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新型超高强度钢的合金优化及其组织性能研究

路妍

  本文在对现有低合金超高强度钢强韧化机理分析的基础上,设计出了30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb和30Cr3Si2Mn2NiMoVNb两种新型超高强度钢。采用力学性能测试、光学显微镜(OM)、冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、能谱衍射分析(EDAX)、X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及物理化学相分析等方法系统地研究了新型超高强度钢及现有的Eglin钢的力学性能以及微观组织,分析了未溶碳化物与热处理温度及组织性能的关系。本文主要的研究内容及获得的成果如下: 以Eglin钢为原型钢,借用在G50钢中加入较高Si以及加入Nb以改善韧性的设计思路,同时加入约2%的Mn以进一步提高钢的韧性,为保证足够的强度,适当提高了Mo的含量。采用Thermo-Calc热力学方法优化了平衡态高温相组织,设计出了新型低成本超高强度钢30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢。结果表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的最佳热处理制度为950℃×1h,油淬+260℃×2h,空冷。其力学性能为:抗拉强度1870MPa,屈服强度1460MPa,冲击功为66J,延伸率为12%。与Eglin钢相比,在韧性相当的前提下,该钢的抗拉强度提高了约200MPa。30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的研制成功,对开发及拓展新的低成本超高强度钢提供了有益的借鉴。 以G50钢为原型钢,降低Ni元素含量以节约成本,在此基础上,提高1%的Mn以提高钢的韧性,同时提高2%的Cr以改善淬透性,为了适当提高强度并细化晶粒,加入了少量的V元素,同时采用Thermo-Calc热力学方法优化了平衡态高温相组织,设计出了新型低成本超高强度钢30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢。试验结果指出,30Cr3Si2Mn2NiMoVNb (?)冈的最佳热处理制度为950℃×1h,油淬+260℃×2h,空冷,其力学性能为:抗拉强度1750MPa,屈服强度1330MPa,冲击功可达74J,延伸率为13%。相比于Eglin钢,该钢的抗拉强度提高了100MPa,韧性和塑性与之相当,而且其强度对淬火温度不太敏感。与G50钢相比,该钢的力学性能与之相当,成本大幅度降低。 通过OM、SEM、EDAX、XRD以及TEM等分析手段研究发现:新型超高强度钢的基体均为高位错密度的板条马氏体组织,板条间分布有薄膜状的残余奥氏体及-些未溶碳化物。30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢中的未溶碳化物为富W、Mo的M6C相以及富Nb、v的MC相,其未溶碳化物颗粒尺寸细小,数量显著增多,具在再加精细的板条组织,这也是30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢具有更高抗拉强度及屈服强度,而韧性、塑性却与Eglin钢相当的重要原因。30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢未溶碳化物为富Mo的M6C相以及富Nb、V的MC相。相对于Eglin钢,该钢微观组织中的未溶碳化物颗粒尺寸、数量与之相差不显著,但该钢中由于增加了可保持到高温的富Nb、V的MC相,有效细化了晶粒,使得其强度随着奥氏体化温度的升高没有显著变化。 采用Thermo-Calc热力学软件计算了新型超高强度钢加热时高温相的变化规律,其变化规律与试验结果基本一致。计算结果表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢的高温相主要为富Nb、V的MC相及富W、Mo的M6C相,其中富W、Mo的M6C相于约970℃时完全溶解;而30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢的高温相主要为富Nb、V的MC相及富Mo的M6C相,其中富Mo的M6C相在约920℃时完全溶解。试验结果也表明,30Cr3Si2Mn2NiWMoVNb钢中的M6C相的完全溶解温度在950℃~980℃之间;30Cr3Si2Mn2NiMoVNb钢中的M6C相的完全溶解温度在890℃~920℃。……   
[关键词]:Eglin钢;热力学计算;未溶碳化物;新型超高强度钢
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:昆明理工大学2011年