Ni、Al添加对Fe-Cu合金时效过程组织演变的影响
发布时间：2021-06-08 08:44
含铜钢由于其自身具有的优良的综合性能,使其应用领域不断扩大,被广泛应用于建筑用材、高压容器及输送管道、汽车、船舶、航空航天等各种行业。含铜钢在成分设计过程中,为了改善钢的强度过渡依赖碳含量的多少,从而大幅度减少碳的含量,主要依靠合金化、细晶强化、固溶强化与析出强化来提高钢材的性能,例如高强度、高韧性,以及优良的焊接性能和机械加工性能。本文选用添加Ni、Al元素的Fe-Cu合金为材料,在900℃固溶淬火后时效不同时间,通过力学性能测试、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）表征等手段,研究了Ni、Al元素对Fe-Cu合金时效过程组织演变的影响,并探讨了其对Fe-Cu合金强化的作用机理,得到以下结论:时效过程中,Fe-Cu合金组织始终为多边形铁素体;加入Ni、Al后变为板条马氏体组织,Ni、Al元素提高了钢的淬透性,细化板条马氏体的板条束尺寸。随着时效时间的增加,马氏体的板条结构开始分解,逐渐向多边形铁素体转变。Ni、Al元素的添加,使得合金的硬度明显提高,在时效过程中,材料的显微硬度随着时效时间有明显变化,具体呈现出先增加后减小的趋势,均在32min达到硬...
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu含量与强度之间的关系
内蒙古科技大学硕士学位论文—8—相析出并沿着奥氏体晶界扩散，削弱了钢中晶粒与晶粒之间的联系，在热加工的过程中，就会产生开裂现象，常见的铜脆缺陷是龟裂状或者麻点状成片分布[44,45]。如今，国内外解决铜脆现象是通过添加镍元素使得钢种在晶界处产生高熔点的铜镍化合物，防止富铜相的形成，从而解决铜脆问题[46,47]。黄绪传等人[48]通过研究不同的热轧温度和变形量对含铜钢表面热裂纹的影响，得出在1050℃~1210℃的温度区间内都不可避免的产生了热裂纹，而变形量对其的影响存在临界值，低于该临界值，热裂纹形成并不明显，高于该临界值，热裂纹显著增多。1.3.2合金元素的作用（1）Ni在钢中的作用Ni是高强度合金钢的重要元素，主要用于改善基体刚度和金属韧性，提高钢的韧性尤其是钢的低温韧性。Ni可以作为置换型固溶元素，通过自身产生的固溶强化作用可以增强机械性能并且改善金属的屈服强度。从图1.2可以看出，随着Ni含量的増加，钢的屈服强度增加（图1.2），屈服强度的增量约为15MPa/wt%，总的来看，Ni对强度的贡献非常有限的[49]。图1.2Ni含量对钢屈服强度的影响Ni元素既可以提高钢的强度，也可以保证钢的塑韧性[50]。当钢材中Ni%＜5%时，不仅可以提高钢的强度和硬度，还可以提高塑韧性，因此，为了保证钢材的良好性能，需要控制合金元素在一定合理范围内。Ni元素在α-Fe中的溶解度为10%，可成连续固溶体，因此可以在不破坏钢的塑韧性的同时大幅度提高钢的强度。Ni元素在钢中的影响主要体现在以下几个方面：（1）Ni元素可以扩大奥氏体区域，使共析温度降低，增加基体组织中珠光体的数量，使
内蒙古科技大学硕士学位论文—13—1.4含铜钢的析出理论1.4.1含铜钢中Cu的析出贯序含铜钢基体力学性能的提高主要是利用纳米级富Cu相的析出强化实现。在热处理过程中，由于Cu元素在铁素体中的溶解度低，Cu在等温时效过程中析出形成与-Fe具有共格关系G.P.原子富集区，呈BCC结构，然后逐渐形核并长大，固溶处理后的Cu富集区的有序畴为Cu的析出沉淀创造了有利条件[75,76]。徐刚等人[77]通过原子探针层析方法研究了RPV模拟钢中纳米富Cu相的析出过程和晶体结构演变，结果表明，富Cu析出相和-Fe基体保持共格的BCC结构，Ni位于富Cu析出相与基体的界面处，随着时效时间延长，偏聚区随之增加，内应力也相对增加。随着时效的进行，Cu原子不断扩散富集，逐渐转变为Cu颗粒，随着时间的延长，Cu颗粒发生长大。bcc结构的富Cu偏聚区逐渐长大，富Cu析出相的应变能升高，此时析出相结构由bcc结构转变为9R结构的中间亚稳过渡相。有研究发现，等温时效到达一定时间会形成类似“鱼骨”状的9R堆垛层错亚结构，利用HREM观察表明，析出相具有典型的孪晶或者层错结构特征，BCC结构的Cu析出相与9RCu析出相具有相同的“鱼骨”结构[78]。图1.3堆垛层错结构的9RCu析出相9R结构中原子的密排方式为ABC/BCA/CAB/ABC/……，与基体失去共格关系，但保持K-S取向关系：(011)bcc//(114)9R（式1.1）[111]bcc//[110]9R（式1.2）
【参考文献】：
期刊论文
[1]低碳低合金钢中纳米富Cu相的析出特征[J]. 解辉,王伟. 金属热处理. 2018(02)
[2]高强度建筑钢筋质量分析及标准修改建议[J]. 杨才福,陈雪慧,王瑞珍. 钢铁. 2017(10)
[3]含铜钢的研究现状及展望[J]. 马涛,杨桂宇,邓美乐,李运刚. 热加工工艺. 2017(02)
[4]镍铜质量比和硅含量对海洋环境用耐候钢电化学腐蚀行为的影响[J]. 周学俊,黄峰,王晶晶,陈江风. 腐蚀与防护. 2016(10)
[5]时效温度对含铜沉淀硬化钢显微组织的影响[J]. 吕先松,袁晓敏,刘慧. 热处理. 2016(03)
[6]Mn对钢中富Cu相和NiAl相复合析出过程的影响[J]. 沈琴,王晓姣,赵安宇,何益锋,方旭磊,马佳荣,刘文庆. 金属学报. 2016(05)
[7]高强度低合金钢（HSLA）的研究进展[J]. 张中武. 中国材料进展. 2016(02)
[8]345MPa级耐候钢中Ni对Cu富集行为的影响[J]. 陈爱华,岳重祥,吴圣杰,李化龙. 金属热处理. 2015(02)
[9]稀土La对bcc-Fe中Cu扩散行为影响的第一性原理研究[J]. 高雪云,王海燕,李春龙,任慧平,李德超,刘宗昌. 物理学报. 2014(24)
[10]Influence of Ni on Cu precipitation in Fe Cu Ni ternary alloy by an atomic study[J]. 朱露珊,赵世金. Chinese Physics B. 2014(06)
博士论文
[1]耐火钢中Mo的强化机理及其替代研究[D]. 万荣春.上海交通大学 2012
[2]热时效对RPV模拟钢的微结构与冲击性能的影响[D]. 徐刚.上海大学 2012
硕士论文
[1]Al元素对轻质高强Fe-Mn-Al钢组织及力学性能的影响及其作用机理[D]. 王力.兰州理工大学 2016
[2]低合金铁素体钢中富Cu析出相结构演化研究[D]. 陈柏林.上海工程技术大学 2016
[3]含铜钢氧化过程中铜的富集行为研究[D]. 曹桐赫.辽宁科技大学 2015
[4]Ni含量对Cu沉淀强化钢组织与性能的影响[D]. 陈刚.昆明理工大学 2015
[5]9NiCrMo钢特厚板组织与性能的研究[D]. 李珊珊.昆明理工大学 2015
[6]Fe-Cu合金中Cu析出的研究[D]. 曹悦.清华大学 2011
[7]高强度含铜钢焊接热影响区组织与性能研究[D]. 陈伟东.燕山大学 2010
[8]Ni含量对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢组织与性能的影响[D]. 王剑星.重庆大学 2010
[9]新型Fe-Cr-Mo-V-Nb系热强耐蚀钢的成分设计与组织控制[D]. 苗伟.哈尔滨工业大学 2009
[10]含铜高纯钢中铜的沉淀规律的研究[D]. 郭凤莲.内蒙古科技大学 2007
本文编号：3218079
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu含量与强度之间的关系
内蒙古科技大学硕士学位论文—8—相析出并沿着奥氏体晶界扩散，削弱了钢中晶粒与晶粒之间的联系，在热加工的过程中，就会产生开裂现象，常见的铜脆缺陷是龟裂状或者麻点状成片分布[44,45]。如今，国内外解决铜脆现象是通过添加镍元素使得钢种在晶界处产生高熔点的铜镍化合物，防止富铜相的形成，从而解决铜脆问题[46,47]。黄绪传等人[48]通过研究不同的热轧温度和变形量对含铜钢表面热裂纹的影响，得出在1050℃~1210℃的温度区间内都不可避免的产生了热裂纹，而变形量对其的影响存在临界值，低于该临界值，热裂纹形成并不明显，高于该临界值，热裂纹显著增多。1.3.2合金元素的作用（1）Ni在钢中的作用Ni是高强度合金钢的重要元素，主要用于改善基体刚度和金属韧性，提高钢的韧性尤其是钢的低温韧性。Ni可以作为置换型固溶元素，通过自身产生的固溶强化作用可以增强机械性能并且改善金属的屈服强度。从图1.2可以看出，随着Ni含量的増加，钢的屈服强度增加（图1.2），屈服强度的增量约为15MPa/wt%，总的来看，Ni对强度的贡献非常有限的[49]。图1.2Ni含量对钢屈服强度的影响Ni元素既可以提高钢的强度，也可以保证钢的塑韧性[50]。当钢材中Ni%＜5%时，不仅可以提高钢的强度和硬度，还可以提高塑韧性，因此，为了保证钢材的良好性能，需要控制合金元素在一定合理范围内。Ni元素在α-Fe中的溶解度为10%，可成连续固溶体，因此可以在不破坏钢的塑韧性的同时大幅度提高钢的强度。Ni元素在钢中的影响主要体现在以下几个方面：（1）Ni元素可以扩大奥氏体区域，使共析温度降低，增加基体组织中珠光体的数量，使
内蒙古科技大学硕士学位论文—13—1.4含铜钢的析出理论1.4.1含铜钢中Cu的析出贯序含铜钢基体力学性能的提高主要是利用纳米级富Cu相的析出强化实现。在热处理过程中，由于Cu元素在铁素体中的溶解度低，Cu在等温时效过程中析出形成与-Fe具有共格关系G.P.原子富集区，呈BCC结构，然后逐渐形核并长大，固溶处理后的Cu富集区的有序畴为Cu的析出沉淀创造了有利条件[75,76]。徐刚等人[77]通过原子探针层析方法研究了RPV模拟钢中纳米富Cu相的析出过程和晶体结构演变，结果表明，富Cu析出相和-Fe基体保持共格的BCC结构，Ni位于富Cu析出相与基体的界面处，随着时效时间延长，偏聚区随之增加，内应力也相对增加。随着时效的进行，Cu原子不断扩散富集，逐渐转变为Cu颗粒，随着时间的延长，Cu颗粒发生长大。bcc结构的富Cu偏聚区逐渐长大，富Cu析出相的应变能升高，此时析出相结构由bcc结构转变为9R结构的中间亚稳过渡相。有研究发现，等温时效到达一定时间会形成类似“鱼骨”状的9R堆垛层错亚结构，利用HREM观察表明，析出相具有典型的孪晶或者层错结构特征，BCC结构的Cu析出相与9RCu析出相具有相同的“鱼骨”结构[78]。图1.3堆垛层错结构的9RCu析出相9R结构中原子的密排方式为ABC/BCA/CAB/ABC/……，与基体失去共格关系，但保持K-S取向关系：(011)bcc//(114)9R（式1.1）[111]bcc//[110]9R（式1.2）
【参考文献】：
期刊论文
[1]低碳低合金钢中纳米富Cu相的析出特征[J]. 解辉,王伟. 金属热处理. 2018(02)
[2]高强度建筑钢筋质量分析及标准修改建议[J]. 杨才福,陈雪慧,王瑞珍. 钢铁. 2017(10)
[3]含铜钢的研究现状及展望[J]. 马涛,杨桂宇,邓美乐,李运刚. 热加工工艺. 2017(02)
[4]镍铜质量比和硅含量对海洋环境用耐候钢电化学腐蚀行为的影响[J]. 周学俊,黄峰,王晶晶,陈江风. 腐蚀与防护. 2016(10)
[5]时效温度对含铜沉淀硬化钢显微组织的影响[J]. 吕先松,袁晓敏,刘慧. 热处理. 2016(03)
[6]Mn对钢中富Cu相和NiAl相复合析出过程的影响[J]. 沈琴,王晓姣,赵安宇,何益锋,方旭磊,马佳荣,刘文庆. 金属学报. 2016(05)
[7]高强度低合金钢（HSLA）的研究进展[J]. 张中武. 中国材料进展. 2016(02)
[8]345MPa级耐候钢中Ni对Cu富集行为的影响[J]. 陈爱华,岳重祥,吴圣杰,李化龙. 金属热处理. 2015(02)
[9]稀土La对bcc-Fe中Cu扩散行为影响的第一性原理研究[J]. 高雪云,王海燕,李春龙,任慧平,李德超,刘宗昌. 物理学报. 2014(24)
[10]Influence of Ni on Cu precipitation in Fe Cu Ni ternary alloy by an atomic study[J]. 朱露珊,赵世金. Chinese Physics B. 2014(06)
博士论文
[1]耐火钢中Mo的强化机理及其替代研究[D]. 万荣春.上海交通大学 2012
[2]热时效对RPV模拟钢的微结构与冲击性能的影响[D]. 徐刚.上海大学 2012
硕士论文
[1]Al元素对轻质高强Fe-Mn-Al钢组织及力学性能的影响及其作用机理[D]. 王力.兰州理工大学 2016
[2]低合金铁素体钢中富Cu析出相结构演化研究[D]. 陈柏林.上海工程技术大学 2016
[3]含铜钢氧化过程中铜的富集行为研究[D]. 曹桐赫.辽宁科技大学 2015
[4]Ni含量对Cu沉淀强化钢组织与性能的影响[D]. 陈刚.昆明理工大学 2015
[5]9NiCrMo钢特厚板组织与性能的研究[D]. 李珊珊.昆明理工大学 2015
[6]Fe-Cu合金中Cu析出的研究[D]. 曹悦.清华大学 2011
[7]高强度含铜钢焊接热影响区组织与性能研究[D]. 陈伟东.燕山大学 2010
[8]Ni含量对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢组织与性能的影响[D]. 王剑星.重庆大学 2010
[9]新型Fe-Cr-Mo-V-Nb系热强耐蚀钢的成分设计与组织控制[D]. 苗伟.哈尔滨工业大学 2009
[10]含铜高纯钢中铜的沉淀规律的研究[D]. 郭凤莲.内蒙古科技大学 2007
本文编号：3218079
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