【摘要】：近年來,高速鐵路得到了快速發(fā)展,設計時速已高達400Km/h。為了保證列車安全、舒適運行,設計者對彈簧材料提出了更高的性能要求。因此,高強度彈簧鋼材料的研究越來越得到重視。研究證實,采用鈮微合金化結合控制軋制技術可有效提高鋼的強度及韌性,然而,當前關于鈮微合金化技術的研究主要集中在低碳鋼領域,對含鈮中高碳鋼研究的公開報道還很少,導致工業(yè)生產(chǎn)缺少必要的理論基礎。本文以現(xiàn)有的60Si2CrVAT彈簧鋼為基礎研究對象,采用單雙道次壓縮實驗、應力松弛實驗、透射電鏡觀察、材料性能測試等實驗方法研究了Nb元素對60Si2CrVAT彈簧鋼相變特征、脫碳敏感性、組織與性能、再結晶行為、碳化物析出動力學、晶粒粗化溫度等材料特性的影響。另外,本文還采用Thermo-Calc熱力學計算及實驗研究了含鈮高強度彈簧鋼鑄態(tài)組織中鈮偏聚行為及碳化物溶解行為。結果表明,添加微量Nb元素在一定程度上改變了60Si2CrVAT彈簧鋼的相變特征。與不含Nb彈簧鋼相比,含Nb鋼CCT曲線向下方移動;在冷卻速率相同的條件下,鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變溫度被推遲約15℃;Nb元素對馬氏體轉(zhuǎn)變影響不大;Nb元素顯著降低珠光體片層間距;在冷卻速度為1℃/s時,珠光體片層間距由209nm被細化至198nm;當冷卻速度為2℃/s時,珠光體片層間距由194nm細化至179nm;Nb元素改變了珠光體形貌,使?jié)B碳體片界面呈現(xiàn)彎曲,斷續(xù)狀態(tài)。Nb元素對60Si2CrVAT鋼組織與性能有顯著影響,含Nb鋼具有精細的熱軋態(tài)組織及淬火回火組織,最終表現(xiàn)出較高的強度及塑性,其中,含Nb彈簧鋼抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率、沖擊功分別達到2024MPa、1815 MPa、12%、38%、33J,與不含Nb鋼相比較,分別提高了約100MPa、90MPa、2.5%、7.5%、18J。實驗鋼的疲勞極限σ-1為775MPa。與其它高強度彈簧鋼相比,含Nb鋼產(chǎn)品具有較高的強度與韌性,疲勞極限與D701、ND120S相近。另外,實驗鋼在高應力條件下,疲勞斷裂首先起源于表面缺陷;在低應力條件下,疲勞斷裂起源于近表面存在的非金屬夾雜物。研究結果還表明,Nb元素對提高60Si2CrVAT鋼的抗表面脫碳能力有利。在相同加熱條件下,含Nb鋼的脫碳層深度要小于不含Nb鋼。主要原因為Nb降低了碳原子在奧氏體中活度和擴散系數(shù),增大了碳原子擴散激活能,進而提高了抗表面脫碳能力。實驗鋼的脫碳層深度隨加熱溫度、加熱時間的提高而逐漸增加。另外,實驗鋼的脫碳敏感性較強的溫度區(qū)間為950~1000℃。nb元素對60si2crvat彈簧鋼動態(tài)再結晶、靜態(tài)再結晶行為有明顯的抑制作用。采用峰值應力法計算了含nb鋼與不含nb鋼的動態(tài)再結晶激活能分別為354.27kj/mol、319.56kj/mol。含nb鋼的激活能大于不含nb鋼34.71kj/mol。鈮微合金化高強度彈簧鋼的ptt曲線是一種c型曲線,鼻子端溫度為900℃。通過對比分析發(fā)現(xiàn),實驗鋼碳化物析出開始時間要慢于低碳鋼,主要是由于實驗鋼含有較高的c含量及其它合金元素,最終導致nb活度被降低。透射電鏡觀察證實應力松弛實驗結果的正確性。另外,在當前變形溫度范圍內(nèi),析出物均為含c、nb、v及ti的復合碳化物,其中,碳化物主體為(nb、v)c,還含有微量tic。在900℃以下,析出物呈彌散分布,在950℃以上,析出物呈帶狀分布在位錯、晶界等晶體缺陷位置。此外,結果還表明,鈮微合金化高強度彈簧鋼的奧氏體晶粒粗化溫度為1050℃,添加nb使鋼的晶粒粗化溫度提高約50℃。熱力學計算結果表明,含nb彈簧鋼中的c、nb含量對nb偏析有著重要影響,nb偏析程度隨著c、nb含量的增加而不斷提高。實驗結果與熱力學計算結果一致,鑄態(tài)組織中的含nb析出物呈現(xiàn)粗大條狀及不規(guī)則形狀,寬度大約1~3μm,長度大約2~40μm;基體中存在兩個明顯的析出物聚集區(qū),一個聚集區(qū)在晶界位置,經(jīng)分析主要為nb、v、ti的碳氮化物;另一個聚集區(qū)隨機分布在基體中,經(jīng)分析,該區(qū)域的析出物可能是fe2nb共晶體。加熱實驗表明,含nb碳化物隨加熱溫度升高而逐漸溶解,但在1250℃時仍不能完全溶解。根據(jù)研究結果,本文提出了一種鈮微合金化高強度彈簧鋼的工業(yè)生產(chǎn)方案。經(jīng)實踐,工業(yè)生產(chǎn)方案合理、可行,產(chǎn)品具有精細組織及優(yōu)良的綜合力學性能。其中抗拉強度平均值為1996.9mpa;屈服強度平均值為1791.7mpa;延伸率為9.9%;斷面收縮率為34.9%;將結果與實驗室鋼的性能相比,工業(yè)產(chǎn)品性能要略低于實驗室數(shù)據(jù),其中,抗拉強度低約30mpa;屈服強度低20mpa;延伸率低2%;斷面收縮率低3%。結合拉伸斷口分析、偏析斑形貌、顯微硬度分析、元素epma分析,主要原因為:凝固過程中存在元素偏析,導致軋材心部組織硬度偏高,其中強度較低樣品的硬度差值更大,導致其協(xié)調(diào)變形能力變差,在拉伸受力過程中更易產(chǎn)生應力集中,從而出現(xiàn)微裂紋,降低了材料強度與塑性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.41

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本文編號：2462972