电脉冲处理对富铜纳米相强化钢组织结构及力学性能的影响

发布时间：2020-04-09 15:47

【摘要】：富铜纳米相强化钢是在高强度低合金钢的研究基础上发展而来,在优化的处理工艺下,通过对纳米相析出和基体相的控制,可以使其获得超高的强度,同时保持良好的塑性。电脉冲处理作为一种新型的材料加工处理技术,具有高效节能,环保节时等特点。在对金属材料施加电脉冲时,由于多种物理效应耦合作用,使其有不同于常规热处理作用效果,能够明显改善材料的组织及性能。本文研究了电脉冲时长、频率、电流密度和轧制变形量对冷轧态富铜纳米相强化钢显微结构和力学性能的影响,对电脉冲处理试样位错密度和再结晶初始阶段展开研究,分析电脉冲作用机理,并与常规热处理进行对比。对冷轧40%的富铜纳米相强化钢试样。当固定频率为300Hz,电流密度为55-56A/mm~2时,进行不同时长的电脉冲处理,在电脉冲短时作用下即有纳米相析出,同时基体相组织保持原轧态形貌,试样处于回复阶段。当固定处理时长为15min,电流密度为55-56 A/mm~2时,进行不同频率的电脉冲处理,在300Hz和350Hz条件下,试样中组织保持原冷轧态形貌,在400Hz时,基体晶界处有细小的晶粒生成。与常规热处理相比,电脉冲处理降低了再结晶开始温度。不同时长和不同频率的电脉冲处理下试样宏观织构为{001}110、{111}110和{111}112。随时长的延长和频率的增加,{111}110织构转向更为稳定的{223}110织构,织构与常规热处理相似。对冷轧80%的试样,当固定频率为300Hz,处理时长为15min时,进行不同电流密度的电脉冲处理,随电流密度升高,试样组织逐步发生再结晶,电脉冲处理温度较高时,对组织的影响主要是焦耳热效应。不同轧制变形试样经过电脉冲处理后,在轧制变形量较大时,更易发生再结晶,与常规热处理相比,电脉冲处理获得的再结晶细小晶粒更多。在不同电脉冲处理条件下,试样中的组织与常规热处理相同,都为铁素体。在不同时长电脉冲处理下,随时间的延长,力学性能得以提升,当时长到20min时,抗拉强度达1297MPa,与原材料相比提升393MPa,与常规热处理相比,抗拉强度提升155MPa,主要是电脉冲处理后析出纳米相体积分数更高。在不同频率电脉冲处理下,随频率的升高,强度表现为先上升后下降的趋势。在不同电流密度的电脉冲处理下,电流密度越低时获得的力学性能越优异。当电流密度为41A/mm~2时,抗拉强度达1401MPa,与原材料相比,抗拉强度提升达524MPa,与常规热处理相比,抗拉强度提升达171MPa。电脉冲处理显著的降低等时长下时效峰值的温度,其主要原因在于电脉冲促进纳米相的析出及长大。对不同轧制变形的试样进行电脉冲处理,获得更低的屈强比,提升了材料的可靠性,同时有更高的加工硬化率,而常规热处理下变形量的改变并不会影响屈强比值。在强度较高或变形量较大时,拉伸试样中的断口出现分层现象。对电脉冲处理和常规热处理试样进行位错密度表征,发现电脉冲作用下试样的位错密度低于常规热处理,原因是在电脉冲处理过程中电子风力及电迁移的存在,能促进位错的运动。在不同频率的电脉冲处理下,在频率为400Hz时再结晶开始,与常规热处理相比,再结晶温度降低达65℃。在再结晶初始阶段,基体中晶粒以变形晶粒为主,试样中晶粒取向主要为[111]和[001]取向,新生再结晶小晶粒主要位于小角度晶界处,重合位置点阵以3晶界为主,在取向差分析中主要是小角度晶界角。微观织构以γ方向的织构为主,其再结晶行为与常规热处理再结晶初始阶段相似。同时,电脉冲处理能够促进再结晶的进程。
【图文】：

二元合金相图,铁铜,二元合金相图

第 1 章绪论富铜纳米相强化钢合金元素的设计中，综合考虑各元素的积极作用，低合金含降低了钢的成本，使该钢在应用上更具经济性，结合控轧控冷的加工技术及优时效条件，可以使钢获得优异的综合力学性能。.3 富铜纳米相强化钢中富铜纳米相的析出在不同的温度下，Cu 在 Fe 基体中的固溶度有较大的差异，图 1.1[19]是铁铜二图，从图中可知，在 800～900℃时，Cu 在 Fe 中固溶度的原子最高达 2.7%，降低，固溶度大幅下降。在 800～900℃温度范围内，，Cu 原子能大量的溶于 Fe从而形成过饱和固溶体，在较低温度范围内，固溶于基体的 Cu 发生分解，从Cu 沉淀相。

成分分布,纳米相,三维原子探针,表征技术

Cu 元素和 Ni、Mn、Al 等元素共析出，如图1.2 所示，这是一种受 Ni、Al、Mn 围绕的、富 Cu 粒子存在于核心处的、同时在 Fe 基的界面上的壳层结构。除了合金元素 Cu 外，在富铜纳米相强化钢中的合金元素对纳米相的析出也具有重要影响[26]。在 Isheim[27]等人的研究中，富铜纳米相的形成有形核和长大阶段，纳米相刚开始形核时，富铜纳米相强化钢中加入 Ni、Mn 等合金元素时会大量存在于纳米相中，随着时效时间的延长，纳米相长大，大量聚集于纳米相中和 Fe、Ni、Mn 等合金元素会逐渐排出减少，排出的合金元素偏聚在界面处，降低界面能。图 1.2 在三维原子探针表征技术下纳米相中的原子及成分分布图[7]
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1;TG661

【参考文献】