本文關(guān)鍵詞：熱軋支承輥堆焊合金制備與稀土作用機(jī)理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：堆焊技術(shù)是綠色再制造技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用堆焊技術(shù)對(duì)廢舊零部件進(jìn)行再制造,不僅可以恢復(fù)其形狀和尺寸,而且可以使再制造后的零部件具有較高的抗磨損性能、抗熱疲勞性能以及抗腐蝕性能等特點(diǎn)。與其它再制造技術(shù)相比,堆焊技術(shù)具有涂層與母材結(jié)合強(qiáng)度高,適用性廣和價(jià)格低廉等特點(diǎn),已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)之中。本文以傳統(tǒng)Cr5熱軋支承輥材料為研究對(duì)象,自行研制新型熱軋支承輥堆焊用藥芯焊絲,并對(duì)其堆焊合金的顯微組織進(jìn)行初步表征,并以此為基礎(chǔ),對(duì)堆焊過(guò)程中的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)不同回火條件下堆焊合金進(jìn)行顯微組織觀察和硬度測(cè)定,確定最佳回火工藝,特別是對(duì)在中高碳合金鋼中經(jīng)常出現(xiàn)的冷作硬化現(xiàn)象進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上,綜合研究稀土氧化物L(fēng)a2O3加入量對(duì)堆焊合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。同時(shí),采用第一性原理中的密度泛函理論,從能量學(xué)角度,對(duì)稀土夾雜物L(fēng)a Al O3作為γ-Fe和α-Fe的非自發(fā)形核核心的機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)稀土元素La在γ-Fe和α-Fe中的固溶規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)。相圖計(jì)算結(jié)果表明,加入合金元素Ni和Mn可以明顯擴(kuò)大堆焊合金的奧氏體相區(qū);加入合金元素Mo和V可以分別促進(jìn)堆焊合金中M6C和MC型碳化物的析出。新型支承輥藥芯焊絲堆焊合金在焊態(tài)下顯微組織由馬氏體、殘余奧氏體和少量碳化物組成,其晶界處存在著白色網(wǎng)狀的高合金馬氏體。高合金馬氏體在高倍電子顯微鏡下呈大塊狀,平均納米壓痕硬度為14.33 GPa,其合金元素含量高于普通馬氏體,經(jīng)過(guò)回火之后,合金元素含量迅速降低,降低程度約為30%。高合金馬氏體和普通馬氏體均為體心正方結(jié)構(gòu),但是其晶格結(jié)構(gòu)有所差別,與普通馬氏體相比,高合金馬氏體c軸方向長(zhǎng)度增加。焊接熱輸入量選取為23.5~27.0 J/mm,以保證堆焊合金具有優(yōu)良的使用性能。堆焊合金焊后在480 oC回火8h具有最為優(yōu)良的使用性能。當(dāng)堆焊合金中的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),在疲勞循環(huán)作用的壓應(yīng)力下,其將會(huì)自發(fā)向馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,即出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象,當(dāng)殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)降低到4.9 vt.%時(shí),該轉(zhuǎn)變不再發(fā)生。冷作硬化過(guò)程中,各取向的殘余奧氏體晶粒優(yōu)先向[001]和[101]取向的馬氏體晶粒轉(zhuǎn)變。隨著La2O3加入量由0 wt.%增加到4.98 wt.%,堆焊合金原奧氏體晶粒尺寸先減小后增大,當(dāng)La2O3加入量為3.32 wt.%,堆焊合金的原奧氏體晶粒最為細(xì)小,平均晶粒尺寸為18μm;同時(shí),堆焊合金中殘余奧氏體量由18.4 vt.%增多到25.4 vt.%后基本不變,而高合金馬氏體量由19.6 vt.%逐步降低到了7.7 vt.%。堆焊合金的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)La2O3加入量為3.32 wt.%時(shí),堆焊合金的各項(xiàng)性能均達(dá)到最大值:其中堆焊合金硬度為HRC 50.4,單位時(shí)間內(nèi)磨粒磨損失重量為0.13 g/h,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為1502 MPa和1334 MPa,沖擊吸收功為7.10 J/cm2。對(duì)于兩種終止結(jié)構(gòu)的La Al O3(100)/無(wú)碳γ-Fe(100)界面,當(dāng)△μLa處于范圍(-14.46 e V,-14.08 e V)和(-1.402 e V,-1.025 e V)時(shí),Al O2終止型和La O終止型界面的界面能分別滿足La Al O3/無(wú)碳γ-Fe異質(zhì)形核對(duì)界面能的要求。對(duì)于La Al O3(100)/含碳γ-Fe(100)界面,當(dāng)△μLa較低時(shí),部分Al O2終止型界面(Al O2-含C、Al O2-不含C)界面能符合La Al O3/含碳γ-Fe異質(zhì)形核對(duì)界面能的要求;隨著△μLa增加到較高的范圍時(shí),Al O2終止型界面不能再作為L(zhǎng)a Al O3/含碳γ-Fe異質(zhì)形核界面,而La O終止型界面,尤其是La O-含C型界面更為滿足相應(yīng)要求。對(duì)于La O終止結(jié)構(gòu)的La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面,La的化學(xué)勢(shì)△μLa分別處于范圍(-2.447 e V,-2.064 e V)和(-1.009 e V,-0.722 e V)時(shí),La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面的界面能處于0 J/m2~0.204 J/m2之間,說(shuō)明此時(shí)上述兩界面可以作為L(zhǎng)a Al O3/α-Fe的異質(zhì)形核界面。對(duì)于不同位置La原子固溶的γ-Fe(α-Fe)超胞,置換固溶γ-Fe(α-Fe)超胞的穩(wěn)定性、電離度、變形抗性和剛度均要優(yōu)于間隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞,而其塑性、金屬性和各向異性則差于間隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞。
【關(guān)鍵詞】：熱軋支承輥 藥芯焊絲 堆焊 稀土氧化物 馬氏體相變 力學(xué)性能 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG455
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-32
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 堆焊修復(fù)與再制造15-19
• 1.2.1 堆焊技術(shù)特點(diǎn)15-17
• 1.2.2 堆焊技術(shù)應(yīng)用17-19
• 1.3 堆焊合金研究進(jìn)展19-26
• 1.3.1 堆焊合金種類(lèi)19-21
• 1.3.2 鐵基堆焊合金組織與性能的研究21-26
• 1.4 稀土元素作用研究現(xiàn)狀26-29
• 1.4.1 變質(zhì)夾雜作用26-27
• 1.4.2 細(xì)化組織作用27-28
• 1.4.3 固溶作用28-29
• 1.5 第一性原理的應(yīng)用29-31
• 1.5.1 第一性原理在體相研究方向的應(yīng)用29-30
• 1.5.2 第一性原理在表面和界面研究方向的應(yīng)用30-31
• 1.6 本文的研究目的與內(nèi)容31-32
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法32-41
• 2.1 堆焊合金制備32-34
• 2.1.1 藥芯焊絲制備32-33
• 2.1.2 堆焊合金試樣制備33-34
• 2.2 熱處理實(shí)驗(yàn)34
• 2.3 組織表征34-36
• 2.3.1 成分測(cè)定34-35
• 2.3.2 光學(xué)顯微鏡觀察35
• 2.3.3 XRD分析35
• 2.3.4 差熱分析35-36
• 2.3.5 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察36
• 2.3.6 背散射掃描電子顯微鏡觀察36
• 2.3.7 透射電子顯微鏡觀察36
• 2.4 性能測(cè)試36-39
• 2.4.1 硬度測(cè)定36-37
• 2.4.2 摩擦磨損試驗(yàn)37-38
• 2.4.3 抗拉-屈服強(qiáng)度的測(cè)定38
• 2.4.4 沖擊韌性的測(cè)定38-39
• 2.4.5 接觸疲勞試驗(yàn)39
• 2.5 計(jì)算方法39-41
• 2.5.1 熱力學(xué)計(jì)算方法39
• 2.5.2 第一性原理計(jì)算方法39-41
• 第3章 新型支承輥藥芯焊絲的研制及堆焊合金顯微組織表征41-66
• 3.1 新型支承輥藥芯焊絲堆焊合金的成分設(shè)計(jì)41-46
• 3.1.1 C含量對(duì)支承輥用鋼的影響41-42
• 3.1.2 Ni含量對(duì)支承輥用鋼的影響42-43
• 3.1.3 Mn含量對(duì)支承輥用鋼的影響43
• 3.1.4 Mo含量對(duì)支承輥用鋼的影響43-45
• 3.1.5 V含量對(duì)支承輥用鋼的影響45-46
• 3.2 堆焊合金顯微組織表征及高合金馬氏體確定46-54
• 3.2.1 焊態(tài)堆焊合金顯微組織觀察與相結(jié)構(gòu)分析46-47
• 3.2.2 堆焊合金回火后顯微組織觀察及相結(jié)構(gòu)分析47-49
• 3.2.3 堆焊合金納米壓痕測(cè)試49-50
• 3.2.4 堆焊層金屬中高合金馬氏體的表征50-54
• 3.3 焊接熱輸入量的優(yōu)化54-64
• 3.3.1 焊接熱輸入量對(duì)焊接結(jié)合性的影響55-56
• 3.3.2 焊接熱輸入量對(duì)堆焊合金顯微組織的影響56-58
• 3.3.3 焊接熱輸入量對(duì)堆焊合金熔池溫度及淬透性的影響58-60
• 3.3.4 焊接熱輸入量對(duì)堆焊合金硬度及耐磨性的影響60-62
• 3.3.5 焊接熱輸入量對(duì)堆焊合金韌性的影響62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-66
• 第4章 堆焊合金焊后回火工藝優(yōu)化及冷作硬化現(xiàn)象的研究66-84
• 4.1 回火工藝優(yōu)化66-71
• 4.1.1 不同溫度回火后堆焊合金硬度分析66-67
• 4.1.2 不同回火時(shí)間后堆焊合金硬度分析67-68
• 4.1.3 480 oC回火溫度下不同回火時(shí)間后堆焊合金金相組織分析68-71
• 4.2 冷作硬化現(xiàn)象的研究71-76
• 4.2.1 不同接觸疲勞循環(huán)次數(shù)后堆焊合金硬度71-72
• 4.2.2 不同接觸疲勞循環(huán)次數(shù)后堆焊合金相結(jié)構(gòu)72-74
• 4.2.3 不同接觸疲勞循環(huán)次數(shù)后堆焊合金顯微組織74-75
• 4.2.4 堆焊合金接觸疲勞循環(huán)前后EBSD形貌75-76
• 4.3 實(shí)際支承輥堆焊后回火方式確定76-78
• 4.4 冷作硬化現(xiàn)象的能量學(xué)分析78-82
• 4.4.13D模型建立78-79
• 4.4.2 穩(wěn)定性判定79-80
• 4.4.3 相變壓強(qiáng)判定80-82
• 4.5 本章小結(jié)82-84
• 第5章 La_2O_3對(duì)堆焊合金顯微組織及力學(xué)性能的影響84-99
• 5.1 La_2O_3加入量對(duì)堆焊合金顯微組織的影響84-89
• 5.1.1 不同La_2O_3加入量堆焊合金的顯微組織形貌84-86
• 5.1.2 不同La_2O_3加入量堆焊合金的XRD圖譜86-87
• 5.1.3 不同La_2O_3加入量堆焊合金的原奧氏體晶粒尺寸87-89
• 5.2 La_2O_3加入量對(duì)堆焊合金力學(xué)性能的影響89-96
• 5.2.1 不同La_2O_3加入量堆焊合金的硬度89
• 5.2.2 不同La_2O_3加入量堆焊合金的強(qiáng)度89-91
• 5.2.3 不同La_2O_3加入量堆焊合金的磨粒磨損耐磨性91-92
• 5.2.4 不同La_2O_3加入量堆焊合金的粘著磨損耐磨性92-94
• 5.2.5 不同La_2O_3加入量堆焊合金的沖擊韌性94-96
• 5.3 La_2O_3加入對(duì)堆焊合金顯微組織影響的機(jī)制分析96-97
• 5.4 本章小結(jié)97-99
• 第6章 LaAlO_3細(xì)化 γ-Fe和 α-Fe及La原子在 γ-Fe和 α-Fe中固溶的第一性原理計(jì)算99-142
• 6.1 第一性原理計(jì)算的量子學(xué)基礎(chǔ)100-101
• 6.2 LaAlO_3細(xì)化 γ-Fe的第一性原理計(jì)算101-117
• 6.2.1 晶格結(jié)構(gòu)101-102
• 6.2.2 體相性能102-104
• 6.2.3 表面性能104-110
• 6.2.4 界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)110-117
• 6.3 LaAlO_3細(xì)化 α-Fe的第一性原理計(jì)算117-125
• 6.3.1 晶格結(jié)構(gòu)117-118
• 6.3.2 體相性能118
• 6.3.3 表面性能118-119
• 6.3.4 界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)119-125
• 6.4 La原子在 γ-Fe中固溶的第一性原理計(jì)算125-134
• 6.4.1 晶格結(jié)構(gòu)125-127
• 6.4.2 穩(wěn)定性計(jì)算127-128
• 6.4.3 彈性性能128-130
• 6.4.4 電子結(jié)構(gòu)130-134
• 6.5 La原子在 α-Fe中固溶的第一性原理計(jì)算134-141
• 6.5.1 晶格結(jié)構(gòu)135-136
• 6.5.2 穩(wěn)定性計(jì)算136-137
• 6.5.3 彈性性能137-138
• 6.5.4 電子結(jié)構(gòu)138-141
• 6.6 本章小結(jié)141-142
• 結(jié)論142-144
• 參考文獻(xiàn)144-157
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果157-161
• 致謝161-163
• 作者簡(jiǎn)介163

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本文編號(hào)：263305