【摘要】：超高強(qiáng)度鋼具有極高的強(qiáng)度和良好的韌塑性,在重型機(jī)械、先進(jìn)模具制造、高速鐵路、航空航天、重大國(guó)防裝備以及汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和資源、環(huán)境壓力的不斷增大,開(kāi)發(fā)低成本且具有更高性能的超高強(qiáng)度鋼已成為目前鋼鐵行業(yè)的重要任務(wù)之一。組織細(xì)化是提高材料強(qiáng)韌性的有效方式之一。研究發(fā)現(xiàn),中溫形變熱處理工藝能夠顯著細(xì)化奧氏體晶粒并通過(guò)相變獲得細(xì)小的馬氏體組織,從而進(jìn)一步提高馬氏體鋼的強(qiáng)度,為超高強(qiáng)度鋼的制備與研發(fā)開(kāi)拓了新的途徑。然而,目前大部分中溫形變熱處理的研究都集中在合金元素含量較高的中碳高合金鋼、馬氏體時(shí)效鋼以及Fe-Ni合金,而關(guān)于大變形中溫形變熱處理(變形量大于85%)在中碳低合金鋼(合金含量小于6.0 wt.%)方面的系統(tǒng)性研究相對(duì)較少。此外,有關(guān)大變形中溫形變熱處理鋼的組織演變規(guī)律以及強(qiáng)韌化機(jī)制仍缺少清晰的闡述。本論文通過(guò)大變形溫軋和調(diào)控超細(xì)奧氏體分解相結(jié)合的方式,制備了具有超高強(qiáng)度高韌性的超細(xì)晶中碳低合金鋼,系統(tǒng)地研究溫軋變形以及合金元素對(duì)鋼的組織與性能的影響,并對(duì)其強(qiáng)韌化機(jī)制進(jìn)行了探討,研究獲得如下結(jié)論:本文首先依托AISI4140中碳低合金鋼,通過(guò)大變形溫軋成功制備了超高強(qiáng)度超細(xì)晶鐵素體-馬氏體雙相鋼,研究了不同軋制工藝對(duì)其組織與性能的影響,結(jié)果表明溫軋變形對(duì)鋼中超細(xì)晶鐵素體的形成具有促進(jìn)作用。隨著變形量的增加,鐵素體的形貌逐漸由等軸狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝?鐵素體含量增加,而對(duì)應(yīng)的馬氏體含量減少,鋼的強(qiáng)度降低而塑性提高。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)60%溫軋變形處理后,超細(xì)晶AISI4140雙相鋼的屈服強(qiáng)度為1570 MPa,抗拉強(qiáng)度為2370 MPa,延伸率為2.9%。經(jīng)85%溫軋變形后,其屈服強(qiáng)度為1080 MPa,抗拉強(qiáng)度為2022 MPa,延伸率達(dá)到7.9%,呈現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能。分析認(rèn)為,大變形溫軋超細(xì)晶鐵素體-馬氏體雙相鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化和馬氏體相變強(qiáng)化,但其強(qiáng)度主要取決于鋼中鐵素體和馬氏體的相對(duì)含量。通過(guò)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、2%、4%、8%的鎳,設(shè)計(jì)出不同鎳含量的AISI4140+Ni鋼,并對(duì)其進(jìn)行85%溫軋?zhí)幚?系統(tǒng)地研究了合金元素鎳對(duì)大變形溫軋AISI4140鋼的組織與性能的影響。研究表明鎳的添加能夠提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,抑制奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變。鎳含量在0.5-2 wt.%之間時(shí),隨著鎳含量的增加,鐵素體和殘余奧氏體等軟相的含量降低,而對(duì)應(yīng)的馬氏體含量升高,使得鋼的強(qiáng)度上升。當(dāng)鎳含量在2 wt.%時(shí),鋼主要由馬氏體組成,并含有少量的殘余奧氏體。隨著鎳含量的繼續(xù)上升,殘余奧氏體含量增加,導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度降低,表明合金元素的過(guò)量添加會(huì)提高殘余奧氏體含量并降低鋼的強(qiáng)度。在具有不同鎳含量的鋼中,AISI4140+2Ni鋼經(jīng)85%大變形溫軋?zhí)幚砗缶哂凶罡叩膹?qiáng)度,其顯微硬度為HV695,屈服強(qiáng)度為2054.3MPa,抗拉強(qiáng)度為2701 MPa,延伸率達(dá)到8.3%。在AISI4140+2Ni鋼合金成分的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼中合金元素含量進(jìn)行調(diào)整,設(shè)計(jì)了成分為Fe-0.4C-1.65Si-1.1Mn-1.8Ni-0.85Cr-0.4Mo-0.08V的中碳低合金鋼,然后通過(guò)溫軋變形制備超細(xì)晶馬氏體鋼,深入研究了大變形溫軋對(duì)馬氏體組織演變和性能的影響研究結(jié)果表明,隨著變形量的增加,鋼中的馬氏體逐漸由等軸狀轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)片層狀。3D-APT測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),碳在鋼中發(fā)生偏聚形成“團(tuán)簇”,說(shuō)明溫軋變形不會(huì)促進(jìn)碳化物的形成,且不會(huì)抑制孿晶馬氏體的形成。隨著變形量的提高,鋼中孿晶馬氏體的數(shù)量不斷增加,尤其是當(dāng)變形量增加到85%以上時(shí),溫軋態(tài)鋼中形成了大量分散分布的超細(xì)孿晶馬氏體。殘余奧氏體的含量隨變形量增加也呈上升趨勢(shì)。奧氏體晶粒的細(xì)化以及大量位錯(cuò)的引入是溫軋態(tài)鋼中孿晶馬氏體和殘余奧氏體含量增加的主要原因。研究表明,溫軋變形能顯著地提高鋼的強(qiáng)度。當(dāng)變形量為30%時(shí),馬氏體鋼的顯微硬度為HV663,屈服強(qiáng)度為1400 MPa,抗拉強(qiáng)度為2390 MPa,延伸率達(dá)到10.3%。變形量為90%時(shí),馬氏體鋼的顯微硬度為HV728,屈服強(qiáng)度為2018 MPa,抗拉強(qiáng)度為2920MPa,延伸率為6.8%。溫軋超細(xì)晶馬氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要有位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及孿晶強(qiáng)化,而位錯(cuò)強(qiáng)化是提高強(qiáng)度的主要強(qiáng)化因素。溫軋超細(xì)晶馬氏體鋼塑性的提升主要?dú)w結(jié)于孿晶馬氏體的細(xì)化、殘余奧氏體含量的增加以及超細(xì)片層狀組織的形成。溫軋態(tài)鋼中孿晶馬氏體片尺寸較小且在鋼中分散分布,能有效地緩解鋼中的應(yīng)力集中程度,對(duì)塑性的損害作用較小。超細(xì)片層組織的形成能有效地阻礙拉伸試樣中裂紋的擴(kuò)展,提高鋼的塑性。針對(duì)90%溫軋超細(xì)晶馬氏體,系統(tǒng)地研究了不同溫度回火對(duì)鋼的組織與力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,回火溫度在200℃~600℃時(shí),鋼中發(fā)生馬氏體回復(fù)過(guò)程。隨著回火溫度的升高,馬氏體中的板條和孿晶等亞結(jié)構(gòu)組織逐漸消失,位錯(cuò)密度降低,而碳化物數(shù)量增加。回火溫度在700℃時(shí),鋼中發(fā)生鐵素體再結(jié)晶過(guò)程,形成了平均晶粒尺寸為720 nm的超細(xì)晶鐵素體。隨著回火溫度的升高,超細(xì)晶馬氏體鋼的抗拉強(qiáng)度不斷降低。位錯(cuò)密度的降低以及碳的固溶強(qiáng)化作用的減弱是溫軋態(tài)鋼強(qiáng)度降低的主要原因。與淬火態(tài)馬氏體鋼進(jìn)行對(duì)比,研究發(fā)現(xiàn)溫軋變形對(duì)回火過(guò)程中馬氏體回復(fù)以及鐵素體再結(jié)晶具有促進(jìn)作用,因此700℃回火溫軋態(tài)鋼的強(qiáng)度和塑性均高于淬火態(tài)鋼。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.1
【圖文】：

圖 1-1 循環(huán)熱處理示意圖[26]Fig. 1-1 Schematic illustration of cyclic thermal treatment[26]在循環(huán)熱處理過(guò)程中，奧氏體化溫度、保溫時(shí)間、加熱速度和循環(huán)次數(shù)等響奧氏體晶粒的細(xì)化程度。奧氏體化溫度升高以及保溫時(shí)間延長(zhǎng)都會(huì)促進(jìn)的長(zhǎng)大，從而降低晶粒的細(xì)化程度。同時(shí)，循環(huán)熱處理工藝要求鋼在加熱中具有非�？斓募訜岷屠鋮s速度。加熱速度緩慢時(shí)，鋼在兩相區(qū)停留時(shí)間兩相區(qū)生成的奧氏體晶粒粗化，不利于整體奧氏體晶粒的細(xì)化。冷卻速度較高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的待溫，使得細(xì)化的奧氏體晶粒長(zhǎng)大。因此，循環(huán)熱處熱設(shè)備也有一定的要求，一般選擇電加熱和鹽浴加熱，而普通的馬弗爐加到理想的效果。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，奧氏體晶粒不斷細(xì)化，當(dāng)循環(huán)次數(shù)，晶粒細(xì)化效果不再明顯。Shibata 等人[29]的研究表明，在第一次循環(huán)處氏體晶粒細(xì)化最明顯，經(jīng) 3-4 次循環(huán)處理后晶粒細(xì)化達(dá)到最佳效果，而后理也會(huì)細(xì)化晶粒，但所產(chǎn)生的效果微乎其微。圖 1-2 所示的是奧氏體循環(huán)熱處理過(guò)程中的晶粒細(xì)化示意圖[30]。從圖中

上海交通大學(xué)博士論文 第一章 緒論數(shù)增加，奧氏體晶粒的形核位置不斷減少，使得晶粒細(xì)化程度降低。同時(shí)，當(dāng)奧氏體晶粒細(xì)化到一定程度，由再結(jié)晶過(guò)程引起的晶粒細(xì)化效果被高溫下晶粒的長(zhǎng)大作用抵消，因此隨著循環(huán)次數(shù)增加，奧氏體晶粒將不再得到細(xì)化。循環(huán)熱處理工藝可顯著地細(xì)化奧氏體晶粒和相變后的馬氏體組織，但由于工藝條件限制，只能應(yīng)用于尺寸較小的試樣，不利于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

上海交通大學(xué)博士論文 第一章 緒論體化處理即可達(dá)到理想的晶粒細(xì)化效果。奧氏體晶粒的細(xì)化程度與初始組織的選擇有關(guān)。相比鐵素體、珠光體和貝氏體，馬氏體具有更加細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)和更多的缺陷對(duì)奧氏體晶粒的細(xì)化作用更加明顯，因此低溫形變熱處理工藝通常選擇馬氏體作為起始組織。奧氏體晶粒的細(xì)化程度與初始組織的變形程度有關(guān)。變形程度越大，鋼中的位錯(cuò)和晶界密度越高，從而為奧氏體再結(jié)晶提供更多的形核位置，促進(jìn)奧氏體晶粒的細(xì)化。Tokizane 等[32]研究了變形馬氏體在加熱過(guò)程中的組織演變情況，發(fā)現(xiàn)鋼中除了馬氏體回復(fù)過(guò)程，還伴隨著鐵素體的再結(jié)晶行為。研究結(jié)果表明，對(duì)于未變形的馬氏體，奧氏體傾向于在馬氏體中的大角度晶界處形核；而對(duì)于變形馬氏體，奧氏體同時(shí)在再結(jié)晶鐵素體的晶界和馬氏體組織中形核。因此，隨著變形量的增大，由于再結(jié)晶鐵素體數(shù)量的增多和馬氏體組織的細(xì)化，奧氏體的形核位置增加，導(dǎo)致晶粒細(xì)化程度提高。研究還表明，由于能量的提高，變形能夠加速奧氏體的再結(jié)晶進(jìn)程，促進(jìn)鋼在短時(shí)間內(nèi)形成大量的奧氏體晶粒。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 盧磊;尤澤升;;納米孿晶金屬塑性變形機(jī)制[J];金屬學(xué)報(bào);2014年02期

2 徐祖耀;;自主創(chuàng)新發(fā)展超高強(qiáng)度鋼[J];上海金屬;2009年02期

3 王毛球,董 瀚,惠衛(wèi)軍,陳思聯(lián),翁宇慶;熱處理對(duì)42CrMo鋼的耐延遲斷裂性能的影響[J];金屬學(xué)報(bào);2002年07期

本文編號(hào)：2758056