【摘要】：鋼材仍然是21世紀(jì)廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料，但其他結(jié)構(gòu)材料的崛起，使鋼材面臨更嚴(yán)峻的市場競爭。能源危機和環(huán)境問題迫使鋼鐵生產(chǎn)向低能耗、低資源消耗和短工藝流程發(fā)展。為了達(dá)到減重和更高安全等級的要求，鋼材必須具有更好的強韌性，同時兼顧改善其他使用性能。因此，尋找低能耗、低資源消耗和具有顯著組織強韌化效果的新工藝具有重要意義。在材料強化機制中，晶粒細(xì)化不僅可同時提高材料強度和韌性，還有利于改善其他使用性能。開發(fā)新的晶粒細(xì)化方法和研究相應(yīng)的細(xì)化機理一直以來都受到廣泛重視。發(fā)展至今，晶粒超細(xì)化已成為材料研究領(lǐng)域的熱點之一。從發(fā)現(xiàn)電致塑性效應(yīng)開始，脈沖電流在材料制備領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。作為一種瞬時高能量輸入方法，脈沖電流直接把能量作用在金屬材料晶格上，使材料組織在短時間內(nèi)發(fā)生變化。受高密度電流脈沖產(chǎn)生的電子風(fēng)沖擊、電遷移等物理效應(yīng)的作用，脈沖電流對金屬材料擴散、相變和再結(jié)晶等行為具有顯著影響。但鮮有研究者嘗試用脈沖電流超細(xì)化碳鋼組織。作為一種極端非平衡處理工藝，脈沖電流影響下的碳鋼組織相變機理、細(xì)化機理還不清楚。因此研究脈沖電流作用下鋼的組織細(xì)化效果、相變及細(xì)化機理，對于挖掘鋼材性能，尋找新的節(jié)能、高效的組織強韌化工藝具有重要意義。本文通過對不同成分、不同初始組織的鋼材進(jìn)行電脈沖處理，結(jié)合不同冷卻方法，研究了奧氏體晶粒、馬氏體、鐵素體/珠光體的細(xì)化效果，以及細(xì)化后鋼的力學(xué)性能；對比傳統(tǒng)熱處理條件下馬氏體的逆相變過程，研究了電脈沖處理馬氏體逆相變機理；結(jié)合實驗結(jié)果與理論，分析了脈沖電流的細(xì)化機制。 本文主要得出以下結(jié)論： （1）低碳鋼鐵素體/珠光體初始組織經(jīng)過電脈沖奧氏體化淬火處理后，原奧氏體晶粒從150μm細(xì)化到20μm，馬氏體組織細(xì)化�？估瓘姸葟�1220MPa提高到1400MPa，延伸率沒有下降。中碳鋼經(jīng)過脈沖電流奧氏體化淬火處理后，奧氏體晶粒從22μm細(xì)化到6μm。馬氏體板條平均寬度從414nm降低到179nm。硬度從49HRC提高到56.3HRC�？估瓘姸葟膫鹘y(tǒng)熱處理的1616MPa提高到2000MPa，并且保持了11.5%的斷裂延伸率，使鋼材具有較好的強度-延伸率匹配。隨著脈沖電流處理峰值溫度提高，奧氏體晶粒粗化，導(dǎo)致硬度、抗拉強度以及延伸率逐漸下降。合金鋼40Cr回火索氏體組織經(jīng)過電脈沖奧氏體化淬火處理后，奧氏體晶粒發(fā)生超細(xì)化，平均晶粒尺寸達(dá)到3μm，馬氏體組織細(xì)化。提高脈沖電流處理峰值溫度，奧氏體晶粒迅速長大，并且長大速率呈現(xiàn)出隨電流密度增大而提高的趨勢。介穩(wěn)奧氏體錳鋼馬氏體組織經(jīng)過電脈沖處理后，逆變再結(jié)晶奧氏體細(xì)化了10倍。細(xì)化后的奧氏體組織抗拉強度和延伸率提高，具有更好的加工硬化能力。 （2）通過電脈沖處理冷軋板條馬氏體組織，實現(xiàn)快速再結(jié)晶，使鐵素體晶粒超細(xì)化。再結(jié)晶等軸鐵素體晶粒平均尺寸為1μm，部分鐵素體晶粒內(nèi)部仍含有大量位錯，無碳化物析出。與熱軋組織相比，快速再結(jié)晶超細(xì)化鐵素體組織的抗拉強度從530MPa提高到941MPa，并具有15%的均勻延伸率和21%的斷裂延伸率。隨再結(jié)晶溫度提高，鐵素體晶粒粗化，強度降到648MPa，但斷裂延伸率提高到32.5%。超細(xì)鐵素體晶粒組織拉伸斷口韌窩更細(xì)密。 （3）脈沖電流細(xì)化鋼的奧氏體晶粒是高密度電流脈沖熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的耦合作用。電流的焦耳熱效應(yīng)使試樣溫度以3.8×104K/s升高到Ac3以上，保證了奧氏體相變的熱力學(xué)驅(qū)動力。脈沖電流的非熱效應(yīng)促進(jìn)碳原子擴散，使奧氏體化過程在瞬時完成。脈沖電流的非熱效應(yīng)降低α→γ轉(zhuǎn)變時奧氏體形核熱力學(xué)勢壘，使奧氏體形核率為傳統(tǒng)熱處理條件下的數(shù)十倍。在快速冷卻有效抑制奧氏體晶粒長大的作用下，最終可實現(xiàn)奧氏體晶粒超細(xì)化。 （4）對比介穩(wěn)奧氏體錳鋼馬氏體試樣傳統(tǒng)熱處理和電脈沖處理時組織變化發(fā)現(xiàn)，電脈沖處理馬氏體逆相變機制為位移型逆相變。傳統(tǒng)熱處理過程中，介穩(wěn)奧氏體錳鋼馬氏體和殘余奧氏體發(fā)生分解，導(dǎo)致鐵素體相出現(xiàn)，珠光體結(jié)在奧氏體晶界處形成。隨溫度變化，碳化物經(jīng)歷了先析出后溶解的過程。逆變奧氏體優(yōu)先在回火馬氏體針簇中心形核，新形成的奧氏體為等軸晶粒。馬氏體的整個逆相變過程為α′→α+Fe3C→γ擴散型相變過程。電脈沖處理介穩(wěn)奧氏體錳鋼馬氏體試樣逆相變過程沒有發(fā)生回火反應(yīng)和殘余奧氏體分解。整個升溫過程α相和γ相都處于碳原子過飽和固溶狀態(tài)，直到逆相變開始時發(fā)生α′→γ轉(zhuǎn)變。逆變奧氏體為含有高密度位錯的針狀相。奧氏體逆相變完成后，針狀奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，形成細(xì)小等軸奧氏體晶粒。α′→γ相變導(dǎo)致表面效應(yīng)的產(chǎn)生。電脈沖處理介穩(wěn)奧氏體錳鋼馬氏體逆相變機制為α′→γ位移型相變，奧氏體細(xì)化機制為位移型逆變奧氏體再結(jié)晶細(xì)化。 綜上所述，本研究證明了鋼材經(jīng)過脈沖電流處理，可實現(xiàn)顯微組織細(xì)化、甚至超細(xì)化，抗拉強度大幅度提高，同時兼有良好的延伸率。馬氏體相在電脈沖處理過程的奧氏體化機制為位移型逆相變。以奧氏體分解組織作為初始組織時，細(xì)化機制是脈沖電流促進(jìn)α+Fe3C→γ相變過程中奧氏體形核；以馬氏體作為初始組織時，細(xì)化機制則是脈沖電流所致α′→γ位移型逆變奧氏體再結(jié)晶細(xì)化。把傳統(tǒng)板條馬氏體冷軋與電脈沖再結(jié)晶相結(jié)合，可成為一種快速、高效制備超細(xì)鐵素體晶粒的方法。
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文根據(jù)楔形最寬處作為澆注溫度計算標(biāo)準(zhǔn)，在澆包內(nèi)放入鈦鐵晶粒細(xì)化劑，顆粒平均入。同時放入純鋁絲脫氧，加入比例為合輪上進(jìn)行表面打磨，然后使用電火花線3的平板，如圖 2.1 所示。將平板放入真空熱到 1050℃，保溫 30min 后快速水冷，得試樣，，經(jīng)過 600 目砂紙磨光表面，放入液氮最終得到 40×10×2mm3的固溶+深冷態(tài)試樣

第二章 實驗方法卡后電極不變形或不受損傷。脈沖電流放電時間和電流密電腦軟件控制。脈沖電流放電前，試樣夾持在電極上，夾預(yù)緊螺栓使試樣與電極緊密貼合。然后通過軟件設(shè)置放電軟件的開始按鈕實施電脈沖處理。為了監(jiān)測處理過程中試試樣中間表面焊上 K 型熱電偶絲。電偶絲另一端連接快速了保證試樣放電處理完成后的淬火效果，自制冷卻噴頭，為 5mm。淬火介質(zhì)根據(jù)處理材質(zhì)作相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)采用水淬接自來水。當(dāng)采用油淬時，淬火油裝在密封鋼灌中，利用。脈沖電流放電結(jié)束時，立即打開冷卻噴頭控制閥，淬火，直到試樣冷卻到室溫，關(guān)閉控制閥。整個處理系統(tǒng)示意
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG142.1;TG661

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2564050