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Fe-15Mn-22Cr-0.9N奥氏体不锈钢的预变形组织对氮化物析出与力学性能的影响

Fe-15Mn-22Cr-0.9N奥氏体不锈钢的预变形组织对氮化物析出与力学...

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作者：吴宝亮南京理工大学

学位级别：硕士

高氮奥氏体不锈钢具有优异的延展性、耐蚀性和无磁性等特点,广泛应用于石油化工、医疗器械等工业领域。但因其具有过饱和氮含量,在热机械处理过程中易于析出大量氮化物并引起严重脆性问题。因此,对高氮奥氏体不锈钢的性能提升需要深入... 详细信息

高氮奥氏体不锈钢具有优异的延展性、耐蚀性和无磁性等特点,广泛应用于石油化工、医疗器械等工业领域。但因其具有过饱和氮含量,在热机械处理过程中易于析出大量氮化物并引起严重脆性问题。因此,对高氮奥氏体不锈钢的性能提升需要深入研究氮化物析出机制与调控方法,为设计与制备具有优异强塑性的高氮奥氏体不锈钢提供理论指导。目前文献中关于氮化物析出的研究主要集中在等温时效对固溶态组织演变的影响,而对变形组织中氮化物析出机制和位错组态对氮化物析出影响的研究尚较为少见。本文对固溶态Fe-15Mn-22Cr-0.9N奥氏体不锈钢分别在室温和600℃下轧制,得到不同轧制量的冷轧和温轧板材,然后对轧制组织进行时效处理。使用多功能力学试验机对样品进行力学性能测试,结合电子扫描显微分析、电子背散射技术(EBSD)和透射电子显微分析等系统研究轧制温度对变形组织的影响和变形结构特征对氮化物析出的影响,探索耦合形变与相变制备高强塑性高氮奥氏体不锈钢的技术路径。本论文取得的主要研究结果如下:(1)固溶态高氮钢的屈服强度为440 MPa,抗拉强度为1430 MPa,均匀延伸率为0.42。其具较高热稳定性,在600℃时效5小时未发生析出相变。轧制变形可以显著提高实验钢的屈服强度,冷轧量为20%、40%、60%、75%样品的抗拉强度分别为1252 MPa、1579 MPa、1803 MPa、1875 MPa;温轧量为28%、40%、60%、70%样品的抗拉强度分别为1393 MPa、1462 MPa、1565 MPa、1670 MPa。(2)变形温度对组织结构演变有重要影响。对比冷轧和温轧样品的EBSD分析结果发现,冷轧样品的孪晶界数量远高于温轧样品,同时具有更高的位错密度。透射电子显微分析结果显示前者存在大量的变形纳米孪晶,且在孪晶片层内存在大量位错;后者孪晶较少且孪晶间距更大,有大量位错胞结构形成。(3)变形组织特征对后续退火时的氮化物析出有重要影响。冷轧样品退火处理后氮化物析出量远大于温轧组织,且以孪晶片层中析出为主;而在温轧组织中则以晶界析出为主。透射电子显微分析结果表明析出物富集铬元素且为具有面心立方结构的MC,其中C原子被N原子部分替换形成了M(C,N)化合物。(4)冷轧-退火样品在拉伸实验中发生脆性断裂。冷轧样品经退火处理后断裂应变和断裂应力急剧下降。脆性断裂与晶界和孪晶界处的M(C,N)析出密切相关。由于该样品有大量析出相,微观裂纹容易在M(C,N)处形核并发生失稳扩展,导致材料发生脆性断裂。(5)温轧-退火样品的拉伸塑性远高于冷轧-退火样品,其均匀延伸率由初始的0.03提高到至0.13-0.16之间,但断裂应变和断裂应力均有所降低。其断裂方式具有分层特征,即裂纹沿着晶界沿拉伸方向扩展而形成显著分层,而断口在宏观和微观上均有韧性断裂的特征。因此,温轧+退火处理是提高高氮奥氏体不锈钢力学性能的有效工艺路径。

关键词：高氮奥氏体不锈钢塑性变形位错孪晶氮化物析出力学性能

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钢凝固晶间氮化析出及流场枝晶演化模拟研究

钢凝固晶间氮化析出及流场枝晶演化模拟研究

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作者：崔磊东北大学

学位级别：硕士

微观组织的形成受温度和溶质传输、相变热力学及动力学、界面曲率以及形核等因素的综合影响。氮化物(MN)析出能够细化晶粒和提高钢韧性、强度的作用,而钢液中受外力作用影响形成的强制对流对枝晶生长以及传质、传热过程具有重要意义。... 详细信息

微观组织的形成受温度和溶质传输、相变热力学及动力学、界面曲率以及形核等因素的综合影响。氮化物(MN)析出能够细化晶粒和提高钢韧性、强度的作用,而钢液中受外力作用影响形成的强制对流对枝晶生长以及传质、传热过程具有重要意义。随着计算机技术发展,数值模拟成为研究合金微观组织演化的重要方法之一。基于金属凝固和元胞自动机(CA)原理、AlN析出热力学和动力学,通过耦合描述Fe-C-M-N合金枝晶生长的大尺寸网格和基于瞬态化学平衡描述AlN析出的小尺寸网格,建立了晶间AlN析出的CA耦合模型。在计算域中心设置一个形核点,利用CA模型模拟Fe-C-Al-N合金的枝晶生长,并将计算结果与Lipton-Glicksman-Kurz(LGK)解进行对比,验证模拟基体枝晶生长的正确性。利用CA耦合模型模拟了 Fe-C-Al-N、Fe-C-Cr-N、Fe-C-V-N合金凝固过程中AlN、CrN和VN析出,并将模拟所得析出粒子的形貌与尺寸和同溶质浓度下的析出实验进行对比,发现结果吻合良好,验证本模型模拟MN析出的正确性。又基于格子Boltzmann方法(LBM),耦合同网格尺寸的CA模型,建立描述Fe-C-Al-N合金在强制对流条件下枝晶生长的CA-LBM模型,发现枝晶对称结构被破坏,迎流侧枝晶臂长度是背流侧的6.46倍,垂直侧的1.88倍;并将模拟结果与线性可解理论对比,验证CA-LBM模型的合理性。利用CA耦合模型模拟了 Fe-C-Al-N合金在不同润湿角下的AlN析出,发现AlN析出量随润湿角的增大而减小;同时等轴晶的存在会破坏基体柱状晶生长及其周围溶质场分布,其析出固相率由0.7052推迟到0.7325,而AlN析出量减小18.7%。采用CA-LBM模型模拟不同流速下的枝晶生长发现,当流速为0.02～0.10 m·s-1时,迎流侧、垂直侧枝晶臂臂长呈增大趋势而背流侧呈减小趋势,而在0.10～0.20 m·s-1时,枝晶臂臂长随流速变化不大,但随流速的增加,迎流侧枝晶臂粗化明显,枝晶颈缩现象有所减轻。因此,借助本文所建立的模型来模拟MN析出和枝晶生长,有助于准确认识其形成机理和主导因素,对钢凝固组织及性能优化具有重要意义。

关键词：元胞自动机格子Boltzmann方法氮化物析出枝晶生长强制对流

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粉末冶金高氮奥氏体不锈钢的制备及性能研究

粉末冶金高氮奥氏体不锈钢的制备及性能研究

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作者：余伟丽中南大学

学位级别：硕士

作为一种综合性能优异的材料,高氮奥氏体不锈钢应用在航空航天、石油开采、医用植入等诸多领域。如何获得兼具高相对密度和高氮含量的不锈钢,是目前粉末冶金法制备高氮不锈钢亟待解决的问题。本研究采用粉末冶金烧结渗氮方法制备高氮不... 详细信息

作为一种综合性能优异的材料,高氮奥氏体不锈钢应用在航空航天、石油开采、医用植入等诸多领域。如何获得兼具高相对密度和高氮含量的不锈钢,是目前粉末冶金法制备高氮不锈钢亟待解决的问题。本研究采用粉末冶金烧结渗氮方法制备高氮不锈钢,通过调整真空保温时间获得不同氮含量的不锈钢,并对其进行固溶处理,研究工艺参数对不锈钢氮含量、相对密度和显微组织的影响,分析氮化物的析出行为,研究固溶处理对高氮不锈钢力学性能的影响,研究氮含量对固溶态不锈钢耐腐蚀性能的影响。主要结论如下:(1)提高渗氮压强,能增加不锈钢的氮含量,但使其相对密度降低;提高烧结温度或延长烧结时间,能使不锈钢相对密度增加,但降低含氮量。综合来看,较优的工艺路线为600℃时以20 k Pa低压渗氮,升温至1280℃时增大氮气压强为80 k Pa进行高压渗氮,保温2 h,直至烧结结束。采用此工艺可制备出氮含量为1.41 wt.%、相对密度为97.94%的高氮不锈钢。炉冷后,基体晶粒为奥氏体相,Cr N和CrN相呈胞状组织,优先在晶界、晶界交汇处析出,随后成条束状向晶粒内长大,直至贯穿整个晶粒。(2)烧结态不锈钢的氮含量从1.15 wt.%增加至1.41 wt.%时,其抗拉强度从813 MPa增加至951 MPa,延伸率无明显变化规律。经1200℃、2 h固溶处理后,组织主要为具有大量退火孪晶的奥氏体相,CrN的析出量较少,抗拉强度从936 MPa增加至1123 MPa,延伸率从4.3%增加至53.1%后降至35.9%,硬度从293 HV增加至385 HV,即氮的固溶强化作用能显著增加不锈钢的强度。(3)固溶态不锈钢的氮含量从1.11 wt.%增加至1.37 wt.%时,在Cl溶液浸泡腐蚀中,其加权平均腐蚀速率由9.02×10 g/(mm·d)减小为3.97×10 g/(mm·d),对应自腐蚀电流密度由6.88×10 A/cm降低为3.14×10 A/cm。在PBS缓释液浸泡腐蚀中,其加权平均腐蚀速率由3.05×10 g/(mm·d)减小为2.35×10 g/(mm·d),对应自腐蚀电流密度由3.88×10 A/cm降低为2.26×10 A/cm。综合表明不锈钢中氮含量增加,其耐腐蚀性能变好。图51幅,表18个,参考文献152篇

关键词：奥氏体不锈钢高氮粉末冶金氮化物析出力学性能腐蚀性能

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