脉冲电流处理碳钢组织细化、强化及逆相变机理研究

发布时间：2019-11-21 14:56

【摘要】：钢材仍然是21世纪广泛使用的结构材料，但其他结构材料的崛起，使钢材面临更严峻的市场竞争。能源危机和环境问题迫使钢铁生产向低能耗、低资源消耗和短工艺流程发展。为了达到减重和更高安全等级的要求，钢材必须具有更好的强韧性，同时兼顾改善其他使用性能。因此，寻找低能耗、低资源消耗和具有显著组织强韧化效果的新工艺具有重要意义。在材料强化机制中，晶粒细化不仅可同时提高材料强度和韧性，还有利于改善其他使用性能。开发新的晶粒细化方法和研究相应的细化机理一直以来都受到广泛重视。发展至今，晶粒超细化已成为材料研究领域的热点之一。从发现电致塑性效应开始，脉冲电流在材料制备领域受到越来越多的关注。作为一种瞬时高能量输入方法，脉冲电流直接把能量作用在金属材料晶格上，使材料组织在短时间内发生变化。受高密度电流脉冲产生的电子风冲击、电迁移等物理效应的作用，脉冲电流对金属材料扩散、相变和再结晶等行为具有显著影响。但鲜有研究者尝试用脉冲电流超细化碳钢组织。作为一种极端非平衡处理工艺，脉冲电流影响下的碳钢组织相变机理、细化机理还不清楚。因此研究脉冲电流作用下钢的组织细化效果、相变及细化机理，对于挖掘钢材性能，寻找新的节能、高效的组织强韧化工艺具有重要意义。本文通过对不同成分、不同初始组织的钢材进行电脉冲处理，结合不同冷却方法，研究了奥氏体晶粒、马氏体、铁素体/珠光体的细化效果，以及细化后钢的力学性能；对比传统热处理条件下马氏体的逆相变过程，研究了电脉冲处理马氏体逆相变机理；结合实验结果与理论，分析了脉冲电流的细化机制。本文主要得出以下结论：（1）低碳钢铁素体/珠光体初始组织经过电脉冲奥氏体化淬火处理后，原奥氏体晶粒从150μm细化到20μm，马氏体组织细化。抗拉强度从1220MPa提高到1400MPa，延伸率没有下降。中碳钢经过脉冲电流奥氏体化淬火处理后，奥氏体晶粒从22μm细化到6μm。马氏体板条平均宽度从414nm降低到179nm。硬度从49HRC提高到56.3HRC。抗拉强度从传统热处理的1616MPa提高到2000MPa，并且保持了11.5%的断裂延伸率，使钢材具有较好的强度-延伸率匹配。随着脉冲电流处理峰值温度提高，奥氏体晶粒粗化，导致硬度、抗拉强度以及延伸率逐渐下降。合金钢40Cr回火索氏体组织经过电脉冲奥氏体化淬火处理后，奥氏体晶粒发生超细化，平均晶粒尺寸达到3μm，马氏体组织细化。提高脉冲电流处理峰值温度，奥氏体晶粒迅速长大，并且长大速率呈现出随电流密度增大而提高的趋势。介稳奥氏体锰钢马氏体组织经过电脉冲处理后，逆变再结晶奥氏体细化了10倍。细化后的奥氏体组织抗拉强度和延伸率提高，具有更好的加工硬化能力。（2）通过电脉冲处理冷轧板条马氏体组织，实现快速再结晶，使铁素体晶粒超细化。再结晶等轴铁素体晶粒平均尺寸为1μm，部分铁素体晶粒内部仍含有大量位错，无碳化物析出。与热轧组织相比，快速再结晶超细化铁素体组织的抗拉强度从530MPa提高到941MPa，并具有15%的均匀延伸率和21%的断裂延伸率。随再结晶温度提高，铁素体晶粒粗化，强度降到648MPa，但断裂延伸率提高到32.5%。超细铁素体晶粒组织拉伸断口韧窝更细密。（3）脉冲电流细化钢的奥氏体晶粒是高密度电流脉冲热效应和非热效应的耦合作用。电流的焦耳热效应使试样温度以3.8×104K/s升高到Ac3以上，保证了奥氏体相变的热力学驱动力。脉冲电流的非热效应促进碳原子扩散，使奥氏体化过程在瞬时完成。脉冲电流的非热效应降低α→γ转变时奥氏体形核热力学势垒，使奥氏体形核率为传统热处理条件下的数十倍。在快速冷却有效抑制奥氏体晶粒长大的作用下，最终可实现奥氏体晶粒超细化。（4）对比介稳奥氏体锰钢马氏体试样传统热处理和电脉冲处理时组织变化发现，电脉冲处理马氏体逆相变机制为位移型逆相变。传统热处理过程中，介稳奥氏体锰钢马氏体和残余奥氏体发生分解，导致铁素体相出现，珠光体结在奥氏体晶界处形成。随温度变化，碳化物经历了先析出后溶解的过程。逆变奥氏体优先在回火马氏体针簇中心形核，新形成的奥氏体为等轴晶粒。马氏体的整个逆相变过程为α′→α+Fe3C→γ扩散型相变过程。电脉冲处理介稳奥氏体锰钢马氏体试样逆相变过程没有发生回火反应和残余奥氏体分解。整个升温过程α相和γ相都处于碳原子过饱和固溶状态，直到逆相变开始时发生α′→γ转变。逆变奥氏体为含有高密度位错的针状相。奥氏体逆相变完成后，针状奥氏体发生再结晶，形成细小等轴奥氏体晶粒。α′→γ相变导致表面效应的产生。电脉冲处理介稳奥氏体锰钢马氏体逆相变机制为α′→γ位移型相变，奥氏体细化机制为位移型逆变奥氏体再结晶细化。综上所述，本研究证明了钢材经过脉冲电流处理，可实现显微组织细化、甚至超细化，抗拉强度大幅度提高，同时兼有良好的延伸率。马氏体相在电脉冲处理过程的奥氏体化机制为位移型逆相变。以奥氏体分解组织作为初始组织时，细化机制是脉冲电流促进α+Fe3C→γ相变过程中奥氏体形核；以马氏体作为初始组织时，细化机制则是脉冲电流所致α′→γ位移型逆变奥氏体再结晶细化。把传统板条马氏体冷轧与电脉冲再结晶相结合，可成为一种快速、高效制备超细铁素体晶粒的方法。
【图文】：

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吉林大学博士学位论文根据楔形最宽处作为浇注温度计算标准，在浇包内放入钛铁晶粒细化剂，颗粒平均入。同时放入纯铝丝脱氧，加入比例为合轮上进行表面打磨，然后使用电火花线3的平板，如图 2.1 所示。将平板放入真空热到 1050℃，保温 30min 后快速水冷，得试样，，经过 600 目砂纸磨光表面，放入液氮最终得到 40×10×2mm3的固溶+深冷态试样

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第二章实验方法卡后电极不变形或不受损伤。脉冲电流放电时间和电流密电脑软件控制。脉冲电流放电前，试样夹持在电极上，夹预紧螺栓使试样与电极紧密贴合。然后通过软件设置放电软件的开始按钮实施电脉冲处理。为了监测处理过程中试试样中间表面焊上 K 型热电偶丝。电偶丝另一端连接快速了保证试样放电处理完成后的淬火效果，自制冷却喷头，为 5mm。淬火介质根据处理材质作相应调整。当采用水淬接自来水。当采用油淬时，淬火油装在密封钢灌中，利用。脉冲电流放电结束时，立即打开冷却喷头控制阀，淬火，直到试样冷却到室温，关闭控制阀。整个处理系统示意
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1;TG661

【参考文献】