钛微合金化模具钢复合第二相溶解与析出行为

摘要

热作模具钢在工作过程中不仅承受高温与低温的循环作用，同时受到不同方向的应力影响，导致其表层与内部组织变化，恶化其性能，进而降低其服役寿命，因此，如何提高热作模具钢的综合性能受到广泛关注。为此，本文以铬钼钒热作模具钢为研究对象，在其基础上添加微量的Ti元素。通过对含钛模具钢溶解与析出过程的热力学与动力学分析计算，结合热力学模拟软件模拟溶解析出过程，并对含钛模具钢进行固溶与应力松弛试验综合研究添加微量元素Ti对模具钢的强化机理。 建立模具钢五元第二相溶解热力学模型，考虑模具钢中各元素相互作用计算得到Cr23C6、Cr7C3、VC、MoC、Mo2C、TiC的全固溶温度分别为766.7℃、976.5℃、1040.8℃、1197.3℃、698.5℃和1029.3℃。钢固溶[Ti]量随着钢中Ti元素含量的增加而增加，随着Cr、Mo、V含量的增加而减少。随溶解温度的升高硬度及冲击韧性增大，含Ti模具钢韧性优于不含Ti模具钢；随溶解温度升高晶粒由细变粗，马氏体增多；含Ti模具钢平均晶粒尺寸比不含Ti模具钢小21.4μm；含钛钢中未溶相尺寸比不含钛钢小0.2μm左右。 通过对模具钢中碳化物溶解与析出过程热力学与动力学计算及模拟计算发现，钢中的固溶碳化物主要为CrC、MoC、VC、TiC、Cr2C、Mo2C、V2C。随着温度升高Cr2C、Mo2C、V2C消失转化为CrC、MoC、VC。Ti元素可以有效的提高模具钢中MC相的析出量与析出温度，并且降低Cr23C6析出温度范围与M23C6型碳化物的含量。0.4C-0.02Ti-0.9V钢的(Ti,V)C沉淀析出时NrT曲线呈明显反“C”型曲线，PTT曲线呈明显“C”型曲线，均匀形核NrT曲线、PTT曲线的鼻点温度分别为850℃、860℃，位错线上形核NrT曲线、PTT曲线的鼻点温度分别为900℃、880℃。TiC的NrT曲线的最大形核率温度与PTT曲线的最快析出温度随Mo、Cr、V含量的增加而减小，随Ti含量的增加而增大。 利用Gleeble-3800型热模拟试验机对含钛钢与不含钛钢进行应力松弛实验以分析Ti元素对模具钢中第二相粒子析出过程的影响。结果表明，温度和变形量增大，流变应力降低。应力松弛过程变形温度越高，松弛极限越低。含Ti钢应力平台比不含Ti钢更明显；增加变形量可提高应力松弛速率。含Ti钢的鼻点温度约为930℃；当变形量为15%时，析出开始与结束时间较30%变形量滞后。析出相主要沿晶界附近析出，增大变形量有利于碳化物析出。在应力松弛实验后模具钢的晶粒尺寸与第二相的分布、形貌与尺寸的研究中发现，含钛钢中存在三种类型纳米级析出相：方形TiC析出相，球形VC析出相，圆角方形Ti和V的复合析出相。含钛钢析出相在晶内均匀有序析出，不含钛钢析出相团聚无序析出。含钛钢析出相尺寸比不含钛钢小1.05nm；含钛钢10nm以下析出相占92.67%，沉淀强化效果明显。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微合金化技术在模具钢中的应用

1.2.1 微合金化钢概述

1.2.2 常用微合金化元素

1.2.3 模具钢微合金化技术的研究现状

1.3 Ti元素在钢中的应用

1.4 钢中第二相的溶解与析出

1.4.1 第二相在钢中的溶解热力学

1.4.2 第二相在钢中的溶解动力学

1.4.3 第二相在钢中的析出动力学

1.4.4 第二相在钢中的溶解析出作用机理

1.5 本文研究内容和目的

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 本文研究目的和意义

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 固溶处理实验

2.2.2 应力松弛实验

2.2.3 金相及奥氏体晶界观察

2.2.4 力学性能实验

2.2.5 扫描电子显微镜观察

2.2.6 透射电镜观察

2.2.7 X射线衍射分析

第3章 微合金元素复合第二相溶解过程

3.1 引言

3.2 复合第二相溶解过程模拟结果

3.3 复合第二相溶解热力学理论计算方法

3.3.1 相互作用系数及其计算方法

3.3.2 复合第二相固溶热力学模型建立与计算方法

3.4 复合第二相溶解热力学计算过程及结果

3.4.1 微合金元素间的相互作用系数

3.4.2 热作模具钢中碳化物的固溶度

3.4.3 热作模具钢中第二相的全固溶温度

3.5 复合第二相溶解动力学计算过程及结果

3.5.1 复合第二相的固溶与粗化

3.5.2 复合第二相的固溶速率与粗化速率

3.5.3 复合第二相的固溶与粗化计算结果及分析

3.6 固溶处理实验

3.6.1 固溶温度及保温时间的选取

3.6.2 模具钢固溶处理后的组织性能

3.6.3 模具钢未溶相形貌及成分

3.6.4 模具钢固溶处理后的力学性能

3.7 本章小结

第4章 微合金元素复合第二相析出过程

4.1 引言

4.2 复合第二相析出过程热力学计算

4.3复合第二相析出过程动力学计算

4.3.1 临界形核功与临界形核尺寸

4.3.2 NrT曲线

4.3.3 PTT曲线

4.4 复合第二相析出过程相关参数及其估算

4.5 复合第二相析出过程计算结果与分析

4.5.1 0.4C-0.02Ti-0.9V钢的NrT曲线和PTT曲线

4.5.2 合金元素对TiC沉淀析出时临界核心尺寸与形核功的影响

4.5.3 合金元素对TiC沉淀析出时NrT曲线与PTT曲线的影响

4.6复合第二相析出过程模拟计算结果

4.6.1 MC相和M23C6相的元素组成模拟计算结果

4.6.2 碳化物析出量模拟计算结果

4.7 本章小结

第5章 模具钢中第二相析出实验研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果及分析

5.3.1 真应力-真应变曲线

5.3.2 应力松弛曲线

5.3.3 PTT曲线

5.3.4 模具钢的显微组织及晶界形貌

5.3.5 析出相的分布及位错演变

5.3.6 析出相的尺寸

5.3.7 纳米尺度析出相形貌及成分

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间参研课题及研究成果

致谢