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σ_b≧1890MPa超强结构钢组织和性能研究

李国一  
【摘要】: 对于21世纪的钢铁材料来说,高强度化是研究的一个热点,如何提高材料的强度已成为很多材料研究工作者研究的重要方向,在这种形势下超高强度结构钢便应运而生。在众多种类的超高强度结构钢中,马氏体时效钢是其中的一类具有良好综合性能的钢种。在国外马氏体时效钢已经被应用于航空、航天以及军事等尖端领域,但国内对此钢种的研究还不成熟,应用也相对较少,且在应用中发现该钢种的强塑性配比并不十分优良,这使得该材料的应用范围受到一定的限制。为了使马氏体时效钢在国内得到广泛的应用,同时规避外国相关的知识产权,开发新型马氏体时效钢就显得尤为重要。 本文通过在18Ni(250)钢基本成分的基础上对合金成分作局部的调整,加入适量的Nb、B、V等合金元素来改善材料的组织与性能;采用真空感应炉熔炼(VIM)和电渣重熔(ESR)相结合的双重精炼的方式来降低材料中杂质元素的含量;用差热分析仪(DTA)测定了新型马氏体时效钢的相变转化温度;考察热处理工艺对新型马氏体时效钢显微组织和力学性能的影响;在光学金相显微镜(OM)下,通过组织分析,确定该钢逆变奥氏体的再结晶温度;探讨α'-γ循环相变细化晶粒工艺对新型马氏体时效钢组织与性能的影响。 实验结果表明:含Nb元素的马氏体时效钢在力学性能上优于含B、V元素的马氏体时效钢,该合金在锻造成形过程中发现锻件中存在大量带状组织,这种组织严重影响了材料的使用性能,如使材料各向异性,塑性降低,冲击韧性及断面收缩率下降等,通过优化锻造工艺(径向十字镦拔+轴向拔长和镦粗)使马氏体时效钢锻件中的带状组织基本碎化,再经过适当的热处理(1050℃×2h)进一步消除残存的带状组织,材料的带状组织基本碎化或消除、组织和成分细小均匀,有效地改善了材料的力学性能。添加微量的Nb元素能够更加有效地细化晶粒,从而使其固溶态的晶粒度达到ASTM 10.2级。经过时效处理以后,金属间化合物能够更好地弥散均匀分布,使18Ni (M250)马氏体时效钢力学性能得到了较大幅度地提高。 新型马氏体时效钢的最佳热处理工艺为:1050℃×2h+820℃×1h+480℃×5h。经过这一热处理工艺使得材料的硬度达53.4(HRC)。抗拉强度为2270MPa、屈服强度为2070MPa,延伸率(δ)为10%,断面收缩率(ψ)为40%。 马氏体时效钢在高温固溶时,由马氏体切变成的奥氏体会发生再结晶,本文研究的马氏体时效钢逆转变奥氏体再结晶温度约为900℃,在940℃附近利用α'-γ循环相变工艺可以使晶粒尺寸由100um细化到(10~20)um。 从实验材料的组织分析及力学性能检测结果可以看出:新型马氏体时效钢的综合性能满足预期的设计要求,所采用的熔炼和热加工工艺是合理的,其材料性能及成型工艺参数对马氏体时效钢的工程应用具有一定的指导作用。


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