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Cr-Ni-Mo-V合金钢因其兼具高强度和良好的塑性而得到广泛应用,尤其作为螺栓用钢,在恶劣复杂的海洋环境下,其力学性能及耐蚀性较好,在海洋工程装备中得到了大量推广和使用。
耐候钢 1.9*1020*C 09CuPCrNi-A 首钢 14.7
耐候钢 1.9*1030*C 09CuPCrNi-A 首钢 14.6
在Cr-Ni-Mo钢中加入V元素,并提高Ni含量及降低碳含量,通过调质处理,不仅能够保持钢的高强度,还可以显著降低材料的氢脆敏感性,具有十分重要的工程意义。以高强度螺栓用钢12CrNi9MoV为研究对象,40CrNiMoA钢为对比对象,以期为海洋工程用高强度螺栓的合理选材提供理论和数据支撑。
实验用12CrNi9MoV钢采用中频炉冶炼成电极,并电渣重熔成钢锭, 锻造成Φ50mm的棒材,而40CrNiMoA钢经真空感应熔炼,并浇注成电极,再经电渣重熔精炼出钢锭,同样经锻造开坯后轧成棒材。两种试验钢的化学成分见表1。
表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)
钢
C
Si
Mn
S
P
V
Cr
Ni
Mo
Fe
40CrNiMoA
0.43
0.286
0.6
0.005
0.009
-
0.8
1.5
0.3
余
12CrNi9MoV
0.12
0.215
0.6
0.005
0.019
0.1
1.1
9.0
0.3
余
40CrNiMoA和12CrNi9MoV钢的热处理工艺分别为淬火+回火(QT)和淬火+二次淬火+回火(QQ"T)。经热处理后的40CrNiMoA和12CrNi9MoV钢试样分别在光学显微镜下观察其显微组织;在透射电镜上进行微区观察;在拉伸试验机上进行常规力学性能测试;进行慢应变速率拉伸试验;进行氢扩散系数、极化曲线等测定;在升温脱氢分析设备上进行氢在钢中的陷阱行为研究;试样中氢含量的获得采用阴极充氢方法。结果表明:
(1)12CrNi9MoV钢经淬火+二次淬火+回火热处理后,其综合性能较好,能够满足高强度螺栓的使用性能要求。
(2)对于相同强度级别的40CrNiMoA和12CrNi9MoV钢,氢在12CrNi9MoV钢中的扩散能力较弱;由慢应变速率拉伸试验可知,12CrNi9MoV抵抗氢致断裂的能力较强。
(3)40CrNiMoA钢中存在诸如碳化物强氢陷阱和晶格、位错等弱氢陷阱;12CrNi9MoV钢中存在诸如位错、晶界等弱氢陷阱。在高强度螺栓应用中,强氢陷阱对螺栓的具有不利影响。
(3)在海水环境中,12CrNi9MoV钢发生阴极析氢的倾向性较弱,综合分析,低碳高镍钢更适合于低氢脆高强度螺栓的选材要求。
经过自然锈成的锈红色看上去与大自然融为一体,比普通的锈红色油漆更加自然、漂亮、原生态,而且永远不会脱落。这使它成为一种有吸引力的建筑外墙材料,同时也是新一代幕墙装饰的革命性材料。
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在材料可持续性方面,粉末冶金的终成形能力是其主要优势。例如成形一个齿状零件,传统切削工艺会有高达40%的材料变成切屑,而在粉末冶金用的全部粉末中,85%是由再循环回收的材料生产的。在粉末冶金零件生产过程中,各道工序的废料损失一般为3%或更少,其材料利用率可达95%。
在能源可持续性方面,一般的传统制造工艺需要经过几次加热与再加热工序才能终成形;而用雾化法生产钢粉或铁粉时,只需要将废钢料进行一次熔炼,所有其它热加工作业都是在低于熔点的温度下进行的,这样不但节能,而且可制成终形状和形成所需要的材料性能、机械使用性能。通过金属成型工艺材料利用率的对比发现,制造粉末冶金零件所需之能量是锻造-切削加工零件的44%。
在环境可持续性方面,由于粉末冶金的终成形能力特性,在一般情况下是在烧结后就制成了零件成品,即可进行包装、交货。大多数情况下,加工粉末冶金产品所使用的切削油是微不足道的,其冷却水等污染源释放的有毒污染物质也是很少的。和其它制造工艺相比较,粉末冶金零件产业对环境几乎没有危害。
目前,粉末冶金零件已经是汽车产业不可缺少的一类重要基础零件。韩教授介绍,据不完全统计,日本至少有住友电工、日立、三菱、保来得等12家以上主要粉末冶金零件生产企业在国内建立了独资或合资企业;台湾的主要粉末冶金零件生产厂,如青志、三林等12家以上企业也都在东莞、无锡、苏州一带建立了生产基地。此外,许多世界知名的欧美粉末冶金企业也相继在国内建立了独资企业。韩教授认为,不久的将来,中国大陆将会逐步成为全球粉末冶金汽车零件 的集散地之一。
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耐候钢, 即耐大气腐蚀钢,是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列,耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成,具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性;耐候性为普碳钢的2~8倍,涂装性为普碳钢的1.5~10倍。同时,它具有耐锈,使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗,省工节能等特点。 耐候钢主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构。用于制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。300M钢是20世纪60年代由美国研发的一种低合金超高强度钢,因具有良好的强度、塑性和抗疲劳性能而成为当今飞机起落架的 材料。300M钢的疲劳裂纹扩展速率反映了该钢在标准条件下的抗疲劳裂纹扩展能力,是确定零件服役寿命的重要指标。因此,科研人员在不同条件下对300M钢进行了疲劳裂纹扩展速率试验,分析了应力比、试验环境、频率等因素对中速(裂纹扩展速率在10-5~10-3mm周次-1)扩展区疲劳裂纹扩展速率的影响,并用Paris方程和Walker方程对中速扩展区曲线进行了拟合,为该钢的应用与评价提供数据参考。
试验用材料为300M钢棒,由某特钢生产,规格为Φ400mm,退火态。从300M钢棒上切取材料,制成拉伸试样、断裂韧度试样以及紧凑拉伸疲劳裂纹扩展试样。对试样进行870℃1h淬火+300℃×2h两次回火热处理后,按GB/T228.1-2010和GB/T4161-2007分别进行拉伸和断裂韧度性能测试。根据GB/T6398-2000进行疲劳裂纹扩展速率试验, 载荷16kN,加载波形为正弦波,试验环境为空气环境和质量分数为3.5%NaCl水溶液。利用扫描电镜观察断口形貌。试验结果表明:
(1)300M钢的疲劳裂纹扩展速率随应力强度因子范围的增加而单调递增;在相同应力强度因子范围下,应力比为0.3下试样的疲劳裂纹扩展速率高于应力比为0.1下的;在NaCl水溶液中300M钢的裂纹扩展速率在裂纹扩展前期比在空气环境中的快,在扩展后期则趋于一致;较低试验频率下300M钢在裂纹扩展前期的裂纹扩展速率比较高频率下的快。
(2)分别用Paris方程和Walker方程对疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子范围关系曲线进行了线性拟合,拟合相关系数均在0.95以上。
(3)300M钢的疲劳断口由具有疲劳条带的扩展区和以韧窝为主的瞬断区组成。
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