【摘 要】
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第二相强化是一种除细晶强化外脆性矢量最小的强化方式,它可以同时提高钢材的屈服强度和抗拉强度,并且不会对钢材的可加工性产生明显影响。目前,Ti、V、Nb作为强碳、氮化物形成元素而被广泛应用于钢铁材料的第二相强化研究当中。通过Ti-V-Nb合金化+热处理的方式使奥氏体基体中产生不同尺度的第二相粒子,能够明显改善高锰钢的力学性能和耐磨性能。由于热处理是调控铸造Ti-V-Nb合金化高锰钢第二相析出、综合改
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第二相强化是一种除细晶强化外脆性矢量最小的强化方式,它可以同时提高钢材的屈服强度和抗拉强度,并且不会对钢材的可加工性产生明显影响。目前,Ti、V、Nb作为强碳、氮化物形成元素而被广泛应用于钢铁材料的第二相强化研究当中。通过Ti-V-Nb合金化+热处理的方式使奥氏体基体中产生不同尺度的第二相粒子,能够明显改善高锰钢的力学性能和耐磨性能。由于热处理是调控铸造Ti-V-Nb合金化高锰钢第二相析出、综合改善材料组织和性能的有效手段,因此研究热处理工艺对铸造Ti-V-Nb合金化高锰钢第二相演变过程及性能的影响,对研发和产业化综合性能良好、生产成本较低的高耐磨铸造奥氏体锰钢具有重要的理论意义和工业应用价值。在经过课题组优化过的成分基础上,选用Fe-0.88C-17Mn-2Cr-0.81Si-0.73Mo-0.29Ni-0.49Cu-0.09Ti-0.43V-0.25Nb高锰钢作为实验钢,分别通过分级固溶处理和固溶-时效处理对奥氏体中含Ti、V、Nb碳化物第二相的演变过程进行了调控,以期制备出力学性能和耐磨性能良好匹配的铸造合金化高锰钢,其主要研究内容及结果如下:(1)通过理论计算结合铸态组织分析研究了实验钢在凝固过程中的组织转变规律,部分尺寸粗大且具有包层结构的(Ti,V,Nb)C第二相在实验钢的凝固过程中就已经原位形成。研究了双级固溶处理工艺(CHP)和四级固溶处理工艺(SHPP)对实验钢第二相和性能的影响,SHPP工艺不仅能细化奥氏体晶粒,还能有效改善第二相的分布、细化第二相的尺寸,SHPP试样的冲击韧性和屈服强度相较于CHP分别提高了28.3J和68MPa。最后根据实验结果探讨了两种工艺试样的强韧化机制,在SHPP和CHP试样中,固溶强化均为主要的强化机制,且SHPP试样的固溶强化增量更大。(2)MC二元相平衡固溶度积计算结果及热力学相图计算结果表明:实验钢经固溶处理后第二相平均尺寸及数量的减小主要与含V碳化物的溶解有关。研究了固溶处理温度对实验钢显微组织的影响,1100℃是平衡实验钢晶粒尺寸和第二相尺寸的最佳固溶处理温度。最后对1100℃固溶(1100S)、1100℃固溶+400℃时效(400A)、1100℃固溶+450℃时效(450A)和1100℃固溶+500℃时效(500A)试样中的亚微米级和纳米级第二相进行了深入研究,其中450A和500A中的第二相主要由V2C组成,并且V2C的体积分数随时效处理温度的升高而增大。在此基础上研究了时效处理温度对奥氏体基体微观力学性能的影响,450A和500A的纳米硬度分别比1100S高出0.39GPa和0.94GPa,杨氏模量分别高出5Gpa和19GPa,布氏硬度分别高出8HBW和15HBW。(3)研究了时效处理温度对实验钢屈服强度、硬度、杨氏模量、奥氏体应变硬化能力及耐磨性能的影响。400A、450A和500A的屈服强度分别比1100S高38MPa、61MPa和82MPa,硬度分别高0.521GPa、0.921GPa和1.427GPa,杨氏模量分别高6.1GPa、11.2GPa和23.7GPa。在0~2035m磨损过程中,实验钢耐磨性能的高低主要取决于基体的原始硬度,这是由于在磨料磨损初期,部分尺寸粗大的第二相粒子仍被覆盖在奥氏体基体中,无法对基体产生有效的保护作用,而此时基体本身的硬度越高,其耐磨性就越好;而在0~8139m磨损过程中,其耐磨性主要与屈服强度有关,这是因为屈服强度的提高能有效增强基体抵抗塑性变形的能力,进而提高了奥氏体基体对微米级粒子的支撑作用。随着时效处理温度的升高,不断增多的纳米级V2C粒子改善了基体的应变硬化能力,提高了实验钢发生微切削作用时所需的临界应力阈值,使其磨损机制由微切削逐渐转变为显微犁耕、剥落坑和疲劳。
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