实验方案范例

脉冲电流辅助热处理在消除带状组织方面的应用研究

指导老师：

组员：一、问题的提出

低碳合金钢（包括渗碳钢）中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态。由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带（实质上是条）和富化带。贫化带和富化带彼此交替堆叠，在缓慢冷却条件下，先在碳及合金元素贫化带（过冷奥氏体稳定性较低）析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素富化带（过冷奥氏体稳定性较高），在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。

有的资料认为，带状组织与杂质元素的偏析有关。

（1）钢水在结晶时，在枝晶之间富集了磷、硫等杂质，尤其是富集磷的地方，阻碍碳的溶解。钢锭锻轧变形时，富磷区被压延而伸长为带状，此带状区的含碳量较低，在热加工后的冷却过程中，这些带状区首先析出先共析铁素体。这以后形成的珠光体自然也成为带状。

（2）条状硫化物夹杂也可能促成带状。锻轧形成条状硫化物是先共析铁素体形核的非自发核心，因而容易形成带状铁素体。

由于带状组织相邻带的显微组织不同，他们的性能也不同。带状组织的存在使钢的组织不均匀，影响钢材性能，如呈现出各向异性，降低钢的塑性、冲击韧性和断面收缩率等。在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能的降低，在锻造过程中或零件工作时常常易沿着铁素体带或两相交界处开裂。

因此，消除带状组织是提高钢材性能的有效途径之一。在实际生产中，常常采用高温退火工艺消除带状组织。传统热处理工艺采用高温扩散退火消除带状组织。在本实验中，研究脉冲电流辅助热处理在消除合金结构钢锻轧材中带状组织方面的应用。

二、实验假设与理论依据

1.实验假设

上世纪60年代，苏联专家发现了电致塑性，此后，人们在脉冲电流这样一种特殊的处理材料的方式上进行了诸多研究，脉冲感应淬火法便是感应热处理的最新发展之一。我国在脉冲电流热处理方面发展也十分迅速，对于其应用范围也多集中在金属热处理的淬火方面。在脉冲电流辅助热处理作用下，整个基体由脉冲电流带来的焦耳热相对来说比较少的，但材料内部成分不均匀的区域和不同相之间电阻率有较大差异，由于Peltier效应其界面附近会产生一个附加热量，使得局部界面附近可能升高到一个比

较高的温度。同时，相关文献指出一定密度的脉冲电流对金属材料形变过程中的电致塑性效应会使金属内部的原子获得能量,原子振动能力增强。因此，通过一定频率的脉冲电流后就使得材料基体中局部成分不均匀区获得一个附加的热量，脉冲电流同时为微区合金元素和碳元素提供一个额外的激活能，加快原子扩散速度及在基体中的扩散距离，在一定程度上可降低由成分偏析带来的组织不均匀。

2.理论依据

脉冲电流电致迁移、电致塑性效应、Peltier效应等

三、实验目标

通过本实验，认识合金结构钢中的带状组织形貌，了解脉冲电流对合金结构钢中带状组织的影响，为后续的探索做好准备。同时，学习基本实验的操作，熟悉本专业部分仪器设备的使用方法，巩固热处理原理及工艺方面的专业知识，为以后的学习打下一定的基础。

四、实验对象、方法及手段

1.实验对象

合金结构钢钢锭式样若干

2.实验方法

通过对实验式样施加不同的热处理方式，观察带状组织改善状况，和原式样进行对比，并总结。

3.检测手段（数据统计）

应用金相显微镜，观察合金结构钢中的带状组织，同时使用能谱仪，对微区成分进行分析，了解合金元素的分布状态。

五、实验原则

实验过程坚持求真务实、实事求是的原则，坚决杜绝实验作假，编造实验数据。

六、实验步骤

1.准备阶段（起止时间2011年7月13日---2011年7月14日）

①在准备好的钢锭上，采用线切割技术，制备20个式样，式样尺寸如下图

②将式样分为3组，A组式样12个，B组式样4个，C组式样4个。

③将B组式样，在线切割机上纵向剖开，制备金相式样，并在金相显微镜下观察，了解带状组织的形貌特征。

2.实施阶段（2011年7月15日开始）

①将C组式样2个置入1号电阻炉中，调好电炉温度860℃，加热结束后，保温时间20分钟，关闭电源，打开炉门，将试样取出，放入油桶中冷却，冷却结束后，取出试样进行金相检验和分析。

将C组另外2个式样置入2号电阻炉中，调好电炉温度860℃，加热结束后，保温10分钟，关闭电源，随炉冷却，打开炉门，取出试样，进行金相检验和分析。

通过以上步骤，对比三组试样金相组织，了解带状组织的形貌特征，并分析三组试样金相差异的原因。

②将A组试样进行实验预处理。

在奥氏体化过程中，取2个试样两端面用两根导线分别焊接，放入电阻炉中加热，两根导线在炉外与MY一2005型脉冲电流发生器连接，将试样加热到A

C3温度930℃，同时输入1000A，50HZ的脉冲电流，保温180min，同时电阻加热炉内放入2个同样尺寸同样工艺路线不加脉冲电流的试样进行对比。

相变过程中，取4个式样，同样在端面上焊接两根铁丝作为导线，脉冲电流的辅助热处理方式是将试样在860℃保温20min后，在冷却过程中通入同样的脉冲电流，同时模拟试样中心和1/2R处的冷却速度，制定其冷速分别为20℃/min 和50℃/min，并在电阻加热炉内放入4个同样尺寸不加脉冲电流的试样进行对比，如下表所示。

工艺编号脉冲电流保温温度保温时间冷速

一1 保温过程中

930℃180 20℃/min 2 无

二3 冷却过程中

860℃20 50℃/min 4 无

5 冷却

860℃20 20℃/min 6 无

③实验结束后，对12个试样进行金相分析，并采用日本产Oxford Link ISIS 能谱仪对试样进行能谱分析，探索试样微区成分，并与实验前的合金分布状况进行对比。

3.分析阶段

对实验数据进行分析，总结实验结果。

七、总结问题

对实验中发现的问题，及遇到的困难进行总结对比。