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作者：蒙凯哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

真空扩散连接广泛应用于异种材料的连接。锆具有较低的热中子吸收截面、高温耐腐蚀性和易加工等特点;Q345钢属于低合金高强度钢,塑性和焊接性能良好。锆与Q345钢的复合常用于化工反应容器的外壳,但是锆和钢的物理和化学性质相差很大,很... 详细信息

真空扩散连接广泛应用于异种材料的连接。锆具有较低的热中子吸收截面、高温耐腐蚀性和易加工等特点;Q345钢属于低合金高强度钢,塑性和焊接性能良好。锆与Q345钢的复合常用于化工反应容器的外壳,但是锆和钢的物理和化学性质相差很大,很难直接连接在一起。利用添加中间层的真空扩散连接技术,能够很好的解决这个难题。本文结合国内外锆与钢真空扩散连接的研究现状,采用较薄的非晶态铜箔作为中间层材料,在700℃下扩散连接纯锆与Q345钢,在铜箔熔化条件下控制反应层厚度。利用光学显微镜、SEM、EDS、XRD、EBSD、显微硬度试验、剪切试验和三点弯曲试验等表征技术,研究显微结构与力学性能的关系。同时,提出在更低温度下(≤620℃),采用纯铝箔作为中间层材料,在铝箔不熔化的条件下控制反应层厚度,研究界面显微结构与力学性能的关系,以及反应层生长的热力学和动力学规律。纯锆/铜箔/Q345钢在700℃,3MPa下保温1h时,铜箔与母材发生冶金结合。界面反应产物分为五个区域,依次为FeP、Cu、CuNiPZr、CuZr、CuZr,其中Zr元素所占的区域宽度大于Fe元素。当铜箔厚度为30μm和60μm时,界面反应总厚度分别为27.0μm和31μm,界面内存在较多孔洞和缺陷,最大剪切强度和弯曲强度分别为30MPa、803MPa和47MPa、1017MPa。当铜箔厚度增加到90μm时,界面反应层总厚度为63μm,孔洞数量大大减少,在Cu内出现两种树枝状共晶组织,界面结合质量得到很大改善,最大剪切强度和弯曲强度增至88MPa和1079MPa。剪切断裂机制表明:随着铜箔厚度增加,反应层中裂纹源减少,裂纹扩展路径和受树枝状共晶阻力增加,因此铜箔为90μm时具有最大剪切强度。对比前、后弯曲断裂机制,结果表明:反应层中孔洞在前弯曲中受压应力作用下闭合,在后弯曲中受拉应力作用张开,因此前弯曲性能优于后弯曲。纯锆/铝箔/Q345钢在545-575℃,3MPa下保温3-4h,铝箔与母材发生固相扩散反应,界面产物主要为波浪状的AlFe和层状的AlZr,并存在一层微米级的过渡相AlFe和齿状的AlZr。增加扩散温度和延长扩散时间均能增加反应层的总厚度,生成的AlFe厚度比AlZr宽,过渡相AlFe和AlZr形态更加清晰,但是延长扩散时间会导致过渡相逐渐向基体中溶解。界面力学性能研究表明,AlFe具有最高显微硬度,剪切裂纹完全在AlFe中扩展。保持扩散时间3h不变的条件下,575℃时复合板具有最大剪切强度为30MPa,但升高至590℃时,AlFe与Al之间的界面发生开裂。保持扩散温度560℃不变的条件下,3.5h时复合板具有最大剪切强度为37MPa。通过EHF热力学模型计算AlFe和AlZr分别具有最负的有效生成焓,为第一生成产物。在545-575℃保温3h时,产物随温度的扩散动力学方程为:x=1.01×10exp(-126800/RT),x=1.57×10exp(-249400/RT)。在560℃保温3-4h时,产物随时间的扩散动力学方程为:x=5.37×10t,x=1.93×10t。其中AlFe在界面生长具有明显特定取向,即c轴[001]方向,呈波浪形态;而AlZr则无明显特定的取向。

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热机械处理对纳米相强化钢组织和屈强比的影响

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作者：郑浩哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着海洋工程装备的发展,对于海洋工程装备的安全性要求日益增加,对高强度钢材的综合性能提出了更苛刻的要求,其中低温韧性和屈强比是主要考核指标。富铜纳米相强化钢属于高强度低合金钢的一种,其利用纳米相强化与传统强化方式相结合的... 详细信息

随着海洋工程装备的发展,对于海洋工程装备的安全性要求日益增加,对高强度钢材的综合性能提出了更苛刻的要求,其中低温韧性和屈强比是主要考核指标。富铜纳米相强化钢属于高强度低合金钢的一种,其利用纳米相强化与传统强化方式相结合的强化方式,在具有高强度的同时也能够保持良好的塑韧性。制定合理的热机械处理工艺对提高富铜纳米相强化钢的性能至关重要。本文以TMCP态富铜纳米相强化钢为研究材料,研究热机械处理工艺对其显微组织及力学性能特别是屈强比的影响规律。对TMCP态富铜纳米相强化钢的显微组织进行观察和分析。研究发现,TMCP处理后的组织由大部分的板条马氏体和小部分的多边形铁素体组成。在显微组织中存在明显的带状组织,主要由厚板在轧制过程中的变形不均匀造成。在变形量较大区域会产生明显的应力集中,导致晶粒发生偏转,晶粒的取向发生变化。同时在塑性变形的过程中会产生大量的位错塞积,促进了随后的再结晶过程,形成细小的等轴晶即小晶粒带。小晶粒带在腐蚀的过程中更易受到腐蚀,在金相观察中表现为带状组织。对富铜纳米相强化钢中夹杂物进行观察和分析。研究表明轧制态试样中的非金属夹杂物的类型主要为块状的氧化物,球状的复合夹杂物以及长条状的碳化硅。其中的氧化物主要为氧化铝和氧化钙组成的复合夹杂物,都为钢水冶炼过程中的脱氧产物。球状的复合夹杂物由硫化物包裹氧化物组成。长条状的碳化硅为脱氧剂残留产物,具有高熔点高硬度的特点,因此在轧制过程中不会发生明显的变化。在后续的固溶处理中氧化物及碳化硅夹杂的尺寸、成分、外观都没有发生明显的变化。球状的夹杂物由于部分被硫化物包裹,在固溶处理中导致部分的硫化物溶解到了基体中,导致球状夹杂物尺寸的减小。研究时效处理对TMCP态的富铜纳米相强化钢显微组织及屈强比的影响发现,在525C-700C温度范围内0.5h-50h的时效处理后,基体组织没有发生明显的变化,仍以板条马氏体为主。同时表面试样与心部试样的组织没有明显的差异。随时效温度的升高以及时效时间的延长,板条马氏体间的板条开始发生分解。时效温度较低时,由于纳米相析出产生的沉淀强化作用,其屈强比较TMCP态的试样有显著提升,但屈强比随着时效温度的升高而降低。在525C、575C不同时效时间的处理中,屈强比一直维持在0.95以上,时效时间的延长对屈强比没有明显的影响。在690C时效1.5h后,屈强比能够明显降低。690C时效后屈强比降低一方面是由于过时效导致纳米相长大,另一方面由于在高温时效过程中产生了少量逆转奥氏体,逆转变奥氏体在变形后期可能发生相变诱导塑性变形行为导致流变应力和抗拉强度提高而降低屈强比。

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高锰奥氏体钢中富铜纳米相析出行为及强化机制研究

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作者：纪佳楠哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高锰奥氏体钢为Fcc结构的单相奥氏体组织。在发生塑性变形时,形变诱导相变或形变诱导孪生机制为其带来均匀连续的加工硬化能力和优异的塑韧性。目前在汽车车身用钢(室温塑韧性)、LNG运输储罐用钢(超低温韧性)、强磁场结构钢(无磁)等方... 详细信息

高锰奥氏体钢为Fcc结构的单相奥氏体组织。在发生塑性变形时,形变诱导相变或形变诱导孪生机制为其带来均匀连续的加工硬化能力和优异的塑韧性。目前在汽车车身用钢(室温塑韧性)、LNG运输储罐用钢(超低温韧性)、强磁场结构钢(无磁)等方面有巨大应用潜力。但高锰奥氏体钢屈服强度低,使其在很多领域上的应用受到了限制。如何在保持高塑性的前提下提高其室温屈服强度仍然是亟待解决的问题。本论文工作在高锰奥氏体钢中添加合金元素铜,利用固溶在基体内的铜元素调节合金层错能,控制其形变机制。利用铜与基体相同的晶体结构和相近的晶格常数,在奥氏体中析出共格的富铜纳米相,能够在提高屈服强度的同时保持塑性不降低。针对高锰奥氏体钢中的富铜纳米相析出和铜对高锰奥氏体钢形变机制的影响,设计了两种成分体系:一种是层错能较高的Fe-25Mn-Al-Ni-Cu系,研究富铜纳米相的析出强化机制;另一种是层错能较低的Fe-18Mn-C-Cu系,调节Cu含量有效改变基体形变机制,研究纳米孪晶对富铜纳米相析出的影响。利用Jmat Pro软件结合文献调研对实验热处理工艺参数进行设计,利用Olson-Cohen热力学模型对高锰奥氏体钢的层错能进行计算,利用OM、SEM、XRD、STEM等手段对高锰奥氏体钢显微组织进行表征,利用硬度计、拉伸试验机表征高锰奥氏体钢的力学行为,分析实验结果发现:高层错能的高锰奥氏体钢其形变机制以位错滑移为主,形变孪生为辅,而层错能处在形变机制敏感区的低层错能高锰奥氏体钢,加入Cu元素会使形变机制由TRIP变为TWIP。实验发现富铜纳米相长大初期是一种铜原子簇团,纳米级尺寸大小,呈球状且弥散分布在基体内,与基体界面关系良好,具有一定的热稳定性。但当富铜纳米相粗化,其形貌变为沿{110}晶面族生长的片状结构,厚度数纳米,长宽可达几十甚至上百纳米。富铜纳米相的变化会使其强化机制由切过变为绕过,强化效果大幅度减弱。此外,富铜纳米相形貌会影响其加工硬化行为,球状富铜纳米相会提高加工硬化率,片状富铜纳米相会降低加工硬化率且不利于塑性。因此,通过合理的时效工艺控制,获得纳米级尺寸且弥散分布的球状富铜纳米相,能够提高屈服强度的同时,几乎不损失塑性。此外,为了分析不同基体对富铜纳米相析出行为的影响,利用冷轧变形在低层错能的高锰奥氏体钢内引入高密度的纳米孪晶,其纳米孪晶层片厚度及基体层片厚度主要分布在20nm以内,且存在着少量层片厚度大于40nm的孪晶层片或基体层片。分析实验结果发现,富铜纳米相的形核方式会受到基体内缺陷的影响,在粗晶内发现富铜纳米相析出可能依赖于空位形核,存在“无析出带”,而在纳米孪晶结构的高锰奥氏体钢中,其形核优先在高能量的共格孪晶界,会出现条状的富铜纳米相。

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热处理对纳米相强化钢组织和性能的影响

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作者：毛梦佳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

纳米相强化钢作为一种新开发设计的高强度低合金钢,其采用纳米相析出强化与传统强化方式共同作用的方法,具有良好的综合力学性能。合理的热处理工艺对纳米相强化钢显微组织及沉淀相析出控制的力学性能具有重要意义。本文研究了不同固溶... 详细信息

纳米相强化钢作为一种新开发设计的高强度低合金钢,其采用纳米相析出强化与传统强化方式共同作用的方法,具有良好的综合力学性能。合理的热处理工艺对纳米相强化钢显微组织及沉淀相析出控制的力学性能具有重要意义。本文研究了不同固溶处理及时效处理工艺对纳米相强化钢的显微结构及力学性能的影响规律,并着重对其低温韧性机制及时效过程中屈强比的变化进行了阐述。对纳米相强化钢进行900℃热处理90min及913℃热处理60min两种工艺下的固溶处理,处理后纳米相强化钢的显微组织主要为低碳板条马氏体与小部分准多边形铁素体,两种工艺对钢的显微组织影响区别不明显。两种工艺固溶处理后纳米相强化钢的硬度均增大,但温度稍高的913℃固溶处理能在较短时间内更大幅度地提升显微硬度。淬火态纳米相强化钢的抗拉强度较高,而屈服强度相对较低。固溶处理后,因显微组织中的板条结构存在大量对裂纹扩展起阻碍作用的边界,纳米相强化钢低温韧性也较为优异。对固溶处理后纳米相强化钢进行450℃90℃温度范围内5min0h的时效处理以探究时效处理对其显微组织及力学性能的影响。研究表明,时效处理不改变纳米相强化钢的基体显微组织及相组成。纳米析出相的沉淀强化作用使纳米相强化钢在时效处理后硬度及屈服强度有显著提升。因纳米沉淀相析出强化与基体板条组织结构回火软化同时在时效过程中发生,低温时效时硬度先下降后上升再下降的变化趋势较为明显,高温时效时钢的硬度随时效时间的延长而持续下降。纳米相强化钢的塑性在不同工艺的时效处理后均能够明显提升。低温时效时纳米相强化钢冲击韧性较差,延长时效处理时间能够改善韧性值。在较高的时效温度600℃60℃范围内纳米相强化钢能够保持较为优异的低温韧性。对纳米相强化钢进行直接时效处理,钢的显微组织仍为晶粒被拉长的带状组织。尽管直接时效处理后纳米相强化钢的塑性发生明显提升,但其对硬度及强度的提升效果不太显著。同时,由于带状组织对裂纹扩展作用较弱,直接时效处理后纳米相强化钢的低温韧性较差。综合可得,纳米相强化钢需经过固溶处理后时效处理才可获得良好的强韧性匹配,直接采取时效处理方法不适合用于提升纳米相强化钢的综合力学性能。对纳米相强化钢进行二次奥氏体化处理,对比其与一次奥氏体化处理钢的显微组织及力学性能。研究发现二次奥氏体化处理不会改变纳米相强化钢的显微组织形态及晶粒尺寸,对钢的力学性能也无明显改善作用。同时,对两种工艺下的钢采取相同时效处理,发现二次奥氏体化处理对后续时效处理效果无明显影响。针对纳米相强化钢在时效过程中出现的脆化现象进行原因分析认为,纳米相强化钢中不存在传统高温回火脆问题,脆化现象主要考虑为时效后沉淀相析出致脆,可通过延长时效时间使纳米相处于适当的过时效状态以提升低温韧性。屈服强度与低温韧性不简单成反比关系,研究范围内最佳匹配为屈服强度927MPa,-84℃冲击功180J,最差匹配为屈服强度859MPa,-84℃冲击功44J。时效过程中纳米相强化钢会发生MC碳化物的转变形成,延长了屈服强度保持平台。纳米相强化钢的屈强比在时效过程中受Cu纳米相析出强化和回火软化两者的共同作用而发生变化。在适当高温时效处理下,纳米相强化钢更易达到低屈强比与高低温冲击韧性的良好匹配,研究范围内最佳匹配为屈服强度815MPa,屈强比0.9,-84℃冲击功192J。

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电脉冲处理对富铜纳米相强化钢组织结构及力学性能的影响

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作者：陈明江哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

富铜纳米相强化钢是在高强度低合金钢的研究基础上发展而来,在优化的处理工艺下,通过对纳米相析出和基体相的控制,可以使其获得超高的强度,同时保持良好的塑性。电脉冲处理作为一种新型的材料加工处理技术,具有高效节能,环保节时等特点... 详细信息

富铜纳米相强化钢是在高强度低合金钢的研究基础上发展而来,在优化的处理工艺下,通过对纳米相析出和基体相的控制,可以使其获得超高的强度,同时保持良好的塑性。电脉冲处理作为一种新型的材料加工处理技术,具有高效节能,环保节时等特点。在对金属材料施加电脉冲时,由于多种物理效应耦合作用,使其有不同于常规热处理作用效果,能够明显改善材料的组织及性能。本文研究了电脉冲时长、频率、电流密度和轧制变形量对冷轧态富铜纳米相强化钢显微结构和力学性能的影响,对电脉冲处理试样位错密度和再结晶初始阶段展开研究,分析电脉冲作用机理,并与常规热处理进行对比。对冷轧40%的富铜纳米相强化钢试样。当固定频率为300Hz,电流密度为55-56A/mm时,进行不同时长的电脉冲处理,在电脉冲短时作用下即有纳米相析出,同时基体相组织保持原轧态形貌,试样处于回复阶段。当固定处理时长为15min,电流密度为55-56 A/mm时,进行不同频率的电脉冲处理,在300Hz和350Hz条件下,试样中组织保持原冷轧态形貌,在400Hz时,基体晶界处有细小的晶粒生成。与常规热处理相比,电脉冲处理降低了再结晶开始温度。不同时长和不同频率的电脉冲处理下试样宏观织构为{001}、{111}和{111}。随时长的延长和频率的增加,{111}织构转向更为稳定的{223}织构,织构与常规热处理相似。对冷轧80%的试样,当固定频率为300Hz,处理时长为15min时,进行不同电流密度的电脉冲处理,随电流密度升高,试样组织逐步发生再结晶,电脉冲处理温度较高时,对组织的影响主要是焦耳热效应。不同轧制变形试样经过电脉冲处理后,在轧制变形量较大时,更易发生再结晶,与常规热处理相比,电脉冲处理获得的再结晶细小晶粒更多。在不同电脉冲处理条件下,试样中的组织与常规热处理相同,都为铁素体。在不同时长电脉冲处理下,随时间的延长,力学性能得以提升,当时长到20min时,抗拉强度达1297MPa,与原材料相比提升393MPa,与常规热处理相比,抗拉强度提升155MPa,主要是电脉冲处理后析出纳米相体积分数更高。在不同频率电脉冲处理下,随频率的升高,强度表现为先上升后下降的趋势。在不同电流密度的电脉冲处理下,电流密度越低时获得的力学性能越优异。当电流密度为41A/mm时,抗拉强度达1401MPa,与原材料相比,抗拉强度提升达524MPa,与常规热处理相比,抗拉强度提升达171MPa。电脉冲处理显著的降低等时长下时效峰值的温度,其主要原因在于电脉冲促进纳米相的析出及长大。对不同轧制变形的试样进行电脉冲处理,获得更低的屈强比,提升了材料的可靠性,同时有更高的加工硬化率,而常规热处理下变形量的改变并不会影响屈强比值。在强度较高或变形量较大时,拉伸试样中的断口出现分层现象。对电脉冲处理和常规热处理试样进行位错密度表征,发现电脉冲作用下试样的位错密度低于常规热处理,原因是在电脉冲处理过程中电子风力及电迁移的存在,能促进位错的运动。在不同频率的电脉冲处理下,在频率为400Hz时再结晶开始,与常规热处理相比,再结晶温度降低达65℃。在再结晶初始阶段,基体中晶粒以变形晶粒为主,试样中晶粒取向主要为[111]和[001]取向,新生再结晶小晶粒主要位于小角度晶界处,重合位置点阵以3晶界为主,在取向差分析中主要是小角度晶界角。微观织构以γ方向的织构为主,其再结晶行为与常规热处理再结晶初始阶段相似。同时,电脉冲处理能够促进再结晶的进程。

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内生塑性相形态演化及其对块体金属玻璃复合材料力学行为的影响

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作者：徐翔南京理工大学

学位级别：硕士

块体金属玻璃(BMG)拥有一系列优异的性能,如高强度、高硬度、耐腐蚀性和良好的磁性能等,但室温脆性严重制约了BMG的应用。采用内生塑性晶体相复合的方法可以有效地改善BMG的室温塑性。内生塑性晶体相/BMG复合材料的室温塑性变形能力与... 详细信息

块体金属玻璃(BMG)拥有一系列优异的性能,如高强度、高硬度、耐腐蚀性和良好的磁性能等,但室温脆性严重制约了BMG的应用。采用内生塑性晶体相复合的方法可以有效地改善BMG的室温塑性。内生塑性晶体相/BMG复合材料的室温塑性变形能力与其微观组织特性,尤其是内生晶体相的形态、尺寸、分布以及体积分数等具有密切的关系。因此,开展制备工艺对BMG内生塑性晶体相微观组织演化及其对力学行为的影响研究具有重要的理论和现实意义。本文选择ZrTiNbCuNiBe合金为研究对象,系统研究了内生β-Zr(Ti,Nb)晶体相/BMG复合材料的制备工艺及其对组织与性能的影响,并探讨了相关机制。在一定的保温温度条件下系统研究了保温时间对β相/BMG复合材料的微观组织演化,尤其是内生晶体相的球化过程及其对力学性能的影响。研究结果表明,保温时间对β相的微观组织特性和力学性能具有重要影响。随着保温时间的延长,β相的尺寸不断增大,其形态由树枝状逐渐转变为团球状,而β相的体积分数变化不大,保持在50%左右。当保温时间延长到20min时,β相达到一个较为稳定的状态,其尺寸与形态不再随着保温时间的延长而发生明显变化。基于多相系统中弯曲界面的扩散理论阐释了β相球化长大的机制。随着保温时间的延长,材料的塑性应变不断增加并保持了较高的强度。当保温时间延长到β相尺寸与形态不再发生明显变化时,复合材料的塑性变形能力也趋于稳定。对β相/BMG复合材料的微观组织随冷却速率的变化及其对力学性能的影响也进行了系统的研究。用抽拉速率来控制凝固冷却速率,抽拉速率越大,凝固冷却速率越大。研究结果表明,在所研究的冷却速率范围内β相均为树枝状。但是,随着冷却速率的降低,β相的尺寸不断增大,其形态由细小的树枝状转变为发达的树枝状,同时β相的体积分数不断增加。当抽拉速率降低到1mm/s时,组织中有新的金属间化合物相出现。随着冷却速率的降低,材料的塑性应变不断增加。当抽拉速率降低到1mm/s后,觍?鹗艏浠衔锏某鱿?材料的塑性变形能力急剧下降。

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热处理对含铜高锰钢组织及力学性能影响的研究

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作者：李俊澎哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高锰高铝钢综合力学性能优异且密度较低,可有效的减轻车重,降低油耗;因其撞击吸收能量的能力强,可显著提高安全等级。近年来国内外对高锰高铝钢的研究已经有了一定成就,但是对于如何更进一步地提高其强度及塑性仍然是亟需解决的问题。为... 详细信息

高锰高铝钢综合力学性能优异且密度较低,可有效的减轻车重,降低油耗;因其撞击吸收能量的能力强,可显著提高安全等级。近年来国内外对高锰高铝钢的研究已经有了一定成就,但是对于如何更进一步地提高其强度及塑性仍然是亟需解决的问题。为此,本文在高锰钢中引入富铜纳米相,利用纳米相的沉淀强化在保持塑性的情况下进一步提高其强度,并通过研究不同的热处理条件下显微组织以及力学性能变化规律从而阐明铜元素在高锰钢中的作用。本文利用真空非自耗电弧熔炼技术制备了三种不同成分的含铜高锰钢Fe-10Al-15 Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.5,1.5)。首先利用Thermo-calc软件计算了不同Cu含量条件下三种高锰钢温度与相的含量的关系,利用层错热力学模型分析研究了不同铜含量对钢中奥氏体层错能的影响,并设计了该钢的热处理工艺。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等技术研究了高锰钢经过固溶处理后组织以及力学性能的变化。明确显微组织随着时间以及温度的变化规律。利用小角中子散射研究了该含铜高锰钢在时效过程中纳米相的析出行为,并研究了时效处理对含铜高锰钢组织以及力学性能的影响。用排水法测得三种不同成分的高锰钢Fe-10Al-15Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.5,1.5)密度分别为6.73g/cm3、6.75g/cm3、6.79g/cm3。经过层错能热力学模型算得三种成分高锰钢中奥氏体的层错能分别为85.3mJ/m2、87.7mJ/m2、91.2mJ/m2。确定了固溶温度分别为850℃、900℃和 950℃,时效温度为 550℃。研究表明Fe-10Al-15Mn-0.8C-5Ni-xCu(x=0,0.83,1.38)高锰钢的基体均为铁素体与奥氏体混合相组成。在固溶的过程中,显微组织中出现了大量的退火孪晶,且随着保温时间的延长和保温温度的提高退火孪晶呈现递增的趋势。随着固溶保温时间的延长抗拉强度逐渐的下降,延伸率与之具有相反的变化趋势;固溶温度的提高会使延伸率升高,抗拉强度逐渐的下降。不同Cu含量的锰钢在固溶处理过程中显微结构的变化具有相同的趋势,随着固溶温度的升高或相同温度保温时间的延长使奥氏体的晶粒尺寸有所增加、奥氏体的体积分数增加、铁素体的体积分数稍有下降,因此导致强度下降而塑性有所提高。试样被拉断以后,并没有明显的缩颈现象发生,断口中有大量的韧窝,二次裂纹以及准解理花样。随着铜含量的增加,奥氏体中的层错能呈现递增的趋势。由于奥氏体中层错能的增加导致了奥氏体基体中退火孪晶数量的减少。不同Cu含量的高锰钢在固溶后时效的结果表明,时效导致富铜纳米相的析出,纳米相的尺寸约为1.5nm左右。纳米相主要在铁素体中析出,导致时效处理后铁素体的硬度大幅提升而奥氏体的硬度没有明显变化。三种Cu含量的高锰钢均具有较高的加工硬化率,在真应变的最初阶段,无Cu高锰钢的加工硬化率最高,随着铜含量的增加加工硬化率逐渐降低,在真应变的第二阶段,随着Cu含量的增加,致使加工硬化率变缓。通过对拉伸前后奥氏体体积分数的计算发现三种成分的高锰钢在变形前后奥氏体体积分数几乎保持不变,则可以说明三种成分的高锰钢在塑性变形过程中并没有发生γ→ε的转变。通过观察不同变形量的金相组织可以发现,在形变过程中没有孪晶的产生。可得知高层错能的该种成分的高锰钢变形的机制主要为位错的平面滑移。含铜高锰钢经固溶时效后,由于晶界上大量碳化物的析出导致了含铜高锰钢拉伸性能的急剧下降,在室温下的力学性能全部为脆性断裂,断口中有大量的准解理花纹以及冰糖状形貌。

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Inconel600/钢轧制复合板的显微结构及力学性能研究

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作者：王潮洋哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

Inconel600具有良好的耐高温腐蚀性和抗氧化性,优异的强度和塑性;Q235结构钢具有优良的塑性和焊接性能。结合二者优点制备的Inconel600/Q235复合钢板可用于化工反应容器的外壳,但现阶段Inconel600与Q235之间焊接工艺研究不充分,限制了... 详细信息

Inconel600具有良好的耐高温腐蚀性和抗氧化性,优异的强度和塑性;Q235结构钢具有优良的塑性和焊接性能。结合二者优点制备的Inconel600/Q235复合钢板可用于化工反应容器的外壳,但现阶段Inconel600与Q235之间焊接工艺研究不充分,限制了该复合板的应用。本文采取广泛应用于异种金属材料连接的真空热轧复合法制备Inconel600/Q235复合板,研究了不同轧制温度、轧制变形量、热处理工艺对复合板显微结构及力学性能的影响。利用光学显微镜、SEM、EDS、显微硬度试验、剪切试验和三点弯曲试验,分析复合板的显微结构、界面产物、元素扩散行为及力学性能。首先,本文研究了不同轧制温度对Inconel600/Q235复合板的显微结构及力学性能的影响。采用轧制温度为1000℃、1100℃、1200℃三种工艺实现Inconel600/Q235复合板的制备。研究结果表明:三种工艺下复合板均能够实现良好的冶金结合,Inconel600/Q235复合界面较为平直,脱碳层厚度约为10-20μm,Q235侧均为铁素体+珠光体组织,晶粒尺寸随着轧制温度提高逐渐长大,复合界面处均出现含有Al、Mn的黑色氧化物夹杂,复合界面处Fe、Cr、Ni扩散距离随轧制温度提高均逐渐增加。随着轧制温度提高,复合板剪切强度逐渐提高,在轧制温度1200℃时最大剪切强度为368MPa。三种轧制温度制备的复合板均可以弯曲到180°且没有出现裂纹,说明复合板实现了高质量结合。其次,本文研究了不同轧制变形量对Inconel600/Q235复合板的显微结构及力学性能的影响。采用轧制变形量为50%、60%、70%三种工艺实现Inconel600/Q235复合板的制备。研究结果表明:脱碳层厚度约为15-25μm,晶粒尺寸随着轧制变形量提高无明显变化,复合界面处的黑色氧化物夹杂变为Al-Mn混合状态,复合界面处Fe、Cr、Ni扩散距离随轧制温度提高均逐渐减少。随着轧制变形量增加,复合板剪切强度逐渐提高,在轧制变形量70%时最大剪切强度为362MPa。最后,本文研究了热处理时间和温度对Inconel600/Q235复合板的显微结构及力学性能的影响。研究结果表明:随着热处理时间增加,Q235侧晶粒尺寸先增大后趋于不变,脱碳层消失,Fe、Ni、Cr三种元素扩散距离先增加后趋于不变。复合板剪切强度先增加后减少,在热处理时间为30min时剪切强度最佳,达到402MPa。随着热处理温度增加,Q235侧晶粒尺寸逐渐增大,脱碳层同样消失,Fe、Ni、Cr三种元素扩散距离逐渐增加。复合板剪切强度逐渐增加,在热处理温度为1100℃时剪切强度最佳,达到402MPa。对比分析可知最佳热处理工艺为热处理温度1100℃,保温30min。

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高强度低合金钢织构形成及其对力学性能的影响

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作者：李鹏飞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高强度低合金钢指的是在冶炼过程中,合金元素添加量低于5%的钢材。由于其具有优良的强度、低温韧性、可焊性等特点,被广泛应用于船舶、管道、汽车、发电厂等领域。高强度低合金钢经轧制处理后会产生形变织构,织构对钢材的低温韧性及拉... 详细信息

高强度低合金钢指的是在冶炼过程中,合金元素添加量低于5%的钢材。由于其具有优良的强度、低温韧性、可焊性等特点,被广泛应用于船舶、管道、汽车、发电厂等领域。高强度低合金钢经轧制处理后会产生形变织构,织构对钢材的低温韧性及拉伸性能会造成重大影响,然而目前织构与力学性能的关系研究尚未深入,因此研究织构问题是十分必要的。为了探究板厚不同位置横、纵向力学性能的变化规律,本实验选用YP47级85mm厚、代号为“Z30”、“Z28”的止裂钢厚板,针对其表层、距表面1/4处、距表面1/2处进行相关研究。表征分析后发现:显微组织主要由铁素体晶粒组成,随着厚度增加,铁素体晶粒尺寸不断变大,拉伸性能不断降低。钢板表面处主要有{001}、{114}、{112}织构;1/4处的织构为{110};心部主要的织构组分为{001}、{114}、{112}、{332},其心部织构强度强于表面处;钢板表面处轧向、横向屈服强度差异较大,这是由于{114}织构导致了拉伸性能的各向异性,心部屈服强度差异性明显减弱,这与{332}织构有关;钢板表面处低温冲击韧性较差,这是由于{001}织构易造成材料产生解理断裂导致的,1/4处的冲击韧性较高,是由于{110}面织构有利于阻碍裂纹扩展。为了研究轧制方向对织构及力学性的影响,以“Z30”为原材料,在600℃、800℃、880℃、960℃下进行单向轧制和交叉轧制,分析后发现:从低温至高温,显微组织由准多边形铁素体转变为板条贝氏体组织;热轧组织中主要织构类型是{001}、{223}、{111}、{111}。随着热轧温度升高织构强度呈下降趋势,这是由于从高温冷却时铁素体再结晶削弱了织构的强度;从800℃热轧开始,单向轧制的拉伸强度明显高于交叉轧制;600℃-880℃热轧,交叉轧制的冲击韧性明显低于单向轧制,这与{001}织构、γ纤维织构有关。通过控制显微组织近似,来探究轧制工艺对织构及力学性能的影响。在850℃初轧+600℃终轧+600℃退火18h的工艺下,随终轧变形量的增加,拉伸强度亦不断增加;其中总变形量分别为50%、60%钢板,主要存在{001}、{111}、{111}、{110}、{223}面织构,织构强度基本相同,{001}织构由再结晶的奥氏体织构{001}转变而来;{111}织构由变形奥氏体织构{110}转变形成。冷轧、1000℃初轧+650℃终轧、1000℃初轧+850℃终轧,三种工艺在750℃再结晶退火3h后,发现其力学性能与显微组织的关系完全对应。

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低合金高强钢中夹杂物调控及其对力学性能的影响

引用

作者：付璐哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

低合金高强钢是船舶与海洋工程领域常用的结构材料,具有高强度、高韧性、低成本的特点。恶劣的服役环境对材料的低温韧性和各向同性提出了更苛刻的要求,而钢中非金属夹杂物对塑性和韧性均有不利影响。实施有效的夹杂物调控策略对于改善... 详细信息

低合金高强钢是船舶与海洋工程领域常用的结构材料,具有高强度、高韧性、低成本的特点。恶劣的服役环境对材料的低温韧性和各向同性提出了更苛刻的要求,而钢中非金属夹杂物对塑性和韧性均有不利影响。实施有效的夹杂物调控策略对于改善低合金高强钢的力学性能具有至关重要的作用。本文以600MPa低合金高强钢为材料,研究了夹杂物对材料力学性能的影响及其调控策略,并研究了不同熔炼方法对夹杂物和力学性能的影响。对不同杂质元素含量的三种成分低合金高强钢中试钢板进行了对比分析。金相和EBSD分析结果表明三种成分的中试钢板具有相同的组织类型、晶粒尺寸和晶粒取向。通过金相分析研究了夹杂物的分布,随机分布的球状夹杂物是三种钢板的共同特征,条状硫化物是主要区别。EDS结果表明夹杂物主要类型为AlO、MnS和含Nb、Ti的氮化物,部分MnS附着在氧化物或氮化物外围形成复合夹杂物。尺寸研究结果表明,夹杂物尺寸较小,AlO平均直径约2μm。硫化物在钢板中存在偏析,分布不均匀,中心位置MnS尺寸和数量远高于边部位置。夹杂物的分布、形态、尺寸对钢板的力学性能和断口形貌有重要影响。AlO由于尺寸较小,形态较好,对力学性能没有明显的影响,MnS是影响低合金高强钢力学性能的主要因素。MnS对拉伸性能的影响体现在局部变形阶段,当拉伸方向与MnS方向垂直时,断面收缩率降低10%以上。MnS方向与冲击方向垂直时,对钢板的冲击性能没有影响;MnS方向与冲击方向平行时,MnS与基体之间的弱界面和间隙将促进裂纹的扩展,在室温下形成长条状韧窝,在低温下会导致解理断裂。MnS的长度是影响材料冲击性能最重要的因素,长宽比和数量是相对次要的因素。在-80℃下,影响低合金高强钢冲击性能的MnS临界尺寸为6μm。热处理温度和时间影响MnS的数量、尺寸和形态。850℃-1050℃固溶1h,MnS夹杂物和复合夹杂物的尖端和棱角明显钝化。1100℃保温0.5h-5h,MnS夹杂物同样发生钝化,同时大尺寸MnS熔断分裂出小尺寸的MnS,小尺寸MnS逐渐球化,总体上大尺寸MnS减少。500℃-700℃时效处理1h对夹杂物没有明显影响,650℃进行1h-10h等温处理,1h-5h夹杂物无明显变化,10h后出现明显长大。研究了横纵轧工艺对MnS特征和力学性能的影响。横纵轧可以改变MnS的形态,使MnS在纵截面和横截面上尺寸趋于一致,减轻钢板冲击性能的各向异性。但横纵轧对大尺寸MnS的数量和尺寸没有明显改善,两个方向上MnS尺寸均较大,导致纵向与横向的低温冲击性能均相对较低。电炉+LF+VD工艺在冶炼精炼过程中引入的钙镁元素改变了氧化物和硫化物的成分和形貌,并细化了其尺寸,使得95%以上的夹杂物在6μm以下。同时,纵截面和横截面的夹杂物尺寸趋于一致,钢板的横向冲击功提高2倍以上。电炉工艺熔炼的低合金高强钢中氮化物数量占比可多达15%,但由于尺寸较小,在-80℃时对冲击性能没有造成影响。

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