基于商品鋼的淬火—分配組織結(jié)構(gòu)演變與塑性變形行為.pdf

1、鋼鐵材料經(jīng)淬火-分配(Q-P)處理可獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。近年來，該工藝在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究方面都取得了明顯進(jìn)展。目前應(yīng)用研究主要集中于開發(fā)新一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，對于傳統(tǒng)鋼的Q-P熱處理強(qiáng)韌化研究比較匱乏。在理論研究方面，分配過程中奧氏體的富碳化機(jī)制、變形時殘余奧氏體(RA)起作用的增塑機(jī)制等問題有待進(jìn)一步深入和系統(tǒng)研究。本文選用商品化合金鋼27SiMn，35CrMnSi，35CrMo，35CrMoSi，38CrMoAl，60Si2Mn

2、，9SiCr為試驗(yàn)材料，進(jìn)行Q-P熱處理試驗(yàn)，優(yōu)化其工藝參數(shù)，并與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)、等溫淬火熱處理工藝進(jìn)行對比。通過深冷和回火試驗(yàn)，研究了Q-P處理鋼的組織和力學(xué)性能穩(wěn)定性。同時，采用聲發(fā)射(AE)技術(shù)和分子動力學(xué)(MD)模擬方法，研究了RA提高鋼塑性的機(jī)理。
　　對27SiMn，35CrMnSi，38CrMoAl，35CrMoSi鋼分別進(jìn)行不同淬火溫度、分配溫度和分配時間的Q-P處理。結(jié)果表明，僅35CrMoSi鋼組織中RA含量與“限制

3、條件碳”(CCE)模型預(yù)測的規(guī)律基本一致。相反，分配溫度對RA含量的影響規(guī)律在所有試驗(yàn)鋼中一致，即在350～420℃分配處理時，獲得的RA含量最高;在低溫或高溫分配處理時，RA含量均較低。Q-P處理35CrMnSi和35CrMoSi鋼中，RA含量在2～30min的分配時間內(nèi)，RA量持續(xù)降低，但能保持在10vol.％左右。結(jié)合對工程應(yīng)用中工件尺寸、操作規(guī)程等因素的考慮，認(rèn)為淬火獲得約75％的馬氏體再在350～420℃溫度范圍內(nèi)分配處理30

4、min以內(nèi)，可獲得較理想的Q-P組織。
　　通過對Q-P處理35CrMnSi和35CrMoSi鋼光學(xué)顯微組織的分析，得出貝氏體轉(zhuǎn)變是分配處理時奧氏體富碳化的重要機(jī)制，可以作為對碳原子分配CCE模型的補(bǔ)充，解釋了分配溫度和時間對RA含量的影響規(guī)律。分配溫度和時間適中（350～420℃處理30min以內(nèi)）時，貝氏體轉(zhuǎn)變和碳原子分配同時進(jìn)行，貝氏體轉(zhuǎn)變過程中碳原子自貝氏體鐵素體向奧氏體中擴(kuò)散作用與CCE模型描述的碳原子分配行為共同起作用

5、，獲得最多的RA。分配溫度較低時，僅CCE機(jī)制起作用;分配溫度過高或時間過長時，貝氏體轉(zhuǎn)變完成（獲得貝氏體鐵素體和Fe3C），二者均獲得較少的RA。
　　根據(jù)Q-P原理，提出了“循環(huán)淬火-分配”(M-Q-P)工藝，可實(shí)現(xiàn)在更大范圍內(nèi)調(diào)控Q-P組織中RA的含量，并在35CrMnSi鋼中成功應(yīng)用。結(jié)果表明，五次M-Q-P處理35CrMnSi鋼中RA的含量是單次Q-P處理組織中的2倍。隨著RA量的提高，鋼的抗拉強(qiáng)度降低，延伸率升高，強(qiáng)塑

6、積基本不變。
　　與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)和等溫淬火熱處理相比，Q-P處理后35CrMnSi鋼的綜合性能最好，強(qiáng)塑積遠(yuǎn)高于另外兩種熱處理得到的性能。將Q-P處理后的試樣再高溫回火，得到的組織和力學(xué)性能與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的試樣相近。在Q-P和等溫淬火處理的試樣拉伸過程中，產(chǎn)生了部分具有較高能量和持續(xù)時間的特殊聲發(fā)射信號，在Q-P處理后又高溫回火的試樣中沒有這種信號。結(jié)合對斷口和微觀組織的分析，確定這部分信號是由組織中的RA在變形過程中發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)

7、生的，為TRIP機(jī)制提高Q-P鋼的塑性提供了證據(jù)。
　　MD模擬結(jié)果表明，采用M勢函數(shù)對純Fe雙晶Bain模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮時，F(xiàn)CC晶體的應(yīng)變誘發(fā)FCC→BCC相變行為導(dǎo)致拉伸過程中屈服的產(chǎn)生，相變以均勻形核、非均勻性長大的方式進(jìn)行，新生相與母相之間具有K-S位向關(guān)系。壓縮時導(dǎo)致相變產(chǎn)生的臨界應(yīng)力大于拉伸時的應(yīng)力，且二者新生相的形態(tài)不同。
　　采用A勢函數(shù)模擬純Fe三晶體K-S模型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮過程。拉伸時，F(xiàn)CC

8、晶體內(nèi)自相界面處的位錯萌生和滑移導(dǎo)致拉伸過程中屈服的產(chǎn)生，隨著形變量的增加，在滑移面的交界處產(chǎn)生BCC相形核并逐漸長大，快速完成相變。壓縮時，F(xiàn)CC相在應(yīng)變作用下也向BCC相轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變是以相界面遷移的方式完成，且在屈服發(fā)生前已完成相變。采用不同應(yīng)變率進(jìn)行拉伸變形時，屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的升高而增加，F(xiàn)CC相在較高應(yīng)變率下更穩(wěn)定。
　　深冷和回火試驗(yàn)結(jié)果表明，Q-P組織中RA的含量在-80℃以上深冷和400℃以下回火時變化不大，表現(xiàn)