基于同步辐射的易切削钢中硫化锰夹杂物形态演变的表征和分析

摘要

中国制造业的高速发展对高端易切削钢的需求越来越高，硫系易切削钢的切削性能好、成本低、环境友好，已广泛应用于制造业。硫系易切削钢中MnS夹杂物的尺寸和形态分布对其产品的综合性能具有重要的影响。然而，易切削钢变形加工后，其中塑性较好的MnS夹杂物在钢基体中呈各向异性分布，严重影响易切削钢产品的综合性能。研究表明，通过热处理等手段使MnS夹杂物断裂球化是改善易切削钢材各向异性的重要手段。本论文以实验研究为基础，采用感应炉炼制实验易切削钢样品，并在钢企取得工业易切削钢样品，通过热轧机、硅钼炉和Gleeble3800热模拟试验机等设备对实验钢和工业易切削钢样品模拟轧制、热压和热处理。依托上海光源BL13W1线站X射线显微CT对钢中MnS夹杂物进行无损检测，成像精度为0.325μm/pixel；自行开发程序优化CT断层扫描图像质量，进而对钢中MnS夹杂物进行三维重构；建立空间坐标系，并从多个角度对硫系易切削钢中MnS夹杂物的尺寸、形态和分布及其在轧制、热压和热处理过程中的演变规律进行了参数化定量表征和分析。　　依据X射线显微CT原理计算，本论文中CT成像选用X射线能量为38keV，样品尺寸为0.5mm，曝光时间为2.0s。实验室炼制的实验易切削钢样品模拟热轧前后样品中MnS夹杂物的分析表明：钢中MnS夹杂物的二维观察和统计结果有较大的随机性，从XY、YZ、XZ方向上的二维切片统计MnS夹杂物二维当量直径的平均统计偏差分别为22.4%、20.6%和14.6%；开发MnS夹杂物断裂分析程序，其分析结果表明，使用传统二维方法观察的轧后样品中MnS夹杂物断裂行为的误差为20%；提出MnS夹杂物各方向尺寸比概念，并基于尺寸比提出各向异性指数，定量分析轧制前后钢中MnS夹杂物的各向异性程度；采用夹杂物形状系数定量分析轧制对钢中夹杂物的形态的影响，并对实验钢样品中典型MnS夹杂物在轧制前后的形态变化进行分析。对工业铸坯热压样品中MnS夹杂物的三维统计分析结果表明，工业钢样品在1000℃进行热压变形时，MnS夹杂物的塑性最好，变形能力最强。对工业易切削钢轧材及热处理后轧材中的MnS夹杂物形态和分布的分析结果表明，1200℃下热处理180min后，钢中MnS夹杂物发生了明显的球化断裂，样品中形状系数大于4.0的长条状MnS夹杂物的数量占比由22.0%降低为4.2%，其体积占比由71.2%降低为41.3%。　　本论文从实验样品制备、CT实验理论计算、CT数据优化、断层切片重构及优化、三维重构、形貌分析等方面全方位建立了使用X射线显微CT表征和分析钢中MnS夹杂物的方法，将钢中夹杂物尺寸、形态和空间分布的基础研究工作提升到三维层次。本论文开发的X射线显微CT理论计算和断层切片数据优化程序将为X射线显微CT数据处理提供有力的支撑。易切削钢轧制和热处理过程中MnS夹杂物的分析结果将为工业硫系易切削钢轧制和热处理工艺优化提供参考。本论文建立的研究方法有较大潜力广泛应用于钢中典型夹杂物及金属材料中第二相表征和分析的相关研究工作。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2.1 含硫夹杂物介绍

1.2.2 含硫夹杂物的加工变形行为

1.2.3 热处理过程中 MnS夹杂物的形态演变

1.3 夹杂物的表征

1.3.1 夹杂物二维形貌的表征

1.3.2 夹杂物三维形貌的表征

1.3.3 体视学及其应用

1.4 同步辐射光源的发展

1.4.1 同步辐射光源的发光原理和性能

1.4.2 同步辐射光源的发展历程

1.4.3 上海同步辐射光源及 BL13W1线站

1.5 CT断层成像技术

1.5.1 X射线及 X射线 CT

1.5.2 X射线显微 CT

1.5.3 X射线显微 CT断层扫描图像的伪影

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究目标

1.6.3 研究意义

2 钢样品制备及X射线显微CT实验

2.1 实验设备

2.2 实验钢的制备

2.3 工业生产易切削钢样品制备

2.3.1 热处理样制备

2.3.2 Gleebe 热压实验

2.4.1 BL13W1 线站 X射线显微 CT系统

2.4.2 X射线显微 CT理论计算

2.4.3 X射线显微 CT实验

2.5 本章小结

3 X射线显微CT数据处理

3.1.1 断层切片重构原理

3.1.2 投影数量对成像质量的影响

3.2.1 环形伪影形成的机理

3.2.2 伪影信号的添加

3.2.3 带伪影信号切片的重构

3.3 X射线显微 CT数据预处理

3.4 抑制环形伪影

3.4.1 去伪影算法思路

3.4.2 快速傅里叶变换

3.4.3 基于快速傅里叶变换抑制环形伪影算法的开发

3.5 三维重构

3.6 本章小结

4 实验钢中MnS 夹杂物形态演变

4.1 三维数据筛选及坐标系建立

4.2.1 单个夹杂物粒子的方向性

4.2.2 基于体视学分析探究二维观察方法的统计误差

4.3.1 问题描述

4.3.2 二维空间断裂粒子筛选程序的开发

4.3.3 统计结果分析

4.4.1 夹杂物取向分析

4.4.2 MnS夹杂物各向异性定量分析

4.5 MnS夹杂物形貌分析

4.5.1 轧制前后 MnS夹杂物形貌分析

4.5.2 轧前轧后样品中典型 MnS夹杂物的三维形貌

4.6 本章小结

5 工业钢中MnS夹杂物的形态演变

5.1 钢中夹杂物成分

5.2 三维数据筛选及坐标系建立

5.3 不同热压工艺下 MnS夹杂物形态演变

5.3.1 热压样中 MnS夹杂物的三维形貌及空间分布

5.3.2 热压样中 MnS夹杂物尺寸演变

5.4.1 轧材中 MnS在热处理后的尺寸演变

5.4.2轧材中MnS在热处理后的形貌演变

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢