【摘要】：厚壁鍛件在重型機(jī)械、電力、冶金、石油化工、船艦制造和原子能工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這些厚壁鍛件中,低合金鋼鍛件占比在80%以上,如風(fēng)電主軸、石化加氫反應(yīng)器、船艦用曲軸、核電壓力容器等。它們常作為重型裝備的承重或防護(hù)構(gòu)件,受力情況復(fù)雜,工作環(huán)境特殊,對力學(xué)性能指標(biāo)及其穩(wěn)定性要求極高。然而,隨著壁厚的增加,厚壁低合金鋼鍛件心部低溫沖擊韌性常出現(xiàn)偏低或者嚴(yán)重波動情況。不僅導(dǎo)致產(chǎn)品的合格率較低,也給合理評價(jià)厚壁鍛件沖擊韌性帶來了極大的困難。本課題針對厚壁低合金鋼構(gòu)件中常出現(xiàn)沖擊功偏低或嚴(yán)重波動的問題,通過對重型企業(yè)生產(chǎn)石化加氫用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼和核電壓力容器用SA508-3鋼厚壁鍛件生產(chǎn)特點(diǎn)和實(shí)物解剖分析,確定了導(dǎo)致其低溫沖擊韌性偏低或存在嚴(yán)重波動的根本原因,揭示了影響沖擊功波動的微觀機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,提出了提高厚壁低合金鋼鍛件低溫沖擊韌性及其穩(wěn)定性的工藝措施,并將相關(guān)成果成功應(yīng)用在某核電SA508-3鋼厚壁鍛件上。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括:(1)通過對石化加氫用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼和核電SA508-3鋼厚壁鍛件分析,確定了低合金鋼厚壁構(gòu)件沖擊功偏低或嚴(yán)重波動與粒狀貝氏體組織密切相關(guān)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種以粒狀貝氏體為顯微組織的模型低合金鋼,通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和有限元計(jì)算模擬相結(jié)合,證實(shí)了粒狀貝氏體中大塊狀M-A島及其高溫回火分解產(chǎn)物引發(fā)的解理斷裂是導(dǎo)致低合金鋼厚壁構(gòu)件低溫沖擊功偏低和嚴(yán)重波動的根本原因�；谏鲜稣J(rèn)識,提出利用稀土微合金化和構(gòu)筑鐵素體薄膜方法減少淬火組織中大塊狀M-A島的數(shù)量,優(yōu)化設(shè)計(jì)回火工藝調(diào)控M-A島高溫回火分解產(chǎn)物,改善厚壁低合金鋼鍛件沖擊韌性的思路。(2)系統(tǒng)研究了稀土含量對2.25Cr-1Mo-0.25V鋼相變、顯微組織和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)稀土的添加能降低2.25Cr-1Mo-0.25V鋼貝氏體相變開始點(diǎn),減少塊狀型的粒狀貝氏體組織的形成傾向,獲得更多具有細(xì)小板條結(jié)構(gòu)的粒狀貝氏體,進(jìn)而有效抑制大塊狀M-A島的形成。當(dāng)稀土含量為120 ppm時(shí),提升沖擊韌性的效果最佳。進(jìn)一步提高稀土含量至480 ppm時(shí),鋼中夾雜物尺寸和體積分?jǐn)?shù)大幅度增加,顯著地惡化鋼的沖擊韌性。(3)提出了新型熱處理工藝及其韌化機(jī)制。即通過控制奧氏體化前的碳化物析出和溶解行為,調(diào)控奧氏體的形核和長大,進(jìn)而在臨界區(qū)(接近Ac3)的奧氏體中構(gòu)筑薄膜狀、彌散分布、適量的未溶鐵素體:通過未溶鐵素體薄膜的構(gòu)筑,“局域化”淬火階段過冷奧氏體向粒狀貝氏體相變過程中碳的擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)在不改變淬火冷卻速率的情況下減小粒狀貝氏體中M-A島尺寸。研究結(jié)果表明,模型低合金鋼以鐵素體和彌散分布的M7C3碳化物為初始組織進(jìn)行810℃奧氏體化處理時(shí)可使奧氏體中殘留含量不超過10%的未溶鐵素體薄膜,將對奧氏體進(jìn)行有效分割,使得大塊狀M-A島的含量大幅度減少,從而大幅度提高模型合金的沖擊韌性及其穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,將新型熱處理工藝推廣應(yīng)用至2.25Cr-1Mo-0.25V鋼和SA508-3鋼中,解決了石化加氫和核電超大壁厚鍛件低溫沖擊性能不合格的問題。(4)研究了 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼中大塊狀M-A島高溫回火分解特性對其力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)材料沖擊韌性主要受大塊狀M-A島中殘余奧氏體(RA)高溫回火分解產(chǎn)物的影響。通過對粒狀貝氏體中大塊狀M-A島及其高溫回火分解產(chǎn)物的表征發(fā)現(xiàn),直接在700℃高溫回火時(shí),M-A島中大塊狀RA將分解成由鐵素體和M23C6組成的碳化物團(tuán),其中M23C6主要沿碳化物團(tuán)界面分布,容易引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致脆性斷裂。在此基礎(chǔ)上,提出了通過添加中低溫預(yù)回火處理,首先將大塊狀RA轉(zhuǎn)變成一種過渡性組織,使其內(nèi)部具有高密度析出相和亞結(jié)構(gòu),并減少其邊緣位錯(cuò)密度和相變殘余應(yīng)力,然后再進(jìn)行700℃高溫回火,不僅能有效抑制粗大M23C6沿碳化物團(tuán)界面分布,而且起到細(xì)化M23C6的作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改善2.25Cr-1Mo-0.25V鋼低溫沖擊韌性的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在455℃預(yù)回火2 h,使大塊狀RA完全分解成細(xì)小的貝氏體時(shí),中低溫預(yù)回火處理效果最佳。
【圖文】：

分等溫形成的貝氏體，常將連續(xù)冷卻具有明顯板條結(jié)構(gòu)的貝氏體組織稱為板條貝逡逑氏體。另外，板條貝氏體形成溫度稍高于板條馬氏體，兩者形貌極為相似，且低逡逑合金鋼在較快淬火條件下容易獲得。如圖１．１為２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ鋼以５０°Ｃ／ｓ逡逑冷速淬火得到由板條貝氏體和板條馬氏體組成的混合組織�？梢姡�，板條貝氏體的逡逑板條間或板條內(nèi)有一定量的碳化物析出，板條束的寬度較馬氏體粗，且板條束常逡逑能貫穿于整個(gè)晶粒。逡逑９—邋—逡逑圖１．１２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ鋼中板條貝氏體和馬氏體組織（ａ）板條貝氏體和馬氏體的組逡逑織的ＳＥＭ像；（ｂ）和（ｃ）板條貝氏體組織的ＴＥＭ像；（ｄ）馬氏體的ＴＥＭ像逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｌａｔｈ邋ｂａｉｎｉｔｅ邋ａｎｄ邋ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ邋ｉｎ邋２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ邋ｓｔｅｅｌ，邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋ｍｉｘｔｕｒｅ邋ｗｉｔｈ逡逑ｌａｔｈ邋ｂａｉｎｉｔｅ邋ａｎｄ邋ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ邋ｏｂｓｅｒｖｅｄ邋ｂｙ邋ＳＥＭ；邋（ｂ）邋ＴＥＭ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｌａｔｈ邋ｂａｉｎｉｔｅ；邋（ｃ）逡逑ＴＥＭ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｌａｔｈ邋ｂａｉｎｉｔｅ邋ｆｅｒｒｉｔｅ邋ａｎｄ邋ｉｎｔｒａｌａｔｈ邋ｃａｒｂｉｄｅｓ；邋（ｄ）邋ＴＥＭ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ逡逑ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｈｉｇｈｌｙ邋ｄｉｓｌｏ

織中晶體學(xué)取向差大于１５°的界面定義為有效晶界ｆ４９＿５｜ｌ。本人前期研宄［５２１表明，逡逑能阻礙低合金２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ鋼解理斷裂擴(kuò)展不僅僅是原奧氏體晶界，取向逡逑差較大的貝氏體鐵素體板條也能對解理裂紋擴(kuò)展起到有效的阻礙作用，如圖１．２逡逑所示。同樣，有效晶粒尺寸的分布對低合金鋼沖擊幵性及其穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影逡逑響。如石昆等［５３１研宄貝氏體板條尺寸對低合金Ｍｎ－Ｎｉ－Ｍｏ貝氏體鋼在初脆轉(zhuǎn)變溫逡逑度區(qū)間的沖擊初性及其分散性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，晶體學(xué)取向差大于或等于１５°的貝氏逡逑體塊尺寸是控制低合金Ｍｎ－Ｎｉ－Ｍｏ鋼－６０°Ｃ解理斷裂的臨界事件，細(xì)化貝氏體塊逡逑和減少它的尺寸分布范圍能有效地提高沖擊幵性并減少其在初脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間逡逑的波動程度。逡逑W逡逑圖１．２低合金２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ鋼二次裂紋擴(kuò)展路徑ＳＥＭ像和ＥＢＳＤ晶體取向圖逡逑（ｂ）邋ＳＥＭ像；（ｂ）邋ＥＢＳＤ圖顯示取向差大于１５°的晶界或板條界１５２１逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋ＳＥＭ邋ａｎｄ邋ＥＢＳＤ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋ｃｒａｃｋ邋ｐａｔｈｓ邋ａｎｄ邋ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ邋ｇｒａｉｎ逡逑ｓｉｚｅｓ邋ｏｆ邋ｌｏｗ邋ａｌｌｏｙ邋２．２５Ｃｒ－ｌＭｏ－０．２５Ｖ邋ｓｔｅｅｌ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，邋（ａ）邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ；邋（ｂ）邋ＥＢＳＤ逡逑ｍｉｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ邋（＞邋１５邋ｄｅｇ．）逡逑ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ＾５２！逡逑（２）碳／氮化物逡逑厚壁鍛件用低合金鋼中
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG142.1;TG316;TM623

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本文編號：2620731