深冷處理對高碳鉻鋼殘余奧氏體穩(wěn)定性及力學(xué)性能影響的研究.pdf

1、高碳鉻鋼廣泛應(yīng)用于軸承、工具、模具等領(lǐng)域，要求材料具有硬度和強度高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定性強等特點。高碳鉻鋼淬火后通常含有數(shù)量不等的殘余奧氏體。殘余奧氏體為“軟態(tài)相”，有利于提高材料的韌性，但同時又是“亞穩(wěn)態(tài)”，在外部條件（溫度、時效、載荷、磁場等）變化時可能會發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致工件尺寸畸變，并影響其力學(xué)性能和使用壽命。尤其在高速精密軸承和高速鐵路軸承領(lǐng)域，尺寸畸變會導(dǎo)致軸承失效，甚至引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，系統(tǒng)研究殘余奧氏體穩(wěn)定性及相關(guān)顯微組

2、織與力學(xué)性能之間的關(guān)系有著重要的理論價值和工程意義。同時，殘余奧氏體的多樣化轉(zhuǎn)變也為優(yōu)化鋼材性能提供了更多的可能性。
　　本文以高碳鉻鋼（SUJ2）中殘余奧氏體穩(wěn)定性為研究重點，采用多種材料組織結(jié)構(gòu)表征手段（掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、電子背散射衍射、透射電子顯微鏡、納米壓痕等）對深冷及各種工藝處理后殘余奧氏體形貌、含量、分布、穩(wěn)定性（包括熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性）及其影響機理進行系統(tǒng)的研究，對與之相關(guān)的馬氏體、碳化物的形貌特征與轉(zhuǎn)

3、變規(guī)律進行分析，最后探討殘余奧氏體穩(wěn)定性與力學(xué)性能間的關(guān)系。主要研究成果如下：
　　首先，對殘余奧氏體在不同深冷及回火工藝中的熱穩(wěn)定性進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，相比于未經(jīng)深冷處理試樣，經(jīng)-196?深冷處理后再回至室溫的試樣，其殘余奧氏體的含量有了顯著減少，殘余奧氏體所含碳濃度有所提升，抑制了殘余奧氏體進一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即，殘余奧氏體熱穩(wěn)定性得到提高。對深冷處理試樣進行不同溫度回火，結(jié)果表明，殘余奧氏體中碳濃度和位錯密度間存在“競爭

4、機制”。較高溫度（200℃以上）回火時，由于殘余奧氏體中碳含量升高，“深冷+回火”試樣（QC&T）的熱穩(wěn)定性高于“直接回火”試樣（QT）。而在較低溫度（200℃以下）回火時，由于深冷處理增加了殘余奧氏體中位錯和缺陷的密度，導(dǎo)致QC&T試樣的熱穩(wěn)定性低于QT試樣。同時，結(jié)合“約束準平衡”理論（constrained paraequilibrium）合理解釋了殘余奧氏體中碳元素配分富集的原因。
　　其次，從微觀和宏觀兩方面對殘余奧氏體

5、在深冷處理工藝中的機械穩(wěn)定性進行研究，并且以力學(xué)驅(qū)動力??????為基礎(chǔ)，對殘余奧氏體機械穩(wěn)定性從微觀到宏觀進行關(guān)聯(lián)。微觀領(lǐng)域，利用納米壓痕和TEM，首次在室溫淬火（AQ）的高碳鉻鋼中直接觀察到殘余奧氏體在應(yīng)力作用下誘發(fā)形成馬氏體，并且與母相保持 K-S的位向關(guān)系。而深冷處理試樣（QC-24h）中并未觀察到殘余奧氏體相變，其機械穩(wěn)定性顯著高于AQ試樣，主要原因在于深冷處理增加了殘余奧氏體的位錯密度和碳濃度。其中，位錯密度過高會阻礙殘余奧

6、氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，而碳濃度增加會使??點降低，相變能壘??變大，需要更大的應(yīng)力才能進一步使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。宏觀領(lǐng)域，XRD分別測定各個不同應(yīng)變量所對應(yīng)的殘余奧氏體含量，結(jié)果表明，大部分殘余奧氏體在壓縮的初始階段就轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。對于AQ試樣，單軸壓縮可以使殘余奧氏體含量降低至未壓縮態(tài)的36%，而 QC-24h試樣只能降至53%。在單軸壓縮過程中，不同取向的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的速率并不相同，?200??取向的奧氏體比?220??取向以更

7、快的速度轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。
　　再次，利用TEM和EBSD對馬氏體在深冷處理過程中微觀組織的亞結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)位向特征進行研究，對回火過程中碳化物的析出行為也進行探討。結(jié)果表明，深冷階段形成的馬氏體其亞結(jié)構(gòu)與室溫階段形成的馬氏體有顯著區(qū)別，前者呈細小薄片狀，寬度約為150nm，為細微的完整孿晶區(qū)，而后者呈大片狀，寬度超過2??，包括完整孿晶區(qū)的“中脊線”、“部分孿晶區(qū)”以及“非孿晶區(qū)”三個區(qū)域。EBSD結(jié)果表明，經(jīng)深冷處理高碳鉻鋼中的馬氏

8、體與母相奧氏體保持完整的K-S取向關(guān)系，單個原始奧氏體晶粒內(nèi)可觀察到全部24種馬氏體變體，而深冷階段只觀察到少量特定的馬氏體變體組合。對碳化物的析出進行了初步的研究，結(jié)果表明，深冷處理后的試樣在80~200℃區(qū)間回火會析出η????碳化物，其析出量明顯大于未經(jīng)深冷的試樣，主要原因在于深冷處理過程產(chǎn)生了大量的缺陷（如位錯等）促進了碳原子的偏聚、形核和析出。
　　最后，從殘余奧氏體穩(wěn)定性角度，對不同工藝處理試樣的力學(xué)性能進行研究。結(jié)果