纹出现的时间以及确定试样是否已经破坏，如 果3 5 天没有裂纹形成，试验就算结束。对a e r m e t l 0 0 ，3 0 0 m 和h - 1 1 钢的交替 浸蚀试验结果如图1 - - 5 卯。图1 6 中盼k i s c c 是应力腐蚀开裂应力强度门槛值， 高强和高韧的a e r m e t l 0 0 钢具有优良的抗应力腐蚀开裂能力( s c c ) ，而h - 1 1 、 3 0 0 m 和4 3 4 0 钢对应力腐蚀开裂高度敏感。试验方法是将预制裂纹试样加负荷 浸入3 5 盐溶液5 0 0 0 h ，测量每个试样失效所需时间以及发生失效的强度水平。 a e r m e t l 0 0 合金提供了k t s c c = 3 8m p a m m ( 3 5k s i m ) ，显示了比其它4 种钢 大得多的抗力，但是小于较低强度的a f l 4 1 0 钢。 引 盯 f督宿量a墨到暇一 两北工业大学硕+ 学付论文 蟊 椒 露 辞- 蛊 蛞 籀 6 6 唾。 至 飞2 2 k 3 0 i 蝴h 1 l 钢仲 图l 一53 种高强度钢应力腐蚀开裂试验结果 叠 罔 三i ! 三i i 呈| = 器 竺 l 掌 a f l 4 1 0a e r m e t1 8 n ih i i3 0 0 m4 3 4 0 1 0 02 s 0 ) 橱伸 图1 - - 6 几种钢材的i s c c 值比较( 3 5 n a c i 溶液，纵向数据) 1 3 激光相变硬化 激光相变硬化又称激光相变硬化，其基本机理是通过高能激光束 ( 1 旷 1 0 4 w c m 2 ) 扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，然后通 过热传导使周围材料温度以极快的速度升高到奥氏体相变温度以上、熔点以下， 再通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却 速度而快速冷却，从而完成相变硬化。由于激光相交硬化过程中很大的过热度和 过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力，进而可以大 大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，延长工件的使用寿命。 1 3 1 激光相变硬化的特点 激光相变硬化技术与其它热处理技术，如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺 相比，具有以下特点们。 第一章绪论 无需使用外加材料，就可以显著改变被处理材料表面的组织结构，大大 改善工件的性能。激光相变硬化过程中的急热急冷过程使得淬火后，马氏体晶粒 极细、位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高材料性能。 处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致 密的冶金结合，而且处理层表面也是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。 被处理工件变形极小，适合于高精度零件处理，可作为材料和零件的最 后处理工序。这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短( o 0 l i s ) ，故零件的热变形区和整体变化都很小。 加工柔性好，适用面广。激光光斑面积较小，不可能同时对大面积表面 进行加工，但是可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分，从而可方便 地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等局部区域。改性层厚度与激光相变硬化中工艺 参数息息相关。因此可根据需要调整硬化层深浅，一般可达0 1 l m m 。 工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中 漫长的抽真空时问，没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小、污染小、无公 害、劳动条件好。激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易于批量 生产。效率很高，经济效益显著。 1 3 2 激光相变硬化对硬化层残余应力的影响 在激光淬火相交过程中，产生的残余应力对材料的力学性能有很大的影响， 残余拉应力加剧了材料内部应力的集中，促进裂纹的萌生并加速已存在裂纹的扩 展，引起材料的早期破坏；而残余压应力松弛材料内部的应力集中，可以提高材 料的抗疲劳性能，因此有必要对激光淬火相变层的残余应力进行测定和分析。 表面残余压应力可提高材料的耐疲劳性能，经激光淬火处理后表层呈残余压 应力状态，有利于延缓疲劳裂纹的产生与扩展，延长了材料使用寿命1 7 町，因此 激光淬火处理后材料表面的残余压应力对材料疲劳性能的提高具有极大意义。因 为在循环负载下，其叠加在外部的正值应力起到抵消作用，从而减小了有效局部 负载嘲。 如果扫描速度不变，增加功率，表面则处于熔化状态，残余应力为拉应力。 这是由于试样硬化层表面熔化区由液态向固态转变时，发生体积收缩，产生很大 拉应力，随后内层发生的奥氏体向马氏体的转变的体积膨胀也使表层处于拉应力 状态，两者的叠加使表层拉应力较大，不能完全被最后的表层马氏体相变膨胀时 产生的压应力相抵消【l o l 。故表面熔化区的残余应力为拉应力。 残余应力的分布状态及其大小对材料的使用性能有很大的影响：残余拉应力 加剧了材料内部的应力集中，促进裂纹的萌生或加速已存在裂纹的扩展，造成材