高碳合金鋼深冷處理過(guò)程中碳化物形核長(zhǎng)大機(jī)理研究

深冷處理指的是將材料置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使其微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或者改善材料性能的一種熱處理技術(shù)，是提高材料使用壽命的重要手段。本基金主要采用內(nèi)耗，3DAP以及HAADF-STEM等方法從原子尺度研究了深冷處理對(duì)高碳高合金鋼的碳偏聚行為以及回火過(guò)程導(dǎo)致的碳化物析出長(zhǎng)大機(jī)理，探討深冷處理對(duì)高碳高合金鋼相變行為的影響。研究結(jié)果表明經(jīng)深冷處理M2 鋼硬度提高2.5~3.1HRC，深冷初期硬度隨保溫時(shí)間增加而增加，在深冷5h 時(shí)硬度最大(65.9HRC)，而后延長(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)硬度無(wú)影響。結(jié)合納米劃痕研究不同深冷時(shí)間對(duì)M2 鋼摩擦系數(shù)的影響，深冷1h M2鋼具有最優(yōu)耐磨性能。結(jié)合內(nèi)耗分析證實(shí)深冷處理初期馬氏體相變產(chǎn)生新可動(dòng)位錯(cuò)，使得可動(dòng)位錯(cuò)密度增加；同時(shí)相變過(guò)程產(chǎn)生的塑形變形，導(dǎo)致殘余奧氏體及馬氏體周圍存在靜水壓應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)使位錯(cuò)移動(dòng)，并俘獲低溫下晶格收縮而從基體中溢出的間隙原子。由于位錯(cuò)移動(dòng)而俘獲的碳原子會(huì)在晶界處形成碳原子偏聚，從而成為回火過(guò)程中碳化物析出長(zhǎng)大的核心。在深冷初期由于發(fā)生馬氏體相變引起塑形變形，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，塑性變形產(chǎn)生應(yīng)力驅(qū)使位錯(cuò)移動(dòng)，并俘獲大量碳原子，引起碳原子在位錯(cuò)處的偏聚?；?DAP與HAADF-STEM研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)經(jīng)過(guò)深冷處理后碳將偏聚于孿晶界面以及位錯(cuò)等缺陷處，并在升溫至室溫或更高溫度下M2C型碳化物析出長(zhǎng)大。

深冷處理能顯著改善鋼中的力學(xué)性能，是提高材料使用壽命的重要手段。目前，對(duì)于深冷處理的研究?jī)H僅是在宏觀表象與性能關(guān)系方面，深冷處理過(guò)程中可能發(fā)生的組織和結(jié)構(gòu)變化尚缺乏系統(tǒng)研究。在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)高碳合金鋼經(jīng)深冷處理后的微觀組織形態(tài)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立描述深冷處理高碳合金鋼的組織形態(tài)和力學(xué)性能之間關(guān)系模型。揭示等溫馬氏體、原生馬氏體和殘余奧氏體的形態(tài)、分布等特征對(duì)低溫碳偏聚及二次碳化物析出的影響，并建立在深冷應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合作用下二次碳化物形核長(zhǎng)大模型。研究成果將對(duì)深冷處理理論的澄清、低溫條件下相變機(jī)理的發(fā)展及深冷技術(shù)的推廣使用均具有重要意義。

深冷處理能顯著改善材料的力學(xué)性能，是近年來(lái)為業(yè)界廣泛認(rèn)可的材料改性及強(qiáng)化的工藝程序。目前針對(duì)材料深冷處理的研究?jī)H停留在宏觀性能上的表現(xiàn)，提出的機(jī)理也只是對(duì)宏觀性能變化結(jié)果的猜測(cè)。由于深冷處理機(jī)理尚未澄清，工程上對(duì)深冷處理的應(yīng)用十分有限。本項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)深冷處理過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)分析、物性測(cè)試和相變驅(qū)動(dòng)力討論，提出與深冷處理過(guò)程相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力關(guān)系以及符合深冷條件下溫度-應(yīng)力誘導(dǎo)耦合作用下的相變機(jī)理和析出機(jī)制，建立深冷條件下溫度-應(yīng)力誘導(dǎo)耦合模型，揭示深冷處理過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及相變機(jī)理。同時(shí)，借助計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)，建立計(jì)算模型，對(duì)高碳高合金鋼深冷處理工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，掌握各種不同工藝參數(shù)和影響因素對(duì)深冷處理過(guò)程的影響規(guī)律，并對(duì)深冷處理工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)和組織性能進(jìn)行評(píng)估，從而優(yōu)化出深冷處理工藝方案，使工藝更加高效合理，以期對(duì)深冷處理的應(yīng)用和工藝的制定提供理論指導(dǎo)。

為獲得最高的硬度和尺寸穩(wěn)定性，模具在淬火后立即深冷-70至-80℃，保持3-4小時(shí)，然后在回火處理，經(jīng)深冷處理的工具或模具硬度比常規(guī)熱處理硬度高1-3HRC。形狀復(fù)雜及尺寸變化較大的零件，深冷處理有生產(chǎn)開(kāi)裂的危險(xiǎn)

深冷處理由于其清潔、高效而輔助應(yīng)用于高碳高合金鋼的熱處理過(guò)程以增強(qiáng)材料的力學(xué)和機(jī)械性能，近年來(lái)已被業(yè)界所廣泛認(rèn)可。但目前得到的深冷處理機(jī)制都是材料在室溫下宏觀表現(xiàn)的反推，存在一定缺陷，嚴(yán)重限制了深冷處理的應(yīng)用。例如，深冷處理能否促使殘留奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；低溫下是否有等溫馬氏體形成；低溫下碳原子是否有擴(kuò)散行為；深冷處理過(guò)程中溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演變不能采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)。本項(xiàng)目對(duì)高碳高合金鋼SDC99在-80℃至-196℃溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行了不同溫度、不同保溫時(shí)間、不同回火與深冷次序的深冷處理，摸索出最佳深冷處理工藝參數(shù)；測(cè)試上述深冷處理工藝下的宏觀力學(xué)性能，包括硬度、沖擊韌性、摩擦磨損性能，采用SEM、XRD、TEM、高溫/低溫實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模量與內(nèi)耗測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合3DAP研究了深冷處理對(duì)殘留奧氏體數(shù)量、形態(tài)、分布的影響，明確了低溫下的等溫馬氏體相變轉(zhuǎn)變時(shí)間，建立了宏觀性能與微觀組織演化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。力學(xué)實(shí)驗(yàn)及摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于SDC99鋼而言，最優(yōu)深冷處理溫度為-196℃，最優(yōu)時(shí)間為12小時(shí)以上，最佳工藝順序是先回火再深冷處理。經(jīng)1030℃淬火 210℃回火2小時(shí) （-196℃深冷24小時(shí)） 210℃回火2小時(shí)的最優(yōu)深冷處理工藝處理后，在300N的載荷下摩擦?xí)r試樣的耐磨性較常規(guī)熱處理試樣提高了43.8%。XRD結(jié)果表明，深冷處理可使SDC99馬氏體基體的正方度下降，降低馬氏體中C的過(guò)飽和度，其中淬火后直接深冷處理對(duì)于減輕晶格畸變最為有利。小角XRD衍射結(jié)果證實(shí)-130℃保溫時(shí)生成等溫馬氏體。SEM和TEM結(jié)果表明，常規(guī)熱處理后的殘留奧氏體呈塊狀分布在基體中，深冷處理后的殘留奧氏體呈薄膜狀分布于碳化物周圍，深冷處理不能使殘留奧氏體完全轉(zhuǎn)變，約有3%的殘留奧氏體保留在基體中，這與DEFORM軟件所模擬的結(jié)果良好吻合。3DAP結(jié)果表明，SDC99經(jīng)1030℃淬火至室溫，碳原子大部分均勻分布，僅出現(xiàn)微弱偏聚；經(jīng)-196℃×8 h深冷處理后，C原子偏聚于新生孿晶馬氏體晶界，在由深冷溫度恢復(fù)到室溫過(guò)程中，C原子進(jìn)一步偏聚，形成5~10 nm厚的平行片狀偏聚區(qū)，但并未以碳化物形式析出；經(jīng)210℃×2h回火后，深冷處理時(shí)偏聚于新生孿晶馬氏體晶界的C原子或進(jìn)一步富集形成厚度約10 nm 的富C相，或與Cr和Mo等合金元素形成M23C6碳化物沉淀析出，該納米級(jí)碳化物