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低合金高强度钢的组织与性能优化 摘要 低合金高强钢以其优异的性能、良好的经济性，在各行业中有着广泛的应用。但该 类钢在船用锚齿行业的应用尚处于初始阶段。为了更好发挥材料低成本、高性能的优势， 本课题以新型低合金钢为实验材料，进行基础研究，充分开发材料的性能潜力，以提高 低合金钢锚齿在市场中的占有率。 本文利用能谱、x 射线衍射、扫描电镜、金相观察等分析方法并结合热处理正交试 验，建立组织与性能之间的联系。根据文献中总结的合金元素对钢转变特征点的影响规 律，用编程的方法绘制该低合金钢的t t t 曲线。通过工艺参数不同的热处理试验，了 解该型钢组织转变特点，测试其性能。采用实验数据和理论计算相结合的方式选择热处 理工艺参数，进行正交试验，优选热处理工艺。对力学性能试验产生的断口进行分析， 结合金相组织照片、力学性能测试数据，进一步改进热处理方案，优化组织结构，达到 最佳的使用性能。 研究结果表明：该成分钢具有双c 型t t t 曲线，铸态组织为铁素体魏氏组织，强 度韧性较差。退火后组织转变成网状珠光体。正火可获得板条马氏体，也可能出现贝氏 体组织。该型钢的完全奥氏体化温度在8 4 0 以上。材料奥氏体化后，在4 3 0 左右等 温停留可获得粒状贝氏体组织。热处理后组织分布特点与铸态时合金元素的偏析有关。 材料具有板条马氏体组织状态时满足使用要求，优选热处理工艺方案为9 6 0 淬火 2 4 0 回火，热处理后的组织抗拉强度为1 0 0 0 m p a ，冲击功1 7 j 。x 射线衍射表明，热处 理过程对基体物相影响不大，随热处理回火温度的升高，试验断口由脆性解理断口转变 为准解断口，材料有韧化趋势，回火温度的提高及时问的延长虽然有助于碳化物析出， 但碳化物有在晶界偏聚的倾向，对材料韧性会产生不利影响，该类型低合金钢不适合长 时间进行回火处理。 经过预先热处理消除铸态偏析的材料，在热处理后具有更高的力学性能，抗拉强度 可达到1 7 0 0 m p a ，达到了超高强钢的强度等级，在力学性能试验中可以测得面缩、延伸 率等塑性指标，冲击功也有一定增加。 该种类低合金钢：通过优选热处理工艺进行组织优化后，能够满足疏浚用锚齿使用要 求。由于使用合金元：藜较少，大幅度降低了材料成本，同时还具有较高的力学性能，产 生良好的经济效益。 关键词：低合金高强钢；组织结构；性能优化；锚齿 a b s t r a c t h s l as t e e l ，w i t hi t sg r e a tp r o p e r t ya n de x c e l l e n te c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，a r ew i d e l y a p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s ，b u tt h ea p p l i c a t i o nt oa n c h o rt o o t hm a k i n gi ss t i l li ni t si n f a n ts t a g e i no r d e rt of u r t h e re x p l o i ti t sp o t e n t i a la d v a n t a g e s ，an e w t y p eo fl o wa l l o ys t e e li se m p l o y e d a st h e s u b j e c to ft h i sr e s e a r c h a l lt h ee f f o r ti sd e v o t e dt ot h eo p t i m i z a t i o no fm a t e r i a l p e r f o r m a n c ea n dt h ei n c r e a s i n gm a r k e ts h a r eo fh s l as t e e la n c h o rt o o t h t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo r g a n i z a t i o na n dt h ep r o p e r t yo fh s l as t e e lw a si n v e s t i g a t e d b ye n e r g yd i s p e r s i v e ( e d x ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ， o p t i c a lm i c r o s c o p e a sw e l la sao r t h o g o n a lt e s t a c c o r d i n gt ot h el a w so fe f f e c to fa l l o y i n g e l e m e n t so nt h et r a n s f b r m a t i o np o i n t so ft h es t e e l t h i sr e s e a r c hd r e wt h et t tc u r v e so fh s l a s t e e lw i t hac o m p u t e rp r o g r a m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t sm i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o nw e r e s t u d i e dw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sd u r i n gt h eh e a tt r e a t m e n te x p e r i m e n ta n dt h ep e r f o r m a n e e o fh s l as t e e lw a st e s t e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t e db o t hf r o mt h ee x p e r i m e n t a n dt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fh e a tt r e a t m e n tf o rh s l as t e e lw e r e a t t a i n e d i nt h ef r a c t u r ea n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fo p t i c a lm i c r o s c o p ea n d m e c h a n i c a lt e s t a ni mp r o v e ds c h e m eo fh e a tt r e a t m e n tw a sa c h i e v e d ，w h i c hc a no b t a i na n o p t i m u mp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e t i m e t r a n s f o r m a t i o nd i a g r a m ( t t t ) o ft h e h s l as t e e la r ead o u b l e ct y p ea n dt h ec a s tm i c r o s t r u c t u r ei st h ef e r r i t i ca n dw i d m a n s t a t t e n s t r u c t u r e w h i c hl e dt op o o rs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s a f t e ra n n e a l i n g ，t h em i c r o s t r u c t u r e t r a n s f o l r r n si n t oan e t w o r kp e a r l i t e a n dt h ee d xr e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h ef o r m a t i o no f n e t w o r kp e a r l i t ei sa s s 3 c i a t e dw i t ht h es e g r e g a t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t s w h e nt h eh s l a s t e e ln o r m a l i z e s al a t hm a t e n s i t ei so b t a i n e d ；ab a i n i t es t r u c t u r em a ya p p e a ri nah i g h e r a u s t e n i z a t i o nt e m p e r a t u r e b e i n ga u s t e n i z e d ，t h e nq u i c k l yc o o l e dt oa b o u t38 0 。ca n dp u ti n i s o t h e r m a lt r e a t m e n t ag r a n u l a rb a i n i t es t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e d q u e n c h i n ge x p e r i m e n t sa t d i f r e r e n tt e m p e r a t u r es h o wt h a tt h ec o m p l e t ea u s t e n i z i n gt e m p e r a t u r eo ft h eh s l as t e e li s o v e r8 4 0 ac o m b i n e di n d e xt e s tw a sd e s ig n e dt ov e r i f yt h es c h e m eo fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s ss oa s t oe n s u r ei t s a c c u r a c y s u c h i n d e x e si n c l u d et e n s i l es t r e n g t ha n di m p a c te n e r g y t h e o p t i m i z i n gh e a t t r e a t m e n tp r o c e s ss c h e m ei s q u e n c h i n ga t9 6 0 。c a n dt e m p e r i n ga t2 4 0 。c o b t a i n e db ys y n t h e s i z i n ga n a l y s i s ，t h a t i s a n dt h es t r u c t u r eo fl a t hm a t e n s i t ei sa l s o o b t a i n e d ，t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e sa r et h a tt e n s i l es t r e n g t hi s10 0 0 m p a ，f r a c t u r ee n e r g yi s17 j w i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e rt e m p e r a t u r e ，t h et e x tf r a c t u r eo fm a t e r i a lt r a n s f o r r n sf r o m c l e a v a g eb r i t t l ef r a c t u r et oq u a s i c l e a v a g eo n e t h em a t e r i a lh a sat e n d e n c yo ft e n a c i t y t h e r a i s i n go ft e m p e rt e m p e r a t u r ea n di t se x t e n s i o nc a np r o m o t et h ec a r b i d e sp r e c i p i t a t i n g ，b u tt h e c a r b i d e sh a v et h et e n d e n c yo fs e g r e g a t i o na n da g g r e g a t i o ni ng r a i nb o u n d a r y , w h i c hh a s h a r m f u le f f e c to nm a t e r i a lt e n a c i t y t h i sl o wa l l o ys t e e li sn o tp r o p e rt ot e m p e r i n gf o rl o n g t i m e t h et e x ts h o w st h a t ，t h ec a s ts e g r e g a t i o no fm a t e r i a l sc a nb ee l i m i n a t e db yp r e l i m i n a r y h e a tt r e a t m e n t ，w h i c hh a st h eh i g h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，17 0 0 m p at e n s i l es t r e n g t ha n dt h e s u p e r h i g hs t e e ls t r e n g t hg r a d e t h ep l a s t i c i t yi n d e xo fa r e ar e d u c t i o na n de x t e n s i o na r ea l s o m e a s u r e di nm e c h a n i ce x p e r i m e n t ，t h ef r a c t u r ee n e r g yh a sac e r t a i ni n c r e a s e d 哈尔滨工程大学硕士论文 b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h el o wa l l o ys t e e li ss a t i s f i e di nt h eu s er e q u i r e m e n to f a n c h o rt e e t ho fd r e d g e ra f t e rs u i t a b l eh e a tt r e a t m e n t ，w h i c hh a st h el e s sa l l o ye l e m e n t ，r e d u c e s t h em a t e r i a lc o s tg r e a t l ya n dg e th i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c a no b t a i nt h eg o o de c o n o m i c b e n e f i ta sw e l l k e y w o r d s ：h s l as t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t yo p t i m i z a t i o n ，a n c h o rp a l m 第1 章绪论 1 1 选题依据及现实意义 第1 章绪论 钢铁材料依然是各部门最重要、使用量最大的材料种类之一，随着工业技术的发展， 对钢铁材料性能的要求也不断提高。现阶段用于港口和河道的大型疏浚船中的疏浚传动 终端部件，多数为国外进口材料，核心技术无法获得，国内企业一般采用手册上现有钢 种，造成材料性能的浪费和偏差，不能充分发挥材料的潜质，导致工件使用寿命缩短。 依据工件使用性能要求，使研制的工件具有市场竞争力，将材料的选择限制在低合 金钢的范畴之内，通过组织控制，合金钢具有贝氏体或马氏体组织状态，从而获得极高 的强度和韧性，达到使用性能要求。本课题以成分设计为基础与热处理工艺优化相结合， 实现材料低成本高性能的工作目标，提高所制铸件的市场竞争力。 1 2 锚齿类用钢 锚齿类用钢主要为高锰钢、高强度和良好耐磨性的马氏体多元合金钢。高锰钢一般 含锰量在1 3 左右，抗拉强度在7 6 0 m p a n3 ，锰为扩大奥氏体区域元素，铸造好的高锰钢 在常温下为奥氏体组织，有少量碳化物分布在基体和晶界上，通过加入其它合金元素还 可以进一步提高屈强比。高锰钢在使用之前通常要经过热处理，在热处理过程中高锰钢 不发生奥氏体向马氏体转变，这个过程通常称为水韧处理阻1 ，方法是将高锰钢加热到高 温奥氏体状态，铸造冷却过程析出的碳化物溶于基体当中，快速冷却抑制碳化物的析出， 得到单相的奥氏体组织。水韧处理后的奥氏体组织塑性韧性较好高，表面在冲击条件下 产生形变，诱发马氏体相变，马氏体产生后阻碍原奥氏体滑移。高锰钢能应用在锚齿行 业主要是由于其韧性较好，表面相变强化后硬度耐磨性都有所增强，能够满足某些工况 下的使用。形变诱发马氏体相变后的金相照片如下图1 1 。 从金相照片可以观察到部分区域形成马氏体，部分区域仍然保持原有的单相奥氏体 组织。正是由于高锰钢的这种特点，当受冲击载荷不大时，不能诱发马氏体相变或产生 的马氏体不均匀，此时高锰钢保持着奥氏体组织，硬度较低、强度也不高，不耐磨损， 在这种工况下工作损耗较大，经济性不好。 哈尔滨工程大学硕士论文 图1 1 高锰钢发生马氏体相变后的金相照片 为克服高锰钢在低载荷下无法产生有效的相变强化，损耗较大的缺点，替代材料不 断出现，低合金钢表现出良好的力学性能和较长的使用寿命，与高锰钢相比，低合金钢 合金元素含量通常在5 以内，原材料成本较低，通常的组织为高位错马氏体，以c r 、 m n 、s i 为主要添加元素，配比适当对提高钢的淬透性和奥氏体稳定性有较好的效果，通 过加入少量的b 、v 、m o 和稀土元素来进一步提高性能，锚齿用低合金钢应具有较高的 硬度的同时还要有较好的韧性，要获得这样的性能，采用的热处理工艺也不同于常规热 处理，一般情况采用较高的奥氏体化温度，目的使钢的化学成分更加均匀，减少高碳的 区域，增多低碳高位错马氏体的数量和马氏体中残余奥氏体的含量，提高材料对裂纹扩 展的阻力。 1 3 低合金高强钢的成分设计及组织结构 低合金钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素而制成，随着科学技术的发 展，为节约原材料，低合金钢已被广泛的应用在各行各业，材料需同时保证力学性能与 化学成分，碳主要以碳化物形式存在于钢中，是决定钢强度的主要元素，当钢中碳含量 升高时，其硬度、强度均有提高，而塑性、韧性降低，冷脆倾向性和时效倾向性也有提 高。随着低合金钢中碳含量的升高，焊接性能显著下降。 我国低合金高强钢的研究在细化晶粒和析出强化方面获得了较大突破口1 ，基本原理 是用含碳量很低的高韧性基体结合细小弥散分布的氮化物、碳化物达到强度与韧性的理 想匹配。现阶段我国低合金钢存在着一些问题，如成分设计不合理，合金元素没有完全 发挥它们的强化增韧作用，将热处理作为一种韧化的处理方式，造成资源的浪费，因此 必须认识到合金化一定要和热处理工艺相结合。 2 七十年代以来世界范围内的低合金钢进入了飞速发展的时期，提出了化学成分工 艺组织一性能四位一体的关系h 3 ，突出了钢的组织和微观结构的主导地位，围绕析出 强化和细晶强化两个方面进行研究，讨论合金元素在低合金钢中发挥的作用，总结了细 晶强化在低合金钢中的作用，提升冷却速度，抑制铁素体转变，对析出的产物的大小进 行控制。常用的合金元素在低合金钢的强化机制中的作用可分为：固溶强化元素m n 、s i 、 a l 、c r 、n i 、m o 、c u 等，细化晶粒元素a l 、n b 、v 、t i 、n 等，沉淀硬化元素n b 、v 、 t i ，相变强化元素m n 、s i 、m o 等。 1 3 1 低合金高强钢的设计及生产技术 ( 1 ) 低合金的成分设计 传统高强度钢其合金含量高，冶炼加工困难，工艺复杂，不利于工业生产，同时原 材料价格较高。经济型低合金高强钢以铬一镍合金系为基础，其中有些加入钒细化晶粒 或加入硅锰节约铬镍，随着合金元素的加入，钢的强度增加，其延伸率和冲击韧性下降。 低合金高强钢成分设计的基本策略是：1 ) 为避免淬火脆性保持钢的韧性，要严格控制含 碳量，当钢中含碳量超过0 6 低合金高强钢的韧性很差强度很高无法使用，而含碳量小 于0 2 5 的低合金钢韧性较高但强度达不到要求，低合金高强钢含碳量通常在0 2 5 0 6 之间，随着碳含量的增加，钢的抗拉强度呈线性增加，其显微组织由单一板条马氏 体+ 细小e 碳化物变成板条马氏体+ 片状马氏体+ 细小e 碳化物。2 ) 添加抑制渗碳体析出 元素s i 改善钢的韧性并增强淬透性。3 ) 通过复合添加合金元素m n 、n i 、c r 、m o 引起固 溶强化，显著提高钢的淬透性，降低马氏体转变温度m 。，m o 有利于改善回火脆性，扩大 奥氏体区域元素m n 和n i 能显著增加残余奥氏体含量及稳定性，利于提高延韧性，添加 n b 等易于析出弥散碳化物的微合金元素，阻碍奥氏体晶粒长大，可进一步提高强度。4 ) 采用复相处理，获得马氏体、贝氏体和残余奥氏体的复相组织，实现高强度、高韧性的 匹配。 ( 2 ) 低合金高强钢的生产 1 ) 预处理，对铁水进行脱p 、s 等有害杂质。2 ) 冶炼，冶炼过程中要注意脱碳效果， 减少钢水的含氧量，防止钢渣里的有害物质进入钢水。3 ) 精炼，根据钢的成分和用途不 同，设计精炼工艺，提高钢水的纯净度。4 ) 浇铸，检测钢水化学成分，达到要求后进行 浇铸，浇铸过程中避免钢水二次氧化，采用电磁搅拌，电磁制动等加快结晶。 1 3 2 常用低合金高强钢的组织及性能 ( 1 ) 贝氏体组织低合金高强钢 成分适当的钢种空冷即可得到贝氏体，其热处理工艺相对简单、能耗小、成本低。 贝氏体组织的低合金钢可以达到9 0 0 m p a 以上的抗拉强度，同时具有较好的韧性，为保 证该类钢的高强度必须含有足够量的碳。加入适量的合金元素m n 、c r 、m o 、v 、b 起到 细化晶粒的作用，确保该类贝氏体钢具有良好的强度与韧性配合。 ( 2 ) 马氏体组织低合金高强钢 碳含量较低的低合金钢经淬火后可得到板条马氏体组织，其亚结构是位错，屈服强 度可以达到1 0 0 0 1 3 0 0 m p a ，硬度为4 5 5 0 h r c ，因此，在矿山机械、石油、车辆、机 械、农业等制造行业中得到广泛的应用。在该类钢中保持其显微组织为板条马氏体的条 件下还可以通过改变合金元素的含量和种类，获得更高的力学性能，从而在更广泛的领 域中得到应用。低碳低合金钢的板条型马氏体，尽管力学性能较高，但也有不足之处， 如为保持板条马氏组织，钢的碳含量不宜高，淬透性不好，为了保证钢的良好强度与韧 性配合，必须添加足够的合金元素如c r 、m o 、m n 等来保证钢淬透性，获得全部的板条 马氏体组织，断面尺寸对该类钢的淬透性有较大影响。合金元素含量的增加虽可解决钢 的淬透性，但增加了钢的原材料成本。此外，碳含量的多少对马氏体强度的影响较大， 如果碳的含量过高，淬火后的组织易得到孪晶马氏体，马氏体强度虽然得到提高但韧性、 塑性成形性均下降，如果通过增加合金元素c r 、n i 含量，回火时利用二次时效硬化， 来保证钢的高度与韧性配合，但己改变了钢的合金化原则提高了材料成本。通过利用塑 性变形强化，使马氏体亚结构中的位错密度提高，位错在碳化物、晶界处发生塞积，提 高了低碳板条马氏体钢的强度和抗疲劳性能，但工艺设备比较复杂。 ( 3 ) 铁素体+ 珠光体组织低合金高强钢 近年来快速发展的低合金高强钢是含有微量合金的非调质钢简称非调质钢，非调质 钢是伴随着全球资源、能源短缺发展起来的一种节能高性能钢材，它基本可以替代传统 的淬火+ 高温回火热处理的合金结构钢或碳素钢。由于取消了淬火后高温回火的工序 6 - 1 0 3 ，因而具有简单生产工艺流程，在提高材料利用率、减4 , t 件热处理产生的变形、 改善质量、降低制造成本和能耗等方面有着明显的优点n 1 | ，同时还具有减少污染，节省 资源，绿色环保等较好的环境效益，因此获得广泛的应用。非调质钢最早在1 9 7 2 年由 德国公司开发成功n 2 | ，现非调质钢的抗拉强度可以达到7 0 0 1 0 0 0 m p a ，主要可用来制作 各种设备的曲轴、连杆等零件。目前机械制造业上使用较多的非调质钢就是铁素体+ 珠 光体类型的。非调质钢的含碳量接近中碳钢在此基础上除加入m n 、s i 元素外，还添加 微量t j 、n b 或v 等元素。非调质钢的抗拉强度可以达到8 0 0 9 0 0 m p a ，冲击值为2 0 第1 章绪论 5 0 j c m 2 。在工业实际应用过程中，遇到的主要问题是硬度、强度有余而塑性、韧性不足。 目前针对这些问题开展的主要工作有：不降低硬度、强度的同时提高非调质钢的塑性和 韧性。 ( 4 ) 铁素体+ 马氏体组织低合金高强钢 在2 0 世纪7 0 年代，开发出低碳低合金化铁素体十马氏体双相钢简称双相钢n 丑1 4 3 。采 用把钢加热到铁素体与奥氏体的两相区后采用适宜的冷却方法，即可获得铁素体+ 马氏 体双相组织；另外，通过控轧的方法，选择在奥氏体区对钢坯进行热轧后，控制钢板运 行速度和喷淋冷却水量，将终了轧制温度控制在a 。以上，保证铁素体能够析出，然后选 择合适的冷却方式，使大量铁素体析出，然后加速冷却使剩余奥氏体转变为马氏体，也 可以获得双相钢n 孟1 6 3 。双相钢具有低屈强比，高延展性及较高的加工硬化率n 7 24 。在汽 车制造业、石油、采矿、军工等领域有着广泛的应用，产生良好的经济效益瞳5 1 。铁素体 + 马氏体型双相钢具有高韧性、高强度，具有较好的强度与韧性配合，双相钢还具有很 高的延伸率和较高的加工硬化率等力学特性，在延伸率相同时，双相钢可以获取更高的 强度口6 | 。应变速率对双相钢力学性能影响不太，测定的延伸率、抗拉强度、屈服强度的 数值不随应变速率的改变而变化，这些力学性能特点使其具有良好的成形性能，尤其是 在深冲压和深度拉伸过程中避免了局部收缩及断裂现象，特别适用冷冲压、冷轧、冷拔 等冷加工成型瞳引。 铁素体+ 马氏体型合金钢其成分主要特点就是合金元素含量较低。添加起固溶强化 作用的s i 、m n 等合金元素，根据实际工况的使用要求，有时还加入适量n b 、v 以达到 细化晶粒的目的，为了保证最终获得一定数量的马氏体组织，需要加入扩大奥氏体区元 素s i 、a l ，以便易于控制马氏体成分和形成最后组织马氏体所占基体体积的百分含量， 同时加入m n 、c r 、m o 等元素提高钢的淬透性，能在以较慢速度时也可以获得双相组织。 铁素体+ 马氏体钢的显微组织与其获取双相组织的方法和化学成分有关，其显微组织一 般较为无序：通常是强度较高岛状马氏体弥散分布在塑性、韧性良好的铁素体上：平行 针状马氏体板条与铁素体相呈纤维状交错；亚晶结构为高密度位错的马氏体呈网状或群 落状分布于铁素体晶界上三种组织形态。马氏体约占总体积的2 0 , 3 0 。在塑性变形过 程中，硬度高的马氏体很难与铁素体一起滑移，产生大量位错组织和反向应力，阻碍了 位错的继续运动迅速产生加工硬化现象，保持大应变的同时延缓了应变过程中发生颈缩 和失效的现象，使铁素体+ 马氏体钢具有高的强屈比。在奥氏体到马氏体的固态转变过 程中，奥氏体发生体积的改变和的形状变化，使马氏体周围的铁素体晶粒变形产生高密 度位错同时产生不均匀的残余应力乜8 。3 。马氏体组织作为基体中强度较高的第二相能够 哈尔滨工程大学硕士论文 阻止裂纹的扩展，提高了整个基体的冲击韧性。对显微组织的分析可以推测高密度位错 铁素体与马氏体相的共存，使铁素体+ 马氏体钢比铁素体十珠光体双相钢具有更高的延伸 率和较高的强度。铁素体+ 马氏体型双相钢开发原因是节约能源，解决结构件轻型化的 问题，由于其优异力学性能，在建筑领域有着广泛的应用，混凝土与双相钢钢筋相容性 良好，钢筋具有较强的能量吸收能力，提高约2 0 - - , 4 0 整体强度口1 | 。在冷加工成形等方 面也有广阔前景，如冷拔线、丝等口2 | 。铁素体+ 马氏体低合金钢的生产成本较高，该类 钢种在化学成分的配比上必须添加足够多的合金元素，确保钢的淬透性，在较小的冷速 下得到铁素体+ 马氏体组织。由于基体中含有大量铁素体相，使其强度级别在1 0 0 0 m p a 以下，不能用于制作受载荷力较高的零件。 ( 5 ) 贝氏体+ 马氏体组织低合金高强钢 人们在研究中就已发现低合金高强度钢中的贝氏体+ 马氏体双相钢的强韧性较好 口3 | ，下贝氏体+ 马氏体双相组织可以提高钢的强韧性口4 删，含2 5 下贝氏体+ 马氏体的钢， 在此类双相钢中性能最优，其原因是组织中含下贝氏体量比较少时，针片状贝氏体弥散 分布于马氏体基体上，这种先转交的针片状下贝氏体先分割奥氏体晶粒，使奥氏体晶粒 变小，使后转变的马氏体板条短小，通过细化马氏体晶粒的方式提升了钢的性能。上贝 氏体+ 马氏体性能较差无应用前景。羽毛状上贝氏体成不规则的形状分布在马氏体基体 上。上贝氏体的羽毛状形态基本不能起到分割奥氏体晶粒的作用，并且羽毛状铁素体条 中间存在的不连续渗碳体割裂了基体的完整性，裂纹易从铁素体条间扩展，降低了钢的 韧性口7 | 。文献研究表明，马氏体基体中含有较多的下贝氏体时，贝氏体+ 马氏体双相钢 经过回火后，在材料屈服强度相同条件下其断裂韧性低于回火马氏体，这种现象表明贝 氏体与马氏体相对含量有一最佳配比8 ，39 i 。为使贝氏体十马氏体双相钢具有较高性能，进 行合金成分设计时，添加合适的元素降低b 。点，抑制羽毛状上贝氏体的转变；同时调整 热处理工艺中的冷却速度，获得下贝氏体+ 马氏体的最佳匹配，确保该类钢具有较好的 强度和韧性。在下贝氏体+ 马氏体双相钢断裂过程中，由于下贝氏和马氏体界面和马氏 体板条之间界面较多，当裂纹扩展遇到马氏体界面及马氏体束界面时，裂纹改变扩展方 向，更多的能量被吸收，显著提高双相钢的韧性，同时韧脆转变温度降低，比单一组织 的回火马氏的强韧性更高h 旷42 。贝氏体+ 马氏体双相钢含碳量较高时也有可能获得下贝氏 体+ 马氏体两相组织，由于含碳量较高在冷却过程中会在晶界处析出不连续的碳化物薄 膜，降低双相钢的力学性能h 引。硅元素能够抑制渗碳体析出，使富碳奥氏体趋于稳定化 分布于贝氏体的铁素体片之间或铁素体条内的，形成无碳贝氏体h 引，硅使钢的第一类回 火脆性最低温度升高，使钢在保持韧性下提高回火温度，促进基体回复，降低淬火过程 6 一 第1 章绪论 产生的应力。但下贝氏体+ 马氏体双相钢达到最佳组织匹配比例难于控制，且钢的抗拉 强度达到1 0 0 0 m p a ，需要进行回火处理消除应力提高韧性，因此钢中碳的析出及添加合 金元素造成回火脆性问题及合金元素影响回火脆性的规律，生产过程中还需认真考虑 4 j 一4 9 1 4 锚齿失效与强韧化方式 1 4 1 锚齿的失效 ( 1 ) 锚齿断裂失效 锚齿的断裂是由二于二过载、疲劳、应力腐蚀、冲击等原因造成，通常脆性断裂居多， 断裂时几乎无宏观的塑性变形，裂纹扩展速度快，解理速度接近1 0 3 0 m s ，解理速度对 温度变化敏感。g r i f f i t h 公式描述了材料中的微裂纹与断裂应力的联系瞄0 。 式中： o - ，一材料的断裂应力 y 一材料断裂表面能 e 一材料的杨氏模量 o f2 y 一材料的泊松比 口一材料中微裂纹的长度 由公式可以看出，脆性断裂与材料的固有属性有关，还与材料中存在微裂纹的长度 有关，针对特定的材料，避免在材料制备、冷热加工过程中产生缺陷是提高材料抗脆断 能力的重要手段， ( 2 ) 锚齿磨损失效 锚齿除断裂外，磨损是经常性的失效方式，据统计大约有8 0 的损坏零件是由磨损 报废的。按磨损的破坏机理分类，可以分为：磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐 蚀磨损。锚齿磨损失效的形式通常是磨料磨损，磨料磨损的机理主要由于磨料在金属表 面发生微量切削过程引起的，或由于磨料的作用，表面层产生交变接触应力，导致表面 疲劳破坏。其磨损的规律可用以下公式表示旧“。 哈尔滨工程大学硕士论文 w ： ( 1 2 ) 式中：肜，一体积磨损量 o kni h b k 一磨损系数 ，一滑动距离 一颗粒动能 h b 一布氏硬度值 公式中表示，在一般情况下，金属材料的硬度越高，耐磨性就越好。硬度的增加可 以有效提高锚齿寿命，为了防止锚齿磨损在提高硬度的同时还要充分的考虑到材料的韧 性。 1 4 2 锚齿常用的强韧化方式 ( 1 ) 固溶强化 溶质原子全溶于固态溶剂中，还能保持固态溶剂元素的晶格类型所形成的合金相称 为固溶体，固溶体的成分可在一定范围内连续变化，随溶质原子的溶入使合金性能发生 变化，通常把通过固溶方式使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化的实 质是由于晶体中溶质原子的溶入，引起晶格常数的变化，形成应力场，提高了位错在晶 格中的滑移阻力。通常比溶剂原子半径大的置换型溶质原子偏向于拉应力区聚集，易分 布于刃型位错的下部；溶质原子小于溶剂原子的置换型固溶体，溶质原子易于分布于刃 型位错的上部；间隙型固溶体的溶质原子易分布于刃型位错的下部。溶质原子的这种分 布降低了位错线周围的晶格畸变程度，使之处于较低的能量状态，使位错的易动性减少， 增加了滑移抗力。其强化规律为：随溶质原子溶解量增多，强化作用越明显；溶质元素 在溶剂元素中的饱合溶解度越小，其固溶强化的作用越大；溶质元素与溶剂元素形成间 隙固溶体的，其强化作用高于形成置换固溶体的元素。 ( 2 ) 细晶强化 在多晶体中，由于各个晶粒的晶格位向不同，有大量的晶界存在，使各个晶粒的塑 性变形相互受到阻碍和制约，使得各个晶粒的变形有先有后，并且在变形时相互配合， 有的互相干扰。某些晶粒的位向有利于滑移时，将首先发生渭移变形，周围位向不同的 晶粒还处于弹性变形阶段，对已变形的晶粒起着阻碍作用。 晶界是相邻晶粒的过渡层，原子排列相当紊乱，位错移动到晶界附近，便会受到严 重阻碍而停止滑移，使位错在晶界前堆积起来，若要使位错穿过晶界需要更大的外力， 相邻晶粒的位向差愈大，晶界处原子排列越紊乱，滑移的阻力就越大，多晶体的晶粒越 细，其晶界愈多，对塑性变形抗力也愈大，h a l l p e t c h 公式描述了屈服强度与晶粒直径 的关系2 。 l 盯。= + d 2 ( 卜3 ) 式中： c r 0 为常数，相当于单晶体的屈服强度 k 一为晶界对强度影响程度的常数 k 也可以称为p e r c h 斜率，k 值与晶界结构有关。 h a l 卜p e r c h 公式也可以推广应用，低碳钢淬火后的组织通常为板条马氏体，板条束 由几个平行的板条块构成，板条块由平行的细长的马氏体板条与马氏体板条间的残余奥 氏体薄膜组成，板条块之间为大角度晶界，不同的板条束位向不同，板条马氏体的强度 可用公式( 卜4 ) 表述瞄3 。： l 仃。= 盯1 + d 2 ( 卜4 ) 式中：盯一为一常数 d 一为平均板条束直径 珠光体组织通常为层片状，片状珠光体组织的静强度由珠光体片间距决定，也可以 用公式卜4 表示，用d 代表珠光体的片间距即可。粒状珠光体的强度可用公式( 卜5 ) 表 示剐： l 盯，= 盯1 + 仃。+ ( d 2 ( 1 5 ) 式中：a g 。一表示渗碳体颗粒对珠光体强度的强化作用 d 一表示铁素体晶粒大小 细晶粒的金属不仅强度较高而且塑性和冲击韧性也好，因为晶粒越细在一定体积内 的晶粒数目越多，塑性变形时位向有利滑移的晶粒就较多。 ( 3 ) 位错强化 由晶体的强度理论可知，晶体中位错密度越低，晶体的强度越高，但冷加工的金属 的强度比退火金属高，可见位错密度的上升对晶体强化的作用也是比较明显的，综合两 种情况可以得出：在位错密度比较小时，金属晶体的强度与位错密度成反比，位错密度 较高的时候，晶体强度与位错密度成正比。位错增加产生的弹性应力场不断增大，可以 互相阻碍位错的移动，使金属强度提高，位错交割、位错的塞积、位错反应都可以提高 晶体强度。 ( 4 ) 第二相颗粒强化 合金当中，位错与第二相粒子的交互作用可以显著提高合金强度，位错与小颗粒的 相互作用引起金属强化的机制主要有绕过机制和切过机制。对不可变形的粒子，位错运 哈尔滨工程大学硕士论文 动主要是绕过机制，当第二相粒子半径小，数量多，位错采用绕过第二相粒子所需的切 应力也越大，对晶体的强化作用也越强。对于可变形的第二相粒子与基体共格时能被位 错切过，切过后由于增加了表面表积，故需一定的能量，第二相粒子与基体晶格常数不 同、点阵不同，位错切过第二相粒子时在滑移面上会引起原子错排，同时消耗了一定的 能量，两种情形都增加了位错运动的阻力，位错通过第二相颗粒采用切过机制时粒子半 径越大，位错切过越困难。 1 5 低合金铸钢件常用热处理工艺概述 铸钢热处理工艺过程简单的讲分为三个阶段：加热、保温和冷却。在实际生产中要 仔细计算工艺参数，严格每道工序的操作过程的，才能避免产生热处理缺陷，达到热处 理的最终目的。 1 5 1 热处理工艺过程 在保证工件不产生变形和开裂的前提下，可以采用快速加热的方法，节约时间提高 工作效率，影响加热速度的主要因素是钢的化学成分和工件断面面积的大小。碳和合金 元素的加入，使钢的导热率降低，加热速度也要降低；铸件的截面积越大，加热过程中 工件内部的温度梯度也越大，引起的内应力也越大，加热速度要缓慢。形状复杂的零件 也需要较小的加热速度。 加热介质发展的主要方向是减少或避免工件的氧化和脱碳，不同的加热介质，加热 速度、介质的热容量和导热系数有很大差异，在常用的加热介质中，铅浴的加热速度最 快，静止的空气介质加热比较缓慢。 加热温度范围大致可由f e p e 。c 相图来表示，试验用钢的含碳量在亚共析钢含碳量 的范围内，如在a 。，以上a 。以下的两相区加热淬火，有可能得到针状铁素体和贝氏体或 马氏体混合组织，达到细化品粒使组织分布均匀的目的。在此温度区间加热淬火，也可 能降低钢的力学性能。 铸件加热到所需的温度后，必须在这个温度保温一段时间，目的在于使工件内j l - 温 度一致，且固态转变有一定的孕育期，保温可使工件内外组织转变完全，达到成分均匀 化的结果。 冷却速度应根据热处理最终想要的组织来决定，冷却介质主要是水、水溶液、油、 熔融金属、熔盐、空气。对淬火冷却介质的一般要求是：在一定的温度范围内有足够的 一 第1 章绪论 冷却速度；在较低的温度下有比较缓慢的冷却速度，减少变形和开裂的倾向；介质成分 稳定，在使用过程中品质不变；液态介质在使用条件下粘度较小，减少粘附在零件上造 成的损失；不易燃、不易爆、无毒性。 水的冷却速度较快约5 4 0 。c s ，钢中的珠光体、先共析铁素体转变都被抑制，油的 冷却速度较慢约2 4 0 c s 。空气的冷速要更缓慢一些。 热处理对发掘金属材料潜力，延长工件的使用寿命，具有极为重要的作用，制订合 理的热处理工艺通常不是孤立的进行，要按照材料零件实际使用工况及材料成分进行考 虑。确定合理的加热温度、保温时间、冷却方式等工艺参数，不仅能保证工件质量，还 能有效控制生产中的成本。 1 5 。2 热处理工艺要点 铸件应摆放在调整到合适高度的垫铁上，铸件与铸件之间要分离，使炉气在铸件之 间可以很好的循环，使工件受热均匀。不易产生变形、形状简单的大件可以放在下面， 易变形的铸件、薄件、小件放置在上面。在加热过程因受重力就可产生变形的铸件应格 夕1 - 4 , 心，装炉时认真垫好。不能将薄厚相差较大的铸件同炉进行热处理，一般铸件截面 差不超过1 0 0 l s o m m ：大型铸件的截面差应在4 0 0 r a m 以内，热处理的工艺参数按最大截 面积的工件来计算。 同炉铸件的加热工艺参数应接近，加热温度的差值应在2 0 。c 以内，不同成分的工件 同炉热处理时，加热温度按工艺参数中最高的加热温度进行。加热过程中，炉温波动要 小，在炉内各处温差不能太大，工件适当的远离热源，防止局部过热或过烧，铸件出炉 后应以适当的方式冷却。 1 5 3 热处理缺陷及预防 炉内气体呈氧化性时，工件的表面易脱碳和氧化。为了防止脱碳和氧化，要选择好 加热温度及保温时间，也可用石灰、木炭、铁屑把工件与炉气隔离。 当加热温度过高，晶粒变的粗大这种现象称为过热，温度继续升高使晶粒的晶界处 发生熔化的现象称为过烧，防止过热和过烧，应合理的控制加热温度，过热的工件可以 通过再次热处理的方法补救，过烧的工件只能报废。 加热温度较低、保温时间较短或冷速过缓，会使工件的硬度值较低。而炉温不均匀、 工件表面脱碳会造成工件硬度值不均匀，预防硬度不足可以提高加热温度，增加保温时 间，提高冷速。消除硬度值不均匀应减小炉温差和防止脱碳的发生。对于已产生硬度不 哈尔滨工程大学硕士论文 匀和硬度不足的工件，可以用再次热处理的方法补救。 工件装炉不当，加热过程中受力，加热速度快，炉温不均匀，工件装炉温度过高， 淬火倾倒工件产生的冲击力，都能使工件产生变形和开裂。防止工件变形和开裂，应在 炉内合理布置工件位置，减少炉温波动和炉内温差，对于形状复杂、易裂件要随炉升温， 不能到温装炉。对于己产生变形的铸件可以进