低成本高强韧低合金铸钢组织与性能研究

摘要

随着铸钢生产技术的迅速发展，高性能铸钢的生产与应用越来越广泛。高性能铸钢与传统铸钢相比，在强度、韧性等方面具有独特的优越性。目前，部分原材料价格呈上涨趋势，为达到低成本高性能的目的，必须考虑材料的成本。
　　 本文以ZG35SiMn为研究对象，通过正交实验设计低合金钢的基本化学成分，考察其力学性能和显微组织，分析各元素、热处理工艺对铸造低合金钢组织和性能的影响。运用正交实验直观分析法和回归分析法分别得到低合金钢中四种基本成分的最佳配比以及力学性能与各元素含量之间的关系式。结合一定成本和性能的要求，在正交实验的基础上研究了加入稀土和铌对低合金钢组织和性能的影响，探讨了稀土和铌在钢中的作用机理。通过热力学计算，分析了稀土和铌在钢中的存在形式以及稀土在钢中生成氧化物、硫化物的条件。利用光学显微镜、扫描电镜，能谱分析等手段分析了合金的显微组织。结果表明，稀土不仅有脱氧、脱硫的作用，还能控制夹杂物形态。稀土和铌都有细化晶粒的作用。运用错配度和经典电子理论，分析了Ce2O3和NbC作为基底促进形核相非均质形核的能力，证明了Ce2O3对δ-Fe非均质形核有非常显著效用，对γ-Fe非均质形核效用中等，而NbC对δ-Fe和γ-Fe的非均质形核效用都为中等。可认为细化晶粒的主要机理是Ce2O3和NbC成为初生γ-Fe和δ-Fe的异质晶核以及稀土在晶界的偏聚而对晶界的阻碍作用。用万能拉伸试验机和布氏硬度计分别进行拉伸试验和宏观硬度测量。结果表明，钢中加入0.03％稀土后，屈服强度由525MPa提高到535MPa，而延伸率则由18％下降到16.1％；在此基础上再加入0.03％铌，屈服强度进一步提高到565MPa，而延伸率则为17％。实验证明，稀土与铌的复合加入，稀土的固溶强化作用增强，碳化铌析出增多，呈弥散状分布于铁素体基体，且颗粒较小。用稀土和铌微合金化复合处理可使低合金钢获得良好的强韧化综合性能。低合金钢中复合加入稀土和铌，开发出了正火态屈服强度为565MPa，延伸率为17％的强韧性能良好的低合金钢。低成本实现了低合金钢强度与韧性的协调提升。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 低合金钢

1.3 微合金化钢

1.4 钢中各元素对其组织与性能的影响

1.5 钢的强韧化理论和机制

1.5.1 细晶强化

1.5.2 析出强化(沉淀强化)

1.5.3 固溶强化

1.6 稀土在钢中的应用

1.6.1 稀土在钢中的应用现状和发展前景

1.6.2 稀土的物化性质

1.6.3 稀土在钢中的作用机理

1.6.4 稀土加入钢液的方法

1.7 铌在钢中的应用

1.7.1 铌的物化性质

1.7.2 铌在铸钢中的应用状况和发展前景

1.7.3 铌在钢中的作用机理

1.7.4 铌加入钢液的方法

1.8 钢中稀土和铌的相互作用

1.9 研究的目的和主要内容

1.9.1 研究的目的、意义

1.9.2 研究的主要内容

1.10 技术路线图

第二章 实验条件和实验方法

2.1 原材料

2.2 铸钢的熔炼与浇注

2.3 化学成分分析

2.4 热处理工艺

2.5 试样制备与力学性能测试

2.5.1 拉伸试样的形状和尺寸

2.5.2 力学性能测试

2.6 显微组织观察

第三章 正交实验及结果分析

3.1 化学成分设计

3.2 实际测定的化学成分及其力学性能

3.3 C、Si、Cr、Mn各元素对力学性能的影响

3.3.1 正交实验结果分析

3.3.2 正交实验结果的回归分析

3.4 C、Si、Cr、Mn对组织和性能的影响

第四章 稀土和铌在钢中的作用

4.1 化学成分设计

4.2 力学性能测试结果

4.3 钢中稀土和Nb的热力学分析

4.4 力学性能与显微组织的关系式

4.5 稀土和铌对组织和性能的影响

4.5.1 正火态钢晶粒尺寸

4.5.2 正火态钢SEM组织形貌分析

4.5.2 调质态钢SEM组织与性能分析

4.6 能谱分析

4.6.1 ZG35SiMn中的夹杂物能谱分析

4.6.2 ZG35SiMnRE中夹杂物的能谱分析

4.6.3 ZG35SiMn2Nb中含Nb元素的能谱分析

4.7 稀土和Nb在钢中的作用机理

第五章 结论

参考文献

致谢