高强度索氏体钢的开发及强化机理研究

高强度索氏体钢的开发及强化机理研究

为了更有效地利用索氏体组织具有的超细片层结构提升弹簧钢的性能,本文以热轧高碳钢卷板为研究对象,采用控制冷却的思路模拟了铅浴等温淬火工艺,并成功实现了材料的索氏体化。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等分析手段研究了索氏体化后的钢板在冷轧过程中的组织演变规律,通过测试材料在不同状态下的力学性能,揭示了索氏体钢在冷轧大应变下的强化机理,并在索氏体结构中引入Cu作为第二相强化颗粒,结合索氏体化工艺控制其析出行为,进一步提升了索氏体弹簧钢的强度。

本文的主要研究内容及取得的成果如下:1、使用金属材料相图计算软件JMatPro以及Gleeble 3800热模拟试验机对两种热轧高碳钢(1#:SAE 1078;2#:SK 85)的相变点和过冷奥氏体转变曲线进行分析,确定了控制冷却的索氏体化工艺。研究表明,随着等温温度的降低,珠光体片层间距和渗碳体片层厚度逐渐减小,两种材料在450°C以下温度等温淬火可获得片层间距细小的索氏体。

等温温度升高,珠光体片层间距的增加主要由来自于渗碳体的粗化,在较高温度等温时出现了粗大的短棒状渗碳体。2、综合考虑珠光体转变的界面能、形核初期晶核的形状以及形核位置,建立了珠光体转变模型。

采用SEM观察珠光体形貌,并测量了珠光体片层间距,发现通过模型计算的珠光体片层间距与实测值基本相符。3、SAE 1078和SK 85在不同索氏体工艺下的拉伸性能与显微组织有关,在较低温度等温得到的索氏体组织表现出良好的强度和塑性。

两种材料均在350°C等温时获得了较高的强度,分别是1170 MPa和1240 MPa。在高于500°C时等温,珠光体片层逐渐粗大,强度下降的同时塑性并未增加,

呈脆性特征,不利于进一步冷轧加工。

4、对SAE 1078和SK 85在最佳索氏体化工艺处理下的钢板进行不同冷轧压下率变形。珠光体的片层间距随冷轧压下率的增加而逐渐减小,减小程度随着压下率的增加而变小。

在90%冷轧压下率时,片层间距降至58 nm,珠光体团的片层间距相近。XRD 结果显示,随着冷轧压下率的增加,铁素体发生体心立方(bcc)结构到体心四方(bct)结构的转变。

5、随着冷轧压下率的增加,冷轧索氏体钢经历了位错强化和固溶强化。冷轧索氏体的屈服强度和片层间距基本满足Hall-Petch关系。

在10~90%压下率之间,屈服强度(?_y)与应变量(ε)存

在?_y(28)4563.(10)6488.exp(?/)2的关系。对大应变索氏体钢进行烘烤,促进了过饱和铁素体中碳化物的析出,导致材料的硬度上升。

随着烘烤温度和时间的增加,位错密度下降以及碳化物粗化使得强度又逐渐下降。SAE 1078和SK 85在200~250°C下烘烤20 min,均获得了最佳的烘烤硬度。

6、在SAE 1078成分的基础上添加~1.5 wt%Cu,控制索氏体化工艺的等温温度和时间,在铁素体中析出了纳米尺度的ε-Cu颗粒,在500°C等温1000 s时,硬度和抗拉强度分别达到380 HV和1450 MPa。根据Ashby-Orowan析出强化机制计算,当ε-Cu析出相尺寸为20 nm时,析出强化对强度的贡献值约为150 MPa,与实测值基本吻合。

7、含Cu索氏体钢进行冷轧变形时,随着冷轧压下率的增加,含Cu索氏体钢与其它两种材料同样经历了位错强化和固溶强化,且ε-Cu的析出导致高碳钢的

位错强化和固溶强化效应在冷轧过程中提前出现,使得含Cu索氏体钢能在较低的压下率可获得较高的强度,提高了材料的可加工性。