新型超高强度钢的合金优化及其组织性能研究

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本文在对现有低合金超高强度钢强韧化机理分析的基础上,设计出了30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb和30Cr3Si2Mn2NiMoVNb两种新型超高强度钢。采用力学性能测试、光学显微镜(OM)、冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、能谱衍射分析(EDAX)、X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及物理化学相分析等方法系统地研究了新型超高强度钢及现有的Eglin钢的力学性能以及微观组织,分析了未溶碳化物与热处理温度及组织性能的关系。本文主要的研究内容及获得的成果如下:以Eglin钢为原型钢,借用在G50钢中加入较高Si以及加入Nb以改善韧性的设计思路,同时加入约2%的Mn以进一步提高钢的韧性,为保证足够的强度,适当提高了Mo的含量。采用Thermo-Calc热力学方法优化了平衡态高温相组织,设计出了新型低成本超高强度钢30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢。结果表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的最佳热处理制度为950℃×1h,油淬+260℃×2h,空冷。其力学性能为:抗拉强度1870MPa,屈服强度1460MPa,冲击功为66J,延伸率为12%。与Eglin钢相比,在韧性相当的前提下,该钢的抗拉强度提高了约200MPa。30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的研制成功,对开发及拓展新的低成本超高强度钢提供了有益的借鉴。以G50钢为原型钢,降低Ni元素含量以节约成本,在此基础上,提高1%的Mn以提高钢的韧性,同时提高2%的Cr以改善淬透性,为了适当提高强度并细化晶粒,加入了少量的V元素,同时采用Thermo-Calc热力学方法优化了平衡态高温相组织,设计出了新型低成本超高强度钢30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢。试验结果指出,30Cr3Si2Mn2NiMoVNb (?)冈的最佳热处理制度为950℃×1h,油淬+260℃×2h,空冷,其力学性能为:抗拉强度1750MPa,屈服强度1330MPa,冲击功可达74J,延伸率为13%。相比于Eglin钢,该钢的抗拉强度提高了100MPa,韧性和塑性与之相当,而且其强度对淬火温度不太敏感。与G50钢相比,该钢的力学性能与之相当,成本大幅度降低。通过OM、SEM、EDAX、XRD以及TEM等分析手段研究发现:新型超高强度钢的基体均为高位错密度的板条马氏体组织,板条间分布有薄膜状的残余奥氏体及-些未溶碳化物。30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢中的未溶碳化物为富W、Mo的M6C相以及富Nb、v的MC相,其未溶碳化物颗粒尺寸细小,数量显著增多,具在再加精细的板条组织,这也是30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢具有更高抗拉强度及屈服强度,而韧性、塑性却与Eglin钢相当的重要原因。30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢未溶碳化物为富Mo的M6C相以及富Nb、V的MC相。相对于Eglin钢,该钢微观组织中的未溶碳化物颗粒尺寸、数量与之相差不显著,但该钢中由于增加了可保持到高温的富Nb、V的MC相,有效细化了晶粒,使得其强度随着奥氏体化温度的升高没有显著变化。采用Thermo-Calc热力学软件计算了新型超高强度钢加热时高温相的变化规律,其变化规律与试验结果基本一致。计算结果表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的高温相主要为富Nb、V的MC相及富W、Mo的M6C相,其中富W、Mo的M6C相于约970℃时完全溶解;而30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢的高温相主要为富Nb、V的MC相及富Mo的M6C相,其中富Mo的M6C相在约920℃时完全溶解。试验结果也表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢中的M6C相的完全溶解温度在950℃~980℃之间;30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢中的M6C相的完全溶解温度在890℃~920℃。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第10-44页
    1.1 引言第10页
    1.2 超高强度钢概述第10-16页
        1.2.1 低合金超高强度钢的研究及发展第13-15页
        1.2.2 低合金超高强度钢组织性能第15-16页
    1.3 钢的强韧化理论第16-28页
        1.3.1 物理强韧化第17-18页
        1.3.2 合金元素在钢中的强韧化作用第18-22页
        1.3.3 马氏体形态及性能第22-27页
        1.3.4 非金属夹杂的控制第27-28页
    1.4 热处理工艺的研究进展第28-34页
        1.4.1 等温淬火工艺第30-31页
        1.4.2 淬火-低温回火工艺第31-32页
        1.4.3 淬火-配分工艺第32-34页
        1.4.4 其他热处理工艺第34页
    1.5 热力学计算的发展第34-42页
        1.5.1 热力学原理第36-37页
        1.5.2 Thermo-Calc热力学软件第37-42页
        1.5.3 固溶度积公式第42页
    1.6 研究意义、目的及主要研究内容第42-44页
第二章 材料制备与试验方法第44-50页
    2.1 试样制备第44页
    2.2 力学性能测试第44-45页
    2.3 微观组织观察及结构分析第45-50页
        2.3.1 OM观察第45-46页
        2.3.2 SEM观察及EDAX能谱分析第46页
        2.3.3 TEM观察及衍射花样标定第46-48页
        2.3.4 XRD分析第48-50页
第三章 Eglin钢强韧化机理的研究第50-66页
    3.1 引言第50页
    3.2 试验材料及研究方法第50-51页
    3.3 Thermo-Calc热力学计算结果及分析第51-54页
        3.3.1 热力学计算及分析第51-53页
        3.3.2 固溶度积计算及分析第53-54页
    3.4 Eglin钢的力学性能测试与分析第54-55页
    3.5 微观组织观察与分析第55-64页
        3.5.1 未溶碳化物观察与分析第56-60页
        3.5.2 马氏体形态及亚结构第60-61页
        3.5.3 断口形貌分析第61-64页
    3.6 本章小结第64-66页
第四章 新型超高强度钢成分设计第66-84页
    4.1 引言第66页
    4.2 新型超高强度钢的合金优化第66-69页
    4.3 Ms温度的计算与分析第69-72页
    4.4 Eglin钢及新型钢微观结构观察与分析第72-80页
        4.4.1 显微组织形貌观察与分析第72-73页
        4.4.2 未溶相观察与分析第73-79页
        4.4.3 断口形貌观察与分析第79-80页
    4.5 讨论与分析第80-82页
    4.6 本章小结第82-84页
第五章 新型超高强度钢的热力学计算第84-104页
    5.1 引言第84-85页
    5.2 研究方法第85页
    5.3 热力学计算与分析第85-96页
        5.3.1 热力学平衡相计算第86-89页
        5.3.2 合金元素对未溶相的影响第89-92页
        5.3.3 驱动力的计算与分析第92-96页
    5.4 试验结果及分析第96-100页
        5.4.1 30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢分析第96-98页
        5.4.2 30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢分析第98-100页
    5.5 讨论与改进第100-101页
    5.6 本章小结第101-104页
第六章 新型超高强度钢强韧化机理研究第104-124页
    6.1 引言第104-105页
    6.2 试验材料及研究方法第105页
    6.3 新型钢组织性能的研究第105-119页
        6.3.1 力学性能分析第105-108页
        6.3.2 冲击断口观察及分析第108-110页
        6.3.3 微观组织观察与分析第110-119页
    6.4 强韧化机理分析第119-122页
        6.4.1 强化机制分析第119-120页
        6.4.2 韧化机制分析第120-122页
    6.5 本章小结第122-124页
第七章 结论和创新点第124-126页
    7.1 结论第124-125页
    7.2 创新点第125-126页
致谢第126-128页
参考文献第128-144页
附录A:攻读博士学位期间发表的学术论文及获得的奖励第144页
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