喷射成形含铝超高碳钢组织性能研究

摘要

金属喷射成形是一种新型的快速凝固技术，它制备的含铝超高碳钢材料具有均匀的等轴晶组织。与常规铸造母合金相比，喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢的晶粒尺寸和珠光体片间距大为减小，元素偏析程度降低，同时Al由反偏析转变为正偏析。喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢的晶界生成了碳化物网络，其中二次渗碳体非平衡固溶了少量的Al；在基板沉积冷却阶段的冷却速度下降，合金元素的再分配受到抑制，导致晶界在二次渗碳体上形核生成了含有铁素体的孔洞渗碳体。穆斯堡尔谱的测试结果也验证了上述实验结论。孔洞渗碳体在共析温度区以内还能存在，到了共析温度区以上退火就会转变为普通的珠光体组织，而二次渗碳体受热球化，表明两种不同类型的渗碳体是在不同的冷却阶段形成的。 同时，在高温超塑性研究中发现：喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢大晶粒组织没有经过任何超塑性处理就在较大的温度范围(790℃～950℃)和应变速率范围(2.5*10-4～100s-1)内具有较好的超塑性，其最大延伸率可达187％。同时也研究了该材料的超塑性与温度的关系，发现820℃一直是延伸率低谷，当温度下降到790℃或者升高到850℃，材料的延伸率都上升。实验发现820℃的碳化物颗粒尺寸最大。就延伸率与应变速率的关系来讲，具有两个峰值应变速率，其原因有待于进一步研究。另外本文还研究了合金元素对超高碳钢组织和超塑性的影响，在1.8C-1.6Al超高碳钢基础上，加入Mo、Co合金元素，同时改变超高碳钢的碳含量。结果表明Mo、Co合金元素对材料的组织性能影响不明显，1.8C-1.6Al-0.22Mo和1.8C-1.6Al-0.22Mo-0.23Co超高碳钢的组织基本相同，高温延伸率也基本相同。铝对晶界碳化物有较大的抑制作用，能够提高喷射成形超高碳钢的超塑性。而铬则对晶内珠光体的形态有明显的影响，对喷射成形超高碳钢晶界碳化物的生成有明显的抑制作用，但是对高温塑性影响不大。碳含量对超高碳钢的延伸率有直接的影响。 另外，对喷射成形超高碳钢的室温力学性能也进行了研究。喷射态材料的室温抗拉强度为1138.5MPa,比母合金的803MPa大为提高，但由于晶界碳化物网络和喷射成形工艺引入的微孔，室温延伸率几乎为零。经过等温锻造和热轧处理以后，喷射成形工艺的引入的微细孔闭合，提高了致密度。同时使晶粒细化，提高了材料的综合力学性能。喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢等温锻造试样的抗拉强度和延伸率组合为1141MPa和9.9％。喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢热轧试样的抗拉强度和延伸率组合为1419MPa和8.75％。喷射成形1.8C-1.6Al超高碳钢在910℃一道次热轧和两道次热轧的室温力学性能相差不大，表明热轧道次对喷射成形超高碳钢材料的室温性能影响不大。另外，研究发现合金元素对喷射成形超高碳钢热轧试样的纽织和性能有不同的影响。B和Mo对热轧试样的常温性能有不利影响，Co则对提高材料的综合性能比较有利。碳含量则在不同的含量区间有不同的影响。碳含量在1.5～1.8％的各个钢种喷射成形热轧试样常温拉伸都有明显的屈服平台，而碳含量较低的1.15C和1.25C两个钢种喷射成形热轧试样常温拉伸却没有明显的屈服平台，只有一个比较明显的拐点。从微观组织上来看，有明显屈服平台的试样组织都含有比较多的碳化物颗粒，而两个没有屈服平台的试样组织都是珠光体或者只有很少的碳化物颗粒，这种组织上的差异表明喷射成形超高碳钢热轧试样的屈服与碳化物颗粒的数量有关。关键词：喷射成形 快速凝固 超高碳钢 超塑性 等温锻造 热轧

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 喷射成形技术特点和应用

1.2.1 金属喷射成形(Spray forming)技术的发展现状

1.2.2 金属喷射成形技术的特点及其展望

1.2.3 喷射成形合金微观组织与性能

1.2.4 喷射成形产业化发展趋势

1.3 超高碳钢性能特点和应用

1.3.1 超高碳钢的常温性能

1.3.2 超高碳钢的应用

1.3.3 高温塑性

1.4 材料的超塑性

1.4.1 超塑性流动特征

1.4.2 超塑变形机制

1.4.3 材料超塑性的应用

1.5 国内外超高碳钢研究的发展

1.6 本文研究内容及选题意义

参考文献：

第二章 喷射成形1.8C-1#超高碳钢快速凝固组织研究

2.1 前言

2.2 喷射成形工艺对材料的组织的影响

2.2.1 试样制备

2.2.2 试验结果与讨论

2.3 含铝超高碳钢的组织观察

2.3.1 实验材料化学组成

2.3.2 实验过程

2.4 常规铸造超高碳钢母合金的微观组织

2.5 喷射成形超高碳钢的微观组织

2.6 喷射态超高碳钢的合金元素分布

2.7 穆斯堡尔谱在超高碳钢研究中的应用

2.8 喷射成形1.8C-1#超高碳钢晶界碳化物的热稳定性研究

2.9 小结

参考文献：

第三章 喷射成形1.8C-1#超高碳钢超塑性研究

3.1 前言

3.2 高温超塑性实验过程

3.2.1 喷射成形超高碳钢材料制备

3.2.2 喷射成形含铝超高碳钢高温超塑拉伸

3.3 常规铸造1.8-1#超高碳钢母合金高温超塑性

3.4 喷射成形1.8-1#超高碳钢高温超塑性

3.4.1 初始应变速率对喷射成形1.8C-1#超高碳钢流变行为的影响

3.4.2 温度对喷射成形1.8C-1#超高碳钢流变行为的影响

3.4.3 应变速率敏感因子m和激活能Q

3.4.4 高温超塑性拉伸试样组织演变

3.5 小结

参考文献：

第四章 合金成分对喷射成形超高碳钢组织性能的影响

4.1 前言

4.2 高温超塑性实验方法

4.3 铸造超高碳钢母合金的微观组织

4.4 喷射成形超高碳钢的微观组织

4.5 常规铸造超高碳钢母合金高温超塑性

4.6 喷射成形超高碳钢高温超塑性

4.6.1 高温超塑拉伸延伸率

4.6.2 工艺和合金元素对喷射成形超高碳钢延伸率的影响

4.6.3 初始应变速率对喷射成形超高碳钢流变行为的影响

4.6.4 温度对喷射成形超高碳钢流变行为的影响

4.6.5 应变速率敏感因子m和激活能Q

4.6.6 高温超塑性拉伸试样组织演变

4.7 小结

参考文献：

第五章 喷射成形超高碳钢热变形组织性能研究

5.1 前言

5.2 喷射成形1.8C-1#超高碳钢等温锻造研究

5.2.1 实验过程

5.2.2 实验结果与讨论

5.3 喷射成形1.8 C-1#超高碳钢的一道次热轧研究

5.4 成分对喷射成形超高碳钢热轧性能的影响

5.5 热轧道次对研究喷射成形1.8C-1#超高碳钢组织性能的影响

5.6 小结

参考文献

第六章 结论及创新点

本文创新点

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

致谢