航天材料焊接工艺研究

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1、航天材料焊接工艺研究第1章绪论1.1前言随着人类社会的发展与进步，人们探索太空的需要使空间材料科学成为一门新兴学科。航空航天技术的发展，对空间环境试验也提出了更高、更严格的要求。在航空和航天设计中，不锈钢起着重要作用。不锈钢材料具有强度高、刚度好、耐蚀性强、耐磨性高、工作温度范围宽、相对价格低廉、易于加工制造等一系列十分优良的性能。因而，不锈钢至今一直作为主耍的航天体结构的主要结构材料，被广泛的应用［2］。空间环境对航天器有极其重要的影响。其中，冷黑空间环境是航天器在飞行轨道中经历的主要环境之一，

2、其等效温度约为3K,吸收率为1,完全吸收航天器的热能，是没有辐射再反射的理想绝热黑体⑵。这种环境不仅影响航天器工作吋的热能，而且也决定着航天器某些部件的工作特性。正是由于航天器在服役期间要受到这种低温的影响，因此对材料提岀了越来越严格的要求。在外层空间由于材料的力学性能差而导致的故障是难以修复的，因此，在地面实现模拟外层空间环境对材料性能的机理进行深入的研究，就显得尤为重要。从20世纪50年代开始，前苏联与美国便开始了对不锈钢在空间环境中的各种力学性能进行了大量试验研究，尤其是对受服役环境影响很大

3、的提倡性能在低温环境中的变化进行了一定的研究。但主要侧重于宏观规律方面的研究，而对机理方面的探索并不深入。我国在此领域里的研究才刚刚起步，对不锈钢在低温环境下的力学性能的研究也尚处于起步阶段⑴。在空间领域的快速发展需耍空间材料学的基础理论支持。我国正在大力发展航天事业，如长寿命卫星、空间站及载人飞船等均己列入发展计划。这些在空间环境下长期服役的航天器在设计上均需要有关材料在空间环境下的性能参数。但长期以来，由于受到试验条件等方面的限制，尚缺少对材料在低温环境下拉伸性能方面研究的数据。尤其是对不锈钢

4、一些特殊的加工件，对这些热加工件的材料性能的分析尤为重要。如焊接件焊接接头的组织性能分析。1.2国内外对不锈钢力学性能的研究现状针对不锈钢在真空环境和低温环境屮的力学性能，国内外也都有所研究，如国内已有人对奥氏体不锈钢在低温环境下的力学性能、物理性能进行过一定研究，主要讨论了几种奥氏体不锈钢的低温力学性能，包括⑴强度、弹性模量和塑性；⑵疲劳特性、韧性；⑶焊缝的力学性能；⑷低温物理性能。所进行试验的几种奥氏体不锈钢分别是304(0Crl9Ni9)>310(lCr25Ni20Si2)、316(0Crl

5、7Nil2Mo2)、304L(00Crl9Nill)>316L(00Crl7Nil4Mo2),其中，L材是将含碳量从原来的0.08%下降到了0.03%以下，减少焊接和退火过程中的碳化物的析出，提高抗脆化能力，以便可以在更低的温度下安全使用。316不锈钢是通过添加稳定剂铝元素防止有害的碳化物在晶界析出。与316钢相比，326L钢具有更好的低温韧性。另外，为了在低温下得到稳定的奥氏体，也可以应用提高了線含量的310不锈钢[3]o下面简要介绍对有关奥氏体不锈钢低温下强度、弹性模量、塑性、疲劳特性及韧性等

6、方面的研究状况。主要研究结果如下：(1)强度、弹性模量及塑性图绘出了最常用不锈钢室温到低温的强度变化曲线。由图l-l(a)nT以看出，在室温到低温整个范围内，304不锈钢的屈服强度是最低的，但抗拉强度确是最高的。抗拉强度的增加是由于应变诱发的马氏体相造成的。这一结果也从一个侧面说明了304不锈钢比其它两种钢更容易发牛马氏体相变。由图l-l(b)可以看出，在室温下304钢和304L钢具有相同的强度。随着温度的下降无论是屈服强度还是抗拉强度，含碳量高的304钢都比304L钢上升的快。这一结果是由于碳的

7、强化效应引起的，是对所有不锈钢都适用的普遍规律。表列出了几种常用不锈钢的弹性模量和泊松比。应该指出，虽然不锈钢的弹性模量比铝合金要高2~3倍，但其密度也高出2~3倍，所以比模量相差不多。退火的300系列不锈钢通常具有极好的低温塑性，虽然延伸率和断面收缩率均随温度下降而下降，但在最低温度下也不会低于30%[4]o(а)不同牌号不锈钢比较；(b)含碳量的影响[5]图几种常用不锈钢的低温下强度的变化(2)韧性和疲劳特性300系列不锈钢在低温下有很好的韧性。系列冲击试验中不会出现冷脆转化点。显示出典型的面

8、心立方金属所具有的良好低温韧性特征。其冲击值虽然随温度降低而下降，但始终远远超过20.5J。[б]表几种不锈钢的低温弹性性能钢号304310316密度g/cm37.867.857.97温度弹性模量KGPa29577429577429577200214210191205207195209剪切弹性模量MPa77.383.882.073.079.379.975.281.6泊松比0.2900.2780.2790.3050.2950.2920.2940.283420881.00.282一些规