鋼錠開(kāi)坯過(guò)程中碳化物偏析缺陷演化規(guī)律的研究.pdf

1、大型鍛件機(jī)加工和熱處理后作為大型成套設(shè)備的核心零部件,廣泛應(yīng)用于冶金、電力、造船、石化、核能、航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域。該類(lèi)零件通常工況惡劣、負(fù)載大、安全可靠性要求高,因此質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。然而,鋼鐵冶金過(guò)程決定了大型鍛件的坯料——鑄錠,內(nèi)部不可避免地存在各類(lèi)缺陷,如空洞、偏析和夾雜等。對(duì)于高碳高合金鋼鑄錠,由于碳及合金元素含量較高,碳化物偏析缺陷尤為顯著。偏析的存在破壞了金屬內(nèi)部組織的連續(xù)性,容易形成應(yīng)力集中或裂紋損傷,導(dǎo)致鍛件壽命縮

2、短或服役期內(nèi)失效。因此,深入認(rèn)識(shí)碳化物偏析演化規(guī)律,探索打碎碳化物的熱變形條件,將有助于提高大型鍛件的內(nèi)在質(zhì)量,促進(jìn)鍛造工藝的制定由經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué),對(duì)我國(guó)的大型鑄鍛件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要的意義。
　　 本文對(duì)鋼錠中碳化物偏析缺陷在熱加工過(guò)程中的演化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的探討,主要研究成果如下:
　　 一、分析了測(cè)定材料本構(gòu)關(guān)系的單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)中的誤差來(lái)源,提出了一種減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差、優(yōu)化流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)的迭代方法,為大型鍛件成形工藝模

3、擬奠定了基礎(chǔ)。
　　 在測(cè)定材料本構(gòu)關(guān)系的熱壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于系統(tǒng)誤差的存在,試樣不可避免的出現(xiàn)鼓形,所以試樣內(nèi)部的應(yīng)變和應(yīng)力分布都是不均勻的,由此測(cè)得的流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)精度有限?；诙嗣婺Σ恋男拚m然可以顯著改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但實(shí)際情況下誤差來(lái)源廣泛,僅考慮單因素影響,無(wú)法全面的提高數(shù)據(jù)精度?；诖朔治?本文綜合考慮了端面摩擦和溫度梯度兩種因素的影響,提出了一種改進(jìn)的迭代修正方法,該方法使用平均等效應(yīng)變的概念,利用有限元法模擬材料壓

4、縮過(guò)程得到的載荷一行程數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。以AISI M2高速工具鋼為例的應(yīng)用表明:所提出的修正方法可以同時(shí)有效地消除諸如摩擦和溫度梯度等系統(tǒng)誤差的影響,獲得高精度的材料流變應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)。
　　 二、研究了碳化物形貌和分布對(duì)材料的高溫力學(xué)性能和再結(jié)晶行為的影響,總結(jié)了熱變形及微觀(guān)組織參數(shù)的變化規(guī)律,并分析了碳化物形貌對(duì)高溫變形和微觀(guān)組織影響的機(jī)制。
　　 選取了鑄態(tài),退火態(tài)和鍛態(tài)三種不同碳化物偏析程度的AISI

5、M2高速工具鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)和金相分析,求解了三類(lèi)材料的熱成形參數(shù),比較了其碳化物組成、分布和尺寸。研究結(jié)果表明;隨著變形溫度上升或應(yīng)變速率下降,峰值應(yīng)力和應(yīng)變均為減小趨勢(shì)。在低溫階段,鍛態(tài)材料的流變應(yīng)力始終最大,退火態(tài)的最小;中高溫階段,變形量較小時(shí),鑄態(tài)材料流變應(yīng)力最大,當(dāng)變形量超過(guò)一定范圍,鍛態(tài)流變應(yīng)力較大,退火態(tài)的依然最小。鋼錠在開(kāi)坯及成形過(guò)程中,經(jīng)歷了鑄態(tài)→退火態(tài)→鍛態(tài)等微觀(guān)組織變遷,分別對(duì)應(yīng)不同的碳化物形貌。由于鑄態(tài)和鍛態(tài)材

6、料中碳化物分布較退火態(tài)均勻,較多的晶內(nèi)碳化物顆粒起到釘扎位錯(cuò)作用,造成其基體熱強(qiáng)度較大;較多的晶界碳化物阻礙晶界遷移,從而延遲了再結(jié)晶的發(fā)生。此外,推導(dǎo)了考慮碳化物差異的材料高溫流動(dòng)應(yīng)力本構(gòu)模型和微觀(guān)組織演化模型,并用于鋼錠開(kāi)坯工藝的數(shù)值模擬研究。
　　 三、研究了熱鍛過(guò)程中碳化物網(wǎng)的破裂機(jī)制,推導(dǎo)了碳化物網(wǎng)斷裂應(yīng)變模型,通過(guò)熱變形解理機(jī)制系統(tǒng)地解釋了碳化物粒化行為。
　　 基于物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬,將微觀(guān)組織與高溫力學(xué)參

7、量進(jìn)行映射對(duì)比,確定了網(wǎng)狀碳化物破裂率與熱變形參數(shù)的定量關(guān)系,建立了碳化物網(wǎng)斷裂應(yīng)變模型,闡明了碳化物網(wǎng)的高溫力學(xué)破壞機(jī)制。研究結(jié)果表明:當(dāng)應(yīng)變量較小時(shí),碳化物網(wǎng)絡(luò)始終存在;當(dāng)應(yīng)變量超過(guò)斷裂應(yīng)變量后,萊氏體網(wǎng)被完全打碎;當(dāng)應(yīng)變量繼續(xù)增加時(shí),碎化產(chǎn)物會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定形狀和尺寸與基體協(xié)調(diào)變形。較高的溫度或較低的應(yīng)變速率導(dǎo)致斷裂應(yīng)變的降低。
　　 四、研究了高溫保溫過(guò)程中鋼錠內(nèi)部共晶碳化物偏析的分解、球化與長(zhǎng)大行為,提出了碳化物演化速率

8、模型,并比較了與熱壓縮過(guò)程中演化機(jī)理的差異。
　　 以鑄態(tài)AISI M2高速工具鋼為例,通過(guò)熱處理試驗(yàn)和金相分析發(fā)現(xiàn),鋼中亞穩(wěn)態(tài)M2C碳化物受熱后快速分解為MC和M6C碳化物,其形態(tài)由退火前的棒狀或纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶鸷蟮那驁F(tuán)狀或塊狀?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)與理論分析,建立了碳化物演化速率理論模型,涵蓋了棒狀碳化物球化、球化產(chǎn)物長(zhǎng)大和二次碳化物溶解與析出過(guò)程。演化模型為探索鋼錠高溫滯留過(guò)程中內(nèi)部偏析型缺陷的演化規(guī)律提供了定量的研究方法。不同處