功能梯度特性9Cr18型不锈钢组织性能控制及触变成形工艺研究
发布时间：2020-05-18 14:55
【摘要】：功能梯度材料能够满足材料在使用过程中的某些特殊性能要求。根据轴类零件的使用条件,轴类零件工作表面和心部在状态、结构和性能要求方面有较大的差别,即表面应具有高的耐磨性,而心部则应表现出良好的强韧性,体现出功能梯度材料特性。本文研究内容来源于国家自然科学基金资助项目“高强韧、高耐磨不锈轴承钢零件的触变成形及组织性能控制”,以9Cr1 8不锈钢及同类型9Cr18Mo不锈钢为研究材料,设计适用于钢铁材料的触变锻造成形装置,利用触变锻造成形工艺,探索出具有功能梯度特性的不锈钢材料组织性能控制理论。研究9Cr18和9Cr18Mo半固态坯料压缩变形特征,为触变锻造成形提供基础支持。结果表明:9Cr18与9Cr18Mo半固态坯料压缩变形特征类似,变形初始阶段,材料骨架破碎,随着变形进入至半固态触变阶段,存在着液相金属的流动、固相颗粒的转动以及固相颗粒的塑性变形。对于9Cr18半固态坯料,当变形温度为1300℃,变形速率较低(0.02s-1，0.05s-1)时,压缩应力较低,峰值应力分别为15.7MPa和21.7MPa。研究触变锻造成形过程中组织与性能控制规律。基于Gleeble-3500热模拟试验机设计适用于钢铁材料的触变锻造成形实验装置。通过触变锻造成形能够获得9Cr18阶梯轴制件,半固态坯料充型良好。9Cr18触变制件变形区存在显著固/液分界层,表层为液相流出凝固形成的共晶组织,具有细小枝晶形貌;分界层内部固相颗粒相互接触,无明显液相残留,显微组织呈现梯度分布特征。成形温度提升有助于形成更多的自由液相,低应变速率致使固液两相有充分变形时间完成固液分离,从而有助于获得功能梯度特性材料,在1340℃,0.02s-1条件下成形,材料能够充分发挥半固态触变特性,表层平均厚度达到1000μm以上。9Cr18触变制件分界层内部固相为奥氏体组织,硬度约为376HV,表层平均硬度约为726HV。9Cr18Mo触变锻造制件的显微组织特征与9Cr18触变制件相同,均呈现梯度分布特征,论文主要分析9Cr18Mo触变锻造制件在耐磨耐蚀性方面的差异。.9Cr18触变制件分界层内外具有各自独特的组织演变规律。固相颗粒的合金元素含量是决定分界层内部组织演变的关键因素,触变制件内部固相奥氏体处于过饱和亚稳状态,马氏体转变在特定的后续热处理工艺下能够激活,低温回火(T=200℃,550℃)有助于触变制件内部残余应力的释放,提高强韧性。触变制件在经历热处理工艺后固/液分界层得以保留,热处理对表层枝晶结构无显著影响,共晶组织保留在制件表层,在热处理后制件表层的显微硬度维持在720HV以上。触变锻造制件具有功能梯度材料特性,呈现“外硬内韧”特征。9Cr18触变制件在550℃回火2h后拥有最佳的内部强韧性,抗压强度为4680MPa,压缩应变为53.2%,塑性变形呈现明显的四阶段应变硬化特征,强韧性机制归因于奥氏体相变诱导塑性与孪晶诱导塑性二次变形机理共同作用。9Cr18和9Cr18Mo触变制件拥有耐磨表层,表层高铬含量提高了磨损过程中抗氧化能力,降低氧化磨损速率;高的表层硬度提高抵抗塑性变形能力,也减轻了剥落磨损、磨料磨损。9Cr18和9Cr18Mo触变制件表层耐蚀性相对传统热处理工艺有一定提高。通过半固态触变锻造成形工艺,将传统马氏体型不锈钢9Cr18及9Cr18Mo设计与加工为内部奥氏体,表层细小共晶组织结构的功能梯度材料,有助于拓宽传统材料的应用领域。
【图文】：
功能梯度材料（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ邋ｇｒａｄｅｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ＦＧＭ），即材料的组分和结逡逑构从材料的某一方位（一维、二维、三维）向另一方位连续或间断地变化，逡逑使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料，如图２－１所示［５，６］。功逡逑能梯度材料概念由日本学者平井敏雄等于１９８４年首次提出，并于１９８７年开逡逑始进行这方面的研宄［７１。他们的构想与航天技术的发展密切相关，，初始旨在逡逑解决新一代航天飞机热保护系统中出现的诸多问题，通过将金属、合金、陶逡逑瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，材料在高温环境和两侧高温差的情逡逑况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，这是传统陶瓷基复合材料无法实现逡逑的。功能梯度材料的研宄在各国迅速展开，通过近三十余年的研宄，国内外逡逑在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用等方面逡逑都取得了令人瞩目的成果。并且，基于材料的功能梯度特性，功能梯度材料逡逑同样在诸多意料之外的领域得到研宄和应用。逡逑Ｋ邋／Ｉ逡逑0陶瓷逦S媒鹗翦义希垮澹宋
本文编号：2669897
【图文】：
功能梯度材料（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ邋ｇｒａｄｅｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ＦＧＭ），即材料的组分和结逡逑构从材料的某一方位（一维、二维、三维）向另一方位连续或间断地变化，逡逑使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料，如图２－１所示［５，６］。功逡逑能梯度材料概念由日本学者平井敏雄等于１９８４年首次提出，并于１９８７年开逡逑始进行这方面的研宄［７１。他们的构想与航天技术的发展密切相关，，初始旨在逡逑解决新一代航天飞机热保护系统中出现的诸多问题，通过将金属、合金、陶逡逑瓷、塑料等无机物和有机物的巧妙组合，材料在高温环境和两侧高温差的情逡逑况下表现出良好的耐热性、热应力缓和，这是传统陶瓷基复合材料无法实现逡逑的。功能梯度材料的研宄在各国迅速展开，通过近三十余年的研宄，国内外逡逑在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用等方面逡逑都取得了令人瞩目的成果。并且，基于材料的功能梯度特性，功能梯度材料逡逑同样在诸多意料之外的领域得到研宄和应用。逡逑Ｋ邋／Ｉ逡逑0陶瓷逦S媒鹗翦义希垮澹宋
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