铁素体马氏体双相钢表面纳米化及性能研究

铁素体/马氏体双相钢表面纳米化及性能研究

梯度纳米结构(Gradient Nanostructure)指材料的结构单元(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化,从纳米尺度连续增加到宏观尺度。梯度纳米结构可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调,使材料的整体性能(强度、硬度、耐磨性、疲劳性能等)得到优化和提高。

铁素体/马氏体双相钢具有良好的力学性能和成形性,探究双相钢微观变形行为,研究两相的变形协调性对制备梯度纳米结构的影响,理解其微观晶粒细化行为,有助于双相钢表面梯度纳米结构的制备设计。通过采用临界区退火(Intercritical Annealing,IA)、中间淬火(Intermediate Quenching,IQ)和分级淬火(Step Quenching,SQ)对低碳钢进行双相区热处理,得到不同马氏体形貌和不同马氏体体积分数的双相钢;首先,对不同马氏体形貌和体积分数的双相钢

表面进行超音微粒轰击(Supersonic Fine Particles Bombardment,SFPB)处理制备梯度纳米结构层;随后,对其力学性能和抗腐蚀性能进行测试分析;最终,基于微观应力模型下模拟试样受力下微观组织应力应变分布情况。

结果表明:(1)相同超音微粒轰击工艺下,三种马氏体组织形貌试样均产生了一定的梯度纳米变形层,其中,岛状马氏体(IA处理)形成较小颗粒分散于变形层中,纤维状马氏体(IQ处理)变为细小颗粒状并均匀的分散亚晶层区域,块状马氏体(SQ处理)组织经过表面塑性变形后形成片状组织。IA工艺下,不同马氏体体积分数试样的变形层形貌基本相似,随着马氏体体积分数增大,变形层厚度也随之增大,但表面晶粒细化幅度总体呈减小趋势;(2)通过纳米梯度层制备后,试样强度都得到明显增大,而塑性有所降低。

其中,纤维状马氏体双相钢强度增幅最大且塑性降低最小,而块状马氏体双

相钢塑性损失最大;岛状马氏体形貌双相钢中,随着马氏体体积分数增大,强度增幅总体呈现增大趋势,然而塑性减少的趋势为先增后减趋势。梯度纳米化后,试样表面都存在硬度梯度分布,其中块状马氏体形貌双相钢表层硬度最大且梯度幅度

最大;对岛状马氏体形貌而言,随着马氏体体积分数的增加,表面最大硬度逐渐减小且硬度梯度变化逐渐缓慢;(3)电化学腐蚀结果表明,岛状与纤维状马氏体形貌双相钢表面梯度纳米化后试样的自腐蚀速率升高,抗腐蚀性能下降,其中岛状马氏体形貌双相钢纳米梯度化后自腐蚀速率升高幅度最大。

然而,块状马氏体形貌双相钢处理后的试样自腐蚀腐蚀速率减小。岛状马氏

体形貌双相钢中,随着马氏体体积分数增大,自腐蚀速率增幅降低;(4)微观流变应力模型较准确的表现马氏体铁素体各相的微观力学性能,模拟结果准确的符合材料真实应力应变情况,其中淬火温度为740oC和800oC时的表面应变较小,马氏体体积分数在40%附近时,微观应变差较大,晶粒细化效果较好。