冷处理对低碳马氏体不锈钢组织性能的影响

本文通过对低碳Cr-Co-Ni-Mo高合金不锈钢淬火后进行不同工艺的深冷和回火处理,并利用SEM、TEM、EBSD和XRD等组织表征方法和拉伸性能测试,研究了处理工艺对组织性能的影响.结果表明,相较于单次冷处理,二次冷处理可以促进残余奥氏体向马氏体的转变,晶粒细化,碳化物数量增多且分布更均匀,但二次冷处理时间为2 h时,在随后回火过程中发生奥氏体逆转变,导致残余奥氏体体积分数有所增加.延长二次冷处理时间至4 h,残余奥氏体体积分数大大减小,碳化物数量增加且分布更加均匀,位错密度增加,晶粒进一步细化,显著提高了材料的强度,而且保持了良好的强塑性匹配,其中屈服强度达1573 MPa,抗拉强度达1979 MPa,延伸率为12.7%.

2Cr13马氏体不锈钢扫描激光-电弧复合焊接接头元素分布及组织性能研究

2Cr13马氏体不锈钢力学性能优异、耐蚀性适中且价格低廉,具有较好的利润空间,一直以来是钢铁企业尝试发展的焦点.先前研究表明激光-电弧复合工艺有望通过焊丝材料的合理选择,借助合金化的作用实现2Cr13不锈钢的高质高效焊接,但存在合金元素分布不均的问题.为此,本文在2Cr13马氏体不锈钢激光-电弧复合焊接中引入激光束扫描,依靠其对熔池的强烈搅拌效应调控合金元素分布,改善熔池冶金行为,细化晶粒,从而增强焊缝韧性.本文着重探讨了激光束扫描频率对焊缝中合金元素分布特征、焊缝组织和力学性能的影响规律.结果表明,扫描激光束对熔池的高频搅拌效应加强了熔池对流,驱动Ni元素由电弧作用区域向激光作用区域转移,焊缝中Ni元素分布不均匀程度减弱.在扫描半径0.4 mm情况下优化的扫描频率为20 Hz,此时焊缝中激光作用区域Ni元素含量由不引入激光束扫描时的1.52%提高至2.03%,对应的奥氏体相含量由4.7%增加至10.1%.同时,激光束扫描行为降低了熔池温度梯度,有利于改善焊缝成形,热影响区粗晶区平均晶粒尺寸由4.92μm降为3.95μm,焊缝杯突测试中断裂位置由熔合线转向母材,且杯突值由4.82 mm提升至5.89 mm,提升幅度达22%.相关研究将对以后马氏体不锈钢焊接研究提供一定的理论指导,对扩大马氏体不锈钢的应用领域具有重要的推动作用.

铁素体/马氏体钢在氧饱和LBE中的腐蚀和小样品拉伸行为

铁素体/马氏体(F/M)钢有望作为结构材料应用于铅冷快堆。但是,其与铅铋共晶(LBE)合金的相容性成为必须克服的难题。为研究F/M钢在高温氧饱和LBE中的相容性,采用慢应变速率拉伸试验和腐蚀试验在不同温度的LBE中对HT9钢的拉伸和腐蚀行为进行研究。通过多尺度复合表征技术对拉伸断口和腐蚀后的形貌及微观结构进行观测和标定。结果发现:350℃时HT9钢的断后伸长率为11.6%,表现出对LBE的高度脆化敏感;当温度继续升高到450~550℃时,材料的断裂模式由脆性断裂转变为塑性断裂。350℃时HT9钢表面氧化层由外磁铁矿和内铬铁矿尖晶石双重氧化层构成;550℃时表面氧化层由外磁铁矿、内铬铁矿及富Cr的IOZ三重氧化层构成。在应力集中和塑性变形的影响下,疏松的外磁铁矿不具备有效的保护作用,甚至从基体剥落。

热循环条件下SLM-TC4钛合金α′马氏体的快速分解

马氏体是选区激光熔化TC4的常见物相,其分解过程调控对优化成形件性能尤为重要。采用激光扫描SLM-TC4全α′马氏体试样,对沉积态试样施加不同热循环,结合数值模拟分析不同热循环条件下的α′马氏体相变序列,明确了α′→β_(高温)→(α+β)与α′→(α+β)两种转变路径及其组织特征,前者的α相不再具有α′的层级结构,而表现为魏氏集束与网篮组织的混合形态,后者的α相继承了马氏体的晶体取向和层级结构。在第二种转变路径条件下,当热循环温度逼近β转变温度且峰谷温差值较大时,α′马氏体可以在较短时间内依赖孪晶界完成分解,进而形成细小的球化α相,有助于选区激光熔化TC4合金的性能提升。

TiAl合金与45Cr9Si3马氏体钢异种材料电阻焊接头界面结构研究

TiAl合金和45Cr9Si3马氏体钢在发动机气门阀结构中具有潜在应用价值,但二者物理、化学性能差异较大,焊接存在较大的挑战。研究发现,采用电阻焊能够实现TiAl合金和45Cr9Si3马氏体钢的良好焊接,焊接接头中不存在明显的裂纹、气孔等缺陷。在TiAl合金与45Cr9Si3马氏体钢的焊接界面存在厚度为5μm左右的扩散反应层,该扩散反应层主要是45Cr9Si3马氏体钢中的Fe元素向TiAl合金一侧扩散形成的。在焊缝处存在局部液化区,主要是焊接初期焊接界面的不均匀接触导致接触尖点位置瞬间通过大电流而发生液化所引起的。

微合金化低碳马氏体钢的显微组织及力学性能

制备了钛、铌和钼等元素掺杂的微合金化低碳马氏体钢,并对其进行热轧+880℃淬火+不同温度(170,190,210,230,250℃)回火处理,研究了不同热处理态试验钢的显微组织、拉伸性能和冲击性能,以190℃回火态钢为例分析了强韧化机制。结果表明:热轧态试验钢由铁素体和贝氏体组成,淬火态试验钢由铁素体和马氏体组成,不同温度回火态试验钢均由回火马氏体和少量铁素体组成,回火态试验钢的铁素体面积分数在15%~20%,低于热轧态和淬火态;淬火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度最高;随着回火温度升高,回火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度下降,断后伸长率、屈服强度和冲击吸收功均先增大后减小;190℃回火态试验钢的断后伸长率和冲击吸收功最高,拉伸断口和冲击断口处纤维区中韧窝占比最高,抗拉强度、布氏硬度和屈服强度适中,综合力学性能最好;190℃回火态试验钢中析出的纳米级小尺寸(Ti,Nb,Mo,Cr)C相起到沉淀强化作用,纳米级大尺寸(Ti,Nb,Mo,Cr)C相起细晶强化作用,大角度晶界占比较高,提高了裂纹扩展功,因此试验钢强度和韧性提高。

循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金马氏体相变超弹性的影响

采用拉拔变形及低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的Ti_(50)Ni_(48)Fe_(2)(原子分数)记忆合金丝材,通过拉伸实验机研究了拉伸应变为6%及20次循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金应力诱发马氏体相变超弹性的影响。结果表明:当循环变形次数由1次增加至20次,纳米晶TiNiFe合金马氏体相变的超弹应力由871 MPa减小至723 MPa,残余应变由0.53%增加至0.73%。本文中的纳米晶TiNiFe合金在循环变形后呈现出高超弹应力和小残余应变,明显优于已经报道的TiNi记忆合金。这主要是由于纳米晶TiNiFe合金中高密度晶界产生的细晶强化和Fe元素产生的固溶强化,由此抑制了合金中位错的产生从而提高了马氏体相变的超弹稳定性。

预应变对S30408不锈钢力学性能和马氏体相变的影响

为了探究不同预应变量下S30408不锈钢力学性能的变化规律,课题组在室温下对S30408不锈钢开展不同预应变量下的单轴拉伸试验,分析了预应变对其力学性能及马氏体相变的影响规律,在此基础上建立了考虑预应变影响的修正Ludwigson模型,并结合基于Johnson-Cook的脆化模型合理预测预应变后材料力学性能。结果表明:随着预应变量的增加,S30408不锈钢的屈服强度明显增加,抗拉强度缓慢增加,断后延伸率降低;利用金相和X射线衍射试验获取不同预应变量下微观组织和析出相成分,发现在预应变量大于9%后,S30408不锈钢开始逐渐出现形变诱导的马氏体相变。课题组的研究实现了不同预应变量下的S30408不锈钢应力-应变关系的合理评价。

奥氏体不锈钢马氏体含量的杂散磁场检测与涡流检测

为了比较杂散磁场和涡流检测技术对奥氏体不锈钢马氏体含量的检测能力,制备了铁素体含量系列标准试块、马氏体含量系列试样和管道弯头工件,并开展了两种检测技术对不同马氏体含量的信号响应试验、磁各向异性试验、同种材料不同马氏体含量检测试验和现场管道弯头的检测试验。试验结果表明,受工件的磁各向异性和环境磁场等因素影响,杂散磁场检测技术检测结果与马氏体含量的对应关系差;但这些因素对涡流检测技术的影响较小,因此,对于奥氏体不锈钢马氏体含量的现场检测,涡流检测技术要优于杂散磁场检测技术。

125ksi超级马氏体油管成分-组织-性能-工艺综合控制技术

125ksi钢级15Cr超级马氏体不锈钢具有优良的高强度、高韧性匹配与耐CO_(2)腐蚀性能,是深度>7000 m深井油井管的候选材料。从成分设计、生产工艺、组织调控等方面,论述了15Cr超级马氏体不锈钢油管的高强高韧综合控制技术。成分控制方面,采用无δ铁素体成分设计,w[Cr]取15%,w[Ni]取6.5%~7%,w[C]取0.01%~0.03%,w[Cu]取1.25%~1.5%,Cr、Ni元素合理匹配是降低δ铁素体含量的主要因素,C、Cu含量的合理匹配是获得高强高韧力学性能的关键因素。冶炼工艺方面,研究了电弧炉钢杂质元素的影响,结果表明,V、N、Al杂质元素会增加15Cr钢的硬度,将回火温度提高至550~575℃,能够降低硬度保证韧性。热加工成型方面,通过热变形试验,获得了15Cr钢的动态再结晶规律,制定了无缝管热穿孔成型变形温度1100~1150℃,能够获得细小的再结晶晶粒。组织性能调控方面,通过热处理工艺研究,确定了正火温度采用950~980℃,即能保证晶粒尺寸不明显长大,又能获得高强度与高韧性的匹配。

装甲钢低相变点马氏体焊缝金属韧性劣化及其控制

综述了装甲钢低相变点马氏体焊缝金属韧性劣化及其控制。结果表明,低相变点马氏体焊缝金属常温冲击韧性低于母材的韧性劣化或韧性不稳定现象,与不同焊接方法所形成的马氏体焊缝显微组织及其含氧量的差异密切相关。降低焊缝马氏体相变温度的相关化学元素和成分含量在一定程度上有利于改善焊缝韧性,但焊缝化学成分并不是影响焊缝韧性的唯一因素。GTAW试样比GMAW试样焊缝冲击韧性高,焊缝中的含氧量是焊缝冲击韧性提高的内在因素。以形成低相变点马氏体组织为目标焊缝化学成分的控制和以焊缝中氧含量极低焊接方法的选用原则,是控制装甲钢焊缝韧性的有效途径。

TiC粒子尺寸对增强马氏体耐磨钢磨损性能的影响

采用不同凝固速率获得相同成分的铸坯,按不同压缩比将铸坯热轧,经过热处理后,获得成分相同、硬度在450HV左右、TiC粒子尺寸在1.88~3.20μm之间的TiC粒子增强马氏体耐磨钢。对比研究TiC粒子增强马氏体耐磨钢在不同载荷往复滑动磨损条件下的磨损行为,结果表明:随着磨损载荷的增加,最佳耐磨性TiC粒子尺寸从1.88μm增加至2.60μm,其磨损机理为磨料磨损、氧化磨损和分层剥落。

耐老化马氏体时效不锈钢纳米析出相和逆变奥氏体调控研究进展

马氏体时效不锈钢通过中温时效可析出高数密度超细纳米级析出相,使其获得高强度和一定的韧性。但是,当马氏体时效不锈钢在中低温下长期服役时,由于富Cu相、NiAl相等析出强化相的粗化及Fe-Cr基体调幅分解形成脆性富Cr相等,其延展性和冲击性能大幅降低,出现明显的热老化脆化问题,给服役安全性带来隐患。通过适当降低铬含量和析出元素含量、提高镍含量可有效抑制析出强化相的粗化及脆性相的析出。若进一步通过成分设计和热处理调控获得适量的逆变奥氏体,可望有效改善其热老化脆化问题。本文介绍了马氏体时效不锈钢的成分设计原则、析出相特点及其热稳定性对热老化脆化的影响,综述了有利于提高组织热老化稳定性的马氏体时效不锈钢中纳米析出强化相和逆变奥氏体的调控方法,为新型耐老化马氏体时效不锈钢的成分设计和制备提供参考。

3 GPa超高强度马氏体时效钢组织性能

航空航天系统的小型化、轻量化发展趋势对动力轴材料的强塑性提出了更高的要求。为了开发3 GPa级的马氏体时效钢,设计一种高Co、Ni、Mo的马氏体时效钢,其成分为14Ni-15Co-9Mo-0.86Ti-0.35Al-Fe。通过锻比大于10的高温大塑性变形尽可能细化晶粒,并结合预拉伸变形及深冷+时效的热处理工艺调控,实验钢抗拉强度达到3.076 GPa,断后伸长率5.5%,表现出了优异的强塑性。通过对其显微组织进行分析表征,发现其基体组织为高位错密度的板条马氏体结构,平均晶粒尺寸为0.47μm。透射电镜及3DAP结果表明,基体中分布着大量的Ni3(Mo,Ti),析出相平均直径为6~7 nm。析出强化、细晶强化及位错强化是其主要的强化机制,保证了合金超过3 GPa的超高强度,同时极细的亚微米级晶粒保证了材料良好的塑性。

中碳和高碳钢中束状马氏体的形成机理

用光学显微镜和扫描电镜观测了 12种中碳和高碳钢淬火组织形态 ,证明了中碳和高碳钢在高温淬火后形成的束状组织不是板条马氏体 ,而是片状马氏体。从晶体学角度探讨了片状马氏体相互平行、呈束状生成的原因。通过改变奥氏体的均匀切变方向和马氏体片晶所平行的奥氏体方向 (即双改变 ) ,来实现邻接马氏体片之间保持孪晶关系 ,以降低形核功和核长大功。马氏体相变的孪晶界面束状机制是细片马氏体相变的普遍方式 ,即在同一惯习面上 ,通过在已形成晶核的旁边生成具有孪晶关系的新晶核 ,以降低界面能和应变能 ,导致形成束状薄片马氏体。

马氏体类型及其形成原因的探讨

采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜观测了9种钢的马氏体形貌。详细地论述了铁合金中,双色束状马氏体(低碳马氏体)、单色束状马氏体(中和高碳马氏体)、蝶状马氏体、透镜状马氏体、粗大薄片马氏体、枝干状马氏体等马氏体类型的形成原因。提出形核和生长激活能是决定马氏体各种形态出现的根源,其中界面能在形核激活能中所占的比例对低碳马氏体和枝干状马氏体的生成起着决定性的作用。认为共格相变产物的最小单元只可能是两种形态:板状和片状。各类马氏体的形核长大的方式也只有两种:1)小角差形核长大;2)孪晶关系形核长大。马氏体形核和长大的基本原则是增大同惯习面平行的界面,尽量减少其它界面。讨论了决定形核激活能和生长激活能的主要因素,对马氏体片状外形和内孪晶的形成提出了新见解;片状马氏体中具有内孪晶并不意味着滑移的临界分切应力超过了孪生临界分切应力;在马氏体中没有进行不均匀切变,产生孪生塑性形变。最后,认为:"马氏体切变理论"不符合马氏体相变的实际;将马氏体的片状外形和内孪晶视为马氏体高脆性的根源纯粹是"马氏体切变说"造成的人为偏见。

Fe-Mn-Si形状记忆合金应力诱发马氏体相变的X射线分析

采用X射线衍射法对Fe 17Mn 5Si 10Cr 5Ni和Fe 17Mn 5Si 2Cr 2Ni 1V合金的应力诱发马氏体相变进行了定量的分析。研究结果表明 ,Fe 17Mn 5Si 10Cr 4Ni合金试样在室温下拉伸 ,当变形量约为6 %时 ,应力诱发ε马氏体的体积分数达最大值约 6 4 % ;在预变形量超过 5 %时 ,α′马氏体即开始出现且增加迅速 ;揭示在大变形下 ,Fe Mn Si合金中发生了应力诱发γ→ε→α′马氏体相变。Fe 17Mn 5Si 2Cr 2Ni 1V合金试样在室温拉伸时应力诱发ε马氏体量较Fe 17Mn 5Si 10Cr 4Ni合金更多 ,即使在预变形量超过 10 %时 ,也不出现α′马氏体。预变形温度降低 ,可促进应力诱发马氏体相变。

铁基形状记忆合金马氏体相变研究进展

铁基形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性取决于合金的马氏体相变特征,掌握铁基合金的马氏体相变规律是开发和优化铁基形状记忆合金的前提。根据马氏体相变类型将目前发现的铁基形状记忆合金分成3类:Fe-Mn-Si系,Fe-Ni-Co系和Fe-Pt/Fe-Pd系,分别阐述了3类铁基形状记忆合金马氏体相变的研究进展,总结了铁基合金形状记忆效应的不同机理和影响马氏体相变特征的各种因素,探讨了开发新型铁基形状记忆合金的需要关注的方向。

蝶状马氏体的形貌和本质

制备了3种高碳合金钢,研究蝶状马氏体的多种形态;采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜进行组织分析,探讨了蝶状马氏体的形貌和本质。发现单个片状马氏体形成方式有两种:普通核和伴生核。惯习面为{111}r、{225}r和{259}r的粗片状马氏体都是按照其中一种形核方式进行相变的。蝶状马氏体是通过"伴生核"相变形成,因此它是片状马氏体的一种形态,本质属于片状马氏体。"伴生核"相变所需的形核功和核长大功比"普通核"相变的低,所以,当粗大马氏体片停止形成后,可以通过在它的一侧长出分支,或者发生"伴生核"相变,形成蝶状马氏体,而继续进行转变。蝶状马氏体两个叶片之间的夹角只有30°、45°、60°、90°和135°共5种,没有孪晶角(70°32')。

TiNi形状记忆合金在定应变约束下的马氏体相变

通过ＤＳＣ及回复应变的测量，研究了定应变约束态加热－冷却过程对预应变ＴｉＮｉ形状记忆合金相变行为的影响．结果表明，在约束态相变中，逆相变温度区间拓宽；取向马氏体除向母相转变外，应变还要进一步增大；在正相变过程中，从母相生成的马氏体也具有变形结构．约束态不完全相变后，样品中存在两种马氏体：再变形马氏体和继承变形马氏体．在随后的无约束逆相变过程中，前者的相变温度高于后者，并且输出两段回复应变．