【摘要】：無間隙原子(IF)鋼和2.25Cr1Mo鋼都具有碳當量低,韌性和塑性良好等特點。這兩種鋼因成分和性能的差異被應用于不同的領域。其中,具有良好深沖性能的無間隙原子鋼是汽車車身覆蓋件及部分結(jié)構(gòu)件的主要材料。2.25Cr1Mo鋼因具有良好的韌性、較高的抗氧化性和耐高溫性能,被廣泛應用于制造各種高溫承壓容器及管道等。然而,IF鋼中的固溶強化元素磷會在熱軋等過程中發(fā)生晶界偏聚,引起材料的非硬化脆化;同時在深沖和冷軋過程中會發(fā)生硬化脆化現(xiàn)象。2.25Cr1Mo鋼在長期中等溫度的服役過程中,鋼中的雜質(zhì)元素會發(fā)生晶界偏聚并引起材料的非硬化脆化;工程實踐中的諸如焊接、時效析出等過程會引起鋼的硬化脆化。此外,晶粒尺寸會同時影響鋼的硬化和非硬化脆化�？梢�,鋼鐵材料的脆化往往是由硬化脆化和非硬化脆化這兩種機制共同作用的結(jié)果,而目前還沒有這方面的研究。因此,本文主要研究磷的晶界偏聚、強化硬化和晶粒尺寸對IF鋼和2.25Cr1Mo鋼脆性的綜合影響,并揭示低合金鋼的硬化與非硬化聯(lián)合脆化機制。本課題以IF鋼和2.25Cr1Mo鋼為研究對象,通過高溫熱處理、時效熱處理、室溫拉伸、焊接熱模擬等方法,獲得不同晶粒尺寸、磷晶界偏聚濃度和強化硬化的試樣。通過系列沖擊實驗并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)進行斷口形貌觀察,測定試樣的斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度(FATT)。利用硬度測試、金相分析、俄歇電子能譜分析(AES)、場發(fā)射掃描透射電子顯微鏡(FEGSTEM)、電子背散射衍射(EBSD)等表征手段,對試樣的微觀組織、晶界化學成分、晶界特征結(jié)構(gòu)、維氏硬度等參數(shù)進行表征。綜合分析IF鋼和2.25Cr1Mo鋼的斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度與材料的強度(硬度)、晶粒尺寸和磷晶界偏聚濃度之間的關(guān)系,建立IF鋼和2.25Cr1Mo鋼的硬化與非硬化聯(lián)合脆化的數(shù)學模型。研究發(fā)現(xiàn),高溫淬火的IF鋼在600 oC恒溫時效過程中的P晶界偏聚表現(xiàn)出非平衡的特征,并且在時效20 h后恢復平衡狀態(tài)。此外,P在IF鋼和2.25Cr1Mo鋼中的平衡晶界偏聚濃度隨晶粒尺寸的增加而增加,隨溫度增加而降低。研究表明,晶粒尺寸增加會促使鋼中大角度晶界和高Σ指數(shù)的CSL晶界的含量增加,這是導致不同晶粒尺寸的鋼中P晶界偏聚濃度不同的重要因素。通過偏聚熱力學的理論分析認為,偏聚自由能隨晶粒尺寸增加而增加,同時偏聚熵和焓在變化中存在一定的線性關(guān)系。對不同晶粒尺寸、磷晶界濃度和屈服強度的IF鋼的FATT進行了測定,研究表明IF鋼的FATT與磷晶界偏聚濃度(Cp,at.%)和屈服強度(σs,10MPa)成正線性相關(guān)性,與晶粒尺寸(d-1/2,mm-1/2)成負線性相關(guān)性。而且,FATT與磷晶界偏聚濃度或屈服強度之間的線性關(guān)系受晶粒尺寸的影響,而磷晶界偏聚和屈服強度兩者與FATT之間的關(guān)系是互不影響的。以泰勒公式為模型,建立的脆化公式為:FATT(oC)=2.1Cp+3.48σs-22.36d-1?2+0.64(Cp-14)(d-1?2-3.06)+0.896(σs-14)(d-1?2-3.06)-13.7,其中Cp、σs、d分別表示磷的晶界偏聚濃度(at.%)、屈服強度(10MPa)、晶粒尺寸(mm)。然而,2.25Cr1Mo鋼的脆化機制與IF鋼有所不同。其中,最主要的是2.25Cr1Mo鋼的FATT不受晶粒尺寸的影響。分析認為,造成這種差別的主要原因是兩種鋼的微觀組織不同,進而導致材料的脆性對晶界結(jié)構(gòu)的敏感度不同。兩者相同的是,2.25Cr1Mo鋼的FATT同樣與鋼中磷晶界偏聚濃度或屈服強度成正線性相關(guān)性。綜合分析并建立了2.25Cr1Mo鋼的FATT與磷晶界偏聚濃度和屈服強度之間的關(guān)系式:FATT(oC)=0.25σs+2.64CP-270,其中Cp和σs分別表示磷的晶界偏聚濃度(at.%)和屈服強度(MPa)。對不同峰值溫度下的2.25Cr1Mo鋼焊接熱影響區(qū)脆性的研究表明,熱影響區(qū)的脆性隨峰值溫度的增加而增加,而回火后熱影響區(qū)的脆性顯著降低。對沖擊斷口形貌的分析發(fā)現(xiàn),焊后熱影響區(qū)的脆性斷裂屬于解理型,而回火后的脆斷屬于沿晶型。分析認為,焊后熱影響區(qū)的脆化與微觀組織中存在的M/A島以及焊接殘余應力有關(guān),屬于硬化脆化機制。其中,M/A島形狀隨峰值溫度的升高而發(fā)生粗化,這是導致熱影響區(qū)的脆性隨焊接峰值溫度升高而加劇的主要原因。焊后經(jīng)520oC回火800 h后,熱影響區(qū)組織中的M/A島消失并析出細小的碳化物,分布于組織中的界面附近。同時,熱影響區(qū)中磷的晶界偏聚量明顯增加,并隨峰值溫度的增加而增加,這與較高峰值溫度下的晶粒粗化有關(guān)。因此,回火后熱影響區(qū)的脆化主要由磷晶界偏聚引起,屬于非硬化脆化機制。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文狀，但斷口往往是由接近晶粒大小的解理面所組成，稱為解理刻面。這些解理刻面內(nèi)只從一個解理面發(fā)生解理破壞的情況是很少的。通常情況下，裂紋需跨越多個高度不一卻相互平行的解理面，形成解理臺階。這些臺階出現(xiàn)在解理刻面上就會呈現(xiàn)出河流花樣。因此，具有河流花樣（或者舌形花樣）是解理斷裂的基本微觀特征[26]。當組織中小角度晶界較多的情況下，表現(xiàn)為河流花樣。當大角度晶界多時，裂紋不能通過晶界，在晶界產(chǎn)生新的裂紋，表現(xiàn)為舌狀花樣。此外，準解理斷裂是解理斷裂的一種變異。當金屬材料中具有較多的細小彌散相的時候，裂紋在晶粒內(nèi)部擴展時難以嚴格地按照特定的晶體學平面進行，其路徑不再與晶粒的位向有關(guān)而是與細小彌散物有關(guān)[27]。此時，其微觀形貌也類似河流花樣，但形成原因與真正的解理斷裂不同。a) b)

熱輸入不變時，焊縫的峰值溫度也基本一致，但距離焊縫區(qū)域不影響區(qū)所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)卻并不相同。距離焊縫距離越近的區(qū)環(huán)的峰值溫度越高，如圖 1-2 所示�？梢钥闯�，，沿焊縫向母材方向熱循環(huán)的熱影響區(qū)可以分為過熱區(qū)（粗晶區(qū)）、相變重結(jié)晶區(qū)、不時效脆化區(qū)等。一般認為，過熱區(qū)峰值溫度在 1200oC 到固溶線溫值溫度很高，加熱過程中奧氏體急劇長大，冷卻后的室溫組織十性較高，性能較差。相變重結(jié)晶區(qū)的峰值溫度在 Ac3和 1200oC 之接熱循環(huán)過程中組織發(fā)生了相變重結(jié)晶，冷卻后形成細小的晶粒。當峰值溫度在 Ac1和 Ac3之間時，組織部分發(fā)生了重結(jié)晶，導致重結(jié)晶的細小晶粒和未結(jié)晶的粗大晶粒的不均勻組織，材料的力。此外，當峰值溫度低于 Ac1時，組織沒有經(jīng)歷相變的過程，但經(jīng)度的熱循環(huán)后相當于進行一次時效熱處理，材料的脆性往往也比母以看出，距離焊縫不同距離的焊接熱影響區(qū)會經(jīng)歷不同的焊接熱循現(xiàn)在組織和性能的差異，而這種差異會最直接體現(xiàn)在材料的強韌同的硬度和韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。1350oC焊縫熔融區(qū)峰值溫度
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.1

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本文編號：2663979