鋼錠開坯過程中碳化物偏析缺陷演化規(guī)律的研究.pdf

1、大型鍛件機加工和熱處理后作為大型成套設備的核心零部件,廣泛應用于冶金、電力、造船、石化、核能、航空航天和國防軍工等領域。該類零件通常工況惡劣、負載大、安全可靠性要求高,因此質量要求極為嚴格。然而,鋼鐵冶金過程決定了大型鍛件的坯料——鑄錠,內部不可避免地存在各類缺陷,如空洞、偏析和夾雜等。對于高碳高合金鋼鑄錠,由于碳及合金元素含量較高,碳化物偏析缺陷尤為顯著。偏析的存在破壞了金屬內部組織的連續(xù)性,容易形成應力集中或裂紋損傷,導致鍛件壽命縮

2、短或服役期內失效。因此,深入認識碳化物偏析演化規(guī)律,探索打碎碳化物的熱變形條件,將有助于提高大型鍛件的內在質量,促進鍛造工藝的制定由經驗走向科學,對我國的大型鑄鍛件產業(yè)發(fā)展有著重要的意義。
　　 本文對鋼錠中碳化物偏析缺陷在熱加工過程中的演化機理進行了系統(tǒng)的探討,主要研究成果如下:
　　 一、分析了測定材料本構關系的單道次熱壓縮實驗中的誤差來源,提出了一種減小實驗系統(tǒng)誤差、優(yōu)化流動應力曲線的迭代方法,為大型鍛件成形工藝模

3、擬奠定了基礎。
　　 在測定材料本構關系的熱壓縮實驗過程中,由于系統(tǒng)誤差的存在,試樣不可避免的出現(xiàn)鼓形,所以試樣內部的應變和應力分布都是不均勻的,由此測得的流動應力曲線精度有限?；诙嗣婺Σ恋男拚m然可以顯著改善實驗結果,但實際情況下誤差來源廣泛,僅考慮單因素影響,無法全面的提高數據精度?；诖朔治?本文綜合考慮了端面摩擦和溫度梯度兩種因素的影響,提出了一種改進的迭代修正方法,該方法使用平均等效應變的概念,利用有限元法模擬材料壓

4、縮過程得到的載荷一行程數據對實測數據進行修正。以AISI M2高速工具鋼為例的應用表明:所提出的修正方法可以同時有效地消除諸如摩擦和溫度梯度等系統(tǒng)誤差的影響,獲得高精度的材料流變應力本構關系數據。
　　 二、研究了碳化物形貌和分布對材料的高溫力學性能和再結晶行為的影響,總結了熱變形及微觀組織參數的變化規(guī)律,并分析了碳化物形貌對高溫變形和微觀組織影響的機制。
　　 選取了鑄態(tài),退火態(tài)和鍛態(tài)三種不同碳化物偏析程度的AISI

5、M2高速工具鋼進行熱壓縮試驗和金相分析,求解了三類材料的熱成形參數,比較了其碳化物組成、分布和尺寸。研究結果表明;隨著變形溫度上升或應變速率下降,峰值應力和應變均為減小趨勢。在低溫階段,鍛態(tài)材料的流變應力始終最大,退火態(tài)的最小;中高溫階段,變形量較小時,鑄態(tài)材料流變應力最大,當變形量超過一定范圍,鍛態(tài)流變應力較大,退火態(tài)的依然最小。鋼錠在開坯及成形過程中,經歷了鑄態(tài)→退火態(tài)→鍛態(tài)等微觀組織變遷,分別對應不同的碳化物形貌。由于鑄態(tài)和鍛態(tài)材

6、料中碳化物分布較退火態(tài)均勻,較多的晶內碳化物顆粒起到釘扎位錯作用,造成其基體熱強度較大;較多的晶界碳化物阻礙晶界遷移,從而延遲了再結晶的發(fā)生。此外,推導了考慮碳化物差異的材料高溫流動應力本構模型和微觀組織演化模型,并用于鋼錠開坯工藝的數值模擬研究。
　　 三、研究了熱鍛過程中碳化物網的破裂機制,推導了碳化物網斷裂應變模型,通過熱變形解理機制系統(tǒng)地解釋了碳化物粒化行為。
　　 基于物理試驗和數值模擬,將微觀組織與高溫力學參

7、量進行映射對比,確定了網狀碳化物破裂率與熱變形參數的定量關系,建立了碳化物網斷裂應變模型,闡明了碳化物網的高溫力學破壞機制。研究結果表明:當應變量較小時,碳化物網絡始終存在;當應變量超過斷裂應變量后,萊氏體網被完全打碎;當應變量繼續(xù)增加時,碎化產物會保持一個穩(wěn)定形狀和尺寸與基體協(xié)調變形。較高的溫度或較低的應變速率導致斷裂應變的降低。
　　 四、研究了高溫保溫過程中鋼錠內部共晶碳化物偏析的分解、球化與長大行為,提出了碳化物演化速率

8、模型,并比較了與熱壓縮過程中演化機理的差異。
　　 以鑄態(tài)AISI M2高速工具鋼為例,通過熱處理試驗和金相分析發(fā)現(xiàn),鋼中亞穩(wěn)態(tài)M2C碳化物受熱后快速分解為MC和M6C碳化物,其形態(tài)由退火前的棒狀或纖維狀轉變?yōu)橥嘶鸷蟮那驁F狀或塊狀?；谏鲜鰧嶒炁c理論分析,建立了碳化物演化速率理論模型,涵蓋了棒狀碳化物球化、球化產物長大和二次碳化物溶解與析出過程。演化模型為探索鋼錠高溫滯留過程中內部偏析型缺陷的演化規(guī)律提供了定量的研究方法。不同處