大变形温轧超细晶钢的制备及其组织与力学性能研究

发布时间：2020-07-16 13:27

【摘要】：超高强度钢具有极高的强度和良好的韧塑性,在重型机械、先进模具制造、高速铁路、航空航天、重大国防装备以及汽车等领域有广泛的应用。随着工业的快速发展和资源、环境压力的不断增大,开发低成本且具有更高性能的超高强度钢已成为目前钢铁行业的重要任务之一。组织细化是提高材料强韧性的有效方式之一。研究发现,中温形变热处理工艺能够显著细化奥氏体晶粒并通过相变获得细小的马氏体组织,从而进一步提高马氏体钢的强度,为超高强度钢的制备与研发开拓了新的途径。然而,目前大部分中温形变热处理的研究都集中在合金元素含量较高的中碳高合金钢、马氏体时效钢以及Fe-Ni合金,而关于大变形中温形变热处理(变形量大于85%)在中碳低合金钢(合金含量小于6.0 wt.%)方面的系统性研究相对较少。此外,有关大变形中温形变热处理钢的组织演变规律以及强韧化机制仍缺少清晰的阐述。本论文通过大变形温轧和调控超细奥氏体分解相结合的方式,制备了具有超高强度高韧性的超细晶中碳低合金钢,系统地研究温轧变形以及合金元素对钢的组织与性能的影响,并对其强韧化机制进行了探讨,研究获得如下结论:本文首先依托AISI4140中碳低合金钢,通过大变形温轧成功制备了超高强度超细晶铁素体-马氏体双相钢,研究了不同轧制工艺对其组织与性能的影响,结果表明温轧变形对钢中超细晶铁素体的形成具有促进作用。随着变形量的增加,铁素体的形貌逐渐由等轴状转变为片层状,铁素体含量增加,而对应的马氏体含量减少,钢的强度降低而塑性提高。研究发现经60%温轧变形处理后,超细晶AISI4140双相钢的屈服强度为1570 MPa,抗拉强度为2370 MPa,延伸率为2.9%。经85%温轧变形后,其屈服强度为1080 MPa,抗拉强度为2022 MPa,延伸率达到7.9%,呈现出最佳的综合力学性能。分析认为,大变形温轧超细晶铁素体-马氏体双相钢的强化机制主要为细晶强化和马氏体相变强化,但其强度主要取决于钢中铁素体和马氏体的相对含量。通过添加质量分数分别为0.5%、1%、2%、4%、8%的镍,设计出不同镍含量的AISI4140+Ni钢,并对其进行85%温轧处理,系统地研究了合金元素镍对大变形温轧AISI4140钢的组织与性能的影响。研究表明镍的添加能够提高过冷奥氏体的稳定性,抑制奥氏体向铁素体转变。镍含量在0.5-2 wt.%之间时,随着镍含量的增加,铁素体和残余奥氏体等软相的含量降低,而对应的马氏体含量升高,使得钢的强度上升。当镍含量在2 wt.%时,钢主要由马氏体组成,并含有少量的残余奥氏体。随着镍含量的继续上升,残余奥氏体含量增加,导致钢的强度降低,表明合金元素的过量添加会提高残余奥氏体含量并降低钢的强度。在具有不同镍含量的钢中,AISI4140+2Ni钢经85%大变形温轧处理后具有最高的强度,其显微硬度为HV695,屈服强度为2054.3MPa,抗拉强度为2701 MPa,延伸率达到8.3%。在AISI4140+2Ni钢合金成分的基础上,对钢中合金元素含量进行调整,设计了成分为Fe-0.4C-1.65Si-1.1Mn-1.8Ni-0.85Cr-0.4Mo-0.08V的中碳低合金钢,然后通过温轧变形制备超细晶马氏体钢,深入研究了大变形温轧对马氏体组织演变和性能的影响研究结果表明,随着变形量的增加,钢中的马氏体逐渐由等轴状转变为超细片层状。3D-APT测试结果发现,碳在钢中发生偏聚形成“团簇”,说明温轧变形不会促进碳化物的形成,且不会抑制孪晶马氏体的形成。随着变形量的提高,钢中孪晶马氏体的数量不断增加,尤其是当变形量增加到85%以上时,温轧态钢中形成了大量分散分布的超细孪晶马氏体。残余奥氏体的含量随变形量增加也呈上升趋势。奥氏体晶粒的细化以及大量位错的引入是温轧态钢中孪晶马氏体和残余奥氏体含量增加的主要原因。研究表明,温轧变形能显著地提高钢的强度。当变形量为30%时,马氏体钢的显微硬度为HV663,屈服强度为1400 MPa,抗拉强度为2390 MPa,延伸率达到10.3%。变形量为90%时,马氏体钢的显微硬度为HV728,屈服强度为2018 MPa,抗拉强度为2920MPa,延伸率为6.8%。温轧超细晶马氏体钢的强化机制主要有位错强化、细晶强化以及孪晶强化,而位错强化是提高强度的主要强化因素。温轧超细晶马氏体钢塑性的提升主要归结于孪晶马氏体的细化、残余奥氏体含量的增加以及超细片层状组织的形成。温轧态钢中孪晶马氏体片尺寸较小且在钢中分散分布,能有效地缓解钢中的应力集中程度,对塑性的损害作用较小。超细片层组织的形成能有效地阻碍拉伸试样中裂纹的扩展,提高钢的塑性。针对90%温轧超细晶马氏体,系统地研究了不同温度回火对钢的组织与力学性能的影响。研究结果表明,回火温度在200℃~600℃时,钢中发生马氏体回复过程。随着回火温度的升高,马氏体中的板条和孪晶等亚结构组织逐渐消失,位错密度降低,而碳化物数量增加。回火温度在700℃时,钢中发生铁素体再结晶过程,形成了平均晶粒尺寸为720 nm的超细晶铁素体。随着回火温度的升高,超细晶马氏体钢的抗拉强度不断降低。位错密度的降低以及碳的固溶强化作用的减弱是温轧态钢强度降低的主要原因。与淬火态马氏体钢进行对比,研究发现温轧变形对回火过程中马氏体回复以及铁素体再结晶具有促进作用,因此700℃回火温轧态钢的强度和塑性均高于淬火态钢。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

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图 1-1 循环热处理示意图[26]Fig. 1-1 Schematic illustration of cyclic thermal treatment[26]在循环热处理过程中，奥氏体化温度、保温时间、加热速度和循环次数等响奥氏体晶粒的细化程度。奥氏体化温度升高以及保温时间延长都会促进的长大，从而降低晶粒的细化程度。同时，循环热处理工艺要求钢在加热中具有非常快的加热和冷却速度。加热速度缓慢时，钢在两相区停留时间两相区生成的奥氏体晶粒粗化，不利于整体奥氏体晶粒的细化。冷却速度较高温下进行长时间的待温，使得细化的奥氏体晶粒长大。因此，循环热处热设备也有一定的要求，一般选择电加热和盐浴加热，而普通的马弗炉加到理想的效果。随着循环次数的增加，奥氏体晶粒不断细化，当循环次数，晶粒细化效果不再明显。Shibata 等人[29]的研究表明，在第一次循环处氏体晶粒细化最明显，经 3-4 次循环处理后晶粒细化达到最佳效果，而后理也会细化晶粒，但所产生的效果微乎其微。图 1-2 所示的是奥氏体循环热处理过程中的晶粒细化示意图[30]。从图中

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上海交通大学博士论文第一章绪论数增加，奥氏体晶粒的形核位置不断减少，使得晶粒细化程度降低。同时，当奥氏体晶粒细化到一定程度，由再结晶过程引起的晶粒细化效果被高温下晶粒的长大作用抵消，因此随着循环次数增加，奥氏体晶粒将不再得到细化。循环热处理工艺可显著地细化奥氏体晶粒和相变后的马氏体组织，但由于工艺条件限制，只能应用于尺寸较小的试样，不利于大规模的工业生产。

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上海交通大学博士论文第一章绪论体化处理即可达到理想的晶粒细化效果。奥氏体晶粒的细化程度与初始组织的选择有关。相比铁素体、珠光体和贝氏体，马氏体具有更加细小的组织结构和更多的缺陷对奥氏体晶粒的细化作用更加明显，因此低温形变热处理工艺通常选择马氏体作为起始组织。奥氏体晶粒的细化程度与初始组织的变形程度有关。变形程度越大，钢中的位错和晶界密度越高，从而为奥氏体再结晶提供更多的形核位置，促进奥氏体晶粒的细化。Tokizane 等[32]研究了变形马氏体在加热过程中的组织演变情况，发现钢中除了马氏体回复过程，还伴随着铁素体的再结晶行为。研究结果表明，对于未变形的马氏体，奥氏体倾向于在马氏体中的大角度晶界处形核；而对于变形马氏体，奥氏体同时在再结晶铁素体的晶界和马氏体组织中形核。因此，随着变形量的增大，由于再结晶铁素体数量的增多和马氏体组织的细化，奥氏体的形核位置增加，导致晶粒细化程度提高。研究还表明，由于能量的提高，变形能够加速奥氏体的再结晶进程，促进钢在短时间内形成大量的奥氏体晶粒。

【参考文献】