【摘要】：超高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度高、韌性好,具有高的比強(qiáng)度、比模量,廣泛應(yīng)用于航空、航天及國(guó)防等領(lǐng)域,是飛機(jī)等主承力關(guān)鍵構(gòu)件的首選材料,代表了一個(gè)國(guó)家鋼鐵材料研究和生產(chǎn)的最高水平,是一個(gè)國(guó)家科技和國(guó)防工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。超高強(qiáng)度鋼室溫抗拉強(qiáng)度超過(guò)1400 MPa、屈服強(qiáng)度大于1300 MPa,其韌性要求也較高,始終在挑戰(zhàn)材料的強(qiáng)韌性極限。同時(shí),超高強(qiáng)度鋼對(duì)裂紋、夾雜、焊縫和表面加工等缺陷也十分敏感,因此,降低超高強(qiáng)度鋼的缺陷率、提高鋼的韌性始終是國(guó)際前沿技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要研究方向。我國(guó)在超高強(qiáng)度鋼降低鋼中有害雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、改善夾雜物的形態(tài)及提高鋼的韌性方面已開(kāi)展了幾十年的研究,并取得了非常大的成績(jī)與進(jìn)步,但是在超純凈化冶煉、凝固組織控制、熱加工和熱處理等方面與國(guó)外相比還有很大的差距,嚴(yán)重制約了我國(guó)航空航天和國(guó)防軍工等關(guān)鍵材料的配套和發(fā)展。本論文以目前我國(guó)生產(chǎn)的幾個(gè)典型的超高強(qiáng)度鋼為研究對(duì)象,分別針對(duì)其潔凈度和組織性能控制難題,開(kāi)展超高強(qiáng)度鋼制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)于提升我國(guó)超高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)技術(shù)水平,補(bǔ)齊航空航天和國(guó)防軍工的關(guān)鍵材料“短板”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文在全面綜述國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)度鋼研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度鋼實(shí)際生產(chǎn)工藝及質(zhì)量水平的深入調(diào)研,采用實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算分析、添加稀土實(shí)驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)等方法,利用化學(xué)分析、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、力學(xué)性能測(cè)試以及X射線衍射分析等表征手段,以300M、A-100和S53等典型的超高強(qiáng)度鋼作為研究對(duì)象,開(kāi)展了精鋼材純凈化冶煉、真空感應(yīng)爐(VIM)超純?nèi)蹮挕⒊邚?qiáng)度鋼的稀土處理、超高強(qiáng)度鋼中非金屬夾雜物去除與控制、雙真空(真空感應(yīng)爐-真空自耗爐(VIM-VAR))熔煉的純凈度和凝固組織控制、真空感應(yīng)爐-電渣重熔-真空自耗爐(VIM-ESR-VAR)三聯(lián)工藝超純?nèi)蹮�、鍛造和熱處理組織性能控制等關(guān)鍵共性技術(shù)研究,在撫鋼工業(yè)化條件下制備出了超純凈、高性能的超高強(qiáng)度鋼,確定了三聯(lián)工藝是解決超高強(qiáng)度鋼上述技術(shù)難題的最佳工藝。通過(guò)上述研究,論文的創(chuàng)新點(diǎn)及主要結(jié)論如下:(1)鑭對(duì)超高強(qiáng)度鋼的純凈化的影響研究結(jié)果表明,在真空感應(yīng)熔煉條件下,冶煉時(shí)保證良好的爐況、精確控制溫度能夠保證稀土鑭良好、穩(wěn)定的脫氧脫硫效果。在真空感應(yīng)熔煉條件下,冶煉時(shí)保證良好的爐況、精確控制溫度能夠保證稀土鑭良好、穩(wěn)定的脫氧脫硫效果。當(dāng)鋼中的氧和硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)十分低時(shí),鋼中的夾雜物主要為L(zhǎng)a2O2S,Mg和Al等金屬氧化物能夠在La2O2S表面析出形成復(fù)合夾雜物。(2)單真空、雙真空工藝和三聯(lián)工藝對(duì)超高強(qiáng)度鋼純凈度的影響研究結(jié)果表明,在單真空工藝、雙真空工藝和三聯(lián)工藝中,三聯(lián)工藝的T.O、P、S等明顯低于單真空和雙真空工藝,是超高強(qiáng)度鋼純凈度控制的最佳工藝。在Si、Mn、Al、Ti等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都非常低條件下,達(dá)到T.O=0.0004%、w[N]=0.0009%的超純凈水平。三種工藝制備的超高強(qiáng)度鋼中夾雜物種類(lèi)差異不大,典型夾雜物均主要為含鎂鋁尖晶石的MgO-Al2O3-CaS、MgO-Al2O3-SiO2等。三聯(lián)工藝夾雜物平均直徑和單位面積夾雜物個(gè)數(shù)均小于單真空和雙真空工藝。(3)真空自耗重熔對(duì)鑄錠凝固組織的影響研究結(jié)果表明,真空自耗重熔過(guò)程采用高熔化速度生產(chǎn)的鋼錠其成品鋼棒低倍組織易出現(xiàn)徑向偏析缺陷;采用強(qiáng)冷的氦氣冷卻方式和高水流量生產(chǎn)的鋼錠其成品鋼棒低倍組織出現(xiàn)環(huán)狀花樣缺陷。因此在不采用氦氣冷卻的前提下適當(dāng)降低熔化速度,可以生產(chǎn)出低倍組織合格的棒材。(4)鍛造工藝對(duì)航空軸承鋼G13Cr4Ni4Mo4VA棒材沖擊性能的影響研究結(jié)果表明,造成G13Cr4Ni4Mo4VA棒材沖擊性能偏低的原因是由于沿晶界分布析出的δ鐵素體。將鍛造溫度由1160 K降低至1110 K,可有效地避免δ鐵素體的析出,提高棒材的沖擊性能。(5)鍛造和預(yù)備熱處理對(duì)超高強(qiáng)度鋼A-100晶粒度的影響研究結(jié)果表明,對(duì)于A-100鋼,在變形量為30%時(shí),將變形溫度控制在1000～1140 K范圍內(nèi)可獲得細(xì)小的完全再結(jié)晶組織,同時(shí)改善微觀組織均勻性。應(yīng)用正火工藝進(jìn)行預(yù)備熱處理可以提高晶粒度級(jí)別,均勻組織。合適的正火溫度在900～950 K,且保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),防止晶粒過(guò)分長(zhǎng)大。(6)回火熱處理對(duì)S53超高強(qiáng)度鋼組織性能的影響研究結(jié)果表明,S53鋼二次回火熱處理后鋼的組織和性能優(yōu)于一次回火熱處理�；鼗饻囟葹�490 K的試樣抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到1955 MPa,屈服強(qiáng)度為1684 MPa,硬度達(dá)56(HRC),且均勻延伸率為10%。二次回火490 K處理后,相比較于一次回火505 K,馬氏體板條更加細(xì)小且板條邊界扭曲交錯(cuò)程度比一次回火更深,對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的阻礙作用更大,強(qiáng)化效果更好。同時(shí),二次回火后更多細(xì)小的碳化物在板條馬氏體基體上和位錯(cuò)間析出,顯著提高了材料的強(qiáng)度�；鼗饻囟葹�490K拉伸斷口樣品分布較多的韌窩。隨著二次回火溫度升高,碳化物也會(huì)粗化,樣品拉伸斷口微觀形貌也會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)解理特征。因此,S53鋼最佳回火工藝為在505 K×3 h下進(jìn)行一次回火,再在490 K×12 h下進(jìn)行二次回火。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TF76;TG316
【圖文】：

圖２．１真空自耗爐及工作示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｖａｃｕｕｍ邋ａｒｃ邋ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ邋ｆｕｒｎａｃｅ邋ａｎｄ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑１）真空自耗爐的基本原理逡逑空電弧熔煉爐的主要特征是利用電弧熱來(lái)熔化金屬的一種特種冶煉在低壓狀態(tài)下、或者在惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行的。逡逑空自耗熔煉采用大電流、低電壓的供電方式，電極接負(fù)極，結(jié)晶器極接觸起弧。電弧的溫度很高，使金屬蒸發(fā)、電離，也使氣體電離的揮發(fā)電離。這樣在電弧區(qū)存在大量的正、負(fù)離子，它們各向相反電質(zhì)，使電弧穩(wěn)定。電弧的熱量使電極加熱，直至熔化，并滴入結(jié)的熔池，同時(shí)由于電弧的加熱，熔池被過(guò)熱，隨著熔池量的增加，的作用下逐漸凝固，形成鑄錠。所以，真空自耗爐熔煉是電極加熱培池過(guò)熱一冷卻凝固一鑄錠，這樣一個(gè)連續(xù)不斷的過(guò)程，直至電極一理。逡逑

圖３．１不同元素脫氧時(shí)氧平衡濃度逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｏｘｙｇｅｎ邋ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｏｘｉｄｉｚｅｄ邋ｂｙ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ逡逑從圖３．１可以看出，金屬元素脫氧能力從強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋海茫�、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ。�?dāng)溶逡逑解硅和錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為０．０５％，與其平衡的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為０．０６６邋％、３．３８°／。，遠(yuǎn)不逡逑能滿(mǎn)足鋼種氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求。若要求氧平衡濃度為０．０００６邋％，當(dāng)采用鋁脫氧時(shí)，則溶解逡逑鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少為０．０６９邋％；當(dāng)采用鈣脫氧時(shí)，則溶解鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)只要高于４．６１５Ｍ０－７逡逑即可。逡逑精２２鋼中含有一定量的硅和極少量的鋁，下面計(jì)算采用ＳｉＡｌ復(fù)合脫氧是否可行。逡逑在３Ａｌ２０＿ｖ２Ｓｉ０２體系中存在如下反應(yīng)：逡逑［Ｓｉ］＋２［０］＝（Ｓｉ０２），邋ＡＧｅ＝邋－邋５７６４４０＋２１８．２７邋Ｊ－ｍｏｌ＇１邐（３．１１）逡逑２［Ａｌ］＋３［０］＝（Ａｌ２0３）．邋ＡＧｅ＝－邋１２２５０００＋３９３．８ｒｊ－ｍ0ｒ＇邐（３．１２）逡逑（２Ｓｉ0２）＋（３Ａｌ２0３）＝（３Ａｌ２0３－２Ｓｉ０２），邋ＡＧｅ＝邋－邋４３５１－１０．５ｒ邋Ｊ－ｍｏＫ１邐（３．１３）逡逑利用線性組合法，可以得到如下反應(yīng)：逡逑２［Ｓｉ］＋６［Ａｌ］＋］３［０］＝（３Ａｌ２０３．２Ｓｉ０２）

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2734205