中碳无碳化物贝氏体钢组织和性能研究

发布时间：2020-07-10 21:51

【摘要】：本文以六种中碳贝氏体钢为研究对象,探讨了成分设计、热处理工艺和微结构演变对中碳贝氏体钢的强度、塑性、韧性、磨损和疲劳性能的影响及规律本质。探索出在中碳34SiMnCrAlMoNi钢中获得无碳化物上贝氏体、下贝氏体和低温贝氏体组织的热处理工艺。转变温度TMs+75°C得到的贝氏体组织是上贝氏体,上贝氏体组织主要由链状贝氏体铁素体与小块状残余奥氏体构成;Ms+10°CTMs+75°C温度区间等温转变得到的贝氏体组织为下贝氏体,TMs+10°C温度区间得到的贝氏体组织为低温贝氏体,两者均由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成,前者残余奥氏体呈片状,后者残余奥氏体呈薄膜状。力学性能测试表明温度越低综合性能越高。对三种形态的贝氏体组织循环变形行为进行了研究,发现残余奥氏体诱发马氏体相变和初始高的位错密度共同提高低温贝氏体的初始加工硬化能力。在总应变幅控制下,低温贝氏体相比下贝氏体和上贝氏体组织具有最高的疲劳寿命,组织中最细的贝氏体铁素体板条和大比例的大角度错配角对其有积极的影响。在上贝氏体中,残余奥氏体和贝氏体铁素体之间较高的协调变形能力以及高的均匀延伸率有利于塑性应变幅下疲劳寿命的提高。对比研究了含Si+Al合金化无碳化物贝氏体34SiMnCrAlMoNi钢和不含Si+Al合金的有碳化物贝氏体34MnCrMoNi钢的转变动力学,表明前者孕育期长转变快,后者孕育期短转变慢。Si和Al元素降低C的扩散,使C在钢中分布相对趋于均匀,从而推迟了贝氏体相变过程中先析出相贝氏体铁素体的形成。而较大的贝氏体铁素体转变量和较低的转变驱动力是造成有碳化物转变时间长的主要原因。相比由贝氏体铁素体、碳化物和微量的残余奥氏体组成的含碳化物贝氏体组织,由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的无碳化物贝氏体具有较高的强度和韧性,Si和Al元素起到固溶强化作用的同时,由它们导致较多残余奥氏体的存在对韧性起到积极的作用。研究不同Mn含量条件下无碳化物贝氏体钢的组织及性能结果表明,随着Mn含量的增加,贝氏体相变的孕育期和相变时间均会延长,同时影响贝氏体组织结构。成分设计中无Mn钢,组织中存在仿晶界铁素体,作为组织中的软相,降低了材料的强度和硬度,也降低了循环变形中的应力幅,但其牺牲了强度却贡献了延伸率。在塑性应变幅下,无Mn贝氏体钢相比其它Mn含量的贝氏体钢具有最高的疲劳寿命,归因于其具有最高的延伸率。在总应变幅控制下,Mn含量为3.2%的贝氏体钢相比含Mn量为1.8%和2.3%的贝氏体钢具有最高的疲劳寿命,归因于较细的贝氏体铁素体板条和残余奥氏体以及较高的强度。利用损伤滞回能评价材料的疲劳性能,Mn含量2.3%的贝氏体钢的组织具有相对优异的疲劳性能,归因于其大的错配角分布较多。研究了碳化物对中碳贝氏体钢的冲击磨粒磨损和疲劳性能的影响。试验结果表明,在较低冲击载荷下,有碳化物贝氏体钢中碳化物提高材料的耐磨性。在较大冲击载荷下,高应力使得残余奥氏体转变成硬相马氏体,增加表面硬度,提高了无碳化物贝氏体组织的冲击磨损性能。同时,在总应变幅控制下,无碳化物贝氏体组织具有较高的疲劳寿命,主要归因于组织中不稳定的残余奥氏体在变形过程中应变诱发马氏体相变,吸收裂纹扩展需要的能量,延缓裂纹的扩展,提高组织的总应变幅下疲劳寿命,而其不稳定又降低其塑性应变下的疲劳寿命。碳化物在单向拉伸变形中起到强化作用,而在循环疲劳过程中作为第二相引起应力集中,从而大幅度降低钢的疲劳寿命。研究无碳化物贝氏体钢在拉伸过程中的组织演变发现,钢中的残余奥氏体分为三个尺寸,在塑性变形开始阶段,块状奥氏体率先发生TRIP效应,片状和薄膜状的残余奥氏体相继发生马氏体相变。中碳钢中的奥氏体在变形过程中会发生应变诱发马氏体效应、阻碍裂纹扩展作用和吸收位错效应。前两个影响因素对裂纹的形成和裂纹的扩展有阻碍作用,位错吸收能够在变形过程中使贝氏体铁素体/马氏体/奥氏体之间和谐相处,起到协调变形的作用。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

示意图,激发形核,切变,长大机制

1 两种经典贝氏体相变机制模型: (a)切变长大机制; (b) 激发形核-台阶长Two classic bainite transformation mechanism models: (a) Shear growth mechExcitation nucleation-stair growth mechanism图 1-2 无扩散/切变相变机制下上贝氏体和下贝氏体的形成示意图-2 Schematic illustrations describing the formation mechanism of upper and lbased on a diffusionless/displacive transformation concept

示意图,相变机制,无扩散,下贝氏体

图 1-2 无扩散/切变相变机制下上贝氏体和下贝氏体的形成示意图g. 1-2 Schematic illustrations describing the formation mechanism of upper and lowbased on a diffusionless/displacive transformation concept年来，又有学者提出了融合两种相变机制的界面原子非协同热激活其研究认为在超低碳贝氏体钢中，超低的碳被晶体中缺陷所吸纳，相中的成分是一致的，原子不需要长程扩散就可使相界面迁移，只跳跃就可跨越相界面，进而加快了界面迁移速度，所以界面移动是制的。还有观点认为贝氏体相变是与扩散相变和切变相变无关的 W贝氏体相变和魏氏铁素体本质是无区别的，认为其是连续相变的产机制也应该是连续[11,12]。氏体相变具有不完全性：贝氏体的转变量会随着转变温度的变化而的增加转变量降低。在研究贝氏体钢相变动力学曲线时发现，在贝3

贝氏体转变,无扩散,贝氏体,相变

燕山大学工学博士学位论文的开始阶段，其转变速率较快，并且膨胀量较大，随后进入了贝氏体转变的停滞区，如果进行降温处理，膨胀量也会增，并且得到的贝氏体量会增加。在任何一个固定温度条件下奥氏体是可以完全相变成贝氏体的，而总是存在奥氏体剩余下来[13]。相似的试验结果出现在很多研究中。

【参考文献】