【摘要】：鋼鐵材料因其塑性、韌性、強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)成為現(xiàn)代社會(huì)最重要的基礎(chǔ)生產(chǎn)資料,是國(guó)家生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋼鐵材料現(xiàn)在的地位迄今為止還沒(méi)有其他材料可以取代。九成以上的鋼材被用作結(jié)構(gòu)材料,強(qiáng)度和韌性是鋼鐵類(lèi)材料最主要的需求,提高鋼材強(qiáng)韌性一直是該領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。從鋼鐵材料強(qiáng)韌化機(jī)制出發(fā)可知,微觀(guān)組織的精細(xì)化及硬相與軟相的合理調(diào)控,是發(fā)展新一代鋼鐵材料的重要途徑。脈沖電流處理方法為材料提供瞬態(tài)高能量的非平衡條件,較快的加熱速度(10~4-10~5K/s)有利于鋼鐵材料組織的細(xì)化甚至超細(xì)化。優(yōu)化工藝流程,脈沖電流處理方法可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建材料軟硬相間的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)結(jié)構(gòu)。若可以通過(guò)脈沖電流處理實(shí)現(xiàn)普通中碳鋼的強(qiáng)韌化,將為發(fā)展新一代鋼鐵材料尋找到一種節(jié)能高效的工藝新方法,極大降低能源消耗和簡(jiǎn)化工藝流程,具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)對(duì)常用45鋼采用不同脈沖電流處理新工藝方法,探討脈沖電流處理方法對(duì)45鋼的強(qiáng)韌化效果和機(jī)理。優(yōu)化工藝流程,強(qiáng)化脈沖電流優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步發(fā)掘脈沖電流對(duì)45鋼的強(qiáng)化作用。與傳統(tǒng)熱處理相對(duì)照,研究馬氏體、鐵素體、原奧氏體晶粒等微觀(guān)組織的細(xì)化效果及相應(yīng)的力學(xué)性能變化,結(jié)合理論分析研究脈沖電流強(qiáng)韌化的作用機(jī)制。本文主要得出以下結(jié)論:45鋼鐵素體/珠光體初始組織經(jīng)過(guò)脈沖電流奧氏體化淬火處理后,與傳統(tǒng)淬火相比,原奧氏體晶粒從37μm細(xì)化到15μm,馬氏體細(xì)化,板條寬度細(xì)化到150nm,抗拉強(qiáng)度從初始態(tài)的637MPa顯著提高到1987MPa。這是由于納米級(jí)碳過(guò)飽和固溶體的馬氏體具有較高的強(qiáng)度,馬氏體的高強(qiáng)度是由固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)化機(jī)制綜合作用的結(jié)果。對(duì)45鋼進(jìn)行循環(huán)多次(N=3)脈沖電流奧氏體化淬火處理,原奧氏體晶粒平均尺寸達(dá)到3μm,晶粒得到超細(xì)化�？焖倮鋮s后得到小于100nm的馬氏體組織,使45鋼獲得超高強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度達(dá)到2600MPa,斷裂延伸率為9.8%,強(qiáng)塑積達(dá)到25GPa%。這是由于脈沖電流可以有效的降低形核勢(shì)壘,同時(shí)快速加熱使體系的過(guò)冷度增大,導(dǎo)致了形核率顯著增加。即在初始相對(duì)較大的奧氏體晶粒的界面及晶粒內(nèi)部等諸多地方同時(shí)形核,生成較小的奧氏體,快速冷卻后即轉(zhuǎn)變成細(xì)小的馬氏體,使初始相對(duì)較大的晶粒就被分解成一些較小的晶粒。再次重復(fù)此過(guò)程,前一次得到的較小晶粒會(huì)被重新細(xì)化,多次重復(fù)即可得到超細(xì)化晶粒。當(dāng)然這種細(xì)化不會(huì)永久進(jìn)行下去,隨著晶粒變得越小,晶界面積變得越大,界面能或者整個(gè)體系的自由能就會(huì)越高,當(dāng)提供的能量不足以使整個(gè)體系的自由能升高所需時(shí)能量,晶粒細(xì)化就會(huì)停止甚至長(zhǎng)大。而且,晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程,當(dāng)加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),晶粒反而會(huì)變大。脈沖電流處理后在馬氏體組織間分布有微米級(jí)的鐵素體,在晶界處彌散分布碳化物顆粒,這種多相、亞穩(wěn)、多尺度混合組織協(xié)調(diào)作用使鋼的強(qiáng)度和塑韌性都得到提高。引入壓力作用使45鋼在脈沖電流處理溫升達(dá)到AC_3附近時(shí)發(fā)生高溫形變,變形量為37.5%,原奧氏體晶粒平均尺寸達(dá)到5μm,馬氏體板條寬度只有7nm,板條間有殘余奧氏體薄膜,獲得了高強(qiáng)度和高塑性的良好配合,抗拉強(qiáng)度達(dá)到1893MPa,斷裂延伸率為22%,強(qiáng)塑積達(dá)到42GPa%。這是由于脈沖電流作用使晶粒超細(xì)化的同時(shí),在應(yīng)變作用下奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,并發(fā)生TRIP效應(yīng),使塑性提高。超細(xì)馬氏體、鐵素體組織對(duì)強(qiáng)度起了決定性作用,對(duì)塑性和韌性起決定作用的為殘留奧氏體和鐵素體。以貝殼珍珠層軟硬相間結(jié)構(gòu)為生物原型,對(duì)45鋼進(jìn)行仿生耦合設(shè)計(jì),通過(guò)脈沖電流處理,在45鋼表面制備仿生耦合單元體。脈沖電流仿生耦合處理試樣的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為1193MPa和18.1%與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理試樣的拉伸強(qiáng)度786MPa延伸率16%相比,分別提高了51.8%和13.2%。這是由于單元體協(xié)同作用,產(chǎn)生BMP效應(yīng),“堤壩”效應(yīng),“局部承擔(dān)”和“接力效應(yīng)”共同作用的結(jié)果。綜上所述,脈沖電流電致強(qiáng)化技術(shù)是一種附加約束控制冷卻的高能瞬時(shí)多場(chǎng)耦合電脈沖處理技術(shù)。通過(guò)調(diào)整電處理參數(shù)、循環(huán)處理次數(shù)和控冷技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)金屬材料的固溶、時(shí)效、淬火、退火、正火、回火等,得到不同的組織結(jié)構(gòu)及強(qiáng)韌性配合,滿(mǎn)足多種不同服役條件要求。處理效果與材料初始態(tài)組織、電參數(shù)大小及冷卻速度控制等密切相關(guān)。本文研究證明了通過(guò)不同的工藝流程,脈沖電流處理方法可以實(shí)現(xiàn)45鋼微觀(guān)組織的精細(xì)化及硬相與軟相的合理調(diào)控,從而達(dá)到提高45鋼強(qiáng)韌性,獲得良好的綜合性能的目的。脈沖電流處理配合高溫形變可成為一種快速、高效制備滿(mǎn)足新一代鋼鐵材料要求的超高強(qiáng)度鋼的方法。
【圖文】：

制是漂移電子形成的電子風(fēng)會(huì)和位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用。該效應(yīng)提出后 ,Al , Pb ,Cu , Fe 等金屬進(jìn)行了深入細(xì)致的研究；H.Conrad[57, 58]等美末也開(kāi)始了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者[59-61]在鋁鋰合金、鋅鋁合金、鈦合變形中的電脈沖處理,均顯著提高了樣品的延伸率。劉勃然等[61]對(duì)超鋁鋰合金施加脈沖電流后，觀(guān)察晶內(nèi)位錯(cuò)在通電后由直線(xiàn)型變成蜷。表明電流通過(guò)金屬時(shí),電子流與位錯(cuò)間存在相互作用,拖曳位錯(cuò)運(yùn)

在適當(dāng)參數(shù)的脈沖電流作用度降低，這是由于脈沖電流處理可核率的提高和晶體的生長(zhǎng)。此后非熱點(diǎn)。Troitskii 等學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)沖電流對(duì)非晶合金微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)晶化溫度的條件下獲得納米晶。M時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流密度高于關(guān)鍵值時(shí)，晶化過(guò)程。反之，，當(dāng)電流密度小于大。上述結(jié)果表明，高頻脈沖電流隊(duì)[73-75]利用脈沖電流技術(shù)對(duì)不同成粒尺寸達(dá)為 20nm 的大塊納米晶，核生長(zhǎng)而成為制備納米晶的新方法晶絲。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG142.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2620788