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近年来,随着高强度钢板材料越来越广泛的运用于生产生活的各个领域,材料失效问题也日显突出。材料失效主要是指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成预定的功能。归纳起来,大致可以分为三类:断裂、磨损、腐蚀。
1、断裂
根据断裂之前材料变形量的大小,可以分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂发生之前会有明显的形变量及形变过程,脆性断裂则几乎不存在形变量,断裂过程极短,由于其发生具有突然性所以往往破坏性较大。
在日常生产生活中,为常见的莫过于疲劳断裂,长时间的应力循环作用下,材料出现断裂;其次,还有一种常见于试验室的材料断裂失效模式,又称静载断裂,通常见到的拉伸断裂即属于此种断裂,相对于疲劳断裂而言,生产生活过程中出现的几率要小很多
2、磨损
机件经常在高速、震动、超负荷等工况下工作,机械之间由于表面摩擦导致材料磨损而终导致材料失效。
材料的磨损失效通常可以分为五类:磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。其中,磨粒磨损为常见,机件运转过程中,由于外界硬质颗粒介入或者接件本身凸起状物引起的磨损都是磨粒磨损,高强度钢板材料表面脱落物也属于磨粒磨损范畴。
磨损与摩擦相伴相生,生产中通常采用以下措施:一是接触面涂抹润滑油,提高光洁程度;二是在不影响正常生产的情况下,用焊机将机件焊到一起,减少机件的相对运动从而减少摩擦,进而减少磨损;三是为减少摩擦,可减少接触面的面积以及较小所受载荷,以此减小摩擦力;此外,也可通过探索提高材料的屈服强度。
3、腐蚀
高强度钢板材料的腐蚀是由于材料与周围介质相互接触发生化学及电化学反应。高强度钢板材料的腐蚀多种多样,宏观上分为腐蚀和局部腐蚀,在日常各类腐蚀事故中,基本以局部腐蚀为常见,局部腐蚀又可分为应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等。
Q550D高强板是先进航空发动机在700℃以上使用的高强度、高蠕变抗力紧固件用合金。该合金具有良好的耐腐蚀性能、优良的塑韧性,是目前使用温度 的高强度紧固件合金之一。因其具有优良的综合性能,除可做650℃~750℃服役的高强度紧固件外,也是涡轮叶片、涡 和飞机与飞行器着陆齿轮的理想选材。
Q550D高强板中Al、Ti、Nb、Ta等元素的总含量达8.4%,是高合金化的高温合金;高的合金化程度使其在冶炼凝固过程中易产生严重枝晶偏析和各种枝晶低熔点(共晶)脆性相;枝晶间低熔点脆性相会成为热加工过程中裂纹的萌生源,因而Q550D高强板是热加工过程变形抗力大、热加工塑性差的难变形高温合金。
Q550D高强板冷拔银亮棒材研制存在四方面技术难点:(1)锻造方面:热加工抗力大、塑性差、成型困难,在钢锭锻造过程中易劈头和开裂;(2)轧制方面:热轧过程中坯料棱角处易产生横向裂纹;(3)固溶热处理方面:Q550D高强板对热处理工艺参数十分敏感,因而热轧棒材加热温度和冷却速度十分关键;(4)冷拔方面:包括变形量分配及润滑,冷拔时随着变形量的累积,加工硬化效应显著,应力迅速增加造成冷拔成型困难,因而冷拔时每道次变形量需合理分配;在冷拔过程中因强度高,成型困难,易破坏模具,易出现表面划伤及搓衣板型磨损等表面缺陷,如果没有好的润滑措施,使冷拔工序无法顺利完成。
随着陆地资源的日益枯竭,人类加快了走向海洋的步伐,跨海大桥、海底隧道、海洋石油平台等重大工程不断建设。然而,这些海洋工程材料所面临的 挑战便是海洋环境中的腐蚀。高强板作为常用的工程建筑材料之一,其耐海水腐蚀性能直接影响到混凝土结构在海洋环境中的耐久性。
目前,应用较为广泛的耐腐蚀高强板有涂层高强板、不锈高强板和合金耐蚀高强板。某钢铁公司研究人员开发了低合金耐蚀高强板20MnSiCrV,其室温组织为铁素体和珠光体,屈服强度达到450MPa,抗拉强度达到650MPa,腐蚀速率低于普通高强板的70%。在此基础上,进一步优化合金成分,研制出高耐蚀性合金高强板00Cr10MoV。本工作对研制的00Cr10MoV高强板的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能进行系统分析,并与普通高强板20MnSiV进行对比和讨论。
试验材料化学成分如表1所示,在150kg真空感应炉中进行冶炼并模铸成80kg的钢锭,钢锭经锻造后焊接至140mm×140mm×12m方坯尾部,在生产车间终热轧成Φ25mm的高强板。分别从3根成品高强板上截取3段高强板加工成拉伸试样,在5585型电子 材料试验机上测定试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率等。对试样横截面进行金相组织观察,并用Tukon 2100B型数字化闭环控制维氏硬度计对试样的不同组织进行硬度测试,用岛津1610型电子探针显微分析仪(EPMA)观察合金元素在其组织内的分布。采用盐雾、周浸腐蚀实验、电化学阻抗谱以及极化曲线等测试方法进一步评价其耐蚀性能。
表1 实验用钢的化学成分(质量分数,%)
钢种
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Fe
00Cr10MoV
≤0.03
0.40~0.60
1.40~1.60
≤0.01
≤0.01
9.5~10.5
0.9~1.2
0.03~0.10
余量
20MnSiV
0.21
0.49
1.44
0.019
0.007
—
—
0.028
余量
结果表明:
(1)耐海水腐蚀00Cr10MoV高强板的显微组织主要由铁素体和贝氏体组成,屈服强度达到450MPa以上,综合力学性能优良;
(2)在加速腐蚀实验条件下,00Cr10MoV钢的腐蚀速率均不足普通高强板20MnSiV的5%;其腐蚀产物以α-FeOOH,β-FeOOH和γ-FeOOH为主,另外还含有少量Fe3O4和微量含氯产物Na3CrCl16,Fe+3O(OH,Cl);
(3)合金元素Cr和Mo的添加,提高了00Cr10MoV钢在3.5%NaCl中性水溶液中的自腐蚀电位和电荷转移电阻,降低了其腐蚀电流密度,使其耐海水腐蚀性能较20MnSiV钢有较大的。
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