基于商品钢的淬火—分配组织结构演变与塑性变形行为

【摘要】钢铁材料经淬火-分配(Q-P)处理可获得优异的综合力学性能。近年来,该工艺在基础理论和应用研究方面都取得了明显进展。目前应用研究主要集中于开发新一代先进高强度钢,对于传统钢的Q-P热处理强韧化研究比较匮乏。在理论研究方面,分配过程中奥氏体的富碳化机制、变形时残余奥氏体(RA)起作用的增塑机制等问题有待进一步深入和系统研究。本文选用商品化合金钢27SiMn,35CrMnSi,35CrMo,35CrMoSi,38CrMoAl,60Si2Mn,9SiCr为试验材料,进行Q-P热处理试验,优化其工艺参数,并与传统调质、等温淬火热处理工艺进行对比。通过深冷和回火试验,研究了Q-P处理钢的组织和力学性能稳定性。同时,采用声发射(AE)技术和分子动力学(MD)模拟方法,研究了RA提高钢塑性的机理。对27SiMn,35CrMnSi,38CrMoAl,35CrMoSi钢分别进行不同淬火温度、分配温度和分配时间的Q-P处理。结果表明,仅35CrMoSi钢组织中RA含量与“限制条件碳”(CCE)模型预测的规律基本一致。相反,分配温度对RA含量的影响规律在所有试验钢中一致,即在350～420℃分配处理时,获得的RA含量最高；在低温或高温分配处理时,RA含量均较低。Q-P处理35CrMnSi和35CrMoSi钢中,RA含量在2～30min的分配时间内,RA量持续降低,但能保持在10vol.%左右。结合对工程应用中工件尺寸、操作规程等因素的考虑,认为淬火获得约75%的马氏体再在350～420℃温度范围内分配处理30min以内,可获得较理想的Q-P组织。通过对Q-P处理35CrMnSi和35CrMoSi钢光学显微组织的分析,得出贝氏体转变是分配处理时奥氏体富碳化的重要机制,可以作为对碳原子分配CCE模型的补充,解释了分配温度和时间对RA含量的影响规律。分配温度和时间适中(350-420℃处理30min以内)时,贝氏体转变和碳原子分配同时进行,贝氏体转变过程中碳原子自贝氏体铁素体向奥氏体中扩散作用与CCE模型描述的碳原子分配行为共同起作用,获得最多的RA。分配温度较低时,仅CCE机制起作用；分配温度过高或时间过长时,贝氏体转变完成(获得贝氏体铁素体和Fe3C),二者均获得较少的RA。根据Q-P原理,提出了“循环淬火-分配”(M-Q-P)工艺,可实现在更大范围内调控Q-P组织中RA的含量,并在35CrMnSi钢中成功应用。结果表明,五次M-Q-P处理35CrMnSi钢中RA的含量是单次Q-P处理组织中的2倍。随着RA量的提高,钢的抗拉强度降低,延伸率升高,强塑积基本不变。与传统调质和等温淬火热处理相比,Q-P处理后35CrMnSi钢的综合性能最好,强塑积远高于另外两种热处理得到的性能。将Q-P处理后的试样再高温回火,得到的组织和力学性能与传统调质处理的试样相近。在Q-P和等温淬火处理的试样拉伸过程中,产生了部分具有较高能量和持续时间的特殊声发射信号,在Q-P处理后又高温回火的试样中没有这种信号。结合对断口和微观组织的分析,确定这部分信号是由组织中的RA在变形过程中发生马氏体相变产生的,为TRIP机制提高Q-P钢的塑性提供了证据。MD模拟结果表明,采用M势函数对纯Fe双晶Bain模型进行准静态拉伸和压缩时,FCC晶体的应变诱发FCC→BCC相变行为导致拉伸过程中屈服的产生,相变以均匀形核、非均匀性长大的方式进行,新生相与母相之间具有K-S位向关系。压缩时导致相变产生的临界应力大于拉伸时的应力,且二者新生相的形态不同。采用A势函数模拟纯Fe三晶体K-S模型准静态拉伸和压缩过程。拉伸时,FCC晶体内自相界面处的位错萌生和滑移导致拉伸过程中屈服的产生,随着形变量的增加,在滑移面的交界处产生BCC相形核并逐渐长大,快速完成相变。压缩时,FCC相在应变作用下也向BCC相转变,但转变是以相界面迁移的方式完成,且在屈服发生前已完成相变。采用不同应变率进行拉伸变形时,屈服强度随着应变率的升高而增加,FCC相在较高应变率下更稳定。深冷和回火试验结果表明,Q-P组织中RA的含量在-80℃以上深冷和400℃以下回火时变化不大,表现了良好的热稳定性。经低温和中温回火后,Q-P处理钢的强度和塑性均下降,可能是由于回火改变了RA的力学稳定性；高温回火后,强度继续下降,塑性略有回升,综合力学性能与传统调质处理的力学性能相近。
【作者】李阳；
【导师】吕宇鹏；
【作者基本信息】山东大学，材料学，2014，博士
【关键词】商品钢；淬火-分配热处理；声发射；分子动力学模拟；塑性变形；

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