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)濟和重要的第二相，逐漸在鋼鐵產(chǎn)品開發(fā)過程中引起了廣泛的關(guān)注。一方面，若能有效地將滲碳體細化到數(shù)十納米的尺寸，則可以產(chǎn)生非常強烈的第二相強化效果，起到和微合金碳氮化物一樣的強化作用，達到降低鋼中微合金元素含量的同時

2、又能提高鋼材強度的目的。另一方面，通過熱處理工藝控制滲碳體的形態(tài)，在組織中實現(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，無法形成納米級顆粒，并且在熱軋后的高溫條件下很容易粗化長大。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)線上冷卻能力不足的制約，通過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，在開展的薄板坯熱軋實驗中實現(xiàn)了滲碳體的納米級析出，產(chǎn)生了明顯的析出強化效果。此外，通過超快速冷卻技術(shù)和軋后退火工藝，實現(xiàn)了球化滲碳體在鐵索體基體上細小彌散的分布，顯著提高了實驗鋼的擴孔性能。
　　本文的主要工作及創(chuàng)新研究成果如下：
　　(1)在MMS-300熱模擬實驗機上對實驗用碳素鋼進行熱模擬實驗，研究了過冷奧氏體在連續(xù)冷卻條件下的相變行為，通過組織觀察和熱膨脹法測定了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，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;高溫變形可以促進鐵素體相變，并且細化晶粒;隨著冷卻速率的增加，組織中鐵素體的體積分數(shù)明顯減少，組織由鐵素體和珠光體兩相組織逐漸過渡到鐵素體、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化機制。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在

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

6、％C、0.33％C和0.5％C鋼的屈服強度分別提高了30MPa、110MPa、120MPa和130MPa。因此，超快速冷卻技術(shù)有利于提高實驗鋼的強度，并且強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制，系統(tǒng)地計算了過冷奧氏體的相變驅(qū)動力，從熱力學(xué)的角度分析了過冷奧氏體分解析出納米級滲碳體顆粒的可能性和規(guī)律性。計算結(jié)果表明，在相同的過冷溫度條件下，奧氏體以退化珠光體方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動

7、力最大，是最有可能發(fā)生的相變過程。在超快速冷卻的條件下，過冷奧氏體分解析出滲碳體時，碳原子的擴散將受到抑制，在短時間內(nèi)滲碳體無法充分長大成片層結(jié)構(gòu)而是直接以納米顆粒的形式彌散析出。碳含量和過冷度是控制滲碳體以納米級顆粒形式析出的主要影響因素。此外，根據(jù)平衡濃度計算，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滲碳體的傾向性更大。
　　(4)通過超快速冷卻和形變熱處理工藝，進一步有效的增加了實驗鋼的位錯

8、密度，促進滲碳體均勻形核，使納米級滲碳體顆粒在整個組織中的分布更加均勻彌散，從而更好地實現(xiàn)了均勻強化的效果。實驗結(jié)果表明，當超快速冷卻的終冷溫度從660℃下降到500℃時，實驗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，屈服強度提高到700MPa以上。0.17％C實驗鋼的強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間增加而降低。
　　(5)研究了冷卻路徑對熱軋后經(jīng)

9、退火處理0.33％C鋼的組織和擴孔性能的影響。結(jié)果表明，通過超快速冷卻和后續(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小，且彌散程度提高。在擴孔實驗中，當切向延伸率到達材料成形極限的時候，裂紋優(yōu)先在沖孔的邊緣出現(xiàn)，裂紋主要通過微孔集聚的方式形成;均勻細化的鐵素體和球化滲碳體組織能夠明顯提高實驗鋼的延伸率，有效阻止相鄰微孔聚合，從而提高材料的擴孔性能。實驗鋼的極限擴孔率可