【摘要】： 固態(tài)相變及形變是提高鋼鐵力學(xué)性能的重要手段,它們是開發(fā)超高強(qiáng)鋼的基礎(chǔ)。共析鋼被譽(yù)為天然的復(fù)合材料,具有高的抗拉強(qiáng)度,經(jīng)室溫大變形后,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)5.7GPa,甚至比馬氏體時效鋼和形變熱處理鋼均高出～1GPa。大變形共析鋼是目前已知強(qiáng)度最高的鋼材,其高強(qiáng)度源自自身珠光體組織的超細(xì)化,半個世紀(jì)以來,眾多中外學(xué)者都對其極為關(guān)注并進(jìn)行了諸多探討,然而對于大變形后組織超細(xì)微化引起的相穩(wěn)定性問題、碳的分配以及時效過程一直都存在爭議。本文通過力學(xué)性能測試,掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、三維原子探針(3DAP)、穆斯堡爾譜和內(nèi)耗等測試方法系統(tǒng)地研究了共析鋼在室溫拉拔、表面機(jī)械研磨大變形及時效過程中微觀組織的演化規(guī)律,探討了大變形條件下滲碳體相穩(wěn)定性問題及時效析出機(jī)制,獲得以下主要研究結(jié)果。 通過對拉拔大變形共析鋼在不同應(yīng)變量下的力學(xué)性能及微觀組織演化的研究表明,隨著應(yīng)變量增加,共析鋼抗拉強(qiáng)度以及名義屈服強(qiáng)度會隨之增加,珠光體層片細(xì)化并伴隨其中滲碳體變形和晶體位向轉(zhuǎn)動。晶體學(xué)計算表明,滲碳體在轉(zhuǎn)動不同角度后仍有足夠滑移系可開動,以滿足形變的條件。由穆斯堡爾譜和3DAP測試研究結(jié)果可見,應(yīng)變量的增加導(dǎo)致了滲碳體分解量的增加,至真應(yīng)變?yōu)?.89時有約一半滲碳體分解,同時1.02at.%碳原子在高位錯密度的鐵素體中過飽和存在,鐵素體/滲碳體界面在變形過程中演變?yōu)楦吣芰扛呷毕萁Y(jié)構(gòu),約4.62at.%碳原子在界面處偏聚。 根據(jù)穆斯堡爾譜和3DAP實驗結(jié)果研究分析得到位錯穿過具有塑性變形能力的納米尺寸滲碳體片層,帶走滲碳體中碳原子。3DAP的實驗進(jìn)一步揭示了在錳原子濃度高的地方對應(yīng)著碳原子和鐵原子的低濃度,說明錳可能促進(jìn)了滲碳體的分解。同時,通過對碳原子在界面偏聚熱力學(xué)以及鐵素體中位錯飽和溶碳量分析,闡明了由于鐵素體中納米級亞晶界和高位錯密度的存在導(dǎo)致滲碳體分解后碳原子在鐵素體中得以過飽和存在。 利用X射線衍射、透射電鏡測定以及背散射穆斯堡爾譜測定了經(jīng)過表面機(jī)械研磨(SMAT)的4#(Fe-0.80wt.%C-0.61wt.% Mn-0.28wt.%Si-0.15wt.%V)共析鋼表層微觀組織以及相結(jié)構(gòu)。研究表明:原始組織為層片狀鐵素體/滲碳體兩相組織的共析鋼經(jīng)過SMAT處理后,鐵素體晶粒由于位錯產(chǎn)生和位錯纏結(jié)形成位錯胞,然后位錯胞分割晶粒使鐵素體細(xì)化至納米尺度,而滲碳體在強(qiáng)塑性變形下,片層彎曲、斷裂后分解成體心立方鐵素體及石墨。并證實在表面機(jī)械研磨大變形條件下室溫獲得了本來在高溫存在的面心立方奧氏體相。通過熱力學(xué)計算分析認(rèn)為,大量碳原子在鐵素體中的過飽和存在以及經(jīng)SMAT處理后納米晶粒界面應(yīng)力,這兩個因素共同作用促使鐵素體在強(qiáng)變形條件下發(fā)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變的溫度降低,造成高溫奧氏體相在室溫形成。 對真應(yīng)變?yōu)?.89的拉拔大變形共析鋼在200℃～600℃時效1h后進(jìn)行力學(xué)性能測試。研究表明,隨著溫度的升高抗拉強(qiáng)度以及名義屈服強(qiáng)度先升高后降低,200℃時效能得到最大抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度,而400℃時效可以獲得較平衡的強(qiáng)度和塑性綜合力學(xué)性能。通過透射電鏡觀察進(jìn)一步探討了力學(xué)性能提高的內(nèi)在原因。研究表明,200℃時效過程中細(xì)小的ε碳化物在鐵素體與滲碳體界面處析出,其對可動位錯的釘扎作用導(dǎo)致了力學(xué)性能提高;而400℃時效過程中碳化物彌散析出后繼續(xù)長大降低了材料強(qiáng)度,但仍在一定溫度范圍對晶界起釘扎作用,使鐵素體再結(jié)晶溫度提高,同時界面處位錯密度的降低使內(nèi)應(yīng)力得到松弛,塑性得到相對提高。 通過研究真應(yīng)變?yōu)?.89的共析鋼在時效過程中電阻率的變化規(guī)律,分析了該鋼的時效動力學(xué)過程。研究表明,時效過程分為兩個階段:80℃～200℃(3600s),電阻率隨著時效時間增加先增加后降低;200℃～298℃,電阻率隨時效時間延長而降低�；贘ohnson-Mehl-Avrami方程計算了各過程的時間常數(shù)以及表觀激活能。揭示了大變形共析鋼時效機(jī)制:由于大變形共析鋼微觀組織中鐵素體基體和鐵素體/滲碳體界面存在大量位錯以及缺陷,大變形后獲得的過飽和鐵素體和高濃度界面偏聚碳為碳化物析出提供熱力學(xué)驅(qū)動力,而高能界面處為滲碳體晶粒形核提供有效形核位置,碳原子的長程擴(kuò)散控制著ε碳化物向θ碳化物的轉(zhuǎn)變和析出相的生長。由于大變形共析鋼時效析出過程具有與馬氏體時效回火過程的相似性,本文基于Becker-D?ring形核長大模型提出了大變形共析鋼晶界時效析出動力學(xué)模型,運(yùn)用該模型可分析大變形共析鋼滲碳體析出動力學(xué)曲線。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TG142.15
【圖文】：

根據(jù)這一理論，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)度足以抵抗位錯作用在其上的局部應(yīng)力而不切變獲斷裂時，位錯運(yùn)動將受到阻礙，位錯線只能像圖 1.1 中所示那樣從質(zhì)點(diǎn)之出，最終連接起來繼續(xù)運(yùn)動，而在質(zhì)點(diǎn)周圍留下一個位錯環(huán)；另一種則是位錯即切過質(zhì)點(diǎn)，稱為切過機(jī)制。

三種空間位向的珠光體層片組織示意圖

【引證文獻(xiàn)】

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1 嚴(yán)勇;周仕仁;張立華;;多通道分布式應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)在某體育館鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用[A];'2011全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

2 嚴(yán)勇;周仕仁;;多通道分布式應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)在某體育館鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用[A];第三屆全國鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會論文集[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 石國梁;Mg-Zn-Mn系變形鎂合金強(qiáng)化機(jī)理研究[D];重慶大學(xué);2011年

本文編號：2736489