共析鋼室溫大變形和時(shí)效過程相變研究.pdf

1、固態(tài)相變及形變是提高鋼鐵力學(xué)性能的重要手段，它們是開發(fā)超高強(qiáng)鋼的基礎(chǔ)。共析鋼被譽(yù)為天然的復(fù)合材料，具有高的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)室溫大變形后，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)5.7GPa，甚至比馬氏體時(shí)效鋼和形變熱處理鋼均高出～1GPa。大變形共析鋼是目前已知強(qiáng)度最高的鋼材，其高強(qiáng)度源自自身珠光體組織的超細(xì)化，半個(gè)世紀(jì)以來，眾多中外學(xué)者都對(duì)其極為關(guān)注并進(jìn)行了諸多探討，然而對(duì)于大變形后組織超細(xì)微化引起的相穩(wěn)定性問題、碳的分配以及時(shí)效過程一直都存在爭(zhēng)議。本文通過力學(xué)性

2、能測(cè)試，掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、三維原子探針(3DAP)、穆斯堡爾譜和內(nèi)耗等測(cè)試方法系統(tǒng)地研究了共析鋼在室溫拉拔、表面機(jī)械研磨大變形及時(shí)效過程中微觀組織的演化規(guī)律，探討了大變形條件下滲碳體相穩(wěn)定性問題及時(shí)效析出機(jī)制，獲得以下主要研究結(jié)果。 通過對(duì)拉拔大變形共析鋼在不同應(yīng)變量下的力學(xué)性能及微觀組織演化的研究表明，隨著應(yīng)變量增加，共析鋼抗拉強(qiáng)度以及名義屈服強(qiáng)度會(huì)隨之增加，珠光體層片細(xì)化并伴隨其中

3、滲碳體變形和晶體位向轉(zhuǎn)動(dòng)。晶體學(xué)計(jì)算表明，滲碳體在轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度后仍有足夠滑移系可開動(dòng)，以滿足形變的條件。由穆斯堡爾譜和3DAP測(cè)試研究結(jié)果可見，應(yīng)變量的增加導(dǎo)致了滲碳體分解量的增加，至真應(yīng)變?yōu)?.89時(shí)有約一半滲碳體分解，同時(shí)1.02at.％碳原子在高位錯(cuò)密度的鐵素體中過飽和存在，鐵素體/滲碳體界面在變形過程中演變?yōu)楦吣芰扛呷毕萁Y(jié)構(gòu)，約4.62at.％碳原子在界面處偏聚。 根據(jù)穆斯堡爾譜和3DAP實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究分析得到位錯(cuò)穿過具有

4、塑性變形能力的納米尺寸滲碳體片層，帶走滲碳體中碳原子。3DAP的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了在錳原子濃度高的地方對(duì)應(yīng)著碳原子和鐵原子的低濃度，說明錳可能促進(jìn)了滲碳體的分解。同時(shí)，通過對(duì)碳原子在界面偏聚熱力學(xué)以及鐵素體中位錯(cuò)飽和溶碳量分析，闡明了由于鐵素體中納米級(jí)亞晶界和高位錯(cuò)密度的存在導(dǎo)致滲碳體分解后碳原子在鐵素體中得以過飽和存在。 利用X射線衍射、透射電鏡測(cè)定以及背散射穆斯堡爾譜測(cè)定了經(jīng)過表面機(jī)械研磨(SMAT)的4＃(Fe-0.80wt

5、.％C-0.61wt.％Mn-0.28wt.％Si-0.15wt.％V)共析鋼表層微觀組織以及相結(jié)構(gòu)。研究表明：原始組織為層片狀鐵素體/滲碳體兩相組織的共析鋼經(jīng)過SMAT處理后，鐵素體晶粒由于位錯(cuò)產(chǎn)生和位錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)胞，然后位錯(cuò)胞分割晶粒使鐵素體細(xì)化至納米尺度，而滲碳體在強(qiáng)塑性變形下，片層彎曲、斷裂后分解成體心立方鐵素體及石墨。并證實(shí)在表面機(jī)械研磨大變形條件下室溫獲得了本來在高溫存在的面心立方奧氏體相。通過熱力學(xué)計(jì)算分析認(rèn)為，大量碳原

6、子在鐵素體中的過飽和存在以及經(jīng)SMAT處理后納米晶粒界面應(yīng)力，這兩個(gè)因素共同作用促使鐵素體在強(qiáng)變形條件下發(fā)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變的溫度降低，造成高溫奧氏體相在室溫形成。 對(duì)真應(yīng)變?yōu)?.89的拉拔大變形共析鋼在200℃～600℃時(shí)效1h后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。研究表明，隨著溫度的升高抗拉強(qiáng)度以及名義屈服強(qiáng)度先升高后降低，200℃時(shí)效能得到最大抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，而400℃時(shí)效可以獲得較平衡的強(qiáng)度和塑性綜合力學(xué)性能。通過透射電鏡觀察進(jìn)一步探討了

7、力學(xué)性能提高的內(nèi)在原因。研究表明，200℃時(shí)效過程中細(xì)小的ε碳化物在鐵素體與滲碳體界面處析出，其對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎作用導(dǎo)致了力學(xué)性能提高；而400℃時(shí)效過程中碳化物彌散析出后繼續(xù)長(zhǎng)大降低了材料強(qiáng)度，但仍在一定溫度范圍對(duì)晶界起釘扎作用，使鐵素體再結(jié)晶溫度提高，同時(shí)界面處位錯(cuò)密度的降低使內(nèi)應(yīng)力得到松弛，塑性得到相對(duì)提高。 通過研究真應(yīng)變?yōu)?.89的共析鋼在時(shí)效過程中電阻率的變化規(guī)律，分析了該鋼的時(shí)效動(dòng)力學(xué)過程。研究表明，時(shí)效過程分為兩

8、個(gè)階段：80℃(2～200℃(3600s)，電阻率隨著時(shí)效時(shí)間增加先增加后降低；200℃～298℃，電阻率隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而降低?；贘ohnson-Mehl-Avrami方程計(jì)算了各過程的時(shí)間常數(shù)以及表觀激活能。揭示了大變形共析鋼時(shí)效機(jī)制：由于大變形共析鋼微觀組織中鐵素體基體和鐵素體/滲碳體界面存在大量位錯(cuò)以及缺陷，大變形后獲得的過飽和鐵素體和高濃度界面偏聚碳為碳化物析出提供熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，而高能界面處為滲碳體晶粒形核提供有效形核位置，碳