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1、贝氏体残余奥氏体钢冷拉拔过程组织演变与变形机理研究钢丝制品是重要的钢材产品之一,种类多,用量大。目前国内外高强度钢丝普遍采用珠光体组织经由多道次冷拉拔加工得到,加工过程通常需要进行多次铅浴淬火处理,对环境污染较大。同时随着钢丝强度的提高,材料成分向高碳方向发展,而碳含量的提高是钢丝出现塑性恶化、扭转分层等问题的重要原因之一。针对目前钢丝产品生产过程中存在的问题,本课题结合新一代高强钢的研究成果,以现有的低温贝氏体钢为基础,综合考虑钢丝生产和应用过程中的要求,从减少加工过程的环境污染和有利于钢丝拉拔变形的角度,进行新型贝氏体-残余奥氏体钢丝的成分体系设计、热处理工艺以及冷拉拔过程中组织形变、相变
2、行为和变形机理的研究。钢丝拉拔属于大塑性冷变形过程,需要重新设计已有的用作结构件的低温贝氏体钢成分,使其适应冷拉拔加工过程中多道次、大变形量的特点。通过热力学计算和热膨胀实验,设计了以硅、锰以及铝、磷复合添加的实验钢成分,充分分离了珠光体相区和贝氏体相区,有效抑制了过冷奥氏体的分解,获得了所需的板条状贝氏体-残余奥氏体组织。同时,通过相关动力学计算,发现贝氏体等温初期由于两相界面附近碳元素浓度的差异,会导致两相界面附近区域的奥氏体内出现碳浓度的双峰现象。同时,贝氏体等温过程中,贝氏体/奥氏体界面的移动过程出现了类似淬火-配分(Q&P)钢配分过程中马氏体/奥氏体界面的双向性。通过电子探针测得的元
3、素分布趋势进一步验证了理论计算的结果。板条状贝氏体-残余奥氏体组织的实验钢经过多道次冷拉拔后,显微组织发生了较为明显的不均匀变形,表层变形严重,而心部几乎没有变形,从表层到心部会形成几个不同形态的塑性变形区。通过显微硬度测试和数值模拟分析,发现塑性变形的峰值位于次表层,其原因是冷拉拔过程中拉丝模口附近相反的组织流动方向导致次表层发生附加的剪切变形。冷拉拔不均匀变形对样品断口形貌有较为明显的影响,变形区断口的韧窝形态通常为较浅的规则圆形,而未变形区的韧窝多数为含有发达撕裂棱的椭圆形,韧窝形态的差异是由于局部变形使晶粒细化从而增加了微孔形核位置导致的。随着拉拔变形量的增加,实验钢组织逐渐转向平行拉
4、拔方向,在转动过程中逐步发生破碎,最终被压缩成纤维状。拉拔变形过程的组织演变可以分为两个阶段:倾转弯曲阶段和组织破碎阶段。倾转弯曲阶段,主要变形机制是板条间发生相互滑移;而随后的板条逐渐细化并发生破碎阶段,则是由于大变形使得多个滑移系开动导致板条被位错带分割造成的。大塑性变形后表面变形区的层状结构导致裂纹向心部扩展时发生扭折,减小了裂纹尖端处的应力强度因子,降低了裂纹扩展的有效驱动力,明显延缓了裂纹的扩展。采用基于实际显微组织的代表性体积单元(RVE)模型研究了不同应力状态对板条状贝氏体-残余奥氏体组织演变的影响。结果表明:一、软硬相间的组织形态和形变诱导相变的发生对微区中应力分布状态的改变,
5、使应力分布随变形发生复杂的变化,导致形变诱导马氏体相变位置的不连续扩展。而在复合应力作用下,残余奥氏体的转变位置则具有较为明显的方向性并且这种方向性不受原始残余奥氏体分布的影响,而是与受力变形方向有关。二、残余奥氏体调节微区应力分布的作用与残余奥氏体的形态以及分布有关。在某一区域中,当较多的残余奥氏体片条将贝氏体基体分割的不连续时,有助于降低基体的应力值,而在没有被完全分割的连续基体中,则会形成一个高应力微区。三、随着残余奥氏体的受力转变,微区中的高应力区和低应力区发生了转移。形变初期,高应力区主要分布在贝氏体基体内,低应力区为未发生转变的残余奥氏体。而在形变后期,残余奥氏体转变成较硬的马氏体,成为主要的高应力区,其次是贝氏体,应力最小的是未发生转变的残余奥氏体。四、在冷拉拔过程中复合应力作用下,表层微观组织的应力和残余奥氏体的转变都与拉丝模变形带表面呈一定角度向心部扩展,残余奥氏体同样起到调节微区应力分布的作用,使得微观组织中的应力呈层状分布,最终形成细长条状的组织。而心部贝氏体基体的应力分布由最初集中在未被残余奥氏体分割的连续部位,然后逐渐变得较为均匀,最终应力集中的部位多位于相变产生的马氏体尖端附近。
