深冷处理对高碳铬钢残余奥氏体稳定性及力学性能影响的研究

摘要

高碳铬钢广泛应用于轴承、工具、模具等领域，要求材料具有硬度和强度高、耐磨性好、尺寸稳定性强等特点。高碳铬钢淬火后通常含有数量不等的残余奥氏体。残余奥氏体为“软态相”，有利于提高材料的韧性，但同时又是“亚稳态”，在外部条件（温度、时效、载荷、磁场等）变化时可能会发生转变，导致工件尺寸畸变，并影响其力学性能和使用寿命。尤其在高速精密轴承和高速铁路轴承领域，尺寸畸变会导致轴承失效，甚至引发灾难性后果。因此，系统研究残余奥氏体稳定性及相关显微组织与力学性能之间的关系有着重要的理论价值和工程意义。同时，残余奥氏体的多样化转变也为优化钢材性能提供了更多的可能性。
　　本文以高碳铬钢（SUJ2）中残余奥氏体稳定性为研究重点，采用多种材料组织结构表征手段（扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子背散射衍射、透射电子显微镜、纳米压痕等）对深冷及各种工艺处理后残余奥氏体形貌、含量、分布、稳定性（包括热稳定性和机械稳定性）及其影响机理进行系统的研究，对与之相关的马氏体、碳化物的形貌特征与转变规律进行分析，最后探讨残余奥氏体稳定性与力学性能间的关系。主要研究成果如下：
　　首先，对残余奥氏体在不同深冷及回火工艺中的热稳定性进行系统研究。结果表明，相比于未经深冷处理试样，经-196?深冷处理后再回至室温的试样，其残余奥氏体的含量有了显著减少，残余奥氏体所含碳浓度有所提升，抑制了残余奥氏体进一步转变为马氏体，即，残余奥氏体热稳定性得到提高。对深冷处理试样进行不同温度回火，结果表明，残余奥氏体中碳浓度和位错密度间存在“竞争机制”。较高温度（200℃以上）回火时，由于残余奥氏体中碳含量升高，“深冷+回火”试样（QC&T）的热稳定性高于“直接回火”试样（QT）。而在较低温度（200℃以下）回火时，由于深冷处理增加了残余奥氏体中位错和缺陷的密度，导致QC&T试样的热稳定性低于QT试样。同时，结合“约束准平衡”理论（constrained paraequilibrium）合理解释了残余奥氏体中碳元素配分富集的原因。
　　其次，从微观和宏观两方面对残余奥氏体在深冷处理工艺中的机械稳定性进行研究，并且以力学驱动力??????为基础，对残余奥氏体机械稳定性从微观到宏观进行关联。微观领域，利用纳米压痕和TEM，首次在室温淬火（AQ）的高碳铬钢中直接观察到残余奥氏体在应力作用下诱发形成马氏体，并且与母相保持 K-S的位向关系。而深冷处理试样（QC-24h）中并未观察到残余奥氏体相变，其机械稳定性显著高于AQ试样，主要原因在于深冷处理增加了残余奥氏体的位错密度和碳浓度。其中，位错密度过高会阻碍残余奥氏体向马氏体转变，而碳浓度增加会使??点降低，相变能垒??变大，需要更大的应力才能进一步使其转变为马氏体。宏观领域，XRD分别测定各个不同应变量所对应的残余奥氏体含量，结果表明，大部分残余奥氏体在压缩的初始阶段就转变为马氏体。对于AQ试样，单轴压缩可以使残余奥氏体含量降低至未压缩态的36%，而 QC-24h试样只能降至53%。在单轴压缩过程中，不同取向的残余奥氏体向马氏体转变的速率并不相同，?200??取向的奥氏体比?220??取向以更快的速度转变为马氏体。
　　再次，利用TEM和EBSD对马氏体在深冷处理过程中微观组织的亚结构及晶体学位向特征进行研究，对回火过程中碳化物的析出行为也进行探讨。结果表明，深冷阶段形成的马氏体其亚结构与室温阶段形成的马氏体有显著区别，前者呈细小薄片状，宽度约为150nm，为细微的完整孪晶区，而后者呈大片状，宽度超过2??，包括完整孪晶区的“中脊线”、“部分孪晶区”以及“非孪晶区”三个区域。EBSD结果表明，经深冷处理高碳铬钢中的马氏体与母相奥氏体保持完整的K-S取向关系，单个原始奥氏体晶粒内可观察到全部24种马氏体变体，而深冷阶段只观察到少量特定的马氏体变体组合。对碳化物的析出进行了初步的研究，结果表明，深冷处理后的试样在80~200℃区间回火会析出η????碳化物，其析出量明显大于未经深冷的试样，主要原因在于深冷处理过程产生了大量的缺陷（如位错等）促进了碳原子的偏聚、形核和析出。
　　最后，从残余奥氏体稳定性角度，对不同工艺处理试样的力学性能进行研究。结果表明，深冷处理不但可以提高残余奥氏体的机械稳定性，而且可以增强残余奥氏体和马氏体的纳米硬度、弹性模量、增强试样整体硬度、提高强度，同时保持一定的冲击韧性。深冷工艺对工件尺寸稳定性的增强，对综合力学性能及使用寿命的提升都具有重要意义。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 高碳铬钢热处理工艺与微观组织

1.3 高碳铬钢中的残余奥氏体

1.4 本课题的研究意义及内容

1.5 参考文献

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料及热处理

2.2 显微组织观察及结构表征

2.3 XRD分析

2.4 纳米压痕实验

2.5 聚焦离子束（FIB）制样

2.6 热膨胀实验

2.7 力学性能测试

2.8 参考文献

第3章 残余奥氏体的热稳定性

3.1 前言

3.2 实验材料及热处理工艺

3.3 深冷处理与残余奥氏体热稳定性

3.4 回火工艺与残余奥氏体热稳定性

3.5 本章小结

3.6 参考文献

第4章 残余奥氏体的机械稳定性

4.1 前言

4.2 相变力学驱动力

4.3 实验方案与研究内容

4.4 微观尺度——奥氏体微区机械稳定性

4.5 宏观尺度——残余奥氏体机械稳定性

4.6 分析与讨论：微观与宏观的关系

4.7 本章小结

4.8 参考文献

第5章 深冷工艺对马氏体和碳化物微观组织特征的影响

5.1 前言

5.2 实验方案

5.3 深冷处理后马氏体的微观组织及亚结构

5.4 深冷处理对马氏体取向关系的影响

5.5 深冷处理对碳化物的影响

5.6 本章小结

5.7 参考文献

第6章 残余奥氏体稳定性与力学性能

6.1 引言

6.2 实验方案

6.3 纳米压痕：微区力学性能

6.4 宏观硬度

6.5 冲击韧性

6.6 压缩强度

6.7 本章小结

6.8 参考文献

第7章 全文总结

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 研究展望

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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