【摘要】：深冷處理因清潔高效而應(yīng)用于高碳高合金鋼的輔助熱處理過(guò)程以改善材料的力學(xué)性能和使用性能,近年來(lái)已被業(yè)界所認(rèn)可。但目前對(duì)深冷處理機(jī)制的認(rèn)識(shí)都是材料在室溫下宏觀表現(xiàn)結(jié)果的反推,由于缺乏過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)支撐及理論指導(dǎo),致使經(jīng)深冷處理后零件的壽命差異很大,嚴(yán)重制約了深冷處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。為探索高合金鋼在深冷處理過(guò)程中的微觀組織演化和相變機(jī)制以指導(dǎo)工藝應(yīng)用,本文以高碳高合金鋼SDC99為研究對(duì)象,在-80℃至-196℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了不同溫度、不同保溫時(shí)間、不同回火與深冷次序的深冷處理并測(cè)試了經(jīng)上述不同工藝處理后試樣的宏觀力學(xué)性能,包括硬度、沖擊韌性、摩擦磨損性能等。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、高溫/低溫實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模量與內(nèi)耗測(cè)試系統(tǒng)(IF),結(jié)合三維原子探針(3DAP)和電阻儀研究了深冷處理對(duì)殘留奧氏體、馬氏體基體及回火后碳化物的數(shù)量、形態(tài)、分布的影響,建立了宏觀性能與微觀組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系,揭示了深冷處理對(duì)高碳高合金鋼的組織演變和相變過(guò)程的影響。得到以下主要結(jié)論:(1)深冷處理后試樣的硬度、耐磨性等宏觀力學(xué)性能均有所提高,但沖擊韌性略下降。深冷處理試樣的耐磨性隨著深冷溫度的降低而提高,隨著深冷時(shí)間的增長(zhǎng)先提高后降低。在本文所研究的深冷溫度范圍內(nèi),最優(yōu)深冷處理溫度為-196℃,深冷保溫時(shí)間為12小時(shí)以上,工藝順序是一次回火后深冷處理。經(jīng)1030℃淬火+210℃回火2小時(shí)+(-196℃深冷24小時(shí))+210℃回火2小時(shí)的深冷處理工藝后,深冷試樣的耐磨性較常規(guī)熱處理試樣提高了43.8%。(2)常規(guī)熱處理后的殘留奧氏體為塊狀殘存于基體中,深冷處理后的殘留奧氏體呈薄膜狀分布于基體中。殘留奧氏體經(jīng)深冷處理后未完全轉(zhuǎn)變,由淬火態(tài)的約17%降低至約4%,計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。深冷處理使馬氏體基體的正方度下降,降低馬氏體中C的過(guò)飽和度,其中淬火后直接進(jìn)行深冷處理對(duì)減輕晶格畸變最為有利。此外,深冷處理可使常規(guī)熱處理時(shí)寬度約200 nm的馬氏體減小為深冷處理后寬度約10 nm以下的馬氏體,從而細(xì)化了馬氏體基體。XRD衍射結(jié)果證實(shí)深冷處理保溫時(shí)生成馬氏體。(3)三維原子探針(3DAP)結(jié)果表明,回火后馬氏體基體的平均含碳量降低。經(jīng)1030℃淬火至室溫,碳原子大部分均勻分布,僅出現(xiàn)少量偏聚;經(jīng)深冷處理后,碳原子大量偏聚于新生孿晶馬氏體晶界,隨著深冷保溫溫度的降低和時(shí)間的延長(zhǎng),未回火馬氏體基體碳偏聚現(xiàn)象加劇,在由深冷溫度回復(fù)到室溫過(guò)程中,碳原子進(jìn)一步偏聚,構(gòu)成5~10 nm厚的偏聚區(qū);經(jīng)210℃×2 h回火后,深冷處理時(shí)偏聚于新生孿晶馬氏體晶界的碳原子進(jìn)一步富集形成厚度約10 nm的富碳區(qū),并與Cr和Mo等合金元素形成M23C6型碳化物沉淀析出。(4)高溫內(nèi)耗及彈性模量測(cè)試(IF)表明SDC99鋼經(jīng)擬合并扣除背底的SKK峰經(jīng)深冷處理后較常規(guī)熱處理升高,說(shuō)明深冷處理促進(jìn)碳原子在位錯(cuò)附近的偏聚,計(jì)算結(jié)果表明深冷處理后位錯(cuò)密度增加約17%。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明:由室溫(25℃)降溫至液氮溫度(-196℃)所改變的能量約為-3269313×10-14 J,該能量可使位錯(cuò)密度增加1.03×1013 cm-2,從而使深冷處理時(shí)應(yīng)變誘導(dǎo)碳偏聚成為可能。本文的研究結(jié)果證實(shí)了深冷處理過(guò)程中碳偏聚的形成和細(xì)小碳化物的析出,對(duì)于理解高碳高合金鋼低溫下的相變過(guò)程具有重要意義。這些結(jié)果有助于對(duì)材料的深冷處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG142.33;TG161

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