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文檔簡介
1、壓力容器用鋼板的強(qiáng)韌化機(jī)理及其控制軋制理論研究摘要:文章就壓力容器用鋼板的強(qiáng)韌化機(jī)理及其控制軋制理論進(jìn)展了深化分析。關(guān)鍵詞:鋼板;強(qiáng)韌化;控制;軋制1.鋼的強(qiáng)韌化1.1鋼的強(qiáng)化機(jī)制通過合金化、塑性變形和熱處理等手段進(jìn)步金屬強(qiáng)度的方法稱為金屬的強(qiáng)化。大局部金屬材料的屬于塑性材料,其塑性變形是靠位錯的運(yùn)動而發(fā)生的,因此,任何阻礙位錯運(yùn)動的因素都可以成為進(jìn)步金屬材料強(qiáng)度的途徑。因此,傳統(tǒng)的對金屬的強(qiáng)化手段主要有以下幾種:1結(jié)晶強(qiáng)化。結(jié)晶強(qiáng)化就是通過控制結(jié)晶條件,在凝固結(jié)晶以后獲得良好的宏觀組織和顯微組織,從而進(jìn)步金屬材料的性能。它包括:細(xì)化晶粒。細(xì)化晶粒可以使金屬組織中包含較多的晶界,由于晶界具有阻
2、礙滑移變形作用,因此可使金屬材料得到強(qiáng)化。同時也改善了韌性,這是其它強(qiáng)化機(jī)制不可能做到的。提純強(qiáng)化。在澆注過程中,把液態(tài)金屬充分地提純,盡量減少夾雜物,能顯著進(jìn)步固態(tài)金屬的性能。夾雜物對金屬材料的性能有很大的影響。在損壞的構(gòu)件中,常可發(fā)現(xiàn)有大量的夾雜物。采用真空冶煉等方法,可以獲得高純度的金屬材料。2形變強(qiáng)化。金屬材料經(jīng)冷加工塑性變形可以進(jìn)步其強(qiáng)度。這是由于材料在塑性變形后位錯運(yùn)動的阻力增加所致。3固溶強(qiáng)化。通過合金化參加合金元素組成固溶體,使金屬材料得到強(qiáng)化稱為固溶強(qiáng)化。4相變強(qiáng)化。合金化的金屬材料,通過熱處理等手段發(fā)生固態(tài)相變,獲得需要的組織構(gòu)造,使金屬材料得到強(qiáng)化,稱為相變強(qiáng)化。相變強(qiáng)化
3、可以分為兩類:沉淀強(qiáng)化或稱彌散強(qiáng)化。在金屬材料中能形成穩(wěn)定化合物的合金元素,在一定條件下使之生成的第二相化合物從固溶體中沉淀析出,彌散的分布在組織當(dāng)中,從而有效的進(jìn)步材料的強(qiáng)度,通常析出的合金化合物是碳化物相。馬氏體強(qiáng)化。金屬材料經(jīng)過淬火和隨后回火的熱處理工藝后,可獲得馬氏體組織,使材料強(qiáng)化。但是馬氏體強(qiáng)化只能適用于在不太高的溫度下工作的元件,工作于高溫條件下的元件不能采用這種強(qiáng)化方法。5晶界強(qiáng)化。晶界部位的自由能較高,而且存在著大量的缺陷和空穴,在低溫時,晶界阻礙了位錯的運(yùn)動,因此晶界強(qiáng)度高于晶粒本身;但在高溫時,沿晶界的擴(kuò)散速度比晶內(nèi)擴(kuò)散速度大得多,晶界強(qiáng)度顯著降低。因此強(qiáng)化晶界對進(jìn)步鋼的
4、熱強(qiáng)性是很有效的。6綜合強(qiáng)化。在實(shí)際消費(fèi)上,強(qiáng)化金屬材料大都是同時采用幾種強(qiáng)化方法綜合強(qiáng)化,以充分發(fā)揮強(qiáng)化才能。例如:固溶強(qiáng)化+形變強(qiáng)化,常用于固溶體系合金的強(qiáng)化。結(jié)晶強(qiáng)化+沉淀強(qiáng)化,用于鑄件強(qiáng)化。馬氏體強(qiáng)化+外表形變強(qiáng)化,對一些承受疲勞載荷的構(gòu)件,常在調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)展噴丸或滾壓處理。固溶強(qiáng)化+沉淀強(qiáng)化。對于高壓承壓元件常采用這種方法,以進(jìn)步材料的高溫性能。有時還采用硼的強(qiáng)化晶界作用,進(jìn)一步進(jìn)步材料的高溫強(qiáng)度。1.2材料的韌性一般來說,韌性又名韌度是材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的才能,它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。因此可以用材料在塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的多少來表示韌性的上下。進(jìn)步鋼材
5、韌性的途徑一般有:1成分控制一般地說,參加基體鐵的合金元素對基體形成間隙式固溶強(qiáng)化或置換式固溶強(qiáng)化有明顯的效果。在一定的條件下如能形成穩(wěn)定的化合物、足夠的合金含量等還可形成析出強(qiáng)化,使材料的強(qiáng)度進(jìn)步。但同時合金含量的增加造成了基體內(nèi)缺陷的增加,從而降低了材料的塑性和韌性。鋼中的S、P是不可防止的元素。這兩個元素對斷裂韌性是有害的。P導(dǎo)致回火脆性和影響穿插滑移;而S那么增加夾雜物顆粒,減小夾雜物顆粒間距都使材料韌性下降。因此在消費(fèi)中要求盡可能降低S、P含量,另一方面也要求從韌性出發(fā)來確定這些雜質(zhì)含量的上限。碳是鋼中最重要的成分,碳量增加那么鋼中珠光體量增加。在消費(fèi)中為進(jìn)步材料的韌性往往采用在該鋼
6、種允許的成分范圍內(nèi)降低碳含量,由此產(chǎn)生的強(qiáng)度下降那么由增加成分中錳含量來彌補(bǔ)。此外,現(xiàn)少量的V、Nb、Ti、Al、Zr元素由于可以細(xì)化晶粒,因此成為既能進(jìn)步強(qiáng)度又能進(jìn)步韌性的重要控制元素。最后應(yīng)指出,各種牌號的鋼通常都是二元以上的合金,合金組元之間有交互作用。此外,合金元素可以通過不同途徑同時影響斷裂韌性。2氣體和夾雜物控制鋼中的氣體主要是氫、氧、氮,夾雜物主要是氧化物和硫化物。氫可以引起白點(diǎn)和氫脆,應(yīng)該盡量降低。氮與位錯結(jié)合力較強(qiáng),通過形成氣團(tuán)而阻止位錯運(yùn)動,使鋼的韌性下降。當(dāng)?shù)獮楣倘軕B(tài)時危害更大。只有在普通低碳合金鋼中,假設(shè)鋼中有釩那么能與氮形成VN,能進(jìn)步鋼的強(qiáng)度并且阻止奧氏體再結(jié)晶,輕
7、度的細(xì)化晶粒,還可看作是有益元素。鋼中的氧常以氧化物形式存在,一般說來,夾雜物含量愈多韌性愈低,尤其是超過臨界尺寸的夾雜物存在會使韌性明顯降低。3壓力加工工藝控制鋼材的壓力加工是使鋼材獲得所需形狀和改善鋼材性能的重要手段。對于熱軋鋼材除了用冶煉工藝控制化學(xué)成分,氣體和夾雜物外,主要依靠壓力加工工藝控制晶粒大小及取向,改變材料的韌性。4熱處理工藝的選擇熱處理是改變金屬材料構(gòu)造,從而控制材料性能的重要工藝。近三四十年開展起來的形變熱處理工藝那么是將形變和熱處理結(jié)合起來以改善材料性能的新工藝。2.鋼材的控制軋制理論2.1鋼的奧氏體化過程所謂奧氏體化是指在加工前將鋼加熱到奧氏體區(qū),是形核、長大均勻化過
8、程。對亞共析鋼來說,加熱到A1以上,進(jìn)展保溫、形核、長大、剩余滲碳體Fe3溶解和奧氏體均勻化。對于共析鋼和過共析鋼來說,加熱到A1以上,使珠光體變?yōu)閵W氏體。進(jìn)一步加熱到A以上,保溫足夠時間,使鐵素體或滲碳體溶解,獲得單相奧氏體。2.2鋼的變形再結(jié)晶變形后的金屬加熱發(fā)生再結(jié)晶,根據(jù)溫度不同有回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大?;貜?fù)仍為拉長的晶粒,但儲存能降低,為前階段。而再結(jié)晶是新晶粒的形核及長大過程,不是相變,無畸變能。核心的產(chǎn)生有兩種形式:一是原晶界的某部位變?yōu)楹诵?二是某些亞晶變?yōu)楹诵模魏怂俾屎烷L大速度決定了晶粒的大校2.3在變形條件下的相變1變形后的奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變從再結(jié)晶奧氏體晶粒生成鐵素
9、體晶粒鐵素體晶粒優(yōu)先在奧氏體晶粒上生成,一般在晶內(nèi)不生核。所生成的鐵素體既有塊狀等軸的,也有分布在原奧氏體晶粒內(nèi)部呈針狀的先共析鐵素體魏氏組織鐵素體。鋼中魏氏組織的形成會降低鋼的沖擊韌性和塑性,因此希望低碳鋼的熱軋產(chǎn)品中盡量減少以致消除魏氏組織。從局部再結(jié)晶奧氏體晶粒生成鐵素體晶粒。從未再結(jié)晶奧氏體晶粒生成的鐵素體晶粒。2變形使珠光體轉(zhuǎn)變加速,從而使鋼的淬透性變壞。變形對奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的影響比擬復(fù)雜。2.4軋制條件下鋼的變形抗力在控制軋制中金屬的變形抗力不僅是變形溫度、變形量、化學(xué)成分的函數(shù),而且與變形過程中金屬的組織變化有關(guān)。而后者在熱加工過程中是可以忽略的。詳細(xì)為:1如圖1所示,奧氏體晶粒越小屈從應(yīng)力越大。2隨著微量元素添加量的增加,再一次加工時變形應(yīng)力的變化。曲線說明,變形應(yīng)力隨鈮的增加而增大。3在控制軋制溫度下,多
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