超快速冷卻條件下碳素結(jié)構(gòu)鋼中滲碳體的納米化及球化行為的研究.pdf

1、隨著全球環(huán)境的惡化和資源危機(jī)的出現(xiàn)，鋼鐵行業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在合金成本升高和企業(yè)利潤(rùn)大幅下滑之間的矛盾，為此需要減少鋼鐵產(chǎn)品中微合金元素的添加量，以滿(mǎn)足降低生產(chǎn)成本和節(jié)約合金資源的發(fā)展要求。滲碳體作為鋼鐵中最為經(jīng)濟(jì)和重要的第二相，逐漸在鋼鐵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中引起了廣泛的關(guān)注。一方面，若能有效地將滲碳體細(xì)化到數(shù)十納米的尺寸，則可以產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化效果，起到和微合金碳氮化物一樣的強(qiáng)化作用，達(dá)到降低鋼中微合金元素含量的同時(shí)

2、又能提高鋼材強(qiáng)度的目的。另一方面，通過(guò)熱處理工藝控制滲碳體的形態(tài)，在組織中實(shí)現(xiàn)滲碳體的均勻球化，可以顯著提高材料的塑性和成形性，改善鋼材的綜合性能。
　　由于在傳統(tǒng)的碳素鋼生產(chǎn)工藝中，在平衡或者近似平衡的冷卻條件下，滲碳體通常以珠光體片層的形式析出，無(wú)法形成納米級(jí)顆粒，并且在熱軋后的高溫條件下很容易粗化長(zhǎng)大。因此，本文利用超快速冷卻(UFC)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)線(xiàn)上冷卻能力不足的制約，通過(guò)提高熱軋后的冷卻速度使?jié)B碳體在非平衡狀

3、態(tài)下析出，在開(kāi)展的薄板坯熱軋實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了滲碳體的納米級(jí)析出，產(chǎn)生了明顯的析出強(qiáng)化效果。此外，通過(guò)超快速冷卻技術(shù)和軋后退火工藝，實(shí)現(xiàn)了球化滲碳體在鐵索體基體上細(xì)小彌散的分布，顯著提高了實(shí)驗(yàn)鋼的擴(kuò)孔性能。
　　本文的主要工作及創(chuàng)新研究成果如下：
　　(1)在MMS-300熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)實(shí)驗(yàn)用碳素鋼進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究了過(guò)冷奧氏體在連續(xù)冷卻條件下的相變行為，通過(guò)組織觀察和熱膨脹法測(cè)定了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)，并分析了碳含量、高溫變形和

4、冷卻速率等因素的影響。結(jié)果表明:過(guò)冷奧氏體相變的起始溫度隨著冷卻速率和鋼中碳含量的增加逐漸降低;高溫變形可以促進(jìn)鐵素體相變，并且細(xì)化晶粒;隨著冷卻速率的增加，組織中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)明顯減少，組織由鐵素體和珠光體兩相組織逐漸過(guò)渡到鐵素體、珠光體和貝氏體三相組織，最終轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和貝氏體兩相組織。
　　(2)利用超快速冷卻技術(shù)，通過(guò)控制軋后冷卻溫度，研究了四種不同碳含量的亞共析鋼熱軋后組織中滲碳體的析出行為和強(qiáng)化機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在

5、超快速冷卻條件下，0.04％C和0.5％C實(shí)驗(yàn)鋼的主要強(qiáng)化方式分別是細(xì)化晶粒和細(xì)化珠光體片層間距，無(wú)納米級(jí)滲碳體顆粒析出，而0.17％C和0.33％C實(shí)驗(yàn)鋼的組織中則有大量彌散的納米級(jí)滲碳體析出，顆粒平均直徑大約為20～30nm。通過(guò)超快速冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在無(wú)微合金元素添加的條件下滲碳體的納米級(jí)析出。隨著超快速冷卻終冷溫度的降低，實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都逐漸增加，當(dāng)超快速冷卻的終冷溫度從890℃下降到600℃時(shí)，0.04％C、0.17

6、％C、0.33％C和0.5％C鋼的屈服強(qiáng)度分別提高了30MPa、110MPa、120MPa和130MPa。因此，超快速冷卻技術(shù)有利于提高實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度，并且強(qiáng)化效果隨碳含量的增加更加顯著。
　　(3)根據(jù)KRC和LFG模型提出的Fe-C合金的奧氏體相變機(jī)制，系統(tǒng)地計(jì)算了過(guò)冷奧氏體的相變驅(qū)動(dòng)力，從熱力學(xué)的角度分析了過(guò)冷奧氏體分解析出納米級(jí)滲碳體顆粒的可能性和規(guī)律性。計(jì)算結(jié)果表明，在相同的過(guò)冷溫度條件下，奧氏體以退化珠光體方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)

7、力最大，是最有可能發(fā)生的相變過(guò)程。在超快速冷卻的條件下，過(guò)冷奧氏體分解析出滲碳體時(shí)，碳原子的擴(kuò)散將受到抑制，在短時(shí)間內(nèi)滲碳體無(wú)法充分長(zhǎng)大成片層結(jié)構(gòu)而是直接以納米顆粒的形式彌散析出。碳含量和過(guò)冷度是控制滲碳體以納米級(jí)顆粒形式析出的主要影響因素。此外，根據(jù)平衡濃度計(jì)算，在先共析鐵素體組織附近存在大量的富碳區(qū)，這部分高濃度的奧氏體分解析出納米級(jí)滲碳體的傾向性更大。
　　(4)通過(guò)超快速冷卻和形變熱處理工藝，進(jìn)一步有效的增加了實(shí)驗(yàn)鋼的位錯(cuò)

8、密度，促進(jìn)滲碳體均勻形核，使納米級(jí)滲碳體顆粒在整個(gè)組織中的分布更加均勻彌散，從而更好地實(shí)現(xiàn)了均勻強(qiáng)化的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)超快速冷卻的終冷溫度從660℃下降到500℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的組織由先共析鐵素體和退化珠光體兩相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕浬⒌募{米滲碳體顆粒析出的單一貝氏體組織，屈服強(qiáng)度提高到700MPa以上。0.17％C實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度隨著超快速冷卻終冷溫度的降低而升高，隨著形變熱處理的保溫時(shí)間增加而降低。
　　(5)研究了冷卻路徑對(duì)熱軋后經(jīng)

9、退火處理0.33％C鋼的組織和擴(kuò)孔性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)超快速冷卻和后續(xù)退火處理可以在鐵素體基體上形成彌散分布的球化滲碳體組織;隨著終軋溫度和終冷溫度的降低，退火處理后的滲碳體更加細(xì)小，且彌散程度提高。在擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)切向延伸率到達(dá)材料成形極限的時(shí)候，裂紋優(yōu)先在沖孔的邊緣出現(xiàn)，裂紋主要通過(guò)微孔集聚的方式形成;均勻細(xì)化的鐵素體和球化滲碳體組織能夠明顯提高實(shí)驗(yàn)鋼的延伸率，有效阻止相鄰微孔聚合，從而提高材料的擴(kuò)孔性能。實(shí)驗(yàn)鋼的極限擴(kuò)孔率可