深冷处理因清洁高效而应用于高碳高合金钢的辅助热处理过程以改善材料的力学性能和使用性能,近年来已被业界所认可。但目前对深冷处理机制的认识都是材料在室温下宏观表现结果的反推,由于缺乏过程控制的实验支撑及理论指导,致使经深冷处理后零件的寿命差异很大,严重制约了深冷处理技术的应用和发展。为探索高合金钢在深冷处理过程中的微观组织演化和相变机制以指导工艺应用,本文以高碳高合金钢SDC99为研究对象,在-80℃至-196℃的温度范围内进行了不同温度、不同保温时间、不同回火与深冷次序的深冷处理并测试了经上述不同工艺处理后试样的宏观力学性能,包括硬度、冲击韧性、摩擦磨损性能等。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、高温/低温实时动态模量与内耗测试系统(IF),结合三维原子探针(3DAP)和电阻仪研究了深冷处理对残留奥氏体、马氏体基体及回火后碳化物的数量、形态、分布的影响,建立了宏观性能与微观组织的对应关系,揭示了深冷处理对高碳高合金钢的组织演变和相变过程的影响。得到以下主要结论:(1)深冷处理后试样的硬度、耐磨性等宏观力学性能均有所提高,但冲击韧性略下降。深冷处理试样的耐磨性随着深冷温度的降低而提高,随着深冷时间的增长先提高后降低。在本文所研究的深冷温度范围内,最优深冷处理温度为-196℃,深冷保温时间为12小时以上,工艺顺序是一次回火后深冷处理。经1030℃淬火+210℃回火2小时+(-196℃深冷24小时)+210℃回火2小时的深冷处理工艺后,深冷试样的耐磨性较常规热处理试样提高了43.8%。(2)常规热处理后的残留奥氏体为块状残存于基体中,深冷处理后的残留奥氏体呈薄膜状分布于基体中。残留奥氏体经深冷处理后未完全转变,由淬火态的约17%降低至约4%,计算机模拟的结果与实验结果非常吻合。深冷处理使马氏体基体的正方度下降,降低马氏体中C的过饱和度,其中淬火后直接进行深冷处理对减轻晶格畸变最为有利。此外,深冷处理可使常规热处理时宽度约200 nm的马氏体减小为深冷处理后宽度约10 nm以下的马氏体,从而细化了马氏体基体。XRD衍射结果证实深冷处理保温时生成马氏体。(3)三维原子探针(3DAP)结果表明,回火后马氏体基体的平均含碳量降低。经1030℃淬火至室温,碳原子大部分均匀分布,仅出现少量偏聚;经深冷处理后,碳原子大量偏聚于新生孪晶马氏体晶界,随着深冷保温温度的降低和时间的延长,未回火马氏体基体碳偏聚现象加剧,在由深冷温度回复到室温过程中,碳原子进一步偏聚,构成5~10 nm厚的偏聚区;经210℃×2 h回火后,深冷处理时偏聚于新生孪晶马氏体晶界的碳原子进一步富集形成厚度约10 nm的富碳区,并与Cr和Mo等合金元素形成M23C6型碳化物沉淀析出。(4)高温内耗及弹性模量测试(IF)表明SDC99钢经拟合并扣除背底的SKK峰经深冷处理后较常规热处理升高,说明深冷处理促进碳原子在位错附近的偏聚,计算结果表明深冷处理后位错密度增加约17%。热力学计算结果表明:由室温(25℃)降温至液氮温度(-196℃)所改变的能量约为-3269313×10-14 J,该能量可使位错密度增加1.03×1013 cm-2,从而使深冷处理时应变诱导碳偏聚成为可能。本文的研究结果证实了深冷处理过程中碳偏聚的形成和细小碳化物的析出,对于理解高碳高合金钢低温下的相变过程具有重要意义。这些结果有助于对材料的深冷处理工艺进行优化。