脉冲电流处理对45钢组织和力学性能的影响

发布时间：2020-04-09 13:02

【摘要】：钢铁材料因其塑性、韧性、强度以及经济性的特点成为现代社会最重要的基础生产资料,是国家生存和发展的物质基础。钢铁材料现在的地位迄今为止还没有其他材料可以取代。九成以上的钢材被用作结构材料,强度和韧性是钢铁类材料最主要的需求,提高钢材强韧性一直是该领域发展的主要方向。从钢铁材料强韧化机制出发可知,微观组织的精细化及硬相与软相的合理调控,是发展新一代钢铁材料的重要途径。脉冲电流处理方法为材料提供瞬态高能量的非平衡条件,较快的加热速度(10~4-10~5K/s)有利于钢铁材料组织的细化甚至超细化。优化工艺流程,脉冲电流处理方法可以实现构建材料软硬相间的微观结构和宏观结构。若可以通过脉冲电流处理实现普通中碳钢的强韧化,将为发展新一代钢铁材料寻找到一种节能高效的工艺新方法,极大降低能源消耗和简化工艺流程,具有极其重要的现实意义。本文通过对常用45钢采用不同脉冲电流处理新工艺方法,探讨脉冲电流处理方法对45钢的强韧化效果和机理。优化工艺流程,强化脉冲电流优势,进一步发掘脉冲电流对45钢的强化作用。与传统热处理相对照,研究马氏体、铁素体、原奥氏体晶粒等微观组织的细化效果及相应的力学性能变化,结合理论分析研究脉冲电流强韧化的作用机制。本文主要得出以下结论:45钢铁素体/珠光体初始组织经过脉冲电流奥氏体化淬火处理后,与传统淬火相比,原奥氏体晶粒从37μm细化到15μm,马氏体细化,板条宽度细化到150nm,抗拉强度从初始态的637MPa显著提高到1987MPa。这是由于纳米级碳过饱和固溶体的马氏体具有较高的强度,马氏体的高强度是由固溶强化、时效强化、组织结构强化机制综合作用的结果。对45钢进行循环多次(N=3)脉冲电流奥氏体化淬火处理,原奥氏体晶粒平均尺寸达到3μm,晶粒得到超细化。快速冷却后得到小于100nm的马氏体组织,使45钢获得超高强度,抗拉强度达到2600MPa,断裂延伸率为9.8%,强塑积达到25GPa%。这是由于脉冲电流可以有效的降低形核势垒,同时快速加热使体系的过冷度增大,导致了形核率显著增加。即在初始相对较大的奥氏体晶粒的界面及晶粒内部等诸多地方同时形核,生成较小的奥氏体,快速冷却后即转变成细小的马氏体,使初始相对较大的晶粒就被分解成一些较小的晶粒。再次重复此过程,前一次得到的较小晶粒会被重新细化,多次重复即可得到超细化晶粒。当然这种细化不会永久进行下去,随着晶粒变得越小,晶界面积变得越大,界面能或者整个体系的自由能就会越高,当提供的能量不足以使整个体系的自由能升高所需时能量,晶粒细化就会停止甚至长大。而且,晶粒长大是一个自发的过程,当加热温度过高或保温时间过长,晶粒反而会变大。脉冲电流处理后在马氏体组织间分布有微米级的铁素体,在晶界处弥散分布碳化物颗粒,这种多相、亚稳、多尺度混合组织协调作用使钢的强度和塑韧性都得到提高。引入压力作用使45钢在脉冲电流处理温升达到AC_3附近时发生高温形变,变形量为37.5%,原奥氏体晶粒平均尺寸达到5μm,马氏体板条宽度只有7nm,板条间有残余奥氏体薄膜,获得了高强度和高塑性的良好配合,抗拉强度达到1893MPa,断裂延伸率为22%,强塑积达到42GPa%。这是由于脉冲电流作用使晶粒超细化的同时,在应变作用下奥氏体发生动态再结晶,并发生TRIP效应,使塑性提高。超细马氏体、铁素体组织对强度起了决定性作用,对塑性和韧性起决定作用的为残留奥氏体和铁素体。以贝壳珍珠层软硬相间结构为生物原型,对45钢进行仿生耦合设计,通过脉冲电流处理,在45钢表面制备仿生耦合单元体。脉冲电流仿生耦合处理试样的拉伸强度和延伸率分别为1193MPa和18.1%与传统调质处理试样的拉伸强度786MPa延伸率16%相比,分别提高了51.8%和13.2%。这是由于单元体协同作用,产生BMP效应,“堤坝”效应,“局部承担”和“接力效应”共同作用的结果。综上所述,脉冲电流电致强化技术是一种附加约束控制冷却的高能瞬时多场耦合电脉冲处理技术。通过调整电处理参数、循环处理次数和控冷技术结合可实现金属材料的固溶、时效、淬火、退火、正火、回火等,得到不同的组织结构及强韧性配合,满足多种不同服役条件要求。处理效果与材料初始态组织、电参数大小及冷却速度控制等密切相关。本文研究证明了通过不同的工艺流程,脉冲电流处理方法可以实现45钢微观组织的精细化及硬相与软相的合理调控,从而达到提高45钢强韧性,获得良好的综合性能的目的。脉冲电流处理配合高温形变可成为一种快速、高效制备满足新一代钢铁材料要求的超高强度钢的方法。
【图文】：

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制是漂移电子形成的电子风会和位错产生交互作用。该效应提出后 ,Al , Pb ,Cu , Fe 等金属进行了深入细致的研究；H.Conrad[57, 58]等美末也开始了相关研究。国内学者[59-61]在铝锂合金、锌铝合金、钛合变形中的电脉冲处理,均显著提高了样品的延伸率。刘勃然等[61]对超铝锂合金施加脉冲电流后，观察晶内位错在通电后由直线型变成蜷。表明电流通过金属时,电子流与位错间存在相互作用,拖曳位错运

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在适当参数的脉冲电流作用度降低，这是由于脉冲电流处理可核率的提高和晶体的生长。此后非热点。Troitskii 等学者在研究中发现冲电流对非晶合金微观组织结构产晶化温度的条件下获得纳米晶。M时，发现电流密度高于关键值时，晶化过程。反之，，当电流密度小于大。上述结果表明，高频脉冲电流队[73-75]利用脉冲电流技术对不同成粒尺寸达为 20nm 的大块纳米晶，核生长而成为制备纳米晶的新方法晶丝。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1

【参考文献】