【摘要】：近年來,高速鐵路得到了快速發(fā)展,設(shè)計(jì)時(shí)速已高達(dá)400Km/h。為了保證列車安全、舒適運(yùn)行,設(shè)計(jì)者對(duì)彈簧材料提出了更高的性能要求。因此,高強(qiáng)度彈簧鋼材料的研究越來越得到重視。研究證實(shí),采用鈮微合金化結(jié)合控制軋制技術(shù)可有效提高鋼的強(qiáng)度及韌性,然而,當(dāng)前關(guān)于鈮微合金化技術(shù)的研究主要集中在低碳鋼領(lǐng)域,對(duì)含鈮中高碳鋼研究的公開報(bào)道還很少,導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)缺少必要的理論基礎(chǔ)。本文以現(xiàn)有的60Si2CrVAT彈簧鋼為基礎(chǔ)研究對(duì)象,采用單雙道次壓縮實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)、透射電鏡觀察、材料性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)方法研究了Nb元素對(duì)60Si2CrVAT彈簧鋼相變特征、脫碳敏感性、組織與性能、再結(jié)晶行為、碳化物析出動(dòng)力學(xué)、晶粒粗化溫度等材料特性的影響。另外,本文還采用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究了含鈮高強(qiáng)度彈簧鋼鑄態(tài)組織中鈮偏聚行為及碳化物溶解行為。結(jié)果表明,添加微量Nb元素在一定程度上改變了60Si2CrVAT彈簧鋼的相變特征。與不含Nb彈簧鋼相比,含Nb鋼CCT曲線向下方移動(dòng);在冷卻速率相同的條件下,鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變溫度被推遲約15℃;Nb元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變影響不大;Nb元素顯著降低珠光體片層間距;在冷卻速度為1℃/s時(shí),珠光體片層間距由209nm被細(xì)化至198nm;當(dāng)冷卻速度為2℃/s時(shí),珠光體片層間距由194nm細(xì)化至179nm;Nb元素改變了珠光體形貌,使?jié)B碳體片界面呈現(xiàn)彎曲,斷續(xù)狀態(tài)。Nb元素對(duì)60Si2CrVAT鋼組織與性能有顯著影響,含Nb鋼具有精細(xì)的熱軋態(tài)組織及淬火回火組織,最終表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度及塑性,其中,含Nb彈簧鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊功分別達(dá)到2024MPa、1815 MPa、12%、38%、33J,與不含Nb鋼相比較,分別提高了約100MPa、90MPa、2.5%、7.5%、18J。實(shí)驗(yàn)鋼的疲勞極限σ-1為775MPa。與其它高強(qiáng)度彈簧鋼相比,含Nb鋼產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度與韌性,疲勞極限與D701、ND120S相近。另外,實(shí)驗(yàn)鋼在高應(yīng)力條件下,疲勞斷裂首先起源于表面缺陷;在低應(yīng)力條件下,疲勞斷裂起源于近表面存在的非金屬夾雜物。研究結(jié)果還表明,Nb元素對(duì)提高60Si2CrVAT鋼的抗表面脫碳能力有利。在相同加熱條件下,含Nb鋼的脫碳層深度要小于不含Nb鋼。主要原因?yàn)镹b降低了碳原子在奧氏體中活度和擴(kuò)散系數(shù),增大了碳原子擴(kuò)散激活能,進(jìn)而提高了抗表面脫碳能力。實(shí)驗(yàn)鋼的脫碳層深度隨加熱溫度、加熱時(shí)間的提高而逐漸增加。另外,實(shí)驗(yàn)鋼的脫碳敏感性較強(qiáng)的溫度區(qū)間為950~1000℃。nb元素對(duì)60si2crvat彈簧鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶行為有明顯的抑制作用。采用峰值應(yīng)力法計(jì)算了含nb鋼與不含nb鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能分別為354.27kj/mol、319.56kj/mol。含nb鋼的激活能大于不含nb鋼34.71kj/mol。鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的ptt曲線是一種c型曲線,鼻子端溫度為900℃。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)鋼碳化物析出開始時(shí)間要慢于低碳鋼,主要是由于實(shí)驗(yàn)鋼含有較高的c含量及其它合金元素,最終導(dǎo)致nb活度被降低。透射電鏡觀察證實(shí)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。另外,在當(dāng)前變形溫度范圍內(nèi),析出物均為含c、nb、v及ti的復(fù)合碳化物,其中,碳化物主體為(nb、v)c,還含有微量tic。在900℃以下,析出物呈彌散分布,在950℃以上,析出物呈帶狀分布在位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷位置。此外,結(jié)果還表明,鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的奧氏體晶粒粗化溫度為1050℃,添加nb使鋼的晶粒粗化溫度提高約50℃。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,含nb彈簧鋼中的c、nb含量對(duì)nb偏析有著重要影響,nb偏析程度隨著c、nb含量的增加而不斷提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果一致,鑄態(tài)組織中的含nb析出物呈現(xiàn)粗大條狀及不規(guī)則形狀,寬度大約1~3μm,長(zhǎng)度大約2~40μm;基體中存在兩個(gè)明顯的析出物聚集區(qū),一個(gè)聚集區(qū)在晶界位置,經(jīng)分析主要為nb、v、ti的碳氮化物;另一個(gè)聚集區(qū)隨機(jī)分布在基體中,經(jīng)分析,該區(qū)域的析出物可能是fe2nb共晶體。加熱實(shí)驗(yàn)表明,含nb碳化物隨加熱溫度升高而逐漸溶解,但在1250℃時(shí)仍不能完全溶解。根據(jù)研究結(jié)果,本文提出了一種鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的工業(yè)生產(chǎn)方案。經(jīng)實(shí)踐,工業(yè)生產(chǎn)方案合理、可行,產(chǎn)品具有精細(xì)組織及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其中抗拉強(qiáng)度平均值為1996.9mpa;屈服強(qiáng)度平均值為1791.7mpa;延伸率為9.9%;斷面收縮率為34.9%;將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室鋼的性能相比,工業(yè)產(chǎn)品性能要略低于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),其中,抗拉強(qiáng)度低約30mpa;屈服強(qiáng)度低20mpa;延伸率低2%;斷面收縮率低3%。結(jié)合拉伸斷口分析、偏析斑形貌、顯微硬度分析、元素epma分析,主要原因?yàn)?凝固過程中存在元素偏析,導(dǎo)致軋材心部組織硬度偏高,其中強(qiáng)度較低樣品的硬度差值更大,導(dǎo)致其協(xié)調(diào)變形能力變差,在拉伸受力過程中更易產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而出現(xiàn)微裂紋,降低了材料強(qiáng)度與塑性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG142.41

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本文編號(hào)：2462972