發(fā)布時間：2018-11-25 20:48

【摘要】：深冷處理因清潔高效而應用于高碳高合金鋼的輔助熱處理過程以改善材料的力學性能和使用性能,近年來已被業(yè)界所認可。但目前對深冷處理機制的認識都是材料在室溫下宏觀表現(xiàn)結果的反推,由于缺乏過程控制的實驗支撐及理論指導,致使經(jīng)深冷處理后零件的壽命差異很大,嚴重制約了深冷處理技術的應用和發(fā)展。為探索高合金鋼在深冷處理過程中的微觀組織演化和相變機制以指導工藝應用,本文以高碳高合金鋼SDC99為研究對象,在-80℃至-196℃的溫度范圍內進行了不同溫度、不同保溫時間、不同回火與深冷次序的深冷處理并測試了經(jīng)上述不同工藝處理后試樣的宏觀力學性能,包括硬度、沖擊韌性、摩擦磨損性能等。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、高溫/低溫實時動態(tài)模量與內耗測試系統(tǒng)(IF),結合三維原子探針(3DAP)和電阻儀研究了深冷處理對殘留奧氏體、馬氏體基體及回火后碳化物的數(shù)量、形態(tài)、分布的影響,建立了宏觀性能與微觀組織的對應關系,揭示了深冷處理對高碳高合金鋼的組織演變和相變過程的影響。得到以下主要結論:(1)深冷處理后試樣的硬度、耐磨性等宏觀力學性能均有所提高,但沖擊韌性略下降。深冷處理試樣的耐磨性隨著深冷溫度的降低而提高,隨著深冷時間的增長先提高后降低。在本文所研究的深冷溫度范圍內,最優(yōu)深冷處理溫度為-196℃,深冷保溫時間為12小時以上,工藝順序是一次回火后深冷處理。經(jīng)1030℃淬火+210℃回火2小時+(-196℃深冷24小時)+210℃回火2小時的深冷處理工藝后,深冷試樣的耐磨性較常規(guī)熱處理試樣提高了43.8%。(2)常規(guī)熱處理后的殘留奧氏體為塊狀殘存于基體中,深冷處理后的殘留奧氏體呈薄膜狀分布于基體中。殘留奧氏體經(jīng)深冷處理后未完全轉變,由淬火態(tài)的約17%降低至約4%,計算機模擬的結果與實驗結果非常吻合。深冷處理使馬氏體基體的正方度下降,降低馬氏體中C的過飽和度,其中淬火后直接進行深冷處理對減輕晶格畸變最為有利。此外,深冷處理可使常規(guī)熱處理時寬度約200 nm的馬氏體減小為深冷處理后寬度約10 nm以下的馬氏體,從而細化了馬氏體基體。XRD衍射結果證實深冷處理保溫時生成馬氏體。(3)三維原子探針(3DAP)結果表明,回火后馬氏體基體的平均含碳量降低。經(jīng)1030℃淬火至室溫,碳原子大部分均勻分布,僅出現(xiàn)少量偏聚;經(jīng)深冷處理后,碳原子大量偏聚于新生孿晶馬氏體晶界,隨著深冷保溫溫度的降低和時間的延長,未回火馬氏體基體碳偏聚現(xiàn)象加劇,在由深冷溫度回復到室溫過程中,碳原子進一步偏聚,構成5~10 nm厚的偏聚區(qū);經(jīng)210℃×2 h回火后,深冷處理時偏聚于新生孿晶馬氏體晶界的碳原子進一步富集形成厚度約10 nm的富碳區(qū),并與Cr和Mo等合金元素形成M23C6型碳化物沉淀析出。(4)高溫內耗及彈性模量測試(IF)表明SDC99鋼經(jīng)擬合并扣除背底的SKK峰經(jīng)深冷處理后較常規(guī)熱處理升高,說明深冷處理促進碳原子在位錯附近的偏聚,計算結果表明深冷處理后位錯密度增加約17%。熱力學計算結果表明:由室溫(25℃)降溫至液氮溫度(-196℃)所改變的能量約為-3269313×10-14 J,該能量可使位錯密度增加1.03×1013 cm-2,從而使深冷處理時應變誘導碳偏聚成為可能。本文的研究結果證實了深冷處理過程中碳偏聚的形成和細小碳化物的析出,對于理解高碳高合金鋼低溫下的相變過程具有重要意義。這些結果有助于對材料的深冷處理工藝進行優(yōu)化。
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【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.33;TG161

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