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    鋼的強韌化改變鋼的內部構造

    2019-01-05   來源:   點擊數:21次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港撰文:力學性能 碳素船體鋼要有足夠的強度和良好的塑性、韌性及疲勞強度。其力學性能見表2。屈服強度是進行船體強度計算、確定船體結構尺寸的最基本的技術依據,對不同的船體建造應選擇不同屈服強度的碳素船體鋼。材料具有良好的塑性,才能在加工過程中經受冷熱加工,在航行過程中避免因局部受力而破壞。韌性是表示抵抗脆性破壞的能力。船體鋼由于加工后應力狀態、加載速度和溫度等因素不同,其表現脆性狀態的傾向也不同,容易發生脆性斷裂。因此,要求具有良好的韌性,特別是低溫韌性,以保證船舶遠洋航行的安全。疲勞性能是保證船舶在使用過程中承受各種交變載荷的作用下不產生低周疲勞,使船舶提高壽命。
      
      在給定外界條件下,通過不同的工藝過程,改變鋼的內部構造,使鋼的強度和韌性得以提高和改善的方法和效果。這里所說的外界條件包括溫度、應力、磁場、電場、輻照和化學介質等;不同的工藝過程包括冶煉、鑄造、熱形變、冷形變、焊接、激光照射和熱處理等。在不同的外界條件下,相同的材料也會有不同的性能。強度,這是一個相當廣義的概念,它是指材料在宏觀上抵抗形變(彈性形變或塑性形變)的能力。在工程上人們規定了不同的強度指標(單位是MPa)來限定它的具體涵義。諸如室溫拉伸(或壓縮)條件下的短時屈服強度、長時(譬如1000h等)屈服強度、抗拉強度,由屈服強度或抗拉強度派生出來的比強度(屈服強度對材料密度的比值或抗拉強度對密度的比值);各種溫度(室溫以上)及斷裂時間下的持久強度,一定溫度、一定時間、一定允許形變量下的蠕變強度(或蠕變極限);各種化學介質環境下的應力腐蝕斷裂強度;在低溫或高溫各種循環應力下的疲勞強度(或疲勞極限)等等。韌性,也是一個相當廣義的概念。它是材料斷裂能量的判據,是強度和塑性的綜合表征。在缺口斷裂力學及裂紋斷裂力學中,分別有缺口韌性和裂紋韌性之分。缺口韌性指標包括梅氏U形缺口沖擊功Ak值(單位是J),夏氏V形缺口沖擊功Cv值(單位是J)。裂紋韌性指標包括適用于高強度和超高強度鋼的平面應變斷裂韌性KIc(量綱是MN%26bull;m-2),適用于中高強度鋼的、在彈性和彈塑性范圍內的裂紋擴展力GIc和JIc(量綱是MN/m),以及適用于中低強度鋼的臨界裂紋張開位移COD或%26zeta;c(單位是mm),等等。一般來說,結構材料的強度和韌性是一對矛盾。通常提高強度,就降低韌性。或者反過來,韌性改善了,強度就下降。合理的辦法是,在滿足給定要求強度的前提下,設法提高鋼的韌性,以保證材料的可靠使用。或者反過來,在保證給定要求韌性的前提下,設法提高強度。統一協調這一對矛盾,得到又強又韌的鋼材,就是鋼強韌化的目的。
      
      鋼的強化方法 鋼的強化方法包括:(1)形變強化;(2)固溶強化;(3)脫溶強化;(4)細化晶粒強化;(5)復合強化(上述各種強化方式的復合);(6)馬氏體強化;(7)形變一相變綜合強化(形變熱處理強化);(8)其他強化方法。
      
      中國鋼管信息港撰文:形變強化 利用形變使鋼強化的方法。也稱應變強化或加工硬化。因為通常把硬度和強度都看作是材料的%26ldquo;強度性質%26rdquo;。強度是材料在宏觀上(或者說是整體上)抵抗形變的能力(或稱流變應力)。硬度是材料局部抵抗塑性形變的能力(不論是顯微硬度、維氏硬度、洛氏硬度,還是布氏硬度)。二者在不少情況下有近似的相應關系。材料的強度越高,塑性形變抗力越大,硬度值也越高。反之,材料的硬度越高,可能因材料脆性增大,其強度未充分反映出來,使得強度指標數值并不高。對于不再經受熱處理,并且使用溫度遠低于材料再結晶溫度的金屬材料(譬如低碳低合金鋼),經常利用冷加工(冷形變)手段使之通過形變強化來提高強度。因而,形變強化的實質就是在材料的再結晶溫度以下進行冷形變,隨著形變程度(應變量)的增大,在晶體內產生高密度的位錯(晶體缺陷),位錯密度越高,強化的程度越大,即流變應力值越高。形變后金屬的流變應力應當等于未形變前的流變應力加上形變強化的流變應力的增量。流變應力增量與位錯密度的高低有關:%26tau;=%26tau;0+%26alpha;%26mu;b%26rho;n1. 式中%26tau;為金屬的流變切應力%26tau;0為退火態金屬的流變切應力(它表示除了位錯相互作用以外其他因素對位錯運動的摩擦阻力);%26alpha;為常數;%26mu;為切變彈性模量;b為位錯柏氏矢量; %26rho;為位錯密度;指數n1=0.5。利用形變強化達到高強度的鋼鐵制品,典型的就是高碳鋼冷拉鋼絲和低碳低合金雙相鋼冷拉鋼絲。隨著形變程度的增大,材料的強度和硬度越來越高,但它的塑性和韌性卻往往越來越低,脆性越來越大,這就需要采取相應韌化措施來加以改善。在馬氏體型相變過程中引起的內部相變冷作硬化,就其物理實質來說,也屬于形變強化,只不過這時的形變并非來自外部,而是來自馬氏體相變過程中晶體自身切變所產生的高密度位錯。
      
      固溶強化 利用固溶的置換式溶質原子或間隙式溶質原子來提高基體金屬的屈服強度的方法。它是一種常用的強化方法。絕大多數鋼材的基體鐵都免不了用固溶強化方法強化。這種強化方法的實質是,溶質原子使基體的點陣(或稱晶格)發生畸變,位錯運動受到阻礙,從而有效地提高了合金的強度。在合金元素濃度不高的固溶體中,合金屈服流變應力隨溶質濃度的變化關系為:%26sigma;=%26sigma;0+Kcn2。式中%26sigma;為合金的屈服流變應力;%26sigma;0為基體金屬的流變應力;K為常數,決定于基體與合金元素的性質;c為溶質的原子濃度;指數n2為常數,強化能力較弱的合金元素(置換式元素)n2=1,強化能力較強的間隙式元素n2=0.5。鐵基合金中,屈服流變應力與置換溶質元素濃度間呈線性關系(常用元素中,磷、硅、銅強化效果較大,錳、鉬、鎳、鋁強化效果較小,鉻倒有軟化效果);而與間隙溶質元素(如碳)濃度的平方根成正比。間隙溶質強化的效果比置換溶質的強化效果高得多,前者是后者的10~100倍。然而,碳在%26alpha;-鐵中的最大溶解度卻只有0.0218%,這樣就使得強化的總效果有限。不過,利用鐵基固溶體的多形性轉變這一重要現象,把鋼加熱到高溫%26gamma;相區,這樣就可以有大量的碳溶在%26gamma;-鐵中,例如Fe%26mdash;C合金中,%26gamma;-鐵的最大溶碳量可高達2.11%(是%26alpha;-鐵中最大溶碳量的近100倍),然后再用淬火的方法使%26gamma;相轉變成具有同樣碳含量的馬氏體(非擴散型相變)。這樣,碳的固溶強化就成了淬火馬氏體強化的主要因素。這是結構鋼和工具鋼中最基本、最常用的強化方法。同樣,當固溶強化效果過大導致材料脆性增大時,也需要采取韌化措施(如回火)來加以改善。
      
      注:a-試樣厚度,mm;b-試樣寬度,mm;d-彎芯直徑,mm。
      
      工藝性能 根據船體結構,船體鋼要加工成各種形狀,要求具有良好的冷熱彎曲、火工矯正和焊接性能。
      
      耐腐蝕性 船舶長期受到周圍各種介質的化學和電化學作用,使鋼受到不同程度的腐蝕,影響使用性能。所以要求鋼的表面平整光滑無鐵皮,另外船體表面要涂好防銹漆和采用犧牲陽極保護法。
      
      中國鋼管信息港撰文:發展趨勢 隨著造船工業和船舶運輸工業的迅速發展,為滿足減輕船舶自重、增加噸位和遠洋船舶運輸的需要,碳素船體鋼正在向低合金高強度方向發展。目前美國、英國等在造船中使用低合金高強度(235~590MPa)鋼日益增多,尤其是巨型油輪的發展,對高強度鋼的使用更多,而且形成系列化、規范化、軍民通用化。中國目前已用16Mn、15MnTi鋼建造遠洋貨輪,使用的屈服強度為235~400MPa范圍的低合金鋼。為了滿足造船工業的需要,船體鋼正向改善質量,提高強度等級,增加產量等方面發展。
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