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喷射成形超高碳钢及高速钢的超塑性研究 摘要 喷射成形技术不仅具有快速凝固工艺的优点，而且克服了快速 凝固粉末冶金工艺成本高、工序复杂的缺点。由于碳含量高，在常 规铸造工艺的凝固及常规热加工过程中，超高碳钢难以避免粗大碳 化物网络的形成，导致其脆性。本文围绕喷射成形工艺制备的超高 碳钢和高钒高钻高速钢，分析了含s i 超高碳钢和热轧后的高钒高钴 高速钢的超塑性变形行为，研究了合金元素，热加工手段( 热轧和 等温锻造) 对超高碳钢和高钒高钴高速钢综合性能的影响。 喷射成形工艺制备的超高碳钢u h c s 3 0 s if 硅含量为3 o ) 的 显微组织特征是，珠光体层片间距均匀细密，晶界处网状碳化物基 本消除，材料无宏观偏析。与铸锭法制备的母合金相比，其室温力 学性能有了显著提高，屈服点和抗拉强度都明显地高于超高碳钢母 合金相应的值。 喷射态超高碳钢u h c s 3 0 s i 的超塑性研究结果表明，超高碳钢 在一个相当大的温度范围具有较好的超塑性。最佳的变形条件是温 度为8 2 0 ，变形速率为2 x 1 0 4 s ，最大延长率为3 8 0 ；值得注意 的是获得这些超塑性性能的超高碳钢u h c s 3 0 s i 并没有经过任何 热的或机械的组织预处理过程。 喷射态u h c s 3 0 s i 变形过程中的组织自转变特性表明，尽管其 变形前的原始组织为不利于超塑性变形的典型层片状珠光体，但在 变形过程中，层片状组织逐渐球化。珠光体中的条状碳化物逐渐发 生碎化和球化，并弥散分布于晶界处。随着变形量的加大，喷射态 u h c s 3 0 s i 的球化特征逐渐明显，从而导致了变形能够获得较大的 延长率。 分析了喷射态u h c s 3 0 s i 超塑性变形的力学行为特征。应变速 率恒定时，其流变应力随温度的升高( 7 6 0 到8 0 0 ) 而降低，这 符合高温变形时的应力变化规律。而当温度超过8 2 0 。c 时，流变应 力反而高于8 0 0 时的流变应力，并且这种趋势随着应变速率提高 更加明显。流变应力升高的原因在于超高碳钢高于8 2 0 时发生了 相变。超高碳钢在7 6 0 8 4 0 整个温度区间内超塑性变形的应变速 率敏感指数m 值在0 1 5 0 4 范围内。在应变速率恒定而温度升高 的变形条件下，应变速率敏感指数m 值呈现升高的趋势。应变速率 敏感指数m 值随应变量的增加逐渐升高的趋势表明喷射态超高碳钢 在变形过程中其显微组织朝着有利于超塑性变形的方向变化。研究 结果表明，在碳化物层片问的铁素体基体中存在大量位错，且位错 密度在碳化物层片问的尖端处更高。随着形变量的增加，碳化物层 片间铁素体基体运动位错的密度越来越高。这说明随着碳化物的球 化，碳化物层片间距扩大，位错越容易在铁素体基体中滑移，因此 对超塑性变形贡献所占比例也就越大。此时变形受体积扩散f 或晶格 扩散) 过程所控制。喷射态u h c s 3 0 s i 材料在7 6 0 8 0 0 温度范围 内超塑性变形的表观激活能为a o 。；2 9 9 k j t o o l ，接近于口一f e 的自 扩散系数。 研究了热轧或等温锻造工艺对喷射成形超高碳钢综合力学性能 的影响。超高碳钢u h c s 3 0 s i 经单道次大变形量的热轧工艺处理 后，在8 2 0 的变形温度条件下，应变速率在2 x 1 0 。3 s 。1 到1s 。1 的范 围内，其延长率得到了大幅度提高( 应变速率为1 s 1 时，延长率为 1 5 0 ；2 x 1 0 。s 。1 时，延长率为6 0 0 ) 。等温锻造后的超高碳钢材料 室温下屈服点达8 5 0 m p a 以上，抗拉强度达1 2 0 0 m p a ，而拉伸延长 率保持在1 0 以上。超塑性性能也显著得到提高。在中等应变速率 1 5 x 1 0 3 s 4 时，延长率与是喷射态时相比提高了一倍； 研究了s i 元素对喷射成形超高碳钢超塑性的影响。含s i 超高碳 钢( u h c s 一3 0 s i 、u h c s 2 0 s i ，、u h c s 1 0 s i 、u h c s 0 5 s i ) 在应 变速率为2 5 x 1 0 。4 s 。时均获得最大的延长率，且获得最大延长率的 变形温度随s i 含量降低逐步下降。超高碳钢u h c s 2 0 s i 在超塑性 变形过程中显微组织的演化过程也与u h c s 3 0 s i 超高碳钢类似。 研究了喷射成形工艺制备的高钒高钴高速钢热轧后的超塑性性 能。该高速钢在5 x 1 0 。3 s 。1 的应变速率下实现最高达3 2 7 高温拉伸 延长率，且在相当高的应变速率1 0 x 1 0 d s i 仍然具有较大的拉伸延 长率( 1 1 1 ) 。该延长率为目前有关超塑性的文献中得到的最好指 标。 关键词：喷射成形，超高碳钢，高速钢，超塑性，等温锻造，热轧 s u p e r p l a s t i c i t yo fs p ra ：y 二f o r m e d u l t r a h i g hc a r b o ns t e e l sa n d h i g hs p e e d s t e e l s p r a yf o r m i n g n o t o n l y h a st h e a d v a n t a g e so ft h er a p i d s o l i d i f i c a t i o nb u ta l s oo v e r c o m e ss o m ed i s a d v a n t a g e so fr a p i d s o l i d i f i c a t i o n p o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g y , s u c ha sh i g hc o s ta n d c o m p l i c a t e dp r o c e s s t h em a i nr e a s o nf o rt h el o wd u c t i l i t yo fu l t r a h i g h c a r b o ns t e e l si st h ep r e s e n c eo fab r i t t l ep r o e u t e c t o i dc a r b i d en e t w o r k ， w h i c hw a sf o r m e dd u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e d u r eo fi n g o tc a s t i n go rh o t w o r k i n g i nt h ep r e s e n ts t u d y , u l t r a h i g hc a r b o ns t e e l sa n dh i g hs p e e d s t e e lw e r e p r e p a r e db ys p r a yf o r m i n g 。s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o no f u l t r a h i g hc a r b o ns t e e l sa n dh o t r o l l e dh i g hs p e e ds t e e lw e r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，h o tr o l l i n ga n di s o t h e r m a lf o r g i n gw e r eu s e dt oi m p r o v e s u p e r p l a s t i c i t yo fs p r a yf o r m e du l t r a h i g hc a r b o ns t e e l s ( u h c s ) a n d h i g hs p e e ds t e e l ( h s s ) m i c r o s t r u c t u r eo fs p r a yf o r m e du h c s 3 o s i ( s i l i c o nc o n t e n ti s 3 0 ) i st h eh o m o g e n e o u sp e a r l i t ew i t h o u tm a c r o s e g r e g a t i o na n dt h e p r o e u t e c t o i dc a r i b i d en e t w o r ka r o u n dt h eg r a i nb o u n d a r yi se l i m i n a t e d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r es u c ha sy i e l ds t r e n g t h ， t e n s i l es t r e n g t ha r es i g n i f i c a n th i g h e rt h a nt h a to fu h c so b t a i n e db y i n g o tc a s t i n g t h es p r a y f o r m e du h c s 一3 0 s iw i t h o u ta n yp r e l i m i n a r yt r e a t m e n t e x h i b i t se x c e l l e n ts u p e r p l a s t i c i t yo v e raw i d et e m p e r a t u r er a n g ea n da w i d es t r a i nr a t er a n g e u n d e rt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e8 2 0 a n ds t r a i n r a t e2 x 1 0 4 s f o rt e n s i l et e s t t h em a x i m u m e l o n g a t i o nt of a i l u r ef o rt h e a s - s p r a y e du h c s 3 0 s ii s3 8 0 m i c r o s t r u c t u r e so f s p r a y f o r m e d u h c s 3 0 s i d u r i n g t h e s u p e r o l a s t i c d e f o r m a t i o ns h o w e dt h ef e a t u r eo f s e l f - o r g a n i z e d m i c r o s t r u c t u r e so fs p r a y - f o r m e du h c s 3 0 s ia r em a i n l yc o m p o s e do f t y p i c a ll a m e l l a rp e a r l i t e s ，w h i c hw a sb e l i e v e dt ob ed i s a d v a n t a g et o s u p e r p l a s t i c i t y d u r i n g t h e s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h o s e1 a m e l l a r c a r b i d e sa r ec o n v e r t e di n t ot h es p h e r o i d i z e dg r a d u a l l y w i t ht h es t r a i n i i n c r e a s i n g t h et e n d e n c yo fs p h e r o i d i z i n gm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no f l a m e l l a rc a r b i d e si sm o r eo b v i o u s t e n s i l e p r o p e r t i e s o f s p r a y - f o r m e d u h c s 3 0 s i d u r i n g t h e s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o na r et e s t e d f 1 0 ws t r e s sd e c r e a s e dw i t ht h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o m7 6 0 t o8 0 0 s t r a i nr a t e s e n s i t i v e e x p o n e n tf mv a l u e ) i sb e t w e e n0 1 5 0 4 o v e rt h e t e m p e r a t u r e r a n g e 7 6 0 8 4 0 t h ev a l u eo fmi n c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s eo ft h e t r u es t r a i n t h ei n c r e a s e dt e n d e n c i e so fmv a l u ea r ea g r e ew i t ht h e t e n d e n c yo fm i c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o n d u r i n g t h e s u p e r p l a s t i c d e f o r m a t i o n aa m o u n to fd i s l o c a t i o n se x i s t e da m o n gt h o s el a m e l l a r c a r b i d e s ，a n dt h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi n c r e a s e da l o n gt h et i po fl a m e l l a r c a r b i d e s w i t ht h es t r a i n i n c r e a s i n g t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yw a s i n c r e a s e d t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yf o rs u p e r p l a s t i cf l o wb e l o w 8 0 0 i s2 8 8k j m 0 1 w h i c hi sc l o s et ot h a tf o rl a t t i c ed i f f u s i o ni n u h c s 3 0 s ia l l o y d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mf o rs u p e r p l a s t i co fs p r a y f o r m e du h c s 3 0 s ii s g r a i nb o u n d a r ys l i d i n g c o o p e r a t e d w i t h i n t r a c r v s l a l l i n ef l o wa n dd i s l o c a t i o nc r e e p h o tr o l l i n ga n di s o t h e r m a if o r g i n gp r o c e s s e sa r ea p p l i e dt oi m p r o v e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs p r a yf o r m e du h c s 3 0 s ib o t ha tr o o m t e m p e r a t u r ea n da te l e v a t e dt e m p e r a t u r e t h eh o tr o l l e du h c s 3 0 s i w i t ho n ep a s s1 a r g ed e f o r m a t i o np r o c e s se x h i b i t sb e t t e rs u p e r p l a s t i c i t v a tt h et e m p e r a t u r e8 2 0 a n ds t r a i nr a t er a n g e2 x 1 0 一s 。t ol s “ r e s p e c t i v e l y , e l o n g a t i o nt of a i l u r e o fu h c sw e r ei n c r e a s e dm u c h e l o n g a t i o nt of a i l u r ea r e1 5 0 a tt h es t r a i nr a t el s “a n d6 0 0 a ts t r a i n r a t e2 x 1 0 。s y i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho fu h c s 3 0 s ia f t e r i s o t h e r m a l f o r g i n g a r e8 5 0 口aa n d1 2 0 0 m p ar e s p e c t i v e l y t h e e l o n g a t i o na ta m b i e n tt e m p e r a t u r ei s1 0 s u p e r p l a s t i c i t yw a sg r e a t i r e p r o v e d a te l e v a t e d t e m p e r a t u r e a t t h es t r a i nr a t e1 5 x 1 0 。s e l o n g a t i o nt of a i l u r ea r ed o u b l ev a l u eo fs p r a yf o r m e du h c s 3 0 s i i n f l u e n c eo fe l e m e n t ss i l i c o nt os u p e r p l a s t i c i t yo fs p r a yf o r m e d u h c sw a si n v e s t i g a t e d s i l i c o nc o n t e n to fu h c s 3 0 s i u h c s 2 0 s i u h c s 1 0 s ia n du h c s 0 5 s ia r e3 0 ，2 0 ，1 0 ，0 5 r e s p e c t i v e l y a tt h es t r a i nr a t e2 5 x 1 0 1 s t h e s ef o u ru h c s ss h o wt h em a x i m u m e l o n g a t i o nt of a i l u r e t h ee l o n g a t i o nt of a i l u r ed e c r e a s e dw i t ht h e s i l i c o nc o n t e n td e c r e a s i n g m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no fu h c s 2 0 s i d u r i n gt h es u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o ni ss i m i l a rt ot h a to fu h c s 3 0 s i s u p e r p l a s t i c i t yo fs p r a y f o r m e dh i g hs p e e ds t e e la f t e rh o tr o l l i n g w a si n v e s t i g a t e d i t se l o n g a t i o nt of a i l u r ea tt e m p e r a t u r e8 2 0 a n d s t r a i nr a t er a n g e5 x l o 。j s “i s3 2 7 w h i c hi st h eb e s tr e s u l tr e p o r t e di n t h el i t e r a t u r e a tt h eh i g hs t r a i nr a t e1 0 x 1 0 “s 一e l o n g a t i o nt of a i l u r ei s 1 1 1 i v k e yw o r d s s p r a yf o r m i n g ，u l t r a h i g hc a r b o ns t e e l s ( u h c s ) ，h i g h s p e e ds t e e l o - i s s ) ，s u p e r p l a s t i c i t y , i s o t h e r m a lf o r g i n g ，h o tr o l l i n g v 主要符号对照表 应变速率敏感指数( s t r a i n - r a t es e n s i t i v i t y , dl o g o l o g ) 应力指数( s t r e s se x p o n e n o 流变应力( f l o ws t r e s s ) 门槛应力( t h r e s h o l ds t r e s s ) 应变( s t r = n ) 应变速率( s t r a i nr a t e ，s 1 ) 激活能( a c t i v a t i o ne n e r g y ) 表观激活能( a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y ) 气体常数( g a sc o n s t a n t ) 绝对温度( a b s o l u t et e m p e r a t u r ei nk e l v i n ) 弹性模量( e l a s t i cm o d u l e ) 晶粒尺寸( g r a i ns i z e ) 时间( t i m e ) 长度( 1 e n 毋h ) 试样面积( s p e c i m e na r e a ) 晶粒粒度指数( g r a i ns i z ee x p o n e n t ) x 所露盯手q尺r e d ：l 彳p 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：二k 岭6 年，p 月i 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 一躲勿v 燧名拟 日期j ) 舶年。月，f 日 日期砂。年4 月，日 上海交通大学博士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 超高碳钢( u l t r a h i g hc a r b o ns t e e l ，u h c s ) 是指含碳量为1 0 - 2 1 w t 的一类 碳钢。由于超高碳钢中碳含量过高，在常规铸造工艺条件下的凝固过程中，很 难避免粗大碳化物的形成，而且在常规工艺中也难以避免奥氏体晶界处析出粗 大碳化物网络，这些都造成了超高碳钢材料的脆性。长期以来，超高碳钢一直 由于脆性而无法大规模应用。美国斯坦福大学的o d s h e r b y 及其合作者们在 2 0 世纪7 0 年代中期首先开始了对超高碳钢的室温力学性能、超塑性、热处理 工艺和加工手段的研究。之后，美国l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室，以及日 本、德国等国也相应开展了对超高碳钢的研究。这些研究结果均表明。超高碳 钢具有优异的综合机械性能，具有较好的工业应用前景。 改善超高碳钢综合力学性能的思路主要是采取适当的工艺手段消除碳含 量过高导致超高碳钢中形成的粗大碳化物网络。典型的工艺是对经采用传统铸 造方法制备的超高碳钢进行后续热机械处理，以改善其综合性能。这些后续热 机械处理工艺包括热温加工、锻造、多道次轧制等，可以将超高碳钢铸锭中的 粗大碳化物网络加以消除，并同时细化其基体组织。但由于超高碳钢的强度高， 采用挤压、锻造、多道次轧制等热机械处理工艺能耗高，工艺复杂，成本高， 生产效率低。喷射成形技术是一种具备快速凝固特点的近终形成形技术，将其 应用于超高碳钢材料的制备可以大大简化过去对超高碳钢所采用的复杂工艺， 并且能获得优异综合力学性能，从而拓宽了超高碳钢的工业应用前景。 超塑性加工作为一种大变形量、低应力的近终形加工工艺，对于超高碳钢 材料是一种经济有效的加工手段。本文在采用喷射成形工艺制备超高碳钢的基 础上，系统研究了喷射成形超高碳钢的超塑性，分析了其变形条件，显微组织 特征以及微观变形机制，这些对于超高碳钢获得优异的力学性能具有重要的指 导意义。下面对超高碳钢及其超塑性的研究进展和喷射成形技术进行介绍。 1 2 超高碳钢的研究进展 过去一般将超高碳钢称为过共析钢，但是碳含量的多少并不能完全决定是 否生成过共析组织，因此碳含量在该范围内的钢被称为超高碳钢1 1 1 。超高碳钢 最早可以追溯到历史上性能优异的大马士革钢1 2 - 5 1 ，大马士革钢的碳含量为 第一章绪论 1 5 - 2 o ，成分与现在的超高碳钢接近。经过显微组织优化的超高碳钢性能优 异，具有优良的室温力性能和高温下的优异超塑性。超高碳钢的碳含量、合金 元素成分，制备工艺，后续热机械处理方法等都对超高碳钢的性能具有重要的 影响。 1 2 1 超高碳钢的成份及相图 超高碳钢在f e c 相图中的位置如图1 - 1 所示【6 】，如图1 - 1 所示，其碳含量 位于高碳钢( 0 6 1 0 ，w t ，c ) 和铸铁( 2 1 4 3 ，w 1 ，c ) 之间。图1 - 1 描述了 f e c 合金具有超塑性的碳含量以及变形温度范围，图1 - 1 中的阴影区域反映了 应变速率为1 6 4 x 1 0 - 4 s 以时，具备超塑性的碳钢，其碳含量的范围相当宽，从共 析成分开始到超高碳钢、铸铁以及部分铁碳材料都在这个范围内。图1 - 1 中也 表示出了碳钢超塑性变形的温度范围，可以看出，所有超高碳钢材料在变形温 度范围为a l 温度上下即( y + f e a c 或a + f e 3 c ) 均具有超塑性性能。在该温度 范围附近，超高碳钢处于三相状态，奥氏体、铁素体、碳化物共存，可滑动的 晶界多。而且，由于超高碳钢的第二相渗碳体( f e 3 c ) 颗粒体积百分含量高 ( 1 5 - 3 2v o l ) ，高温变形时这种细小弥散分布的第- - f l 碳化物颗粒能够有效 阻止超塑变形过程中基体晶粒的长大，最终有利于超塑性变形的进行。而且， 随着超高碳钢中碳含量的增加，基体中的碳化物数量也相应增多，一定程度上 也有利于超塑性变形的进行。此外，图1 - 1 中的阴影区域也表明随着碳含量的 升高，从铸铁到铁碳材料，能够实现超塑性变形的温度范围逐渐缩小，而变形 温度逐渐升高，直至接近液相线温度。 含3 0 s i 和含1 6 a 1 的超高碳钢的相图分别如图1 2 和图1 3 所示f 7 | 羽。 由图可知，1 2 5 c 3 o s i 超高碳钢的a 1 点由普通碳钢的7 2 7 提高为8 2 5 ， 1 8 c 1 6 a i 超高碳钢的a l 点由普通碳钢的7 2 7 提高为7 8 0 左右。 1 2 2 合金元素对超高碳钢性能的影响 在超高碳钢中添加m n 、s i 、a l 、m o 、n i 、c r 、b 、n b ，等合金元素能够 显著影响或改善其综合性能。在超高碳钢中添加m n 元素可以减少s 、p 的有 害作用。其他碳化物形成合金元素的加入，一方面提高了超高碳钢的a l 转变 温度，在超高碳钢中生成复杂的碳化物阻止晶粒粗化，增加先共析碳化物的数 量，此外由于提高了碳在铁素体中的活度，在高温变形时可有效阻止晶粒长大， 有利于超高碳钢的超塑性变形。这些元素中，灿、s i 元素的作用较为明显，添 加舢、s i 元素的超高碳钢在高应变速率条件下，其超塑性的变形机制仍为晶 界滑动【1 1 。 上海交通大学博 学位论文 一1 4 瞳 。 盘 一螂 苫 。韩 c a r b o n m 图1 - 1 超高碳钢成分以及变形速率为1 6 4 x 1 0 4 s 1 时具有超塑性的f e - c 合金范围【6 i 飚1 1 f e p h a s em 8 孽8 h ”a t $ f f “a ? l l z l 黜o ? i1 怒0 4 x 8 1 婴o 掣哿6 d 讲u h c s 。”b eo b ”c o r a t cs p 硭 3 宣 出 ： 拦 c 刖删c o n t e n t - t 图1 - 2u h c s - 3 0 s i 的相图门 f i g 1 2p h a s ed i a g r a mo fu h c s - 3 0 s i i _ 7 图1 - 3u h c s 一1 6 a i 的相i s f i g 1 3p h a s ed i a g r a mo f u h c s 一1 。6 a i 8 】 图1 4 为四种不同成分的超高碳钢材料，能够实现超塑性变形的最大应变 速率随着温度的变化关系吼四种超高碳钢材料的c r 元素含量相同，均为1 5 ， c r 元素的主要作用是阻止碳的石墨化。其他元素、s i 、c r 、m n 元素的含量 (j已，i墨e3工 第一章绪论 不同。图1 2 中可以看出，随着温度升高，能够实现超塑性的最大速率逐渐增 大，其中a l 和s i 两种元素对超塑性的影响最为明显，s i 元素含量从o 5 增加 到3 0 ，a i 元素含量从1 6 增加到6 ，相应的最大应变速率均增加。与s i 元素相比，元素更有利于超高碳钢的超塑性变形。 图1 4 合金元素对超塑性应变速率的影, 向l g j f i g 1 4t h ee f f e c to fa l l o yo nt h es u p e r p l a s t i cs t r a i nr a t e 9 1 1 2 2 1s i 元素对超高碳钢性能的影响 s i 为铁素体稳定化元素，加入超高碳钢的可提高超高碳钢的相转交温度。 通常，超高碳钢具有超塑性的最高温度为a l 转变温度( 普通碳钢为7 2 7 ) ， 高于该温度，将生成奥氏体组织，碳化物也将大部分溶解在奥氏体中，从而不 足以在高温变形过程阻止奥氏体晶粒的长大，不利于超高碳钢的超塑性。在文 献 1 0 d f l ，4 研) s i 的加入使超高碳钢的a 1 温度提高到8 5 0 。s i 对超高碳 钢f e c 相图的影响如图1 3 所示，该图为s i 含量为3 的超高碳钢的f e c 相图，图中可以看出，s i 的加入使得其共析线向高温段推移，并拓宽为一个共 析转变温度区间。由前面的图1 - 1 中碳钢的超塑性图谱可知，超塑性变形温度 通常应在共析转变温度上下可知，共析线往高温区域上升并拓宽为一定的变温 度区间的现象表明此时超高碳钢的超塑性变形温度应该相应提高，而且可以在 ti。*一山t氆兰叠j-u；啡一0芷ut|3互。善ixz 上海交通大学博士学位论文 更宽泛的温度范围内进行高温变形。因此，s i 的加入有利于提高超高碳钢的超 塑性性能。 s i 也是奥氏体和铁素体的固溶强化元素，可以提高钢的变形抗力，并能显 著提高钢的回火抗力。s i 可降低晶界渗碳体形成的动力学，促使等温转变中上 贝氏体的生成。在共析钢和超高碳钢中，在一定等温转变条件下，s i 可抑制先 共析渗碳体沿奥氏体晶界析出，促进“晶界铁素体”的产生1 1 1 l 。 s i 元素的缺点在于其是石墨化形成元素，使得超高碳钢在热机械处理和超 塑性变形过程中易出现石墨化需添加其他碳化物稳定元素如c r 。s i 的添加通 常有一定的上限，大于3 的s i 将产生f e s i 有序组织【l z l ，脆性急剧增加。 1 2 2 2a i 元素对超高碳钢性能的影响 元素的作用与s i 元素的作用相似，也是铁素体稳定化元素，加入超 高碳钢中同样将其a l 转变温度提高并拓宽为了一个共析转变温度区间。在文 献【2 1 里报道了加入1 0 w t 的朋可使a 1 温度提高到9 5 0 。c 。此外a i 的加入使 得超高碳钢出现了铁素体、奥氏体和j r 一碳化物的三相区【s j ，奥氏体和铁素体 的存在可互相阻止晶粒长大，同时渗碳体颗粒也可钉扎奥氏体和铁素体晶粒的 长大。这些都有利于高温变形的进行，有利于超高碳钢实现良好的超塑性。尽 管a l 含量的增加导致超高碳钢的晶粒长大，但仍显示出较好的超塑性性能， 1 2 c - 1 0 a l 的超高碳钢材料在高温和低应变速率下的应变速率敏感指数为 m = l ，拉伸的延长率达到了1 1 2 0 ，而在高的应变速率下m - = 0 3 3 ，延长率为 2 0 0 - 5 0 0 。大于1 0 的将产生金属间化合物f e 3 a i ，使超高碳钢的脆性急 剧增加，因此，舢的加入也有一定的上限。含越的超高碳钢具有良好的抗氧 化性能，在1 2 0 0 0 c 温度下长时间保温仍未有氧化膜生成。 1 2 2 3 其他合金元素对超高碳钢性能的影响 在超高碳钢中添加c f 可起到稳定f c 3 c 的作用，防止超高碳钢出现石墨化。 c r 形成的复杂碳化物如( f e 、c r ) 。c 性能稳定，且比其它元素的碳化物容易变形， 有利于综合机械性能的提高，故在超高碳钢中常加入该元素。1 2 3 c - 1 2 s i 的超 高碳钢在不含q 时，在y + f e 3 c 两相区挤压时生成有害的“牛眼”组织即石墨产 生。加c f 的u h c s 挤压后“牛眼”组织消失。而c r 含量大于5 时，珠光体中 的渗碳体片被c r 的碳化物所取代，形成“合金珠光体”。 添加v 元素在超高碳钢中可起到细化晶粒的作用，对超高碳钢的超塑性和 室温机械性能均有利。h a n 等人1 1 3 。1 4 1 对v 对高碳珠光体钢力学性能的影响的研 究表明，v 可以降低共析碳化物的含碳量，抑制共析钢中原奥氏体晶界处的渗 碳体的生长，同时形成的v ( c ，n ) 碳化物阻止晶界的迁移，从而起到细化晶粒的 第一章绪论 作用。c o 元素的加入可增加珠光体中渗碳体的含量，抑制先共析渗碳体的生 成。币、n i 元素也在一定程度上也促进超高碳钢的石墨化，使碳化物数量减少， 不足以钉扎铁素体晶粒在超塑变形过程中的长大，对超高碳钢的超塑性不利。 1 3 超高碳钢的超塑性 1 3 1 超塑性概述 超塑性( s u p e r p l a s t i c i t y ) 是指具备一定组织的金属或合金在一定的变形条 件下( 温度、拉伸速度) 其延长率可以达到几百或者更大而不发生缩颈的现象。 1 9 6 2 年，u n d e r w o o d i ”】从冶金学的角度分析了实现超塑性的可能性、条件以及 基本原理。1 9 6 4 年，美国b a c k o f e n l l 6 1 对超塑性的力学特性了系统的分析研究， 提出了具有重要意义的超塑性敏感指数m 值及其测量方法。 金属超塑性的宏观变形特点旧可以概括为以下几点。( 1 ) 大延伸，延长率 可达百分之几百甚至百分至几千；( 2 ) 无缩颈，超塑性材料的变形类似与粘性 物质的流动，没有( 或很小) 应变硬化效应，但对应变速率敏感，应变速率敏 感指数m 值为衡量其超塑性性能大小的一个重要指标：( 3 ) 小应力，变形过程 中，变形抗力很小，往往是非超塑状态下的几分之一或更小；( 4 ) 易成形。超 塑性变形的上述特点对于一些在常温下难于加工的合金具有重要的工业意义。 根据超塑性变形方式的不同，超塑性可以分为两类，一类是细晶超塑性 ( f i n e - s t r u c t u r es u p e r p l a s t i d t y f s s ) ，细晶超塑性也称为恒温超塑性或组织f 结 构) 超塑性，其特点是具有超塑性的材料其显微组织为微细等轴的晶粒组织， 且该组织在变形温度( 通常是高温) 下稳定不易长大，细晶超塑性的变形温度 区间通常为t s = o 5 t i n ，t s 、t m 分别为超塑变形和材料熔点的绝对温度，变形 速率条件为z = 1 0 4 1 0 。1 s 一，而晶粒的尺寸大都在微米级( 接近断 裂区的t e m 观察 f i g 4 2 2t e mm i c r o g r a p h so fu h c s - 3 0 s i ( a ) a te v e ns t r a i n e dr e g i o na n dn e a rt h en e c k i n go f t h et e s t e ds a m p l ea f t e rs u p e q ) l a s t i cd e f o r m a t i o n 8 2 0 。c ，i = 5 x 1 0 。s 。1 ) 4 5 超高碳钢的高应变速率超塑性变形行为 4 5 1 喷射成形u h c s - 3 o s i 热轧后的显微组织 在传统工艺下，实现超高碳钢的组织细化与均匀化是非常困难的。这是由 于其碳含量高，在常规铸造工艺的凝固过程中很难避免粗大碳化物的形成，由 此造成超高碳钢材料的脆性。为了消除这些不利组织，s h e r b y 等提出了一系列 相当复杂的工艺路线。其基本点是：用反复多次热加工消除晶界碳化物网络； 随后再用反复多次温加工或复杂热处理工艺细化基体组织。通过上述热机械处 理后的超高碳钢具有良好的超塑性性能。尽管这些工艺方法获得了一批专利， 但由于这些工艺路线过于复杂，仅适用于试验室，而实际的工业化应用受到了 很大的限制。 由本文前面的研究可知，喷射态超高碳钢在未经任何预处理的条件下，就 具有超塑性性能( 该工艺方法已获得了专利) 。这说明采用喷射成形新工艺， 利用其快速凝固特点，在液态凝固阶段就能够解决碳的偏析问题。但由于喷射 成形工艺会在沉积坯体中形成孔洞，因此，采用较简单的热轧工艺闭合其孔洞， 可进一步改善超高碳钢材料的显微组织，从而提高其超塑性性能。轧制后超高 碳钢材料的组织能够得到显著改善，典型层片状的珠光体组织将主要转化为球 状碳化物颗粒和具有细晶组织的基体，更有利于超塑性变形，这里采用与实际 第四章喷射成形超商碳钢的超塑性 工业应用较为接近的高应变速率( 大于l x l 0 2 s 1 ) 研究u h c s 3 0 s i 材料的超塑性 变形行为，从而拓宽超高碳钢的产业化应用前景。 对喷射成形超高碳钢的物理模拟试验研究结果表明m ，喷射态 u h c s 3 0 s i 在8 0 0 以3 0 s d 的应变速率下变形量达7 0 仍不开裂，此外，喷 射态u h c s 3 0 s i 本身具备良好的超塑性，因此。通过单道次大变形量的热轧 实验来愈合喷射成形超高碳钢中的孔洞并提高其综合力学性能是可行的。 将喷射态u h c s 3 0 s i 超高碳钢热轧试样放入8 5 0 电阻炉中，保温2 0 m i n ， 此时，共析珠光体全部溶解到奥氏体中，在原奥氏体晶界上的少量较细小先共 析渗碳体组织也有部分溶解。取出立即单道次轧制，压缩变形量为5 0 ，变形 速率为5 - 1 0 s 1 ，热轧后放在铁板上自由空冷。u h c s 3 0 s i 试样从8 5 0 炉中 取出后至热轧开始这段期问，其表面温度很快下降，每秒的下降速率达1 0 0 以上，且温度越高，冷速越快，与轧辊接触后温度进一步降低，热轧变形过程 中，由于变形功的作用，试样温度有所上升。轧后用红外测温仪测得试样表面 温度为7 2 0 。说明试样是在( y + f e 3 c + ) 三相区变形，变形和相变是同时进 行的。热轧后，沿着$ l s t i 方向线切割切取拉伸试样。 采用阿基米德法对不同状态的u h c s 3 0 s i 的密度进行了测量，结果如表 4