飛機(jī)高強(qiáng)度鋼件的強(qiáng)化及表面處理工藝研究

1、 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第40頁1緒論自從飛機(jī)發(fā)明以后，飛機(jī)日益成為現(xiàn)代文明不可缺少的運(yùn)載工具。它深刻的改變和影響著人們的生活。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，起落架、飛機(jī)大梁等飛機(jī)承力機(jī)構(gòu)的研究，已成為航空工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。高強(qiáng)度合金鋼是指應(yīng)用于制造承受較高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件的合金鋼類，一般屈服強(qiáng)度大于120kgf/mm2、抗拉強(qiáng)度大于140kgf/mm2。自20世紀(jì)60年代以來，合金鋼和不銹鋼的質(zhì)量與性能都有所提高，成本降低，工藝性能改善，因而在航空航天工業(yè)中仍占有重要地位。其中低合金超高強(qiáng)度鋼是超高強(qiáng)度鋼中的佼佼者。低合金超高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)成本低廉，生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，又具有良好的焊接性能，仍然是今后在

2、航空工業(yè)中使用量最大的鋼種。通過提高冶金質(zhì)量、調(diào)整成分和改善熱處理工藝，這類鋼可滿足各種使用要求。新型超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度已達(dá)到2000兆帕（200公斤/毫米2）。隨著強(qiáng)度的提高，缺口敏感性增加,出現(xiàn)氫脆、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞問題，強(qiáng)度超過一定限度后斷裂韌性降低，直接影響部件的使用可靠性和使用壽命，甚至?xí)谑褂弥型蝗粩嗔?。因此需要選擇合理的熱處理制度，以獲得良好的綜合性能。馬氏體時(shí)效鋼不僅強(qiáng)度高，斷裂韌性、抗氫脆和應(yīng)力腐蝕性能也都比低合金超高強(qiáng)度鋼好，有良好的可焊性和工藝塑性，是一種綜合性能良好的鋼種，適于制作飛機(jī)起落架由于低合金高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中敏感性高，電鍍易引起氫脆顯然不適合低合金高強(qiáng)度鋼的表

3、面處理。磷化處理及能對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼零件起到有效的保護(hù)作用又能避免氫脆的發(fā)生，符合低合金高強(qiáng)度鋼零件的防腐要求。由于磷化膜不夠致密不能對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼零件起到長(zhǎng)期有效的保護(hù)，所以要涂漆加以保護(hù)。傳統(tǒng)一般采用硝基烤漆加以保護(hù)。隨著油漆技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在多采用樹脂烤漆。從經(jīng)濟(jì)上來說，40crmnsimova鋼是我國(guó)研制定型的一種無ni超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，立足于國(guó)內(nèi)資源，可代替30crmnsini2a鋼，用于制造飛機(jī)起落架等重要零件。2高強(qiáng)度鋼的合金化機(jī)理及分析合金元素在鋼中的作用非常復(fù)雜，到目前為止對(duì)它的認(rèn)識(shí)還很不全面。下面著重分析合金元素與鐵和碳的作用、對(duì)鐵碳相圖影響以及對(duì)熱處理的影響的規(guī)律。2.1

4、合金元素與鐵和碳的作用 合金元素加入鋼中，主要與鐵形成固溶體，或者與碳形成碳化物，少量存在于夾雜物（如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸鹽等）中，在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。2.1.1 合金元素與鐵的作用幾乎所有合金元素（除pb外）都可與鐵形成合金鐵素體或合金奧氏體。按照合金元素對(duì)a-fe或-fe的作用，可將它們分為兩大類。 mn，原子% cu，原子% (a)femn相圖 (b) fecu相圖 圖2.1 擴(kuò)大區(qū)的femn相圖（mn代表合金元素）擴(kuò)大y相區(qū)元素 亦稱奧氏體穩(wěn)定化元素，主要是mn、ni 、co、c、n、cu等。它們使as點(diǎn)下降，a4點(diǎn)上升，從而擴(kuò)大相的存在范圍。其中ni、mn等元

5、素加入到一定量后，可使a4點(diǎn)將到室溫以下，使a相完全消失，如圖2.1（a）的fe-mn相圖所示，它們稱為完全擴(kuò)大區(qū)的元素，另外一些元素如c、n和cu等，雖擴(kuò)大相區(qū)，但不能將其擴(kuò)大到室溫，如圖2.1（b）的fe-cu相圖所示，所以它們稱為部分?jǐn)U大區(qū)的元素。 縮小相區(qū)元素 亦稱鐵素體穩(wěn)定化元素，主要有cr、mo、w、v、ti、al、si、b、nb、zr等。它們使a3點(diǎn)上升，a4點(diǎn)下降（鉻有例外，鉻含量小于7%時(shí)，a3點(diǎn)下降；大于7%后a3點(diǎn)迅速上升，）從而縮小y相的存在范圍，使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大。其中cr、mo、w、v、ti，al、si等元素超過一定含量時(shí)，a3點(diǎn)于a4點(diǎn)重合，使相區(qū)被封閉，這時(shí)合

6、金在固態(tài)范圍內(nèi)一直處于單相a相狀態(tài)，如圖2.2（a）的fe-cr相圖所示，它人稱為完全封閉區(qū)的元素。另外一些元素，如b、nb、zr等，雖然也使相區(qū)溫度范圍縮小，但不能使其封閉，如圖2.2（b）的fe-nb相圖所示，它們稱為部分縮小區(qū)的元素。 cr，原子% nb原子% fecr相圖 fenb相圖圖2.2 縮小區(qū)的fe-me相圖上述元素中，只有c、n、b、與鐵形成間隙固溶體，其它均與鐵形成置換固溶體。2.1.2 合金元素與碳的作用合金元素按其與鋼中碳親合力的大小，可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。常用非碳化物形成元素有：ni、co、cu、si、al、n、b等。它們不與碳形成化合物，除了

7、在少數(shù)高合金鋼中可形成金屬間化合物外，基本上都溶于鐵素體和奧氏體中。常用碳化物形成元素有：mn、cr、mo、w、v、nb、zr、ti等（按形成的碳化物的穩(wěn)定性程度由弱到強(qiáng)的次序排列。）它們都是元素周期表中位于鐵左方的過渡族元素。mn與碳的親合力較弱，少部分溶于滲碳體中，大部分溶于鐵素體或奧氏體中。與碳的親合力較強(qiáng)的cr、mo、w等，含量較低時(shí)基本上與鐵一起形成合金滲碳體；含量較高時(shí)可形成新的合金碳化物。而與碳的親合力很強(qiáng)的元素v、nb、zr、ti等，幾乎都是形成特殊碳化物。此外，總還有一部分強(qiáng)碳化物形成元素會(huì)溶于素體或奧氏體中。合金碳化物mn3、c、cr7、c3、cr23、c6、fe3、w 3

8、c等，比合金滲碳體的穩(wěn)定性更高，而特殊碳化物mo2、w2c、vc、tic等的穩(wěn)定性最高。穩(wěn)定性愈高的碳化物，其熔點(diǎn)和硬度也愈高，加熱時(shí)也愈難溶于奧氏體中，因此對(duì)鋼中的機(jī)械性能和工藝性能的影響很大，表2.1中給出了鋼中常見碳化物的類型及特性。表2.1 鋼中常見碳化物的類型及基本特性2.2合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響與對(duì)純鐵的影響類似，但更復(fù)雜一些。影響主要分兩方面：2.2.1 對(duì)奧氏體和鐵素體存在范圍的影響 擴(kuò)大相區(qū)元素均擴(kuò)大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域，其中完全擴(kuò)大區(qū)的元素ni或mn的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下得到單相奧氏組織，例如lcrl8ni9高鎳奧氏體不銹鋼和zgmnl

9、3高錳耐磨鋼等?？s小相區(qū)元素均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域，其中完全封閉區(qū)的元素（例如cr、ti、si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大溫度范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如lcrl7ti高鉻鐵素體不銹鋼等。2.2.2 對(duì)鐵碳相圖臨界點(diǎn)（s點(diǎn)和e點(diǎn)）的影響 擴(kuò)大相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小相區(qū)的元素則使其上升，并都使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。幾種主要合金元素對(duì)共析溫度的影響如圖2.3（a）所示。合金元素還對(duì)共析點(diǎn)和共晶點(diǎn)的成分產(chǎn)生影響。如圖2.3（b）所示，幾乎所有合金元素都使共析點(diǎn)碳含量降低；共晶點(diǎn)也有類似的規(guī)律，尤以強(qiáng)碳化物形成元素的作用最強(qiáng)烈。s點(diǎn)和e

10、點(diǎn)的左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化（不能完全用鐵碳相圖來分析）。例如，含0.3%c的3cr2w8v熱模具鋼已為過共析鋼，而碳含量不超過0.1%的wl8cr4v高速鋼，在鑄態(tài)下已具有萊氏體組織。2.3 合金元素對(duì)熱處理的影響合金元素對(duì)熱處理的影響主要表現(xiàn)在對(duì)加熱、冷卻和回火過程中相變的影響上。2.3.1.合金元素對(duì)加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響 合金元素影響加熱時(shí)奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。1）對(duì)奧氏體形成速度的影響 cr、mo、w、v等強(qiáng)碳化物形成元素與碳的親合力大，形成難溶于奧氏體中的合金碳化物（見表2.1），顯著阻礙碳的擴(kuò)散，大大減慢奧氏體形成速度。為了加速碳化物的溶解和奧氏體成分的勻化，必須

11、提高加熱溫度并保溫更長(zhǎng)的時(shí)間。co、ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的擴(kuò)散速度，使奧氏體的形成速度加快。al、si、mn等合金元素對(duì)奧氏體形成速度影響不大。2）對(duì)奧氏體晶粒大小的影響 大多數(shù)合金元素有阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，但影響程度不同。碳化物形成元素的作用最明顯，因形成的碳化物在高溫下較穩(wěn)定，不易溶于奧氏體中，能阻礙其晶界外移，顯著細(xì)化晶粒。按照對(duì)晶粒長(zhǎng)大作用的影響，合金元素可分為：圖2.3 合金元素對(duì)共析溫度及共析點(diǎn)碳含量的影響a.強(qiáng)烈阻止晶粒長(zhǎng)大元素：v、ti、nb、zr等。al在鋼中易形成高熔點(diǎn)aln、al2o3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也強(qiáng)烈阻止晶粒長(zhǎng)大。b.中等阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素：w、mo

12、、cr。c.對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響不大的元素：si、ni、cu。d.促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的元素：mn、p、b也略有此傾向。由于錳鋼有較強(qiáng)的熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時(shí)間應(yīng)較短。2.3.2.合金元素對(duì)過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 除co外，幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體類型轉(zhuǎn)變，使c曲線右移，即提高鋼的淬透性，如圖2.4所示。 圖2.4 合金元素對(duì)碳鋼c曲線的影響這是鋼中加入合金元素的主要目的之一。常用提高淬透性的元素有：mo、mn、cr、ni、si、b等。微量硼（0.0005-0.003%）即能明顯提高淬透性，但其作用不穩(wěn)定。mo的價(jià)格較貴，不單純作提高淬透性的元素使用。必須指出，加入

13、的合金元素，只有完全溶于奧氏體中時(shí)才能提高淬透性的元素使用。必須指出，加入的合金元素，只有完全溶于奧氏體中時(shí)才能提高淬透性，如果未完全溶解，則碳化物會(huì)成為珠光體形成的核心，反而使鋼的淬透性降低。別外，兩種或多種合金元素的同時(shí)加入對(duì)淬透性的影響，比單元素的影響總和還強(qiáng)得多，例如鉻錳、鉻鎳鋼等。除co、al外，多數(shù)合金元素使ms、mf點(diǎn)下降（見圖2.5）。其作用強(qiáng)度的次序是：mn、cr、ni、mo、w、si。其中mn的作用最強(qiáng)，si實(shí)際上無影響。ms、mf點(diǎn)的下降，使鋼中殘余奧氏體量增多（見圖2.6），許多高碳高合金鋼中的殘余奧氏體量可高達(dá)30-40%以上。殘余奧氏體量過多時(shí)鋼的硬度和疲勞抗力下降

14、，因此須進(jìn)行冷處理（將鋼冷至mf點(diǎn)以下）以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；或進(jìn)行多次回火，使殘余奧氏體因析出合金碳化物而使ms、mf點(diǎn)上升，并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（即發(fā)生所謂二次淬火）。此外，合金元素還影響馬氏體的形態(tài)，ni、cr、mn、mo、co等均增大片壯馬氏體形成的傾向。2.3.3.合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響1）提高回火穩(wěn)定性 合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（即將其推向較高溫度）；提高鐵素體的再結(jié)晶溫度；使碳化物難以聚集長(zhǎng)大而保持較圖2.5 合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)m 圖2.6 合金元素對(duì)殘余奧氏體量的的影響 影響 大的彌散度，因此提高了鋼對(duì)回火軟化的抗力，即提高了鋼的

15、回火穩(wěn)定性。使得合金鋼在相同溫度下回火時(shí)，比同樣碳含量的碳鋼具有更高的硬度和強(qiáng)度（對(duì)工具鋼和耐熱鋼特別重要），或者在保證相同強(qiáng)度的條件下，可在更高的溫度下回火，而使韌性更好些（對(duì)結(jié)構(gòu)很重要）。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：v、si、mo、w、ni、mn、co等。2）產(chǎn)生二次硬化 一些mo、w、v含量較高的鋼回火時(shí)，硬度不是隨回火溫度的升高單調(diào)降低，而是到某一溫度（約400）后反而開始增大，并在另一更高溫度（一般為550左右）達(dá)到峰值，如圖2.7所示。這是回火過程的二次硬化現(xiàn)象，它與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于約450時(shí)，鋼中析出滲碳體；在450以上滲碳體溶解，鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)

16、定的難熔碳化物m02c、w2c、vc，使硬度重新升高，而在550左右沉淀過程完成時(shí)，硬度達(dá)到峰值。二次硬化也可以由回火時(shí)冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所引起。產(chǎn)生以上兩類二次硬化效應(yīng)的合金元素見表2。表2.2產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)的合金元素產(chǎn)生二次硬化的原因合 金 元 素殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變沉 淀 硬 化mn、mo、w、cr、ni、co、vv、mo、w、cr、nico圖2.7 含碳0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系曲線3）增大回火脆性 和碳鋼一樣，合金鋼也產(chǎn)生回火脆性，而且更顯著，這是合金元素的不利影響。圖2.8示鎳鉻鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系。250-400間的第一類回火脆性，是由相變機(jī)

17、制本身決定的，無法消除，只能避開，但加入1-3%硅，可使其溫區(qū)移向較高溫度。450-600間發(fā)生的第二類回火脆性，主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān)，多發(fā)生在含mn、cr、ni等元素的合金鋼中，這是一種逆回火脆性，回火后快冷，抑制雜質(zhì)元素向晶界偏聚，可防止其發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)?shù)膍o或w（0.5%mo,1%w），因強(qiáng)烈阻礙和延遲雜質(zhì)元素等往晶界的擴(kuò)散偏聚，也可基本上消除這類脆性。2.4 合金元素對(duì)鋼的性能的影響2.4.1 合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響1）強(qiáng)化機(jī)制 強(qiáng)化就是強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。強(qiáng)度一般指對(duì)塑性變形的抗力。金屬的塑性變形是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)引起的，所以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)都會(huì)使

18、金屬的強(qiáng)度提高，造成強(qiáng)化。由前面已經(jīng)闡述過的金屬結(jié)構(gòu)中能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙可以主要?dú)w納為四種，因而強(qiáng)化機(jī)制也有四種：溶質(zhì)原子固溶強(qiáng)化；晶界細(xì)晶強(qiáng)化；第二相粒子第二相強(qiáng)化；位錯(cuò)位錯(cuò)強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化：合金形成固溶體時(shí)，由于溶質(zhì)原子與溶劑金屬原子大小不同，溶劑晶格發(fā)生畸變，并在周圍造成一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)。此應(yīng)力場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生交互作用，使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受阻。圖2.8 鎳鉻鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系置換式溶質(zhì)原子（如鋼中的cr、ni、mn、si等）所造成的強(qiáng)化量與溶質(zhì)濃度之間不存在簡(jiǎn)單關(guān)系，但可近似地按線性關(guān)系處理： =式中s代表置換式溶質(zhì)的原子百分濃度；ks 是比例系數(shù)。間隙式溶質(zhì)原子（如鋼中的c、n等

19、）所產(chǎn)生的強(qiáng)化量 ，大致與溶質(zhì)濃度的平方根成正比（強(qiáng)化作用較置換式溶質(zhì)原子大10-100倍以上）： =式中ci代表間隙的原子百分濃度；ki是比例系數(shù)。圖2.9示不同合金元素溶于鐵素體中所產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。其中c、n的強(qiáng)化效果最大；p的強(qiáng)化效果也很顯著，但它增大鋼的冷脆性；一般以mn、si等為強(qiáng)化元素較適宜。細(xì)晶強(qiáng)化：晶界分大角度晶界（如奧氏體、鐵素體的晶粒邊界等）和小角度晶界（如馬氏體板條間的界面、亞晶粒之間的界面等）兩類。晶界能有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使金屬強(qiáng)化。晶粒愈細(xì)，強(qiáng)化作用愈大。強(qiáng)化量 與晶粒度有以下關(guān)系：=k式中d代表晶粒的直勁；kg是與晶粒尺寸無關(guān)的比例系數(shù)。測(cè)量表明，奧氏體鋼的k

20、g值為鐵素體鋼的 ，即奧氏體晶界的強(qiáng)化作用較鐵素體晶界小。大角度晶界的kg值較大，小角度晶界的kg值較小，前者比后者的強(qiáng)化作用大得多。鋼中常用細(xì)化晶粒的元素有nb、v、al、ti等。圖2.9 合金元素對(duì)鐵素體屈服強(qiáng)度的影響圖2.10示出鐵素體晶粒細(xì)化對(duì)純鐵和低碳鋼強(qiáng)化效應(yīng)的影響。圖2.10 純鐵與軟剛的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系細(xì)化晶粒在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)也改善韌性，這是其它強(qiáng)化機(jī)制不可能做到的。第二相強(qiáng)化：運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)通過位于滑移面上的第二相粒子時(shí)，需要消耗額外的能量，使合金發(fā)生強(qiáng)化。位錯(cuò)通過第二相粒子的機(jī)制有兩種。當(dāng)粒子間距或粒子直徑很小時(shí)，位錯(cuò)切割粒子而通過圖2.11（a），強(qiáng)化效應(yīng)隨粒子間距的

21、增大而增強(qiáng)；但當(dāng)粒子間距大于某臨界值時(shí)（例如一般工業(yè)合金的情況），位錯(cuò)則繞過粒圖2.11（b），其強(qiáng)化量與粒子間距成反比，即粒子愈大，強(qiáng)化量 愈?。?=式中 代表粒子間距：kp是比例系數(shù)。一般以粒子0.10.2um時(shí)有明顯的強(qiáng)化效果。因此，要求第二相粒子有很高的彌散度。圖2.11 位錯(cuò)通過第二相粒子的示意圖獲得高彌散度粒子的方法有兩種。一種是依靠熱處理從過飽和固溶體中沉淀析出第二相（稱為析出強(qiáng)化或沉淀硬化）；另一種是利用機(jī)械、化學(xué)等方法引入極細(xì)的第二相粒子（物為分散硬化）。鋼中珠光體內(nèi)滲碳體片所起的強(qiáng)化作用也屬于第二相強(qiáng)化，其強(qiáng)化量與片間距的平方根成反比。片愈細(xì)，間距愈小，強(qiáng)化作用愈大。位錯(cuò)強(qiáng)

22、化運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)碰上與滑移面相交的其它位錯(cuò)時(shí)，發(fā)生交割而使運(yùn)動(dòng)受阻。位錯(cuò)所造成的強(qiáng)化量 與金屬中的位錯(cuò)密度的平方根成比例：=式中p代表位錯(cuò)密度；kd是比例系數(shù)。一般說，面心立方金屬中的位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)比體心立方金屬的大。面心立方金屬（例如cu、al）利用位錯(cuò)強(qiáng)化是很有利的。金屬的冷變形能產(chǎn)生大量位錯(cuò)，所以強(qiáng)化效果顯著。合金中的相變，特別是低溫下伴隨有容積變化的相變，如馬氏體相變等，都會(huì)造成大量的位錯(cuò)，也能使合金顯著強(qiáng)化。實(shí)際金屬中，都是幾種強(qiáng)化機(jī)制同時(shí)起作用，很少只有一種強(qiáng)化機(jī)制起作用的。2）鋼的強(qiáng)化 提高鋼強(qiáng)度最重要的方法是淬火和隨后回火。鋼淬火形成馬氏體。馬氏體中溶有過飽和碳和合金元素，產(chǎn)生很強(qiáng)的固

23、溶強(qiáng)化效應(yīng)：馬氏體形成時(shí)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)很大；奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，形成許多極細(xì)小的、取向不同的馬氏體束，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。因此淬火馬氏體具有很高的硬度，但脆性較大。淬火后回火，馬氏 中的同細(xì)碳化物粒子，間隙固溶強(qiáng)化效應(yīng)大大減小，但產(chǎn)生強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化效應(yīng)。由于基本上保持了淬火態(tài)的細(xì)小晶粒，較高密度的位錯(cuò)及一定的固溶強(qiáng)化作用，所以回火馬氏體仍具有很高的強(qiáng)度，并且因間隙固溶引起的脆性減輕，韌性還大大改善。由此可知，馬氏體強(qiáng)化充分而合理地利用了全部四種強(qiáng)化機(jī)制，是鋼的最經(jīng)濟(jì)和最有效的強(qiáng)化方法。合金元素加入鋼中，首要的目的是提高淬透性，保證在淬火時(shí)容易獲得馬氏體。合金元素通過置換固溶強(qiáng)化機(jī)

24、制，能夠直接提高鋼的強(qiáng)度，但作用有限。在完全獲得馬氏體的條件下，碳鋼和合金鋼的強(qiáng)度水平是一樣的。合金元素加入的第二個(gè)目的是提高鋼的回火穩(wěn)定性，使鋼回火時(shí)析出的碳化物更細(xì)小、均勻和穩(wěn)定；并使馬氏體的微細(xì)晶粒及高密度位錯(cuò)保持到較高溫度。這樣，在相同韌性的條件下，合金鋼比碳鋼具有更高的強(qiáng)度。此外，有些合金元素還可使鋼產(chǎn)生二次硬化，得到良好的高溫性能。由上可見，合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響，主要是通過對(duì)鋼的相變過程的影響起作用的，合金元素的良好作用，也只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍艹浞职l(fā)揮出來。2.4.2 合金元素對(duì)鋼的韌性的影響1）韌性的概念 韌性是指材料對(duì)斷裂的抗力。金屬的斷裂為裂紋的形成和擴(kuò)展的過程。按照

25、斷裂的性質(zhì)分，它可分為兩類：脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生明顯的塑性變形；韌性斷裂，斷裂時(shí)生顯著的塑性變形。實(shí)際金屬存在有三種基本形式的斷裂。第一種是解理斷裂，金屬沿特定的晶面（鋼的解理面為100）斷開，為典型的和質(zhì)量重要的脆性斷裂形式，多發(fā)生在溫度低，加載速度大、金屬塑性差的情況下；第二種是韌窩斷裂，以金屬中某些第二相粒子或夾雜物為中心形成孔洞，然后孔洞長(zhǎng)大、匯合而導(dǎo)致斷裂，在斷口上有大量窩坑，是一種韌性斷裂形式；第三種是沿晶斷裂，裂紋由晶界產(chǎn)生并沿晶界傳播而發(fā)生斷裂，是很脆的斷裂形式，主要由于晶界上元素富集，析出第二相特別是脆性相所引起。三種斷裂形式如圖2.12所示。材料實(shí)際斷裂的形式主要與溫度和

26、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。中、低強(qiáng)鋼( 600mn/)和高強(qiáng)鋼（ 100mn/）的沖擊韌性隨溫度變化的關(guān)系如圖2.13所示。 低溫下發(fā)生的是解理斷裂，高溫下發(fā)生的是韌窩斷裂，中間存在一個(gè)從脆性（解理）到韌性（韌窩）斷裂的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的溫度（其實(shí)為溫區(qū)）稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（tc），它實(shí)際上由鋼的解理斷裂抗力來決定。低、中強(qiáng)鋼的tc較高，而且在tc以下解理斷裂時(shí)韌性非常低，在tc以上韌窩斷裂時(shí)韌性較高，所以只要不發(fā)生解理斷裂，它們一般都有足夠高上由鋼的解理斷裂抗力來決定。低、中強(qiáng)鋼的tc較高，而且在tc以下解理斷裂時(shí)韌性非常低，在tc以上韌窩斷裂時(shí)韌性較高，所以只要不發(fā)生解理斷裂，它們一般都有足夠高圖2.12 三

27、種基本斷裂形式的示意圖的韌性。這樣，判斷其韌性大小的標(biāo)準(zhǔn)，不是沖擊韌性的絕對(duì)值，而是tc的高低。高強(qiáng)鋼的解理斷裂抗力比低、中強(qiáng)鋼低得多（韌性隨溫度的變化平穩(wěn)），因此決定韌性的是韌窩斷裂抗力，鋼的韌性用使用溫度下的沖擊韌性或斷裂韌性值來衡量。圖2.13 中、低強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的沖擊韌性隨溫度變化的關(guān)系2）提高鋼韌性的途徑與強(qiáng)度比較，韌性對(duì)組織更敏感，影響強(qiáng)度的因素，對(duì)韌性的影響更大。圖2.14示各種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)tc的影響。從圖中可見，細(xì)晶強(qiáng)化和部分元素的置換固溶強(qiáng)化能降低tc，可用來提高鋼的韌性；間隙固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化降低韌性，應(yīng)該控制；析出強(qiáng)化對(duì)韌性的影響較小，所以提高鋼的韌性有以下途徑。a.細(xì)

28、化晶粒 鋼中加入少量ti、v、nb、al、等元素，形成tic、vc、nbc、aln等細(xì)小穩(wěn)定的化合物粒子，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使鋼晶粒細(xì)化，增多晶界的總面積，圖2.14 各種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響這不僅于強(qiáng)度有利，而且因增大了裂紋擴(kuò)展有阻力，能顯著提高鋼的韌性特別是低溫韌性。b.改善基本的韌性 合金元素置換固溶于鐵素體中，一般都提高鋼的強(qiáng)度，并且按照韌性的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化規(guī)律（即強(qiáng)度愈高，韌性愈低，或強(qiáng)度愈低，韌性愈高）要降低鋼的韌性。但是某些置換元素例如鎳，溶入鐵素體中能改變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使其容易繞過某些障礙，避免產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，而不至導(dǎo)致解理斷裂，所以可大大改善基體的韌性。

29、鎳含量超過13%時(shí)，甚至能消除韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。大多數(shù)低溫鋼都是高鎳鋼。錳也能有效地降低鋼的tc，改善鋼的韌性。c.提高回火穩(wěn)定性 鋼的間隙固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化是最有效的強(qiáng)化方法，但它們帶來較大脆性。加入合金元素提高鋼的回火穩(wěn)定性，可以保證鋼在達(dá)到相同強(qiáng)度的條件下提高回火溫度。回火溫度的提高，能更充分地降低間隙固溶程度和位錯(cuò)密度，更多地減輕其脆化作用，而使鋼的韌性顯著改善。d.細(xì)化碳化物 鋼中的碳化物和脆性相可能自身斷裂，或與基體脫開，成為解理裂紋的核心；或者成為韌窩斷裂時(shí)孔洞形成的中心，從而使韌性下降。粗大的碳化物對(duì)強(qiáng)度和韌性沒有任何好處。在考慮耐磨性而必須含有碳化物時(shí)，它們的粒子應(yīng)盡量細(xì)小并分布

30、均勻，這同時(shí)對(duì)強(qiáng)度和韌性都有利。在組織為鐵素體和珠光體的鋼中，錳對(duì)碳化物的細(xì)化作用最有效。一般，含鉻的滲碳體和鉻、釩的碳化物都很細(xì)小，分布也最均勻，所以常用于韌性不高的過共析鋼中。e.控制非金屬夾雜質(zhì)元素 非金屬夾雜、氫及其它雜質(zhì)元素在合金鋼中的有害作用表現(xiàn)得最強(qiáng)烈，對(duì)它們要嚴(yán)格控制。鉬、鎢因能抑制雜質(zhì)元素的晶界富集，可消除或減輕鋼的回火脆性。稀士元素具有強(qiáng)烈的脫氧和去硫能力，對(duì)氫的吸附能力也很大，另外還能改善非金屬夾雜物的形態(tài)，使其在鋼中呈粒狀分布，所以可以顯著改善鋼的韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2.4.3 合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響 工藝性能反映零件加工的難易程度。材料沒有良好的工藝性能，很

31、難獲得廣泛應(yīng)用。鋼的工藝性能主要包括以下幾方面。1）鑄造性能 鑄造性能主要由鑄造時(shí)金屬的流動(dòng)性、收縮特點(diǎn)、偏析傾向等來綜合評(píng)定。它們與固相線和液相線溫度的高低及結(jié)晶溫區(qū)的大小有關(guān)。固、液相線的溫度愈低和結(jié)晶溫區(qū)愈窄，鑄造性能愈好。因此合金元素的作用取決于其對(duì)相圖的影響。共晶成分的鑄造性能最好，鋼因離共晶成分較遠(yuǎn)，鑄造性能較差，另外，許多元素如cr、mo、v、ti、al等，在鋼中形成高熔點(diǎn)碳化物或氧化物質(zhì)點(diǎn)，增大鋼液粘度，降低其流動(dòng)性，使鑄造性能惡化。2）塑性加工性能 塑性加工分熱加工和冷加工。熱加工工藝性能通常由熱加工時(shí)金屬的塑性和變形抗力、可加工溫度范圍、抗氧化能力、對(duì)鍛造加熱鍛后冷卻的要求

32、等來評(píng)價(jià)。合金元素溶入體中，或在鋼中形成碳化物（如鉻、鉬、鎢、釩等），都使鋼的熱變抗力提高和熱塑性明顯下降，而容易鍛裂。但有些元素（如nb、ti、v等），其碳化物在鋼中彌散分布時(shí)，對(duì)塑性影響不大。合金元素一般都降低鋼的導(dǎo)熱性和提高鋼的淬透性，為了防止開裂，合金鋼鍛造時(shí)加熱和冷卻都必須緩慢?？偟恼f，合金鋼的鍛造性能比碳鋼差得多。冷加工（冷沖壓、冷鐓、冷彎等）工藝性能主要包括鋼的冷變形能力和鋼件的表面質(zhì)量?jī)煞矫?。合金元素溶于固溶體中時(shí)都提高鋼的冷加工硬化率，使鋼變硬、變脆，易開裂，或難以繼續(xù)成形。碳含量的增高，使鋼的拉延性能變壞，所以冷沖壓鋼都是低碳鋼。si、ni、cr、v、cu等降低鋼的深沖性能

33、，nb、ti、zr、和re因能改善硫化物的形態(tài)，提高鋼的沖壓性能。3）焊接性能 焊接性能是一般指金屬的可焊性和焊接區(qū)的使用性能，主要由焊后開裂的傾向性和焊接區(qū)的硬度來評(píng)判。合金元素都提高鋼的淬透性，促進(jìn)較脆組織（馬氏體）的形成，對(duì)焊接性能不利。通常使用“碳當(dāng)量”ccq來估計(jì)化學(xué)成分對(duì)焊接性能的影響，即把合金元素的影響折合成碳的影響。例如，對(duì)于c0.18%的mn鋼、熱軋鋼、調(diào)質(zhì)鋼，碳當(dāng)量ceq為： =c+mn+si+ni+cr+mo+v (%)式中元素符號(hào)代表其重量百分含量。實(shí)踐表明，ceq0.3%時(shí)，焊接性能很好；cep0.40.5%時(shí)，焊接有困難，需要采取焊前預(yù)熱或焊后及時(shí)回火等措施。碳含量

34、對(duì)鋼的焊接性能影響最大，焊接性能好的鋼是低碳鋼。合金元素含量愈高，焊接性能愈差。但鋼中含有少量鈦和釩，因形成穩(wěn)定的碳化物，使晶粒細(xì)化并降低淬透，可改善鋼的焊接性能。4）切削性能 切削性能為金屬被切削的難易程度和加工表面的質(zhì)量，通常由切削抗力大小、刀具壽命、表面光潔度和斷屑性等因素來衡量。切削性能與材料硬度有密切關(guān)系。實(shí)踐證明，鋼最適于切削的硬度范圍為hb170230。硬度過低，切削時(shí)粘刀，易形成刀瘤，加工表面光潔度差；硬度過高，切削抗力大，刀具易磨損。顯微組織對(duì)切削性能有影響。比較適合切削加工的組織，對(duì)中、低碳鋼為細(xì)珠光體；對(duì)高碳鋼為球狀珠光體?；瘜W(xué)成分對(duì)切削性能有重大影響。碳含量0.25%以

35、下時(shí)，鋼的切削性能隨碳含量增加而改善；碳含量超過0.60%時(shí)，需經(jīng)熱處理降低硬度。一般，合金鋼的切削性能比碳鋼差。即使在較佳切削硬度范圍內(nèi)，由于合金鋼中的碳化物較耐磨，耐熱鋼具有較高的高溫硬度，奧氏體不銹鋼有較強(qiáng)的加工硬化能力等等，使合金鋼比碳鋼更難切削。為了提高鋼的切削性能，可在鋼中特意加入一些改善切削性能的合金元素，于是形成了一類專用的易切削鋼。最常用的元素是硫。優(yōu)質(zhì)鋼的硫含量一般控制在0.03%以下，易切削鋼中硫的含量可提高到0.080.30%。硫在鋼中錳形成球狀硫化錳夾雜，破壞金屬基體的連續(xù)性，使切削抗力降低，切屑易于碎斷。其次是鉛和磷。易切削鋼中鉛含量控制在0.100.30%，磷含量

36、為0.080.15%。鉛在鋼中完全不溶，以23um的極細(xì)微粒均勻分布于鋼中，使切屑易斷，同時(shí)起潤(rùn)滑作用，改善鋼的切削性能，少量磷深入鐵素體中，可提高其硬度和脆性，有利于獲得良好的表面光潔度。上述元素的復(fù)合加入，分別得到硫一磷易削鋼、硫一磷一鉛易削鋼，等等。5）熱處理工藝性能 熱處理工藝性能反映熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向，主要包括淬透性、變形和開裂傾向、過熱敏感性、回火脆化傾向和氧化脫碳傾向等。合金鋼的淬透性高使淬火燥作變得比較容易，并且減少工件變形和開裂的傾向。氧化脫碳傾向最強(qiáng)烈的是含硅鋼，其次是含鎳鋼和含鉬鋼。加入錳、硅會(huì)增大鋼的過熱敏感性。3 飛機(jī)起落架的選材問題3.1 起落架

37、的服役條件起落架是飛機(jī)起飛或降落的關(guān)鍵部件，如圖3.1所示。它具有重量輕（約占飛機(jī)重量的3%5%）、體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。與飛機(jī)的其他構(gòu)件不同，它承受地面載荷，即在飛機(jī)降落時(shí)承受飛機(jī)的全部重量和慣性力，而在空中不承受任何載荷。就飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性來說，它又是重要而薄弱的構(gòu)件。為了減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量和壓縮起落架的收藏空間，起落架材料應(yīng)有高的彈性摸量和高強(qiáng)度（這是用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)保證起落架使用壽命和可靠性的方法之一），因此選用超高強(qiáng)度鋼是不可避免的。在選用材料的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮持續(xù)的振動(dòng)和疲勞載荷對(duì)材料強(qiáng)度的影響，就是說材料的屈服強(qiáng)度，在使用過程中，并不是恒定不變的。超高強(qiáng)度鋼在疲勞條件下會(huì)出現(xiàn)明顯的循環(huán)

38、軟化。為了準(zhǔn)確確定其指標(biāo)的具體數(shù)值，根據(jù)起落架的幾何尺寸，工作中承受載荷的大小，計(jì)算出零件的工作應(yīng)力分布，再根據(jù)應(yīng)力、使用壽命或安全性與實(shí)驗(yàn)室性能之間的關(guān)系，確定對(duì)實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)的要求，并參與已有或類似的零件使用情況，進(jìn)行最后修正，甚至在零件使用前進(jìn)行模擬試驗(yàn)。飛機(jī)在起飛或降落時(shí)，由于跑道不平整，起落架承受著強(qiáng)烈的振動(dòng)和脈動(dòng)載荷；飛機(jī)降落時(shí)與跑道發(fā)生沖擊，所以有承受巨大的沖擊載荷，尤其在應(yīng)付粗暴著陸及應(yīng)急著陸的情況下，起落架應(yīng)有保證能量?jī)?chǔ)備吸收的要求，同時(shí)允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不失去功能的永久變形，但不應(yīng)破壞（由于起落架的形狀復(fù)雜，有時(shí)在局部應(yīng)力集中部位超過材料屈服應(yīng)力的情況也難免要發(fā)生）。這就需要通過

39、給定的下沉速度和相當(dāng)質(zhì)量來明確規(guī)定其緩沖系統(tǒng)吸收的功量，對(duì)材料來說要有一定的塑性和韌性。各國(guó)均有明確規(guī)定，同時(shí)要求延伸率和斷面收縮率，其經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)一般取8%、35%、和59j/cm。就飛機(jī)安全性而言，安全壽命設(shè)計(jì)為飛機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命和可靠性要求的基本方法。到目前為止，世界上絕大多數(shù)飛機(jī)都是基于各自的疲勞強(qiáng)度規(guī)范用安全壽命設(shè)計(jì)來保證飛機(jī)的安全。我國(guó)新機(jī)種的設(shè)計(jì)除用靜強(qiáng)度外，也采用安全壽命設(shè)計(jì)的原則。飛機(jī)起落架在著落承受沖擊、起轉(zhuǎn)回彈、轉(zhuǎn)彎剎車、滑跑顛簸時(shí)都經(jīng)受著快速變化的載荷，因此被認(rèn)為是一種典型的承受沖擊疲勞的構(gòu)件。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)而言，起落架著落時(shí)的損傷，一半以上是疲勞，而且這種損傷大多處于低周高應(yīng)力范

40、圍，并且有時(shí)工作應(yīng)力 (a)起落架 (b)上接頭和下筒焊接裝配 圖3.1 起落架焊接裝配簡(jiǎn)圖會(huì)超過屈服強(qiáng)度，因此起落架所用的鋼應(yīng)有良好的抗沖擊疲勞性。沖擊疲勞除具有一般的疲勞特點(diǎn)外，還有一般疲勞所沒有的沖擊效應(yīng)。在沖擊載荷下，應(yīng)力應(yīng)變往往以波的形式傳播，在遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生波的反射和干涉現(xiàn)象，對(duì)拉伸沖擊疲勞受力狀態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，名義上只承受拉伸沖擊載荷的試樣，實(shí)際上承受的卻是拉壓疲勞載荷；其次在沖擊載荷的作用下，材料的應(yīng)變速率很高，會(huì)引起疲勞斷裂機(jī)制的改變。因此要提高超高強(qiáng)度鋼的疲勞壽命，可能需要更高的塑性和韌性的配合，近來提出的疲勞無裂紋壽命表達(dá)式，對(duì)各種材料的沖擊疲勞性能全面定量比較，提供可

41、取的研究方法。超高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度并不總是隨著抗拉強(qiáng)度的提高的提高而成比例增加的，有時(shí)抗拉強(qiáng)讀越高，而疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的比值反而下降。這種現(xiàn)象與在高強(qiáng)度下的缺口敏感性有關(guān)。一般強(qiáng)度鋼的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的比值是0.5，而超高強(qiáng)度鋼當(dāng)處理成抗拉強(qiáng)度為17651961mpa時(shí)，疲勞極限僅為588686mpa,疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之比僅為0.340.40，而橫向疲勞極限還會(huì)更低。許多超高強(qiáng)度鋼零件都是因疲勞損傷而斷裂的。對(duì)超高強(qiáng)度鋼還要考慮斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展速率。一般來說，在淬火、回火狀態(tài)下使用的中c合金結(jié)構(gòu)鋼，其斷裂韌性kc是隨著強(qiáng)度的提高而降低；因此，切不可單純追求高強(qiáng)度而使斷裂韌性過低。隨著冶煉

42、方法的不同，雜質(zhì)少的材料斷裂韌性會(huì)高些，在選用起落架鋼的強(qiáng)度水平下，各種高強(qiáng)鋼的k1c值并無很大差別。其臨界裂紋長(zhǎng)度在任何情況下都是很短的，已出現(xiàn)裂紋的剩余強(qiáng)度并不能對(duì)起落架壽命給予很大貢獻(xiàn)，因此國(guó)內(nèi)還沒有堅(jiān)持要求對(duì)起落架進(jìn)行損傷容限分析。與飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)不同，原則上不允許起落架帶裂紋上天，因此斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展速度率只能作為起落架超高強(qiáng)度鋼的參考指標(biāo)。隨著新材料的研制及新設(shè)計(jì)思想的發(fā)展，保證一定kc值可能會(huì)成為起落架材料的一個(gè)使用條件。在基本相同的強(qiáng)度和斷裂韌性kc條件下，超高強(qiáng)度鋼的顯微組織不同，裂紋擴(kuò)展速率da/dn出現(xiàn)成倍的差別，通過改變熱處理工藝、降低裂紋擴(kuò)展速率是提高安全性的有效措施

43、。由于起落架承受的是沖擊載荷，因此材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性kd及沖擊載荷下的裂紋擴(kuò)展速率更應(yīng)予以重視。增加變形速率與降低溫度有類似效應(yīng)，大多數(shù)鋼的斷裂韌性隨著加載速度的提高而降低，但不同顯微組織的超高強(qiáng)度鋼的動(dòng)態(tài)斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率隨著加載速度的規(guī)律還缺乏系統(tǒng)的研究，同時(shí)各類飛機(jī)起落架受載時(shí)的變形速率也有所不同。選擇合理的、較高的加載速率，且保持高的動(dòng)態(tài)斷裂韌性及較慢的裂紋擴(kuò)展速率的鋼，更適合制造起落架。氫脆是超高強(qiáng)度鋼加工和使用過程中的重大問題。鋼的抗拉強(qiáng)度值愈高，因含h使塑性及韌性降低的程度便愈大，即氫脆敏感性愈高，容易產(chǎn)生氫脆斷裂。因此加工過程中不允許有導(dǎo)致吸h工序。一般電鍍防銹及酸洗清理是

44、禁止使用的。鋼的抗拉強(qiáng)度愈高，其缺口敏感性往往愈大。韌性鋼由于缺口處產(chǎn)生多向應(yīng)力阻礙變形，因而缺口的存在促使抗拉強(qiáng)度提高，缺口敏感性系數(shù)將小于1,但脆性材料的切口敏感性增加的原因在于其塑性惡化，因之不僅要考慮鋼的強(qiáng)度，而且要考慮鋼的塑性。此外，還要注意環(huán)境溫度和介質(zhì)的性質(zhì)，起落架環(huán)境溫度不高，就不用中合金或高合金超高強(qiáng)度鋼，選用低合金超高強(qiáng)度鋼就可滿足要求。但鋼處理成高強(qiáng)度狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，抗拉強(qiáng)度會(huì)顯著降低，即應(yīng)力腐蝕敏感性很大，因此超高強(qiáng)度鋼的保護(hù)問題應(yīng)特別注意。焊接由于引起吸h過程，并產(chǎn)生熱影響區(qū)和內(nèi)應(yīng)力，影響到超高強(qiáng)度鋼的最終性能。焊接過程對(duì)性能的影響愈小，即意味著可焊性愈好。

45、鋼中p,s,c的含量多少是影響可焊性的重要因素，對(duì)中c超高強(qiáng)度鋼來說，p、s的總量應(yīng)符合 (p+c)時(shí)，才是可焊的。一般超高強(qiáng)度鋼焊后熱處理，很難達(dá)到焊縫與基體等強(qiáng)度的要求故其焊接方法宜采用氫弧焊、埋弧焊或接觸焊等。3.2 起落架的失效形式對(duì)失效形式的分析是一項(xiàng)嚴(yán)肅而復(fù)雜的任務(wù)，切不可輕率下結(jié)論，應(yīng)對(duì)故障進(jìn)行全面的科學(xué)分析，必要時(shí)應(yīng)做模擬試驗(yàn)以致再現(xiàn)故障。近年來發(fā)展了一種故障樹技術(shù)，這是一種圖解技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)中可能造成的故障或意外事件的因素予以組合，并給出系統(tǒng)的描述。把電子金相和故障樹技術(shù)結(jié)合起來，可為斷裂事故分析提供一種普遍適用的方法。起落架要求體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，以便于收放操作，故其形狀復(fù)雜，

46、生產(chǎn)過程中的許多因素使其在使用過程中，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，造成斷裂事故。例如，因表面切削加工刀痕造成的應(yīng)力集中，導(dǎo)致某機(jī)左支柱上合攏處疲勞破壞；因設(shè)計(jì)不當(dāng)，充氣孔角處的應(yīng)力集中導(dǎo)致孔角早期疲勞裂紋，并在很大的著陸載荷下造成起落架折斷；因裝配不當(dāng)，則在較大單向彎曲預(yù)應(yīng)力下，加工螺紋根部的應(yīng)力集中，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿的疲勞斷裂。超高強(qiáng)度鋼的缺點(diǎn)之一是焊接性差，因焊接造成的螺紋屢見不鮮，起落架支柱在斜撐桿螺栓襯套部位因嚴(yán)重焊接缺陷折斷幾次；左支柱因嚴(yán)重裂紋及未焊透，以致造成折斷。這些災(zāi)難性的事故，不僅直接影響作戰(zhàn)訓(xùn)練，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅生命安全。有此也不難理解起落架最早用焊接件，而逐漸被整體鍛件

47、所代替的原因。根據(jù)起落架的受力特點(diǎn)及所出現(xiàn)的故障事故分析認(rèn)為，它的主要失效形式是疲勞引起的斷裂。3.3 選材分析3.3.1 起落架失效主要抗力指標(biāo)從起落架的服役條件分析得知，起落架已從靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)發(fā)展到安全壽命設(shè)計(jì)，對(duì)超高強(qiáng)度鋼也從簡(jiǎn)單地追求高強(qiáng)度發(fā)展為對(duì)全面綜合機(jī)械性能的要求。這里材料的高強(qiáng)度（特別是循環(huán)強(qiáng)度）和疲勞性能（主要是在1010周次壽命范圍內(nèi)的情況）是設(shè)計(jì)指標(biāo)；塑性、韌性是經(jīng)驗(yàn)選取指標(biāo)；斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率是進(jìn)一步提出起落架安全性的參考指標(biāo)。從起落架的承載特點(diǎn)和故障統(tǒng)計(jì)分析來看，為抵抗沖擊負(fù)荷，必須有盡可能高的韌性，并且應(yīng)進(jìn)一步考慮材料在動(dòng)態(tài)（包括多次沖擊）條件下個(gè)性能的變化，并將

48、缺口敏感性提高到十分重要的地位。根據(jù)起落架的服役條件及失效形式，它的失效抗拉指標(biāo)主要是：為承受飛機(jī)的全部重量，必須有高的強(qiáng)度，1500mpa 為抵抗巨大的沖擊負(fù)荷，必須有高的塑性和韌性，一般8%,35%,59cm 為抵抗疲勞破壞，必須有高的疲勞強(qiáng)度。3.3.2 滿足失效抗力指標(biāo)的材料從圖3.1可知，滿足這個(gè)部件的材料，具有抗拉強(qiáng)度=166798mpa，應(yīng)在低合金鋼超高強(qiáng)度鋼中選取。該部件的總體加工方案是模鍛、機(jī)械加工、焊接和熱處理，因此選擇材料不僅要考慮強(qiáng)度指標(biāo)，而且要考慮工藝性能的好壞及經(jīng)濟(jì)性。查閱航空手冊(cè)，在航空結(jié)構(gòu)鋼中找到抗拉強(qiáng)度為1667mpa的鋼種進(jìn)行比較，如表3.1所示。有表中可見

49、，后兩種鋼的性能比前三種鋼優(yōu)越，同一強(qiáng)度相比，40crmnsimov鋼有較好的綜合機(jī)械性能。幾種鋼的疲勞極限和斷裂韌性，因其試驗(yàn)條件的差異和數(shù)據(jù)的分散性，很難在一起進(jìn)行比較（當(dāng)評(píng)價(jià)兩種材料或兩種不同熱處理工藝時(shí)，就不僅要比較sn曲線，而且要注意疲勞試驗(yàn)結(jié)果的分散性大小，就是依據(jù)存活率應(yīng)力壽命（p- -n）曲線來判斷疲勞性能的優(yōu)勢(shì)）。40crmnsimov鋼試樣，在抗拉強(qiáng)度為1667mpa時(shí)，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為775mpa；缺口旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為559569mpa；斷裂韌性kc為71.2mn/m。該鋼有好抗疲勞斷裂和抗脆斷的能力，全尺寸起落架靜力破壞試驗(yàn)及全尺寸起落架動(dòng)力落震試驗(yàn)結(jié)果完全合格。以

50、工藝性方面比較得出以下結(jié)論：1)淬透性 40crmnsimova鋼的淬透性較大，油淬截面80mm可以淬透，當(dāng)淬火雙面冷卻時(shí)，筒形零件的厚度不超過40mm，可以淬透，可見其淬透性比30crmnsi2a鋼稍大，因而滿足了起落架支柱的淬透性要求。2)焊接性 該鋼的焊接裂紋傾向性較大，因此焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按工藝說明書進(jìn)行。零件的焊接可采用手工電弧焊、等離子焊和真空電子束焊，均可滿足焊接生產(chǎn)要求。3)易削性 在前4種鋼中30crmnsia鋼在退火狀態(tài)性能最好，30crmnsini2a鋼在不完全退火下有可行的易削性，40crnimoa鋼易削性中等。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下相對(duì)易削性為45%。40crmnsimova鋼在

51、退火狀態(tài)下具有可行的易削性。從經(jīng)濟(jì)上來說，40crmnsimova鋼是我國(guó)研制定型的一種無ni超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，立足于國(guó)內(nèi)資源，可代替30crmnsini2a鋼，用于制造飛機(jī)起落架等重要零件。4 40crmnsimova鋼的熱處理工藝將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是強(qiáng)化鋼的重要熱處理方法，其本質(zhì)問題是馬氏體轉(zhuǎn)變。4.1 各種淬火方法鋼的淬火方法很多，現(xiàn)根據(jù)冷卻方式來加以劃分，見下圖4.1圖 4.1 各種淬火方式示意圖（a）單液淬火法；（b）雙液淬火法；（先水淬后油冷）；（c）分級(jí)淬火法；（d）貝氏體等溫淬火法；（e）馬氏體等溫淬火法；

52、（f）預(yù)冷（空冷）淬火法4.1.1 單液淬火法 其特點(diǎn)是工件經(jīng)加熱后，置于某一種淬火介質(zhì)（如水、油或其他等）中冷卻，亦即直接淬火，如圖4.1（a）所示?？梢娬麄€(gè)冷卻過程中，工件表面與中心的溫差較大，這會(huì)造成較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而易引起變形和開裂。但這種淬火方法簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)易于掌握，故廣泛用于形狀簡(jiǎn)單的工件淬火。4.1.2 雙液淬火法它是將加熱好的工件，先于鹽水中冷卻至400c左右，然后迅即轉(zhuǎn)至油中，如圖4.1（b）所示。先快冷可避免過冷奧氏體的分解，后慢冷可有效地降低變形和開裂傾向。第二種冷卻介質(zhì)不一定局限于油，也可以是其它介質(zhì)(熱浴)。雙液淬火法的關(guān)鍵是控制工件的水冷時(shí)間。據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，碳鋼工件厚度在530mm時(shí)，其水冷時(shí)間可按每34mm厚度冷卻1s.4.1.3 分級(jí)淬火法與單液淬火相比，雙液淬火確有一定的優(yōu)點(diǎn)，但畢竟比較難于掌握，尤其對(duì)形狀復(fù)雜及截面尺寸相差懸殊的工件來說，仍經(jīng)常出現(xiàn)變形甚至開裂，而分級(jí)淬