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外加微米级ZrC颗粒强韧化低碳微合金钢的研究

黄忠东  
【摘要】:钢铁是创造现代文明的基础材料,是人类进步的重要物质基础之一。由于其高强度、通用性和耐用性仍然是当今世界上最主要的材料,是工业发展的基础。提高钢铁材料的强度、韧性、塑性、加工性能以及使用寿命是21世纪钢铁工业的主要奋斗目标。对现有传统钢铁材料采用特殊的工艺过程,可以大幅度提高其性能,有效地提高资源的利用率和回收率。目前,工业上主要是采用纯净化和微合金化以及控轧控冷工艺相结合等技术手段,使钢铁材料的性能得到较大幅度的提升。 低碳微合金钢是在低碳钢或超低碳钢中添加一定的铌、钒、钛等微合金元素,使它们与碳、氮结合形成碳化物、氮化物以及碳氮化合物,作为第二相在钢中沉淀析出发挥作用,并与控轧控冷工艺相结合,来实现其高强度、高韧性,从而使钢的综合性能得以提高。它是近年来发展最迅速、应用较广泛、最富有活力的钢材品种之一。如何改善其组织提高其性能,是其面临的关键问题。在低碳微合金钢内部形成的细小第二相粒子几乎是在固相线以下奥氏体中析出,所以对奥氏体本身的形核起不到核心作用,从而对细化原奥氏体晶粒没有作用,而且生产过程控制要求较高,成本偏高。为了克服这些弊端,本论文提出从外部往钢液中添加第二相粒子以强韧化钢铁材料的新工艺。外加第二相颗粒对钢的细化包括凝固结晶时的形核细化和后期轧制过程中的再结晶细化的全过程,与内生析出第二相粒子相比,该方法克服了内生颗粒法在生成颗粒的数量及其大小的不确定性和难以把握性,更具有可控性,而且对钢的纯净度无过高要求,可以方便地适用于工业规模的钢材生产。 本文以一种低碳微合金钢为基体,其主要化学成分(质量分数,%)为0.054C,0.118V,0.070Nb,0.202Ti,0.018Si,0.346Mn,0.018P0.010S。真空感应熔炼过程中,采用特殊工艺方法从外部向钢液中加入1.3μm的ZrC颗粒,将得到的铸锭加热奥氏体化后控轧控冷。为了考察添加ZrC颗粒后对试验钢组织和力学性能的影响,本论文对添加ZrC颗粒前后的试验钢进行了对比研究。通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验考察了试验钢的各种力学性能的变化情况;通过金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析手段深入系统地研究了试验钢的组织结构、第二相粒子的分布及其形貌;通过化学相分析确定了析出相的化学组成和数量,利用X射线小角度散射法,确定了析出相的粒度分布,初步探讨了试验钢的强韧化机理;最后也考察了试验钢热处理后的组织和力学性能的变化。 研究结果表明,添加ZrC颗粒的试验钢的晶粒都得到了细化,外加ZrC颗粒具有明显的细化晶粒的效果。利用单因素试验,对加入ZrC颗粒的量进行了优化,确定了ZrC颗粒的体积含量为1.1%时的试验钢可以获得最小的晶粒和最佳的综合力学性能,此时晶粒尺寸d为5.5μm,屈服强度、抗拉强度、维氏硬度、伸长率65、冲击韧度αK分别为517.5MPa、635MPa、214.0、20.66%和215.0J/cm2。 添加ZrC颗粒后,试验钢的组织仍然是铁素体加极少量珠光体,无贝氏体和板条马氏体。在铸态试验钢中,ZrC颗粒分布不均匀,偏聚于晶粒的晶界处,会对铸态试验钢中晶粒的长大起抑制作用而产生细化作用。轧制时奥氏体化的高温及大塑性变形量,促进了钢中ZrC颗粒分布均匀,ZrC颗粒进入到晶粒内部,在轧制变形位错绕过时逐渐成为形变核心和再结晶核心,显著增大变形区及动态再结晶区的形核率,促进晶粒细化。试验钢的拉伸断口和冲击断口均为典型韧性断裂,其中添加ZrC颗粒的试验钢在韧窝内有时可以看到外加ZrC粒子。 通过化学相分析和X射线小角度散射法对ZrC颗粒的体积含量为1.1%的试验钢进行了测试,结果表明钢中析出相主要为析出碳化物MC,其结构式为(Nb0.121Ti0.528Zr0.293V0.058)C,属面心立方晶系,钢中未检测到1-10nm的MC析出相,10-18nm的析出相占2.3%,18-36nm的析出相占2.8%,36-96nm的析出相占13.5%,96-430nm的析出相占65.1%。经计算试验钢的各种强化方式的数值分别为:细晶强化值为234.6MPa、固溶强化值28.7MPa、沉淀强化值61.0MPa、位错强化值141.5MPa。外加ZrC颗粒的作用主要表现在细化晶粒和提高位错密度两个方面,而固溶强化和沉淀强化的作用则并不明显。 经过热处理后,单因素优化的结果仍然是ZrC颗粒的体积含量为1.1%的试验钢,但与未经热处理的试验钢相比,综合力学性能并没有得到显著提高。同时,试验钢的组织结构并未发生变化。


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