高碳高合金钢深冷处理微观结构演化及相变机理研究中文摘要

深冷处理能显著改善材料的力学性能，是近年来为业界广泛认可的材料改性及强化的工艺程序。目前针对材料深冷处理的研究仅停留在宏观性能上的表现，提出的机理也只是对宏观性能变化结果的猜测。由于深冷处理机理尚未澄清，工程上对深冷处理的应用十分有限。本项目拟通过对深冷处理过程中微观结构分析、物性测试和相变驱动力讨论，提出与深冷处理过程相对应的驱动力关系以及符合深冷条件下温度-应力诱导耦合作用下的相变机理和析出机制，建立深冷条件下温度-应力诱导耦合模型，揭示深冷处理过程中的微观结构演化规律及相变机理。同时，借助计算机模拟与仿真技术，建立计算模型，对高碳高合金钢深冷处理工艺进行计算机仿真，掌握各种不同工艺参数和影响因素对深冷处理过程的影响规律，并对深冷处理工艺进行预测和组织性能进行评估，从而优化出深冷处理工艺方案，使工艺更加高效合理，以期对深冷处理的应用和工艺的制定提供理论指导。

深冷处理由于其清洁、高效而辅助应用于高碳高合金钢的热处理过程以增强材料的力学和机械性能，近年来已被业界所广泛认可。但目前得到的深冷处理机制都是材料在室温下宏观表现的反推，存在一定缺陷，严重限制了深冷处理的应用。例如，深冷处理能否促使残留奥氏体完全转变为马氏体；低温下是否有等温马氏体形成；低温下碳原子是否有扩散行为；深冷处理过程中温度场、组织场和应力场的动态演变不能采用传统的实验方法检测。本项目对高碳高合金钢SDC99在-80℃至-196℃温度范围内，进行了不同温度、不同保温时间、不同回火与深冷次序的深冷处理，摸索出最佳深冷处理工艺参数；测试上述深冷处理工艺下的宏观力学性能，包括硬度、冲击韧性、摩擦磨损性能，采用SEM、XRD、TEM、高温/低温实时动态模量与内耗测试系统，结合3DAP研究了深冷处理对残留奥氏体数量、形态、分布的影响，明确了低温下的等温马氏体相变转变时间，建立了宏观性能与微观组织演化的对应关系。力学实验及摩擦磨损实验结果表明：对于SDC99钢而言，最优深冷处理温度为-196℃，最优时间为12小时以上，最佳工艺顺序是先回火再深冷处理。经1030℃淬火 210℃回火2小时 （-196℃深冷24小时） 210℃回火2小时的最优深冷处理工艺处理后，在300N的载荷下摩擦时试样的耐磨性较常规热处理试样提高了43.8%。XRD结果表明，深冷处理可使SDC99马氏体基体的正方度下降，降低马氏体中C的过饱和度，其中淬火后直接深冷处理对于减轻晶格畸变最为有利。小角XRD衍射结果证实-130℃保温时生成等温马氏体。SEM和TEM结果表明，常规热处理后的残留奥氏体呈块状分布在基体中，深冷处理后的残留奥氏体呈薄膜状分布于碳化物周围，深冷处理不能使残留奥氏体完全转变，约有3%的残留奥氏体保留在基体中，这与DEFORM软件所模拟的结果良好吻合。3DAP结果表明，SDC99经1030℃淬火至室温，碳原子大部分均匀分布，仅出现微弱偏聚；经-196℃×8 h深冷处理后，C原子偏聚于新生孪晶马氏体晶界，在由深冷温度恢复到室温过程中，C原子进一步偏聚，形成5~10 nm厚的平行片状偏聚区，但并未以碳化物形式析出；经210℃×2h回火后，深冷处理时偏聚于新生孪晶马氏体晶界的C原子或进一步富集形成厚度约10 nm 的富C相，或与Cr和Mo等合金元素形成M23C6碳化物沉淀析出，该纳米级碳化物

深冷处理指的是将材料置于特定的、可控的低温环境中，使其微观组织结构产生变化，从而达到提高或者改善材料性能的一种热处理技术，是提高材料使用寿命的重要手段。本基金主要采用内耗，3DAP以及HAADF-STEM等方法从原子尺度研究了深冷处理对高碳高合金钢的碳偏聚行为以及回火过程导致的碳化物析出长大机理，探讨深冷处理对高碳高合金钢相变行为的影响。研究结果表明经深冷处理M2 钢硬度提高2.5~3.1HRC，深冷初期硬度随保温时间增加而增加，在深冷5h 时硬度最大(65.9HRC)，而后延长保温时间对硬度无影响。结合纳米划痕研究不同深冷时间对M2 钢摩擦系数的影响，深冷1h M2钢具有最优耐磨性能。结合内耗分析证实深冷处理初期马氏体相变产生新可动位错，使得可动位错密度增加；同时相变过程产生的塑形变形，导致残余奥氏体及马氏体周围存在静水压应力场驱使位错移动，并俘获低温下晶格收缩而从基体中溢出的间隙原子。由于位错移动而俘获的碳原子会在晶界处形成碳原子偏聚，从而成为回火过程中碳化物析出长大的核心。在深冷初期由于发生马氏体相变引起塑形变形，导致位错密度增加，塑性变形产生应力驱使位错移动，并俘获大量碳原子，引起碳原子在位错处的偏聚。基于3DAP与HAADF-STEM研究结果进一步证实经过深冷处理后碳将偏聚于孪晶界面以及位错等缺陷处，并在升温至室温或更高温度下M2C型碳化物析出长大。

深冷处理能显著改善钢中的力学性能，是提高材料使用寿命的重要手段。目前，对于深冷处理的研究仅仅是在宏观表象与性能关系方面，深冷处理过程中可能发生的组织和结构变化尚缺乏系统研究。在前期研究的基础上，对高碳合金钢经深冷处理后的微观组织形态学进行系统研究，建立描述深冷处理高碳合金钢的组织形态和力学性能之间关系模型。揭示等温马氏体、原生马氏体和残余奥氏体的形态、分布等特征对低温碳偏聚及二次碳化物析出的影响，并建立在深冷应力、应变场与温度场耦合作用下二次碳化物形核长大模型。研究成果将对深冷处理理论的澄清、低温条件下相变机理的发展及深冷技术的推广使用均具有重要意义。

采用 CO₂ 连续波工业激光器在高碳高合金钢表面进行了激光熔凝处理试验，比较了激光处理前后高碳高合金钢的抗弯强度和耐磨性，采用电子显微镜观察了断口特征、断口处和磨面处熔凝层的 TEM 形貌，并用 X 射线仪测量了抗弯试验前后激光处理层中奥氏体含量随熔凝层深的变化。