无碳化物贝氏体高碳钢滚动接触疲劳失效分析

对无碳化物贝氏体高碳钢开展滚动接触疲劳试验,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、三维轮廓仪、显微硬度计和纳米压痕等分析方法,对比分析低应力和高应力水平下的失效行为,研究其失效机制.结果表明,无碳化物贝氏体高碳钢在1.8 GPa低接触应力下有更优异的滚动接触疲劳性能,其失效形式为表面剥落;在2.6 GPa高接触应力水平下,表面出现严重的塑性变形,表面粗糙度增加导致最大剪切应力增加,位置逐渐靠近表面.在2.6 GPa接触应力下塑性变形层形成梯度结构,但是在1.8 GPa接触应力下并未发现梯度结构,在塑性变形层发现大量的孔洞.

高碳钢下贝氏体碳化物析出机制研究

本文采用透射电镜研究了高碳高铬钢下贝氏体碳化物的析出位置和来源,表明碳化物析出自α/γ界面的奥氏体一侧。首次发现碳化物可析出于贝氏体铁素体基元宽面上的台阶处,这说明该碳化物的析出是铁素体基元台阶生长的结果。在贝氏体铁素体基元之间所夹的奥氏体薄层内,也可析出碳化物,这构成了经典下贝氏体碳化物的特殊排列方式,即与贝氏体长轴相交约60°角,本文认为这也是贝氏体铁素体基元台阶推进的结果。

铝元素抑制超高碳钢中网状碳化物析出机理

借助相图计算、能谱分析及组织观察研究了铝元素对超高碳钢中网状碳化物析出过程的影响,含碳1.5wt%的超高碳钢添加不同含量的铝后显著影响网状碳化物的析出:随铝含量增加,奥氏体晶粒尺寸愈小、晶界愈多,导致网状碳化物减薄;未溶碳化物愈多、奥氏体固溶碳含量愈少,导致网状碳化物析出量减少;晶界聚集铝量增加,聚集的铝抑制碳化物的形核及长大。当铝含量接近2.0wt%时,网状碳化物出现断续,甚至有的晶界没有碳化物析出,在球化过程中,该网状碳化物很容易球化。

铝对超高碳钢共析转变及先共析碳化物析出行为的影响

对不同铝含量超高碳钢进行了相平衡热力学计算、热处理工艺试验以及扫描电镜的微观组织观察,研究了铝对超高碳钢平衡共析转变、先共析碳化物的数量和析出行为的影响。结果表明,对超高碳钢进行铝合金化后,平衡共析转变扩展为一个温度区间(A1b^A1e),共析转变的温度下限、上限和共析转变的温度范围均随铝含量的提高而增大;铝合金化使得平衡状态下的先共析碳化物数量减少,从而抑制网状先共析碳化物形成。碳含量低于1.6wt%,添加2wt%以上的铝,可以抑制超高碳钢先共析网状碳化物的形成。在同样的冷却条件下,添加铝使超高碳钢共析体片层间距细化。

铝合金化对超高碳钢先共析碳化物析出行为的影响

通过对不同铝含量超高碳钢的相平衡热力学计算、热处理工艺试验以及扫描电镜的微观组织观察,研究了铝合金化对超高碳钢先共析碳化物的数量和析出行为的影响。结果表明,对碳含量为 1.6%的超高碳钢,添加 2%以上的铝,可以显著抑制先共析网状碳化物的析出。铝的添加,导致平衡状态下的先共析碳化物数量减少,尤其在 2%Al附近,更为显著,是铝合金化抑制超高碳钢网状碳化物的主要原因。

Fe-1.5C-1.5Cr-1.5Al超高碳钢碳化物的球化和力学性能

对Fe-1.5C-1.5Cr-1.5Al超高碳钢碳化物的球化工艺及力学性能进行了研究。扫描电镜观察表明,加入铝,可抑制锻后空冷条件下先共析网状碳化物的析出;利用铝合金化作用和成分不均匀化奥氏体加热控制,提出了2种无形变球化处理工艺:①离异共析等温球化;②预冷淬火+高温回火。2种球化处理工艺均能获得良好的球化组织和良好的综合力学性能:Rm≥1 000 MPa,Re≥700 MPa,A10=10%-14%。拉伸断口具有明显的缩颈,断口形貌呈具有典型的韧窝特征。

超高碳钢中束状贝氏体的形成模式

对Fe-44%C超高碳钢奥氏体化后分别进行直接淬火、中温(150,175,200,225,250℃)等温淬火不同时间及退火处理,主要研究了中温等温淬火后的显微组织以及中温等温时贝氏体束的形成模式。结果表明:试验钢在低于200℃的中温等温时形成了独立分散的棒状贝氏体,高于200℃时形成了贝氏体束,其由新生贝氏体棒在已生成的贝氏体棒侧部平行长成演变而来;贝氏体棒中的碳固溶度高于珠光体铁素体中的,且随着中温等温温度的降低,贝氏体棒中的碳固溶度增大。

稀土对高碳钢焊缝中碳化物的变质作用

研究了Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ强化的高碳焊缝中轻稀土（Ｌａ、Ｃｅ）对碳化物的变质作用。结果表明，稀土强烈影响碳化物的数量、形态和分布。具有高能表面的稀土化合物质点，在焊接冶金过程中领先析出于过热液相内，充当了包裹式碳化物颗粒的非自发晶核核心。稀土化合物核心的存在，形成了同核心的多维析出机制。

高碳钢中的稀土碳化物

通过电解分高、Ｘ射线衍射以及气相色谱分析，研究了稀土在高碳钢中的存在形态。结果表明：高碳钢中存在稀土碳化物。

超级贝氏体对1.37wt.%C超高碳钢强度和韧性的影响

研究1.37%C(质量分数)超高碳钢(UHCS-1.37C)经990℃奥氏体化,270℃和310℃等温淬火不同时间后空冷的组织和力学性能。组织研究表明,UHCS-1.37C经等温淬火热处理后获得了由纳米级贝氏体铁素体+薄膜状残余奥氏体组成的超级贝氏体组织。在同一等温温度下,随着等温时间的延长,超级贝氏体的数量不断增加,马氏体数量减少;在相同的等温时间内,等温温度越高,生成的超级贝氏体数量越多。力学测试结果表明,UHCS-1.37C在310℃等温8 h后获得了最佳的强韧性配合,其抗拉强度为1 622 MPa,断后伸长率为5.5%,冲击吸收能量为12.7 J。UHCS-1.37C等温组织优异的力学性能归因于超级贝氏体组织。

含铝超高碳钢等温球化工艺的研究

在对超高碳钢进行铝合金化的基础上,利用成分不均匀奥氏体化加热控制,提出了锻态超高碳钢(UHCs-1 6Al)有效的无形变球化工艺,并利用扫描电镜对先共析碳化物的析出及球化进行了观察,分析了碳化物的球化机理.结果表明,通过对UHCs-1 6Al成分不均匀奥氏体化加热,使先共析碳化物在随后冷却时以粒状形式在基体上弥散析出,利用等温过程使其球化长大,并使奥氏体继续冷却时发生离异共析转变,从而获得球化组织;碳化物颗粒的尺寸可以通过等温温度和等温时间控制;当奥氏体化进行充分时,先共析碳化物析出的孕育期延长,部分碳化物在随后共析转变中以片状形式形成;UHCs-1 6Al最佳球化工艺的奥氏体化透烧温度和等温温度分别为850～870℃和780～800℃.

超高碳钢的球化工艺及性能研究

根据碳浓度不均匀奥氏体的离异共析转变机制,对1.6%C(质量分数,下同)锻造超高碳钢进行不同工艺的球化处理,并对具有不同球化组织的试样进行性能试验。观察分析表明,锻造后组织形态为片状珠光体及其域界分布球状碳化物;经球化工艺处理后得到铁素体基体上弥散分布碳化物的组织,且原珠光体域界上碳化物尺寸比珠光体域内的大;拉伸试验表明,1.6%C超高碳钢经球化处理后塑性明显改善,具有良好的综合力学性能。碳化物的分布、颗粒大小、间距等因素对1.6%C超高碳钢的强度有重要影响。

高碳钢中稀土元素与碳相互作用的研究

高碳钢中溶解有一定量的稀土。固溶稀土不仅在晶界偏聚，也存在于晶内。它存在于铁素体中，但更多地存在于渗碳体中。稀土使碳化物球化、细化并均匀分布。稀土还使珠光体形貌退化。俄歇能谱分析表明，固溶于渗碳体中的稀土，改变了渗碳体的组成和结构。在较高稀土和碳含量下，能生成稀土碳化物。

超高碳钢中枣核状马氏体形态及亚结构

超高碳(1.58%C)钢中的马氏体相变产物除了板条马氏体、片状马氏体外,还发现枣核状马氏体.HRTEM观察表明,枣核状马氏体的亚结构是高密度位错.位错密度高达10^(130/cm^2,未观察到孪晶.基于盘片状马氏体的理论分析表明,应变能与马氏体片的临界厚度(2t_0^*)无关,而与其临界直径(2r_0~*)有关;临界形核功(相变能垒)△G~*与马氏体晶核临界厚径比t_0~*/r_0~*的二次方成反比.t_0~*/r_0~*<1时,马氏体核呈圆片状;t_0~*/r_0~*>1时,晶核呈枣核状;当t_0~*/r_0~*(?)1时,晶核呈棒状.

1.4%C超高碳钢显微组织与疲劳性能的研究

对 1.4 %C超高碳钢试样热处理后的疲劳极限与断裂韧性进行测定 ,观察了显微组织与试样断口。结果表明 ,经 95 0℃淬火 70 0℃回火热处理后 ,又经 86 0℃正火处理 ,试验用钢的组织结构超细化且碳化物弥散均匀分布 ,获得良好的综合强度与韧性及较高的疲劳极限 ,断裂强度较 4 0CrNiMo调质态提高 4 8% ,屈服强度提高 15 % ,延性指标相当 ,是一种优良的结构钢材料。

等温淬火对超高碳钢组织和性能的影响

对不同等温淬火工艺下超高碳钢贝氏体组织形态及力学性能进行了研究。结果表明,较低的等温温度(250℃)下,贝氏体转变孕育期较长(30min),转变速度慢,但贝氏体可转变彻底。等温温度升高到300～350℃,孕育期显著缩短到10～5min,贝氏体不完全转变显著,等温时间延长,未转变奥氏体发生非整形铁素体和渗碳体分解。在贝氏体转变量较少时,随后采取空冷,与水冷相比,贝氏体转变较多。经250℃×90min等温淬火处理,获得下贝氏体组织及残留碳化物。

球化工艺对热轧超高碳钢组织性能的影响

利用离异共析原理,采用不同的热处理工艺球化热轧超高碳钢。组织观察表明:热轧预处理消除了铸态下晶界网状粗大碳化物,并获得颗粒状碳化物与片状珠光体的混合组织。球化热处理时,奥氏体化温度升高、保温时间延长,碳化物颗粒的间距增大,减缓冷却速率增加碳化物的析出。对球化后超高碳钢进行拉伸力学性能试验,850℃球化后的强度很高(σ0.2=688.71MPa,σb=1005.78MPa),屈强比和伸长率分别为0.69、16.7%。拉伸后的断口形貌分析表明,超高碳钢拉伸过程中裂纹易在大颗粒碳化物处萌生、扩展。

1.41%C超高碳钢淬火高温回火球化组织的研究

采用淬火+高温回火热处理对碳的质量分数为1.41%超高碳钢进行球化处理,研究碳化物超细化的机理,确定最佳的球化工艺参数。结果表明:在850～1100℃范围内淬火时,随着温度的上升,碳化物不断溶入奥氏体,使粗大碳化物颗粒变小,回火后不仅从针状马氏体中析出均匀细小的碳化物,同时在残余奥氏体中也析出大量均匀细小的碳化物,碳化物数量增加。钢中含有抑制碳化物长大的Al和Cr元素,在550～750℃高温回火时,温度越高球化效果越好,即使在1100℃淬火+750℃回火后碳化物颗粒尺寸仍然保持在0.1～0.3μm。

铝合金化超高碳钢的球化工艺研究

在超高碳钢 (UHCS)中添加铝 ,利用成分不均匀奥氏体的加热控制 ,可以实现奥氏体在冷却过程中先共析碳化物在基体上弥散析出。这些弥散分布的碳化物颗粒在共析转变前的等温过程中长大 ,其尺寸由等温时间和等温温度控制。随后进行淬火和高温回火处理 ,得到了理想的球化组织。新的球化工艺为 870℃透烧 ,在 780℃等温保持 1 5h淬火 ,然后 6 5 0℃× 2h回火。该工艺与普通等温球化工艺相比 。