共析鋼室溫大變形和時效過程相變研究.pdf

1、固態(tài)相變及形變是提高鋼鐵力學性能的重要手段，它們是開發(fā)超高強鋼的基礎。共析鋼被譽為天然的復合材料，具有高的抗拉強度，經室溫大變形后，其抗拉強度可達5.7GPa，甚至比馬氏體時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度最高的鋼材，其高強度源自自身珠光體組織的超細化，半個世紀以來，眾多中外學者都對其極為關注并進行了諸多探討，然而對于大變形后組織超細微化引起的相穩(wěn)定性問題、碳的分配以及時效過程一直都存在爭議。本文通過力學性

2、能測試，掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、三維原子探針(3DAP)、穆斯堡爾譜和內耗等測試方法系統(tǒng)地研究了共析鋼在室溫拉拔、表面機械研磨大變形及時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)定性問題及時效析出機制，獲得以下主要研究結果。 通過對拉拔大變形共析鋼在不同應變量下的力學性能及微觀組織演化的研究表明，隨著應變量增加，共析鋼抗拉強度以及名義屈服強度會隨之增加，珠光體層片細化并伴隨其中

3、滲碳體變形和晶體位向轉動。晶體學計算表明，滲碳體在轉動不同角度后仍有足夠滑移系可開動，以滿足形變的條件。由穆斯堡爾譜和3DAP測試研究結果可見，應變量的增加導致了滲碳體分解量的增加，至真應變?yōu)?.89時有約一半滲碳體分解，同時1.02at.％碳原子在高位錯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構，約4.62at.％碳原子在界面處偏聚。 根據穆斯堡爾譜和3DAP實驗結果研究分析得到位錯穿過具有

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的實驗進一步揭示了在錳原子濃度高的地方對應著碳原子和鐵原子的低濃度，說明錳可能促進了滲碳體的分解。同時，通過對碳原子在界面偏聚熱力學以及鐵素體中位錯飽和溶碳量分析，闡明了由于鐵素體中納米級亞晶界和高位錯密度的存在導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、透射電鏡測定以及背散射穆斯堡爾譜測定了經過表面機械研磨(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構。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過SMAT處理后，鐵素體晶粒由于位錯產生和位錯纏結形成位錯胞，然后位錯胞分割晶粒使鐵素體細化至納米尺度，而滲碳體在強塑性變形下，片層彎曲、斷裂后分解成體心立方鐵素體及石墨。并證實在表面機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。通過熱力學計算分析認為，大量碳原

6、子在鐵素體中的過飽和存在以及經SMAT處理后納米晶粒界面應力，這兩個因素共同作用促使鐵素體在強變形條件下發(fā)生奧氏體逆轉變的溫度降低，造成高溫奧氏體相在室溫形成。 對真應變?yōu)?.89的拉拔大變形共析鋼在200℃～600℃時效1h后進行力學性能測試。研究表明，隨著溫度的升高抗拉強度以及名義屈服強度先升高后降低，200℃時效能得到最大抗拉強度及屈服強度，而400℃時效可以獲得較平衡的強度和塑性綜合力學性能。通過透射電鏡觀察進一步探討了

7、力學性能提高的內在原因。研究表明，200℃時效過程中細小的ε碳化物在鐵素體與滲碳體界面處析出，其對可動位錯的釘扎作用導致了力學性能提高；而400℃時效過程中碳化物彌散析出后繼續(xù)長大降低了材料強度，但仍在一定溫度范圍對晶界起釘扎作用，使鐵素體再結晶溫度提高，同時界面處位錯密度的降低使內應力得到松弛，塑性得到相對提高。 通過研究真應變?yōu)?.89的共析鋼在時效過程中電阻率的變化規(guī)律，分析了該鋼的時效動力學過程。研究表明，時效過程分為兩

8、個階段：80℃(2～200℃(3600s)，電阻率隨著時效時間增加先增加后降低；200℃～298℃，電阻率隨時效時間延長而降低?；贘ohnson-Mehl-Avrami方程計算了各過程的時間常數以及表觀激活能。揭示了大變形共析鋼時效機制：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驅動力，而高能界面處為滲碳體晶粒形核提供有效形核位置，碳