G23Cr2Ni2Si1Mo钢制表层纳米贝氏体渗碳齿轮组织及性能

在轨道交通机车齿轮生产工艺中引入纳米贝氏体钢热处理制备技术,以G23Cr2Ni2Si1Mo钢为研究对象,利用SEM、TEM、硬度、力学性能、滚动接触疲劳等研究其扩散碳势为0.65%和0.85%时等温淬火制备的表层纳米贝氏体渗碳齿轮的组织及性能,并与常规18CrNiMo7-6钢油淬制备的表层细针马氏体渗碳齿轮进行横向对比。结果表明:G23Cr2Ni2Si1Mo钢制的某型轨道交通用机车主动齿轮在扩散碳势为0.85%,等温淬火温度200℃保温8 h最佳。微观组织满足相关标准要求,表层最高硬度可达(700±10)HV1,距表层0.3 mm处纳米贝氏体板条厚度约为69 nm,基体力学性能相比于18CrNiMo7-6钢油淬制备的表层细针马氏体渗碳齿轮,塑性、韧性在同一水平的情况下,强度高出约13%,滚动接触疲劳额定寿命L_(10)与中值寿命L_(50)分别提高40%和29%。

纳米贝氏体钢TIG焊接头组织和性能

采用TIG焊接方法对1 500 MPa级纳米贝氏体钢进行焊接.利用光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对焊接接头的微观组织和断口形貌进行了观察与分析,通过硬度测试与拉伸试验考察了接头的力学性能.结果表明,纳米贝氏体钢的焊接性较差,TIG焊焊缝和淬火区组织为淬硬的马氏体,硬度高达1000 HV;焊缝偏析严重,在枝晶间出现残余奥氏体;焊接接头出现冷裂纹,且为沿晶脆性断裂;回火区析出大量碳化物,主要为M7C3(M表示Fe,Cr,Mn)和渗碳体Fe3C,并随着回火温度的升高,碳化物析出量增大,成为焊接接头的又一薄弱环节.

纳米贝氏体钢再纳米化焊接接头组织和性能

采用TIG焊方法对纳米贝氏体钢板进行表面堆焊并快速进行再纳米化处理,通过SEM和TEM观察了焊接接头不同区域的组织特征和形态,使用XRD和TEM电子衍射花样对各种相进行鉴定,并获得相应相的含量,采用拉伸试验和硬度测试获得了再纳米化焊接接头的力学性能.结果表明,经过再纳米化处理,纳米贝氏体钢焊缝区和淬火区组织转变为纳米级片层状的贝氏体和奥氏体,其中焊缝奥氏体含量为13%,而且淬火区片层厚度与母材相当约为70 nm,焊缝区片层厚度大于母材约为300 nm.力学性能测试结果表明,再纳米化焊接接头抗拉强度为1 500 MPa,硬度为7 000 MPa,与母材相差无几,其中接头断裂位置为回火区,是由于回火区析出大量碳化物导致的.

偏析对纳米贝氏体钢再纳米化焊缝组织性能的影响

采用扫描电镜、透射电镜TEM和电子背散射衍射EBSD分析了焊接偏析对纳米贝氏体钢再纳米化焊缝中的残余奥氏体的影响.结果表明,焊接偏析导致了粗大奥氏体的形成,该粗大奥氏体集中分布于枝晶间位置.粗大奥氏体的含碳量低于块状奥氏体,稳定性降低.母材残余奥氏体尺寸为亚微米级且均匀分布,而焊缝残余奥氏体的平均晶粒尺寸为微米级,且分布不均匀.焊接偏析导致的焊缝残余奥氏体的变化对焊缝延伸率有重要影响.力学测试结果表明再纳米化焊缝强度与母材相当,延伸率明显小于母材.

低温贝氏体转变对渗碳纳米贝氏体轴承钢表层组织与性能的影响

本文设计了一种高碳钢,用于模拟轴承用渗碳纳米贝氏体钢表层的高碳层,并研究了随等温时间延长,其组织演变和力学性能变化规律。结果表明,当试验钢在200℃等温淬火时,贝氏体转变结束时间为48 h。随着等温时间的延长,马氏体含量降低,贝氏体铁素体含量升高,残余奥氏体含量先升高后降低,并在8 h时达到最高值,约为34.5%。贝氏体板条平均厚度约为69 nm。随等温时间的延长,试验钢的硬度先降低后升高,冲击韧性先升高后降低,且均在8 h等温时间条件下获得极值,硬度为最低值58.4HRC,冲击韧性为最高值101 J/cm^2。由于采用无缺口冲击试样,显著削弱了块状残余奥氏体对冲击韧性的消极影响,导致本文中冲击韧性与残余奥氏体含量呈现完全正相关的规律。

激光熔覆纳米贝氏体涂层的组织与性能

采用高功率CO2激光熔覆铁基合金粉末,获得了无裂纹、稀释率低、成形良好的熔覆涂层。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)对熔覆层的显微组织进行了观察与分析,通过硬度测试与拉伸试验考察了涂层的力学性能。结果显示:熔覆层为纳米贝氏体与残余奥氏体的复合组织,均匀分布的贝氏体铁素体板条厚度为50～80 nm,贝氏体板条间为厚度10～30 nm更为细小的残余奥氏体薄膜;熔覆层平均硬度为610 HV,熔覆涂层的抗拉强度为1 280 MPa,延伸率为6.41%,拉伸断口形貌为韧窝断口。

纳米贝氏体钢残奥细化及其力学性能调控研究进展

纳米贝氏体钢作为新型超高强度钢,因其具备良好的强塑性能匹配,吸引着广大专家学者研究其力学性能调控机制。本文介绍了纳米贝氏体钢中残留奥氏体的形态及其TRIP效应,概述了加速贝氏体转变的多种调控手段,如合金元素、等温贝氏体转变温度、奥氏体化温度以及预马氏体相变等,及其对残留奥氏体的尺寸、形状和体积分数的影响;同时对多步转变和其他一些细化残留奥氏体尺寸的方法做了介绍,力争为高强度纳米贝氏体钢的研发提供理论支持。

纳米贝氏体钢中的位错密度测定

采用高分辨透射电子显微镜观察纳米贝氏体钢中铁素体的结构,并通过内耗方法测定了纳米贝氏体钢中铁素体的位错密度.结果表明,纳米贝氏体钢铁素体中分布着高密度的位错,其平均位错密度约为6.4×1015m-2.

高碳高硅纳米贝氏体钢回火后的组织与力学性能

高碳高硅钢经300和340℃等温淬火后获得了纳米贝氏体组织,采用扫描电镜、透射电镜、显微硬度仪和拉伸及冲击试验等研究了其经200~600℃回火处理后的显微组织和力学性能。结果表明,在相同回火条件下,与340℃等温淬火试样相比,300℃等温淬火试样的强度、硬度和冲击韧性较高,塑性较低。纳米贝氏体组织在300℃以下具有良好的回火稳定性,450℃回火时薄膜状残留奥氏体开始分解,贝氏体铁素体板条开始合并粗化。低于450℃回火,试验钢的抗拉强度和屈服强度略有增高,伸长率和硬度变化不大。500℃回火,强度开始明显降低,塑性和冲击韧性最低,硬度升到最高而出现二次硬化。300℃回火后试验钢的冲击韧性最高,两种等温淬火试样均在300℃回火时得到最佳的综合力学性能。

碳含量对纳米贝氏体组织形成的影响

纳米贝氏体钢作为最具有发展前景的超高强韧性钢,具有高强度、延展性和断裂韧性。通过SEM、XRD和拉伸试验等方法,研究了碳含量对纳米贝氏体钢组织与性能的影响。结果表明:随着碳含量的增加,试验钢中块状残余奥氏体的含量随之增高,薄膜状残余奥氏体厚度变薄。薄膜状残余奥氏体含量越多,抗拉强度、延伸率和强塑积越好。

Thermo-Calc和JMatPro软件在纳米贝氏体轴承用钢设计中的应用

应用Thermo-Calc和JMatPro热力学和动力学模拟软件在GCr15轴承钢基础上进行了新型纳米贝氏体轴承用钢的成分设计研究。结果表明,纳米贝氏体组织的形成需要满足一定的热力学条件,在GCr15中添加Si或Al元素都使仲平衡条件下的奥氏体/渗碳体相界向高碳方向移动,从而有利于纳米贝氏体组织的形成。在GCr15钢中添加2%以上的Si或Al或Si+Al都可形成纳米贝氏体组织。添加3%的Si或Al或Si+Al则可在100~300℃内较快形成纳米贝氏体组织。

纳米贝氏体钢的焊接方法及接头组织分析

纳米贝氏体钢作为新一代钢种,其抗拉强度可达2500 MPa,断裂韧性超过30~40 MPa·m^(1/2),硬度为600~670 HV,在工业中得到广泛应用。但由于纳米贝氏体钢中往往含有一定数量的脆性马氏体晶体结构,导致其焊接难度大,焊接接头易产生裂纹,难以达到与母材相同的强度和硬度,这就限制了其应用范围。综述了近年来纳米贝氏体钢焊接方面的研究进展,阐述了在不同焊接方法下焊接接头的显微组织变化。

等温淬火对纳米贝氏体钢的组织和力学性能的影响

依据Thermo-Calc计算设计了一种成分为Fe-0.8C-2Mn-1.5Si-1.5Cr-0.25Mo-0.25Ni-1Al-0.25Co-0.1V可用于制造钢丝的纳米贝氏体钢,使用热膨胀相变仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和拉伸实验等手段研究了等温淬火温度和时间对其组织和力学性能影响。结果表明:这种纳米贝氏体钢低温等温淬火后的组织,由纳米结构的贝氏体铁素体板条、残余奥氏体和少量的马氏体组成。随着等温淬火温度的提高相变速率随之提高,贝氏体铁素体的体积分数增大。随着等温淬火时间的延长,贝氏体铁素体的体积分数增大而过冷奥氏体的量减少,在室温下生成的块状M/A岛的尺寸减小和体积分数降低,碳的配分使过冷奥氏体的稳定性提高,M/A岛中的脆性马氏体比例大幅度降低,拉伸断口由混合型断裂向准解理断裂转变。将这种钢在230℃保温48 h后强塑性匹配最佳,其抗拉强度和屈服强度分别达到1625和1505 MPa,延伸率达到34.5%。

温轧工艺对纳米贝氏体相变速率、组织和力学性能的影响

采用温轧加等温热处理工艺制备纳米贝氏体钢,研究了形变温度对纳米贝氏体相变速率的影响。结果表明,形变过冷奥氏体在503 K的贝氏体等温转变时间由常规等温淬火的50 h缩短至20 h,纳米贝氏体钢的抗拉强度为2127 MPa、延伸率为4%。在实验温度范围内进行的过冷奥氏体形变均能促进纳米贝氏体相变,相变速率随着形变温度的降低而提高。过冷奥氏体形变量大于30%后残余奥氏体组织明显细化,块状残余奥氏体全部转变为薄膜状。温轧工艺可在不恶化其它力学性能的前提下加速低温贝氏体相变,从而缩短热处理时间使生产成本降低。

纳米贝氏体钢相变加速技术开发进展

纳米贝氏体的成功开发使得常规条件下对钢铁材料组织的纳米级细化成为可能,然而奥氏体中低温转变的热动力学条件限制了纳米贝氏体的相变速率,阻碍了纳米贝氏体钢的合金范围拓展和大规模工程应用。梳理了近期国内外学者针对这一问题开发的纳米贝氏体相变加速技术,综述了化学成分、预相变、预变形、强磁场等条件下贝氏体相变加速方面的进展。综合分析表明,针对贝氏体相变需充分考虑贝氏体形核以及长大2个过程。纳米贝氏体合金和工艺的设计需充分考虑各因素对2个过程的不同影响,充分优化贝氏体相变动力学和微观组织。复合相变加速技术可以成为纳米贝氏体钢开发的新方向。

热处理工艺对纳米贝氏体渗碳轴承钢表层组织和性能的影响

目前渗碳纳米贝氏体轴承钢表层高碳成分组织与性能的演变规律还不是很清楚。设计一种高碳钢模拟G23Cr2Ni2Si1Mo纳米贝氏体渗碳轴承钢表层高碳成分,利用SEM、TEM、硬度和冲击等研究微观组织与力学性能随相变时间的演变规律。结果表明,试样在200℃贝氏体等温相变需要总时间为48 h。随着等温时间从0 h延长到48 h,组织中的马氏体含量逐渐降低、贝氏体铁素体含量逐渐升高、残余奥氏体含量先升高后降低,在等温12 h时含量最高38.5%。等温48 h后,组织中贝氏体板条平均厚度为48 nm。随等温时间的延长,试验钢的硬度先降低后升高,在等温12 h有最小值58.1 HRC;冲击韧性值逐渐增大,在等温48 h达到最大值96.0 J/cm^(2);抗压强度逐渐降低,断裂应变逐渐增大。该研究结果更清晰地展示了纳米贝氏体渗碳轴承钢表层组织与性能的变化规律,为其工艺优化提供了理论支撑。

细化渗碳体对高碳纳米贝氏体轴承钢的影响

研究了GCr15Si1Mo轴承钢中渗碳体细化后,对材料微观组织、常规力学性能、耐磨性及滚动接触疲劳性能的影响。通过工艺的调控,使材料组织中的渗碳体尺寸从0.49细化到了0.20μm,贝氏体铁素体板条尺寸从66细化至41 nm,并且渗碳体的分布密度也随之提高。随后通过SEM、TEM、XRD、硬度、冲击、摩擦磨损及滚动接触疲劳等试验,得到了材料的宏观性能与微观组织。研究结果表明,细化渗碳体后,材料的耐磨性能和滚动接触疲劳性能比常规工艺的优异,但是韧性相对于常规工艺有显著降低。研究证明了较细小渗碳体可以对轴承钢的组织结构、常规力学性能、耐磨性能及疲劳性能产生一定的影响,为后期轴承钢中渗碳体的调控研究提供支持。

2GPa中碳中锰纳米贝氏体钢的相变和塑性机理

高碳(质量分数为0.78%~0.98%)高硅(质量分数约为1.5%)钢采用低温贝氏体转变(通常为150~250℃),可获得不小于2.0 GPa超高强度,但塑性较低(通常不大于8.0%);同时需要非常长的贝氏体相变时间(通常不小于4 d)。采用降低碳含量(Fe-0.30C-1.5Si-1.5Ni)的成分设计,可以显著加速贝氏体相变(300℃等温0.5 d),获得优良强度(抗拉强度(1138±6)MPa)和塑性(伸长率为18.5%±1.5%)匹配的性能;但很难达到超高强度(1500 MPa)级别。参考高/中碳贝氏体钢的合金设计、显微组织和力学性能特点,采用“中碳、以铝代硅、以锰代镍”的合金成分(Fe-0.30C-1.2Al-5.0Mn)体系,在Ms(马氏体开始转变温度)温度(300℃)附近进行贝氏体相变,可以获得强度为2.0 GPa级((2029±9)MPa),伸长率超过10.0%(11.5%±1.0%)的高塑性纳米贝氏体钢,同时贝氏体相变时间适中(等温2 d),合金制造成本低廉(镍质量分数约为0.5%)。Fe-0.30C-1.2Al-5.0Mn钢具有超高强度主要是由于硬相组织贝氏体铁素体和马氏体总体积分数为85.1%,其中贝氏体铁素体板条宽度为(85±30)nm。具有较高塑性主要是由于软相组织残留奥氏体的体积分数为14.9%,碳质量分数为1.12%,位于贝氏体铁素体板条之间的薄膜状残留奥氏体尺寸为(30±15)nm;同时碳、锰元素能够增加残留奥氏体稳定性,特别是相对于低锰含量,5%中锰元素对残留奥氏体有更显著的稳定性作用,使其在低应力作用下不容易发生相变,但在高应力过程中持续发生TRIP效应以提高塑性。

预变形温度对纳米贝氏体相变动力学及组织的影响

采用热模拟试验机在300~850℃施加20%的压缩预变形后进行300℃等温相变实验,研究了预变形温度对中碳纳米贝氏体钢等温相变动力学及组织的影响。结果表明,预变形工艺使贝氏体相变孕育期显著缩短;低温预变形工艺使贝氏体相变在整个等温区间内均得到加速,高温预变形工艺使贝氏体相变仅在等温初期得到加速,等温后期相变速率明显减缓;随预变形温度的降低,贝氏体铁素体板条厚度逐渐增加;预变形工艺增加了贝氏体相变组织小角度晶界的频率,低温预变形试样的小角度晶界频率高于高温预变形试样。利用解析相变模型计算了贝氏体等温相变过程中的相变动力学参数n,并对贝氏体相变过程中的形核长大方式进行了判定,发现预变形工艺改变了贝氏体相变的形核位置,低温预变形试样主要以晶隅形核为主,高温预变形试样主要以晶棱、晶面形核为主。

纳米贝氏体/马氏体钢的热稳定性

将低温贝氏体相变前淬火得到由马氏体、贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米贝氏体钢,使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等手段观察在不同温度回火的纳米贝氏体钢的显微组织和硬度变化,研究了预相变马氏体对纳米贝氏体钢热稳定性的影响。结果表明:含有马氏体的纳米贝氏体钢在中低温(473~773 K)回火后其硬度比回火前的高,回火温度高于823 K其硬度迅速下降到266.2HV(923 K)。预形成的马氏体在473~573 K回火后向附近的残余奥氏体排碳,后者的碳含量提高到峰值1.52%,提高了残余奥氏体的热稳定性,延迟后者在高温时的分解,从而提高了纳米贝氏体钢的高温热稳定性;回火温度高于723 K则残余奥氏体分解成碳化物,贝氏体铁素体粗化、回复形成新的铁素体晶粒。