【摘要】：無間隙原子(IF)鋼和2.25Cr1Mo鋼都具有碳當(dāng)量低,韌性和塑性良好等特點(diǎn)。這兩種鋼因成分和性能的差異被應(yīng)用于不同的領(lǐng)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(yīng)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(qiáng)化元素磷會(huì)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(shí)在深沖和冷軋過程中會(huì)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(huì)發(fā)生晶界偏聚并引起材料的非硬化脆化;工程實(shí)踐中的諸如焊接、時(shí)效析出等過程會(huì)引起鋼的硬化脆化。此外,晶粒尺寸會(huì)同時(shí)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(jī)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(qiáng)化硬化和晶粒尺寸對(duì)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(jī)制。本課題以IF鋼和2.25Cr1Mo鋼為研究對(duì)象,通過高溫?zé)崽幚怼r(shí)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(qiáng)化硬化的試樣。通過系列沖擊實(shí)驗(yàn)并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行斷口形貌觀察,測(cè)定試樣的斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度(FATT)。利用硬度測(cè)試、金相分析、俄歇電子能譜分析(AES)、場(chǎng)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(duì)試樣的微觀組織、晶界化學(xué)成分、晶界特征結(jié)構(gòu)、維氏硬度等參數(shù)進(jìn)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(qiáng)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(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn),高溫淬火的IF鋼在600 oC恒溫時(shí)效過程中的P晶界偏聚表現(xiàn)出非平衡的特征,并且在時(shí)效20 h后恢復(fù)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(huì)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(dǎo)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(xué)的理論分析認(rèn)為,偏聚自由能隨晶粒尺寸增加而增加,同時(shí)偏聚熵和焓在變化中存在一定的線性關(guān)系。對(duì)不同晶粒尺寸、磷晶界濃度和屈服強(qiáng)度的IF鋼的FATT進(jìn)行了測(cè)定,研究表明IF鋼的FATT與磷晶界偏聚濃度(Cp,at.%)和屈服強(qiáng)度(σs,10MPa)成正線性相關(guān)性,與晶粒尺寸(d-1/2,mm-1/2)成負(fù)線性相關(guān)性。而且,FATT與磷晶界偏聚濃度或屈服強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度(10MPa)、晶粒尺寸(mm)。然而,2.25Cr1Mo鋼的脆化機(jī)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(rèn)為,造成這種差別的主要原因是兩種鋼的微觀組織不同,進(jìn)而導(dǎo)致材料的脆性對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度(MPa)。對(duì)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(duì)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(rèn)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(yīng)力有關(guān),屬于硬化脆化機(jī)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(dǎo)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(xì)小的碳化物,分布于組織中的界面附近。同時(shí),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(jī)制。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)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(gè)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(gè)高度不一卻相互平行的解理面，形成解理臺(tái)階。這些臺(tái)階出現(xiàn)在解理刻面上就會(huì)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(dāng)組織中小角度晶界較多的情況下，表現(xiàn)為河流花樣。當(dāng)大角度晶界多時(shí)，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(zhǔn)解理斷裂是解理斷裂的一種變異。當(dāng)金屬材料中具有較多的細(xì)小彌散相的時(shí)候，裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)難以嚴(yán)格地按照特定的晶體學(xué)平面進(jìn)行，其路徑不再與晶粒的位向有關(guān)而是與細(xì)小彌散物有關(guān)[27]。此時(shí)，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(shí)，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�？梢钥闯觯�，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(shí)效脆化區(qū)等。一般認(rèn)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(xì)小的晶粒。當(dāng)峰值溫度在 Ac1和 Ac3之間時(shí)，組織部分發(fā)生了重結(jié)晶，導(dǎo)致重結(jié)晶的細(xì)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(dāng)峰值溫度低于 Ac1時(shí)，組織沒有經(jīng)歷相變的過程，但經(jīng)度的熱循環(huán)后相當(dāng)于進(jìn)行一次時(shí)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(huì)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(huì)最直接體現(xiàn)在材料的強(qiáng)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(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 殷寶言;中鋼公司無間隙原子鋼的生產(chǎn)工藝[J];上海金屬;1995年06期

2 趙輝;王先進(jìn);;無間隙原子鋼的生產(chǎn)與發(fā)展[J];鋼鐵研究;1993年01期

3 李偉;汪凌云;張鵬;;鈦加鈮共處理的高強(qiáng)無間隙原子鋼鐵素體區(qū)高溫拉伸流變應(yīng)力方程及熱加工圖[J];機(jī)械工程材料;2007年06期

4 王作成,關(guān)小軍,韋珂,趙罕;軋制溫度對(duì)熱軋無間隙原子鋼性能及織構(gòu)的影響[J];山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1999年04期

5 王作成,王先進(jìn),韋柯;高強(qiáng)度無間隙原子鋼板的熱模擬實(shí)驗(yàn)研究[J];塑性工程學(xué)報(bào);1999年04期

6 劉英義;張紅梅;蔣奇武;;變形速率對(duì)含磷高強(qiáng)無間隙原子鋼高溫變形行為的影響[J];機(jī)械工程材料;2007年01期

7 王作成,王先進(jìn);一個(gè)在IF鋼中獲得極高泠值的新工藝[J];塑性工程學(xué)報(bào);1998年01期

8 王先進(jìn);崔德理;唐荻;;超深沖“無間隙原子鋼”的進(jìn)展[J];鋼鐵;1990年06期

9 ;超深沖無間隙原子鋼的織構(gòu)與成形性研究[J];鋼鐵研究學(xué)報(bào);1996年03期

10 施一新;鄧敘燕;;無間隙原子鋼冶煉工藝實(shí)踐[J];現(xiàn)代冶金;2012年02期

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前4條

1 唐;攀鋼研發(fā)高端級(jí)無間隙原子鋼[N];世界金屬導(dǎo)報(bào);2006年

2 鋼鐵研究總院科技信息室;NKK開發(fā)汽車用薄板[N];中國冶金報(bào);2001年

3 王建平 高洪剛;C、N元素含量對(duì)IF鋼組織性能的影響[N];世界金屬導(dǎo)報(bào);2017年

4 記者 張麗君 梁毅;鞍鋼新軋“打品牌 創(chuàng)名牌”[N];中國冶金報(bào);2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 趙禹;無間隙原子鋼和2.25Cr1Mo鋼的脆化機(jī)制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

2 梁永立;退火及表面納米化對(duì)冷噴涂Zn-Al涂層與IF鋼基體結(jié)合性能的影響研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 朱微微;含P高強(qiáng)IF鋼中P的偏聚及析出行為[D];武漢科技大學(xué);2014年

2 陳燕飛;輕量化汽車車身先進(jìn)高強(qiáng)鋼的電阻點(diǎn)焊研究[D];南昌大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2663979