超級(jí)貝氏體鋼相變動(dòng)力學(xué)及力學(xué)穩(wěn)定化機(jī)理研究.pdf

1、超級(jí)貝氏體鋼是依據(jù)超細(xì)晶粒鋼理論和組織調(diào)控思想發(fā)展起來的新一代鋼鐵材料，具有超高的強(qiáng)度和優(yōu)良的韌塑性，但其低溫轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)決定了超長(zhǎng)的貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，不利于工業(yè)生產(chǎn)，因此，如何縮短低溫貝氏體相變時(shí)間是需要解決的主要問題;此外，為使超級(jí)貝氏體鋼兼具超高強(qiáng)度、高韌塑性，需要對(duì)超級(jí)貝氏體鋼中貝氏體組織和殘余奧氏體的微結(jié)構(gòu)（包括含量、形貌和分布等）進(jìn)行合理調(diào)控。因此，深入研究超級(jí)貝氏體鋼的相變規(guī)律，建立超細(xì)貝氏體組織的形成理論和調(diào)控技術(shù)，成為貝氏

2、體鋼領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。
　　本文以超級(jí)貝氏體鋼為研究對(duì)象，研究成分、熱處理工藝以及變形對(duì)超級(jí)貝氏體鋼相變、組織和性能的影響規(guī)律，尤其探索變形條件下貝氏體相變及奧氏體穩(wěn)定化規(guī)律，目的是闡明成分設(shè)計(jì)、加熱工藝和變形等對(duì)超級(jí)貝氏體鋼相變和組織性能的影響規(guī)律，揭示變形條件下奧氏體力學(xué)穩(wěn)定化機(jī)理，為超級(jí)貝氏體鋼微觀組織控制提供理論依據(jù)。主要研究了奧氏體化溫度、合金元素(添加Nb和Mo)和奧氏體預(yù)變形對(duì)貝氏體相變動(dòng)力學(xué)和組織性能影響;采用原

3、位觀察研究了奧氏體長(zhǎng)大和貝氏體相變動(dòng)態(tài)過程，采用熱模擬膨脹量法分析了等溫過程中貝氏體相變量和相變速度變化情況，采用高溫顯微鏡(LSCM)、OM、SEM、TEM等觀察了貝氏體相變后的組織形貌及分布;采用XRD技術(shù)分析了變形條件下殘余奧氏體數(shù)量變化情況。主要的研究結(jié)論如下:
　　(1)對(duì)于中碳超級(jí)貝氏體鋼(0.40C-2.0Si-2.8Mn-0.04Al)，當(dāng)奧氏體化溫度高于1100℃時(shí)，奧氏體晶粒會(huì)顯著長(zhǎng)大，發(fā)生粗化現(xiàn)象，奧氏體晶粒

4、長(zhǎng)大方式有三種，奧氏體晶界的遷移和擴(kuò)張長(zhǎng)大、多個(gè)晶粒合并成一個(gè)大晶粒長(zhǎng)大以及中間晶粒被周圍晶粒分割和吞并長(zhǎng)大，通過高溫顯微鏡觀察到奧氏體孿晶的動(dòng)態(tài)演變和貝氏體形核過程;此外，貝氏體鐵素體在長(zhǎng)大過程中由于取向方位不同，貝氏體板條之間會(huì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生“互鎖”現(xiàn)象，形成互鎖的貝氏體組織。
　　(2)提出通過熱模擬定量分析與高溫顯微鏡定性分析相結(jié)合的方法，研究加熱溫度對(duì)貝氏體相變和組織的影響規(guī)律，奧氏體化溫度越高，母相奧氏體晶粒尺寸越大，

5、貝氏體生長(zhǎng)限制少，得到的貝氏體束越細(xì)長(zhǎng);提高奧氏體化溫度可以加速初始貝氏體相變，縮短貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，大尺寸奧氏體晶粒有利于貝氏體長(zhǎng)大，促進(jìn)貝氏體相變量，高溫奧氏體化促進(jìn)貝氏體相變動(dòng)力學(xué)。
　　(3)合金元素Nb(～0.025wt.％）和Mo(～0.14wt.％)影響低碳(～0.22wt.％C）超細(xì)高強(qiáng)貝氏體鋼相變、組織和性能，Nb和Mo復(fù)合添加，Nb具有細(xì)晶強(qiáng)化的作用，Mo可以促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，具有相變強(qiáng)化的作用，但Nb細(xì)化晶粒以后

6、阻礙貝氏體相變，減弱了Mo對(duì)貝氏體相變的促進(jìn)作用，使復(fù)合添加Nb和Mo的強(qiáng)化效果與單獨(dú)添加Mo的效果類似;對(duì)于低碳貝氏體鋼，Mo添加明顯促進(jìn)了貝氏體轉(zhuǎn)變，可以使低碳鋼的強(qiáng)塑積達(dá)到24.3GPa％，強(qiáng)化效果要優(yōu)于Nb(19.0GPa％)。對(duì)于低碳高強(qiáng)貝氏體鋼成分設(shè)計(jì)，添加了一定量的Mo以后，可以考慮不要添加Nb。此外，對(duì)于采用連續(xù)冷卻工藝生產(chǎn)的低碳高強(qiáng)貝氏體鋼，強(qiáng)塑積隨Mo含量增加先增加后基本保持不變，板條貝氏體(LB)和馬氏體(M)組織

7、增加是Mo鋼強(qiáng)度增加的主要原因，在綜合性能滿足要求的前提下，可以考慮降低Mo添加量，對(duì)本文所研究低碳貝氏體鋼，Mo添加量可以控制在0.14 wt.％。
　　(4)奧氏體預(yù)變形對(duì)貝氏體相變的影響取決于變形溫度和變形程度，高溫(860℃)變形(25％、50％)總是阻礙貝氏體相變，且隨變形量的增大阻礙增強(qiáng)，最終貝氏體轉(zhuǎn)變量都要小于無變形;低溫大變形(300℃，50％)加速初始貝氏體相變，但減少最終貝氏體轉(zhuǎn)變量，而低溫小變形(300℃，2

8、5％)促進(jìn)貝氏體相變，為縮短無碳化物貝氏體鋼的生產(chǎn)時(shí)間提供了有效依據(jù);初步建立了變形條件下的貝氏體相變動(dòng)力學(xué)方程。
　　(5)對(duì)于中碳超級(jí)貝氏體鋼(0.40C-2.0Si-2.8Mn-0.04Al)，低溫(300℃)變形對(duì)貝氏體相變的促進(jìn)效果隨應(yīng)變量呈非線性變化，存在一個(gè)應(yīng)變(300℃，10％)使貝氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，貝氏體相變可以通過奧氏體預(yù)變形加速，但加速效果會(huì)因機(jī)械穩(wěn)定化作用增強(qiáng)而減弱，變形奧氏體最終貝氏體轉(zhuǎn)變量取決于加速

9、形核與長(zhǎng)大受阻兩方面綜合作用;提出峰值應(yīng)變(PVS)概念，當(dāng)變形量小于峰值應(yīng)變時(shí)，最終貝氏體體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變量的增加而增大，當(dāng)變形量大于峰值應(yīng)變時(shí)，最終貝氏體體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變量的增加而減小。
　　(6)關(guān)于變形溫度對(duì)峰值應(yīng)變(PVS)的影響規(guī)律，峰值應(yīng)變隨變形溫度增加而增大，且對(duì)應(yīng)的最大貝氏體轉(zhuǎn)變量減少;當(dāng)變形溫度一定時(shí)，長(zhǎng)大受阻的消極效應(yīng)隨應(yīng)變量增大快速增強(qiáng)，而形核促進(jìn)作用產(chǎn)生的積極效應(yīng)逐漸消退，當(dāng)兩者比率最大時(shí)，貝氏體量達(dá)到最大值

10、;此外，變形對(duì)貝氏體相變影響存在臨界應(yīng)變?chǔ)?，應(yīng)變小于ε0時(shí)，貝氏體量被促進(jìn)，超過ε0，貝氏體轉(zhuǎn)變量被抑制;
　　(7)關(guān)于變形對(duì)奧氏體力學(xué)穩(wěn)定化影響，當(dāng)應(yīng)變量較大時(shí)，變形產(chǎn)生的位錯(cuò)、晶界和亞晶界等缺陷會(huì)嚴(yán)重阻礙貝氏體束長(zhǎng)大，使貝氏體相變受阻，這是奧氏體發(fā)生力學(xué)穩(wěn)定化的主要原因;變形條件下的殘余奧氏體數(shù)量取決于等溫過程中貝氏體量和冷卻過程馬氏體轉(zhuǎn)變量綜合影響，雖然低溫小變形促進(jìn)貝氏體相變，使貝氏體量增加，但仍然有大量殘余奧氏體存在