武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 形變熱處理對(duì)高強(qiáng)度螺栓鋼x t c r n i m o b n b l 6 1 6 ( 簡稱x 7 鋼，下同) 機(jī)械性能 影響很大。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨試驗(yàn)溫度( 2 0 6 5 0 。c ) 提高，x 7 鋼抗拉強(qiáng)度下降 緩慢，在6 0 0 6 5 0 瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)3 2 5 m p a 。8 5 0 。c 形變材料強(qiáng)度比1 0 0 0 形變 的強(qiáng)度高2 5 3 0 9 6 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，x 7 鋼延伸率6 0 0 的值比常溫值低2 0 左右。金相分 析，x 7 鋼屬奧氏體型鋼，形變和溫度的影響與材料組織變化及n b 元素有密切關(guān)系。 x 7 鋼應(yīng)力松弛是在一定的總應(yīng)交下，發(fā)生部分彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變。 x 7 鋼應(yīng)力松弛具有其獨(dú)特的變化規(guī)律，通過形變熱處理方法對(duì)x 7 鋼應(yīng)力松弛研究 表明，提高了材料彈性極限，能夠提高彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變難度，即，提 高了材料的抗應(yīng)力松弛性能。試驗(yàn)表明，x 7 鋼應(yīng)力松弛性能與形變溫度和形變量 有直接關(guān)系。形變溫度愈低，松弛性能愈好。形變量為6 0 時(shí)，松弛性能優(yōu)于4 0 和8 0 時(shí)的形變量。 試驗(yàn)表明。x 7 鋼應(yīng)力松弛行為可以分為兩個(gè)階段：第一階段，應(yīng)力松弛速率 比較快，第二階段應(yīng)力松弛速率緩慢，但長時(shí)間應(yīng)力松弛后剩余應(yīng)力趨近于一極 限值；x 7 鋼應(yīng)力松弛行為可以用應(yīng)力松弛極限和應(yīng)力松弛速率兩個(gè)參量進(jìn)行表征： 溫度升高時(shí)，松弛速率加快，應(yīng)力松弛極限降低：同一溫度不同初應(yīng)力作用的應(yīng) 力松弛，應(yīng)力松弛極限相同。 論文闡述了一般金屬應(yīng)力松弛現(xiàn)象和它的重要意義：本文對(duì)高合金耐熱鋼材 料的應(yīng)力松弛曲線及其特性指標(biāo)進(jìn)行分析：提出了改進(jìn)抗應(yīng)力松弛性能的穩(wěn)定化 處理的方法。 本文中，采用時(shí)間硬化和過渡蠕變理論，對(duì)x 7 鋼松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得 出該鋼種在不同形變溫度和形變量下的松弛數(shù)學(xué)表達(dá)式，為今后的研究分析建 立了有利條件。 關(guān)鍵字：應(yīng)力松弛耐熱鋼x 7 c r n i m o b n b l 6 - 1 6 形變熱處理 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ec r a f tp a r a m e t e ro ft h et h e r m o - m e c h a n i c a lt r e a t m e n te x e r t sa t r e m e n d o u si n f l u e n c et o h i g hs t r e n g t h s t e e lx 7 m o b n b l 6 - 1 6 ( a r e a b b r e v i a t e da sx 7s t e e l ，s a m eb e l o w ) t h es t r e n g t hc a ns t i1 1m a i n t a i n a b o v e3 2 5 m p a f r o m6 0 0t o6 5 0d e g r e e sc e n t i g r a d e t h em a t e r i a lo f d e f o r m a t i o ni n8 5 0d e g r e e sc e n t i g r a d ei sh i g h e rb y2 5 3 0 t h a ni n1 0 0 0 d e g r e e sc e n t i g r a d e t h et e s ti sf o u n d ，t h ep e r c e n t a g ee l o n g a t i o n o fx 7 s t e e li n6 0 0d e g r e e sc e n t i g r a d ei s1 0 w e rb y2 5 t h a ni nt h er o o m t e m p e r a t u r e a n a l y s e db ym e t a l l o g r a p h yp e r f o r m a n c e s ，t h ei n f l u e n c eo f d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ei sc l o s er e l a t i o n st ot h ec h a n g eo f o r g a n i z a t i o na n dn be l e m e n t a c c o r d i n gt or e l e v a n ts t r e s sr e l a x a t i o nd e f i n i t i o n ，e l a s t i cs t r a i n w i l lb et r a n s f o r m e di n t op l a s t i cs t r a i nu n d e rt h ec e r t a i nt o t a ls t r a i n , t h es t r e s sr e l a x a t i o nh a sa p p e a r e dl i k et h i s i no r d e rt oi m p r o v et h e p r o p e r t i e so fs t r e s sr e l a x a t i o n ，w ei m p r o v et h el i m i to fi t se l a s t i c s t r e s st h r o u g ht h eh e a t s t r a i nt r e a t m e n t ，t h u st h ed i f f i c u l t yo fi t s t r a n s i t i o ni si m p r o v e d t h et e s ti n d i c a t e s ，t h e r ea r ed i r e c tr e l a t i o n s b e t w e e nt h es t r e s sr e l a x a t i o no fx 7s t e e la n di t sd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e a n dd e f o r m a t i o n t h el o w e rd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s ，i ti st h eb e t t e r t os t r e s sr e l a x a t i o n ，s t r e s sr e l a x a t i o np e r f o r m a n c ei nd e f o r m a t i o n6 0 i sh i g h e rt h a ni nd e f o r m a t i o n4 0 a n d8 0 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e s sr e l a x e dv e r yf a s ta tt h ef i r s t s t a g e ，w h il es l o w l ya tt h es e c o n ds t a g e ，a n dt h er e s i d u a ls t r e s s a p p r o a c h e da1 i m i ta f t e ral o n gr e l a x a t i o nt i m e s t r e s sr e l a x a t i o nw a s c h a r a c t e r i z e dw i t hs t r e s sr e l a x a t i o nl i m i ta n ds t r e s sr e l a x a t i o nr a t e t h eh i g h e rt e m p e r a t u r er e s u l t e di nh i g h e rs t r e s sr e l a x a t i o nr a t ea n d l o w e rr e l a x a t i o nl i m i t d i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s sg a v et h es a m er e l a x a t i o n 1 i m i ta ts a m et e m p e r a t u r e t od i s c u s ss t r e s sr e l a x a t i o np h e n o m e n o no fg e n e r a lm e t a la n dt h e i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 i m p o r t a n c eo fs t u d y i n g i t t h es t r e s sr e l a x a t i o nc u r v ea n di t s c h a r a c t e r i s t i ct a r g e t sa r ea n a l y z e di nt e x t a n dt h em e t h o d o f s t a b i l i z i n gt r e a t m e n tf o ri m p r o v i n gt h ea n t i s t r e s s - r e l a x a t i o na b i l i t y a r eg i v e n i nt h i st e x t ，an e we x p r e s s i o ni sp r o p o s e d w h i c hc a nb eu s e df o r f i t t i n gt h ee x p e r i m e n td a t a o fs t r e s sr e l a x a t i o no f x 7s t e e l a n d e s t i m a t i n gt h er e l a x a t i o nb e h a v i o r u n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o n t h e yh a v ei n i t i a t e dt h ea d v a n t a g ef o rt h e r e s e a r c ha n da n a l y s i si nt h ef u t u r e k e yw o r d ：s t r e s sr e l a x a t i o n x 7 c r n i m o b n b l 6 一1 6 h e a t r e s is t a n ts t e e l t h e r m o - m e c h a n i c a lt r e a t m e n t 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 日期：畢 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán) 保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 齜鱗名：隼慨翠仫夕 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 x 7 c r n i m o b n b l 6 - 1 6 ( 簡稱x 7 鋼，下同) 屬奧氏體不銹鋼，是用于燃?xì)廨啓C(jī) 機(jī)組上的螺栓鋼材料，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱耐腐蝕性能。由于x 7 材料在燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組等高溫設(shè)備上使用，工作的時(shí)間長，工作溫度高( 5 0 0 c 以 上) 。 x 7 材料的室溫抗拉強(qiáng)度不小于6 0 0 l p a ，比m l 型鉚螺鋼高約3 0 5 0 。x 7 的耐熱性也很好，6 0 0 瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度為4 6 5 m p a ，6 5 0 為3 6 5 m p a ，高于碳素結(jié) 構(gòu)鋼和高鉻鎳耐熱鋼材料室溫水平，與合金結(jié)構(gòu)鋼室溫強(qiáng)度接近。x 7 鋼具有極 佳的熱穩(wěn)定性，其室溫與6 5 0 的強(qiáng)度差不大于3 0 9 6 。x 7 材料含有大量c r 、n i 、 m o 等合金元素j 具有優(yōu)良的耐酸堿、耐水及水蒸氣的抗腐蝕性能。 x 7 鋼螺栓在高溫和應(yīng)力共同作用，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)工作結(jié)構(gòu) 安全有較大影響。材料應(yīng)力松弛性能與材料處理工藝密切相關(guān)。因此，本論文 在研究x 7 鋼熱處理工藝以提高室溫強(qiáng)度的同時(shí)，也極為重視熱處理工藝與松弛 之間的聯(lián)系。 應(yīng)力松弛特性是流變學(xué)研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是指金屬材料在長期 高溫和應(yīng)力的作用下，內(nèi)部將發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形。由于總變形恒定， 在塑性變形增加的同時(shí)，將引起彈性變形等量的減少，使壓緊力下降。這種在 恒定變形條件下，材料內(nèi)部的變形由彈性向非彈性的轉(zhuǎn)變，引起應(yīng)力隨時(shí)間下 降的現(xiàn)象。松弛和蠕交是一個(gè)問題的兩個(gè)方面。材料在恒定高溫下工作，當(dāng)保持 應(yīng)力恒定就產(chǎn)生蠕變，而當(dāng)保持總應(yīng)變恒定就產(chǎn)生松弛。 由l g o - f 為坐標(biāo)作出的曲線稱應(yīng)力松弛曲線( 圖1 1 ) ，它表示的是殘余應(yīng) 力和時(shí)間的關(guān)系。高溫下松弛具有下列特性：第一，曲線的第1 階段在試驗(yàn)開 始后的短時(shí)間內(nèi)殘余應(yīng)力急劇下降，并隨時(shí)間增大而減??；第1 i 階段應(yīng)力下降 逐漸緩慢并趨向穩(wěn)定。不難看出，在l g a f 的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，當(dāng)試驗(yàn)溫度小于臨 界溫度時(shí)應(yīng)力松弛曲線的第二部分為一直線。第一部分應(yīng)力松弛降低程度可用 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 松弛穩(wěn)定系數(shù)甌= ，c r 0 表示。甌代表晶界松弛的穩(wěn)定性，當(dāng)接近于c r 0 時(shí)， s 值較大，即表示第一部分的應(yīng)力降低的較小。第二部分應(yīng)力松弛可用直線與 橫坐標(biāo)軸形成的傾角盯的正切表示，即f o = i t g a 。f 0 代表第二部分松弛進(jìn)行的 速度。球夾角愈小，則氣愈大，表明第二部分松弛進(jìn)行的速度愈小，也就是應(yīng) 力降低的較為緩慢。 奄 ， 以 瓣兩i 圖1 - 1 應(yīng)力松弛曲線 金屬結(jié)構(gòu)上使用的螺栓容易產(chǎn)生應(yīng)力松弛。在擰緊螺母時(shí)，依靠螺栓彈性 應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到緊固。在長時(shí)間受力過程中螺栓的彈性應(yīng)變有一部分轉(zhuǎn)變 為塑性應(yīng)變，按照彈性力學(xué)胡克定律盯= 占奢，當(dāng)應(yīng)變p 減少，其應(yīng)力值盯也隨之 下降，因而使螺栓緊固力下降。金屬材料在常溫下雖也有應(yīng)力松弛現(xiàn)象，但進(jìn) 展得很緩慢，可以忽略不計(jì)。但在高溫下，應(yīng)力松弛變得很顯著。 1 2 國內(nèi)外研究的基本情況 1 2 1 國內(nèi)研究的基本情況 x 7 鋼現(xiàn)主要作為有高溫強(qiáng)度要求的螺栓材料，在汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、發(fā)動(dòng) 機(jī)、化學(xué)反應(yīng)以及高壓熱工設(shè)備等有所應(yīng)用上世紀(jì)7 0 年代，德國d i n 標(biāo)準(zhǔn)最 早將x 8 c r n i m o b n b l 6 1 6 列入，后才出現(xiàn)x 7 材料牌號(hào)，這說明隨著汽輪機(jī)工作 溫度和壓力的提高，對(duì)螺栓的性能要求也相應(yīng)上升，這促進(jìn)了耐熱鋼冶煉技術(shù) 進(jìn)步，進(jìn)一步降低碳含量，從而提高了耐熱螺栓鋼的耐熱耐蝕性能，應(yīng)用范圍 進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，我國汽輪機(jī)行業(yè)使用的耐熱螺栓鋼材料大多為低中合金鋼， 例如2 0 c r l m o l v l 、2 0 c r m o l v t i b 等，對(duì)高合金高強(qiáng)耐熱螺栓鋼( 合金含量大于1 3 ) 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的研究較少，從國內(nèi)文獻(xiàn)檢索情況看，暫時(shí)沒有看到x 7 鋼研究和應(yīng)用的文獻(xiàn)及 報(bào)道。造成該情況的原因是我國汽輪機(jī)企業(yè)長期延用中低合金鋼作為緊固件材 料，對(duì)高合金緊固件研究和應(yīng)用投入不足以及引進(jìn)國外新技術(shù)、新材料程度不 深。為了提高我國汽輪機(jī)及鍋爐技術(shù)水平，加強(qiáng)對(duì)合金含量高的x 7 耐熱螺栓鋼 的研究，對(duì)促進(jìn)x 7 鋼的應(yīng)用有著重要意義嘲。 金屬材料的松弛問題研究文獻(xiàn)較少。金屬和非金屬材料的組織不同、使用 環(huán)境不同，材料的松弛機(jī)理有很大的差異。相互借鑒困難，故x 7 鋼需要需在理 論分析上進(jìn)行試驗(yàn)，難度較大。 1 2 2 國外研究的基本情況 國外發(fā)現(xiàn)應(yīng)力松弛問題源于金屬材料的高溫強(qiáng)度，應(yīng)力松弛是材料蠕變特 性的另一表現(xiàn)形式。它不同于一般的蠕變問題，蠕變是論述靜應(yīng)力或動(dòng)態(tài)應(yīng)力 保持恒定時(shí)材料的特性，而松弛是在總應(yīng)變一定的條件下，加給部件的應(yīng)力隨 時(shí)間的增加而減少的一種現(xiàn)象，與許多實(shí)際問題有關(guān)，例如，燃?xì)馔钙?，蒸?透平組合轉(zhuǎn)子或法蘭蓋德緊固螺栓的緊固力，高溫下使用的彈簧的彈力，熱壓 部件的緊固壓力，熱交換器內(nèi)管和端板壓入部分緊固力的減小等等。 關(guān)于金屬材料蠕變的研究，很久以前就進(jìn)行，而松弛的研究，般認(rèn)為， 大體上是從三十年代開始，1 9 3 6 年，在美國有魯濱遜、莫歇爾等人的研究報(bào)告。 接著，以蒸汽透平使用的高溫螺栓材料為研究對(duì)象，組成了a s m e ( 美國機(jī)械工 程師協(xié)會(huì)) 和a s t m ( 美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)) 合同委員會(huì)，美國各地的研究所都著手 這一研究工作，研究結(jié)果發(fā)表于1 9 3 9 年的a s 陋和a s t m 刊物上。之后，繼續(xù) 進(jìn)行了這一研究和工作，于1 9 5 6 年再度發(fā)表。這些報(bào)告，以將松弛研究成果直 接應(yīng)用于生產(chǎn)為目的，主要地報(bào)道了各種材料的松弛性質(zhì)，特別是最后的報(bào)告， 介紹了溫度對(duì)主要鋼種松弛的影響。這些報(bào)告中，大都指出了用應(yīng)力隨著試驗(yàn) 時(shí)問的增加而下降，魯濱遜進(jìn)行了一種方法簡易的預(yù)壓試驗(yàn)，提出了用塑性應(yīng) 變速度一應(yīng)力曲線的形式整理試驗(yàn)結(jié)果的方法。這種方法對(duì)于長時(shí)間值得外插是 有效的，在美國應(yīng)用頗廣，然而，同精確的松弛試驗(yàn)相比，并未進(jìn)行充分的研 究。 在英國，與4 0 年代初期，在國家物理實(shí)驗(yàn)所( n p l ) 等處開始了一系列的 研究工作，1 9 4 9 年，約翰遜對(duì)c r - m o 鋼進(jìn)行了蠕變和松弛試驗(yàn)，基于應(yīng)變硬化 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 和時(shí)間硬化理論計(jì)算了應(yīng)變速度，得出的結(jié)果比試驗(yàn)值偏高，兩者不大一致， 而且未能得到蠕變和松弛之間關(guān)系的準(zhǔn)確表達(dá)式，1 9 5 5 年德雷柏報(bào)導(dǎo)了一種試 驗(yàn)機(jī)，它與上述n p l 的松弛試驗(yàn)機(jī)不同，同時(shí)，沃森就試驗(yàn)開始時(shí)加載速度對(duì) 殘余應(yīng)力的影響問題進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的結(jié)論是，在長時(shí)間松弛試驗(yàn)中，其影 響非常之小，可以忽略不計(jì) 以上是對(duì)簡單拉伸應(yīng)力下松弛的基本試驗(yàn)和分析，但和蠕變的研究一樣， 在松弛方面，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下特性的研究也引起了人們的注意。對(duì)于這個(gè)問題 的分析，卡恰諾夫是在1 9 4 9 年開始研究的，而戴維斯是在1 9 5 2 年，卡恰諾夫 的分析是根據(jù)時(shí)間硬化理論為根據(jù)進(jìn)行得，不過只是一個(gè)近似值。戴維斯把熱 交換器內(nèi)管和端板固定部分的冷配壓力松弛問題作為理想彈塑性體，進(jìn)行了分 析，接著于1 9 6 0 年，將塑性應(yīng)變速度與應(yīng)力的冪函數(shù)成比例的理論推廣到更為 實(shí)際的材料上，分析了熱壓在剛性車軸上的熱配壓力，在這一分析中，戴維斯 假定應(yīng)變速度僅為應(yīng)力的函數(shù)，所以，在初應(yīng)力和時(shí)間的寬大范圍內(nèi)，要使應(yīng) 變速度與松弛數(shù)據(jù)完全一致。 1 3 課題研究的意義 1 3 1 工藝因素對(duì)x 7 c r n ik i o b n b l 6 - 1 6 應(yīng)力松弛行為的影響 一般的金屬材料隨使用溫度的提高，其強(qiáng)度和抗松弛性能會(huì)降低，這對(duì)高 溫高壓的設(shè)備帶來安全隱患。x 7 本材料主要是用于制造螺栓，在設(shè)備上屬于關(guān) 鍵的零件，因而對(duì)它的性能提出了很高的要求。 金屬材料的應(yīng)力松弛，是其在一定的張應(yīng)力作用下，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)?塑性變形的現(xiàn)象?？梢栽O(shè)想，一切提高和穩(wěn)定金屬材料的彈性極限，推遲屈服 發(fā)生的方法和手段，均可能有提高金屬材料的抗應(yīng)力松弛能力的作用對(duì)于奧 氏體耐熱鋼x 7 鋼，因材料不隨溫度變化發(fā)生相交，其性能的提高多采用形變強(qiáng) 化方法。 形變熱處理工藝，是形變與熱處理兩種工藝的結(jié)合。形變能夠破碎晶粒、扭 曲晶格、增加位錯(cuò)、控制晶粒度，形成晶粒大小均勻的條狀組織，能夠提高材 料強(qiáng)度。但是，形變( 不論冷鍛、熱鍛) 可能使平衡組織受到破壞，形成非平衡 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 組織。在高溫高強(qiáng)度的環(huán)境中使用，因外力和溫度的作用，非平衡組織會(huì)自發(fā) 地向平衡組織轉(zhuǎn)變，造成力學(xué)性能波動(dòng)。因此，為保持x 7 材料穩(wěn)定性，形變之 后進(jìn)行穩(wěn)定化處理是必不可少的。結(jié)合這兩種工藝在很大的程度上避免了眾多 的力學(xué)性能缺陷。 本文從形變熱處理的兩個(gè)重要的工藝參數(shù)即形變溫度和形變量入手，對(duì)x 7 鋼進(jìn)行松弛性能研究力圖找到在使用條件x 7 鋼應(yīng)力松弛特性及影響因素。 1 3 2 課題研究的主要內(nèi)容 ( 1 ) 研究x 7 c r n i m o b n b l 6 - 1 6 螺栓鋼高溫下形變熱處理，來重點(diǎn)分析形變 溫度、形變量兩個(gè)參數(shù)對(duì)x 7 c 州i m o b n b l 6 - 1 6 螺栓鋼應(yīng)力松弛性能的影響，研究 其變化規(guī)律。 ( 2 ) 通過國家標(biāo)準(zhǔn)g b l 0 1 2 0 - 8 8 ( 金屬彎曲應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法) 來對(duì) x t c r n i m o b n b l 6 - 1 6 螺栓鋼進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)。 ( 3 ) 擬合x 7 c r n i m o b n b l 爭1 6 的應(yīng)力松弛曲線，并進(jìn)行分析。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章x 7 c r n im o b n b l6 - 16 的形變熱處理 形變熱處理是在金屬材料上綜合利用形變強(qiáng)化及相交強(qiáng)化，將壓力加工與 熱處理操作相結(jié)合，使成形工藝同獲得最終性能統(tǒng)一起來的一種工藝方法【6 1 。這 種方法，不但能夠得到一般加工處理所達(dá)不到的高強(qiáng)度與高韌性，還能簡化鋼 材或零件的生產(chǎn)流程。 2 1 形變熱處理基本原理 根據(jù)金屬物理學(xué)對(duì)金屬材料微觀組織的描述，取決于原子問結(jié)合力及組織 狀態(tài)兩大因素。在金屬物理學(xué)中“”，描述晶格結(jié)構(gòu)與金屬力學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系時(shí)， 闡述出這樣的觀點(diǎn)，原子間結(jié)合力主要因金屬基體的本性( 以熔點(diǎn)、彈性模量、 自擴(kuò)散系數(shù)、特征溫度等為表征) 而不同。熔入基體( 固溶體) 中的合金元素 只能在不大的范圍內(nèi)改變?cè)娱g結(jié)合力。各種加工處理過程雖然不能使原子間 結(jié)合力發(fā)生顯著的變化，但卻能在極大程度上改變組織狀態(tài)。 金屬強(qiáng)度與其中所含缺陷密度的關(guān)系監(jiān)線如圖2 - l 所示，金屬晶格上缺陷 多或缺陷少時(shí)，金屬材料強(qiáng)度很高。可以看出，改變組織狀態(tài)以提高金屬強(qiáng)度 地途徑有二：其，是盡可能地減少金屬中所含的缺陷，使之接近于理想的完 整晶體，讓所有原子同時(shí)參與抵抗外加應(yīng)力的作用，以達(dá)到接近于理論數(shù)值 ( e t o 或g 5 ) 的強(qiáng)度水平。例如，純鐵晶須的抗拉輕度已經(jīng)能夠達(dá)到7 0 0 k g 咖2 ， 甚至更高；其二，是在已含相當(dāng)數(shù)量的各種缺陷的工業(yè)材料上通過一定的加工 處理進(jìn)一步引進(jìn)大量的位錯(cuò)以及造成阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的各種障礙。這時(shí)，或者由 于位錯(cuò)本身的相互阻塞，或者由于受溶質(zhì)原子、沉淀相、晶界、亞組織等所構(gòu) 成的障礙所攔截，使得在外加應(yīng)力作用下的滑移過程變得困難起來，從而達(dá)到 提高強(qiáng)度的效果”。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 金屬強(qiáng)度與缺陷密度間的關(guān)系 這后一種方法在提高強(qiáng)度的水平方面雖不及前面的一種，但在工業(yè)生產(chǎn)中 卻易于實(shí)現(xiàn)的，因而得到了廣泛的應(yīng)用。例如，中碳鋼絲經(jīng)淬鉛拔絲后抗拉強(qiáng) 度可提高到3 5 0 k g m 2 左右。這兩種方法，雖然在工藝上以及金屬組織狀態(tài)上截 然不同，但其效果都是一致的，這都是增加了參與抵抗外力作用的原子數(shù)目， 即提高了原子之間結(jié)合力利用的同時(shí)程度。試驗(yàn)證明，高純度鐵單晶的臨界滑 移應(yīng)力不過0 7k g m 2 ，而前面提到的淬鉛冷拔鋼絲( 3 5 0 k g m = ) 或純鐵晶須 ( 7 0 0 k g m m 2 ) 的強(qiáng)度要比之大5 0 0 1 0 0 0 倍。這就可以看出了改變組織狀態(tài)在 強(qiáng)化金屬方面所能達(dá)到的巨大效果。 2 2 穩(wěn)定奧氏體的高溫形變淬火 x 7 材料屬于奧氏體不銹鋼，其池點(diǎn)在常溫之下，所以當(dāng)x 7 材料用作汽輪機(jī) 螺栓時(shí)，無論工作溫度在常溫或高溫，它的相組織始終是奧氏體，不會(huì)發(fā)生任 何變化。無相交材料在使用中，具有組織穩(wěn)定、性能變化小等特點(diǎn)，能夠保證 高溫高壓設(shè)備的工作壽命。 穩(wěn)定奧氏體形變淬火是指，將鋼加熱至穩(wěn)定奧氏體區(qū)，保持一段時(shí)間，在 該溫度下形變，隨后進(jìn)行淬火以獲得理想的組織的綜合處理工藝，也稱為高溫 形交淬火。圖2 - 2 為高溫形變淬火工藝的示意圖。高溫形變淬火時(shí)的形變溫度 以便都在再結(jié)晶溫度之上，而形變奧氏體的再結(jié)晶會(huì)給剛度強(qiáng)度和韌性帶來很 大的影響。于是，在研究高溫變形淬火過程時(shí)，對(duì)奧氏體的再結(jié)晶問題必須十 分注意。 7 一一一、 r i 卜一 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 高溫形變淬火工藝示意圖 2 2 1 奧氏體組織結(jié)構(gòu) 雖然關(guān)于形變奧氏體組織結(jié)構(gòu)的研究，在了解形變熱處理強(qiáng)化機(jī)構(gòu)方面有 著十分重要的意義，然而由于試驗(yàn)方法的限制，很難在一般鋼種上對(duì)處于高溫 狀態(tài)的形變奧氏體進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測?，F(xiàn)有的工作大都是在特殊制備的合金 上進(jìn)行的，而且數(shù)量極少，因而對(duì)這個(gè)問題無法得出清晰而完整的概念。 在高溫形變奧氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)中，多邊化是研究的較多的現(xiàn)象之一。有文 獻(xiàn)枷指出，對(duì)晶界結(jié)構(gòu)與宏觀強(qiáng)度之間關(guān)系，金屬的晶粒并不是由取向完全一致 的原子點(diǎn)陣所構(gòu)成，而是包含著相互夾角很小的嵌鑲塊。這些嵌鑲塊之間的小 角晶界( 亞晶界) ，是由位錯(cuò)線堆砌而成的“墻”。通常，在室溫或低于再結(jié)晶 溫度的高溫下進(jìn)行較小量的形變，產(chǎn)生一定數(shù)量的位錯(cuò)，然后再某個(gè)溫度下保 持定時(shí)間，這些位錯(cuò)由于攀移而堆砌成“墻”的過程，稱為多邊化過程。 奧氏體在高溫形變或中間保溫過程中所發(fā)生的多邊化現(xiàn)象，愈來愈來被人 們重視。許多研究結(jié)果表明，高溫形變奧氏體中的多邊化過程具有普遍性。這 一過程對(duì)高溫形變淬火鋼的強(qiáng)度、韌性和強(qiáng)化效果的穩(wěn)定性都有十分良好的作 用。h 3 0 西2 合金高溫形變奧氏體的多邊化過程( 圖2 3 ) 合金的m s = - 5 0 ，因而 在高溫形變并淬火至室溫時(shí)仍為奧氏體組織。從( 圖2 - 3 a ) 可見，形變中由位 錯(cuò)組成了亞晶界，而亞晶界內(nèi)部位錯(cuò)較少；但在形變溫度下保持2 分鐘后( 圖 圖2 - 3 b ) 亞晶界變得較細(xì)而清晰，亞晶粒內(nèi)部位錯(cuò)幾乎全部消失。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 3h 3 0 ( 02 合金高溫形變奧氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu) a ) 1 1 0 0 c 奧氏體化，9 0 0 c 形變2 5 ，水冷至室溫( x 2 8 0 0 0 ) b ) 1 1 0 0 ( 2 奧氏體化，9 0 0 * ( 2 形變2 5 ，保溫2 分鐘，水冷( 3 5 0 0 0 ) 在高溫形變奧氏體的組織變化中，除了隨著形變量的增加，奧氏體晶粒逐 漸被拉長的情況之外，還發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生“鋸齒狀”晶界的現(xiàn)象。鋸齒狀晶界大體 產(chǎn)生于9 0 0 1 1 0 0 、2 0 3 0 形變量的條件下。 鋸齒狀晶界能夠阻礙滑移向相鄰晶粒內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行，并且減慢在晶界上發(fā)生 的顯微裂紋匯合為宏觀裂紋的進(jìn)程，因而能在提高強(qiáng)度、改善塑性、抑制回火 脆及阻礙蠕變破斷過程中起到相當(dāng)良好的作用。 由以上所述可知，選擇適當(dāng)?shù)母邷匦巫兇慊鹨?guī)程( 形變溫度、形變量、回 火等) ，使得在奧氏體晶內(nèi)發(fā)生多邊化過程，同時(shí)得到普遍發(fā)展的晶晃的鋸齒化， 可以獲得相當(dāng)良好的力學(xué)性能組合。 2 2 2 碳化物的析出 許多文獻(xiàn)資料證明，在高溫形變淬火中( 回火以前) 就已經(jīng)發(fā)生碳化物的 析出過程。在高溫形變的溫度范圍內(nèi)，碳在奧氏體中處于熱力學(xué)穩(wěn)定的狀態(tài)， 溶解度較大，碳化物不易沉淀?？墒窃趬簯?yīng)力下( 如軋制時(shí)) ，碳在奧氏體中的 溶解度將顯著下降，這顯然會(huì)導(dǎo)致高溫形變淬火過程中碳化物的形成。 為了進(jìn)一步證實(shí)奧氏體在形變中是否確實(shí)有碳化物析出，曾經(jīng)”1 研究了奧 氏體點(diǎn)陣常數(shù)在形變過程中的變化。例如，形變量對(duì)y 1 2 鋼奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)的 影響( 圖2 - 4 ) 表明，形變量增加時(shí)奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)變小。點(diǎn)陣常數(shù)的減小是因 奧氏體中含碳量下降而引起的，當(dāng)形變量增至7 0 時(shí)，點(diǎn)陣常數(shù)減小了0 0 0 6 a 。 這相當(dāng)于奧氏體中含碳量下降0 2 。此外，文獻(xiàn)還介紹，高溫形變淬火能使 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 奧氏體的電阻率下降。 上述的試驗(yàn)結(jié)果都令人信服地證明，在奧氏體形變過程中確實(shí)存在著誘發(fā)碳 化物沉淀的現(xiàn)象。 圖2 4y 1 2 奧氏體鋼的點(diǎn)陣常數(shù)與形變量問的關(guān)系 處理規(guī)范：加熱至1 0 0 0 ，形變溫度9 0 0 ， 形變后在l0 9 6 含鹽水中冷卻 對(duì)于奧氏體不銹鋼的碳化物的析出，其力學(xué)性能在很大程度上會(huì)受到很大 的影響。 若奧氏體不銹鋼在4 2 7 8 1 6 溫度下緩慢冷卻時(shí)，由于碳擴(kuò)散速度較大， 就形成( c r f e ) 。c 5 等碳化物。這是因?yàn)閏 在奧氏體中的飽和溶解度小于0 0 2 ， 但一般不銹鋼的含c 量都高于這個(gè)數(shù)值當(dāng)不銹鋼從固溶溫度冷卻下來時(shí)，c 處于過飽和，受到敏化處理時(shí)，c 和c r 形成碳化物( 主要為( c r f e ) ：3 c b 型) 在晶界 析出由于( c r f e ) 。c 6 # c r 量很高，而c r 在奧氏體中擴(kuò)散速率很低，這樣就在晶 界兩側(cè)形成了貧c r 區(qū)，其含c r 量低于1 2 5 ，因而鈍化性能與晶粒不同，即晶界 區(qū)和晶粒本體有了明顯的差異，晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)一鈍態(tài)的微電偶結(jié)構(gòu)，造成 晶界腐蝕 晶間腐蝕( i g c ) 是一種常見的局部腐蝕，遭受這種腐蝕的不銹鋼，表面看來 還很光亮，但經(jīng)不起輕輕敲擊便會(huì)破碎成細(xì)粒由于晶聞腐蝕不易檢查，造成設(shè) 備的突然破壞，所以危害性極大。 同時(shí)，實(shí)踐也表明，合適的固溶處理、穩(wěn)定化處理、降低碳及雜質(zhì)元素( 例 1 0 餐l疊怔擎世茸 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 如。硅、磷和氮等) 在奧氏體不銹鋼晶界的含量，消除或防止熟加工或冷加工過 程中對(duì)材料的影響等，都是降低晶間腐蝕敏感性和防止晶問腐蝕的有效措施?！?。 雖然( c r f e ) 。q 等碳化物的形成，對(duì)其機(jī)械性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。但并非 所有的碳化物都是不利的元素，例如n b c 。 ( a ) l l o o 8 0 0 形變，水冷b ) 8 5 0 - 7 0 0 形變，空冷，7 6 0 固溶2 h 圖2 - 5 試樣表面的金相組織x2 0 0 0 圖2 5 ( a ) 和2 5 ( b ) 中有許多碳化物析出，在圖2 - 5 ( a ) 中碳化物主要 分布在晶界內(nèi)，而圖2 - 5 ( b ) 中的碳化物則大部分分布在晶界上。經(jīng)過能譜分析， 其顆粒狀為鈮一碳化合物和單質(zhì)鈮。由于該鋼的含鈮為在0 8 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 碳的含量。而鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，在長時(shí)間受熱時(shí)又易于形成金屬問化合物。 它可以消除或降低晶間腐蝕趨向，穩(wěn)定碳化物n b c 的生成避免了在晶界上產(chǎn)生 ( c r f e ) 如的沉淀從而使晶界貧鉻，抑制了晶間腐蝕。 2 2 3 合金元素對(duì)高溫形變淬火強(qiáng)化效果的影響 奧氏體型耐熱鋼是指以f e 為基，以n i 、c r 、m n 等主要元素合金化，室溫 下組織為奧氏體的鋼類。4 0 年代，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，研制成功了許多性能 優(yōu)異，使用溫度高的奧氏體型耐熱鋼，當(dāng)然，作為耐熱鋼，其使用溫度是有一 定范圍的。 奧氏體型耐熱鋼合金化的目的是通過固溶強(qiáng)化、析出相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化以 及在其表面形成耐蝕表面膜等途徑來提高其綜合的高溫力學(xué)性能和高溫耐熱腐 蝕性能，以滿足在更高溫度的苛刻條件下工作的要求。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 1c r 、n i 、的作用 當(dāng)c r 含量超過約1 2 時(shí)，鋼材會(huì)鈍化而不銹。另外，提高y 相的穩(wěn)定性及 改善腐蝕性和抗氧化性。 在不銹鋼中，添加卜鍛鉬，可增強(qiáng)不銹鋼在腐蝕環(huán)境中的耐蝕能力。 鎳是鋼中擴(kuò)大y 相區(qū)的合金元素，在奧氏體耐熱鋼中它是保證獲得y 相 組織的主要合金元素。一般情況下，在鐵基合金中，為了獲得純奧氏體組織， 含鎳量不得小于2 5 。廣泛應(yīng)用的奧氏體鉻鎳耐熱鋼的組織奧氏體是不穩(wěn)定的， 處于貶穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下也可能發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。因此，為了獲得純的奧 氏體組織，鋼中的合金元素含量必須進(jìn)行綜合考慮。例如，加入一部分的c r 可 以代替n i 。 2 2 3 2c 的作用 碳是鋼中不可缺少的元素。碳在鋼中既可以擴(kuò)大y 相區(qū)，又是高強(qiáng)度的碳 化物的組成元素。碳在鏹中的強(qiáng)化作用于它所形成的碳化物的成分和結(jié)構(gòu)有著 密切的關(guān)系，其強(qiáng)化作用也與溫度有關(guān)；隨著溫度的升高，由于碳化物的聚集， 強(qiáng)度作用有所下降；在個(gè)別情況下由于碳化物的分解，也可能導(dǎo)致降低鋼的強(qiáng) 度。必須指出，鋼中碳含量增加，將會(huì)降低鋼的塑性。因此，除在個(gè)別情況下， 除強(qiáng)度要求較高的鋼種外，一般奧氏體耐熱鋼中的碳含量都控制在較低的范圍 內(nèi)。 2 2 3 3n b 的作用 鈮對(duì)高溫力學(xué)的影響 合金元素對(duì)0 0 2 ( c + n ) 一1 9 c r 鋼的9 5 0 的高溫屈服強(qiáng)度的影響。如圖2 6 所 示。鈮效果最大。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 6 奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)高溫屈服強(qiáng)度的影響 n b c 比對(duì)奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕有影響。眾所周知，奧氏體型不銹鋼是 用n b 穩(wěn)定化的，使其具有良好的抗晶間腐蝕性。從圖2 - 7 看出當(dāng)n b c 比大致在 8 1 0 時(shí)，不發(fā)生晶間腐蝕，這是由于在1 0 5 0 退火或8 4 5 - 9 0 0 c 穩(wěn)定化處理，鋼 中的碳全部形成n b c ，從而避免了在比較低的溫度回火時(shí)產(chǎn)生c r 。c 而產(chǎn)生晶界 的貧鉻區(qū)，無貧鉻區(qū)，也就無晶間腐蝕。 所以可以看出，x 7 材料原料的配比為n b c 等于l o 是比較合理的。 柑w榭坩 撇 囂黧t 圖2 7 不同熱處理的1 8 8 不銹鋼的晶間腐蝕和n b c 比關(guān)系 1 3 一，l囂封摹善基善*爵馨奢 圈圈麴鶼 一毒譬#刪 簟鼉鼙攀 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 4 奧氏體型耐熱鋼的固溶處理 奧氏體型耐熱鋼穩(wěn)定的組織是y 固溶體和析出相，這樣的y 固溶體應(yīng)是在 不同溫度下經(jīng)長時(shí)間保溫后晶格無變化。這說明強(qiáng)化相己全部析出。此時(shí)，鋼 的強(qiáng)度取決于固溶體的成分。因此，奧氏體耐熱鋼熱處理的目的是：通過固溶 熱處理獲得過飽和巫穩(wěn)的合金化固溶體，從而得到優(yōu)良的綜合高溫力學(xué)性能。 因此，選擇適宜的固溶化溫度及冷卻方式是獲得強(qiáng)化固溶體相的重要一環(huán)。 奧氏體型耐熱鋼的固溶處理包括兩個(gè)步驟：加熱到一定高的溫度以獲得合 金化的固溶體以及快速冷卻以獲得過飽和的亞穩(wěn)y 相固溶體。許多研究表明， 高溫( 8 0 0 1 2 0 0 ) 加熱時(shí)，鋼的顯微組織有兩種變化：各類析出相( 碳化 物、金屬問化合物等) 固溶到y(tǒng) 固溶體中去；例如碳化物，將奧氏體不銹鋼加 熱到8 5 0 左右，使碳化物相全部或部分溶解，碳固溶于奧氏體中，然后快速冷 卻至室溫，使碳達(dá)到過飽和狀態(tài)( 碳已經(jīng)穩(wěn)定了，沒有能力和機(jī)會(huì)與鉻形成高 鉻碳化物) 。合金化的囿溶體晶粒長大。析出相開始固溶的溫度與相的性質(zhì)、 顆粒大小以及固溶體的性質(zhì)有關(guān)。析出相固溶的過程如下： ( 1 ) 超細(xì)顆粒的溶解和聚集達(dá)到可見的尺寸，此時(shí)用金相分析可觀察到聚 集的析出相： ( 2 ) 細(xì)小的析出相顆粒和聚集的顆粒的溶解，在金相顯微鏡下可觀察到在 單位面積內(nèi)強(qiáng)化相顆粒減少； ( 3 ) 粗大顆粒的和聚集的析出相的溶解( 溫度約為1 0 0 0 c 1 3 0 0 ) ，金 相觀察表明，此時(shí)為純奧氏體組織，無析出相的存在。 圖2 喝是c r l 4 n i w 2 奧氏體耐熱鋼的加熱溫度與碳化物溶解的狀況曲線。 時(shí)j 凰h 圖2 - 8 加熱溫度與碳化物溶解的狀況曲線 研究表明，以c r 如為基的復(fù)雜立方體碳化物在9 0 0 下開始固溶到奧氏體 1 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中在1 8 8 及1 8 一t i 鋼中，大約于8 5 0 。c 時(shí)就開始了立方體型碳化物的轉(zhuǎn)變，而 加鈦后，碳億物開始溶解的溫度約為1 1 5 0 c 1 2 0 0 。c ，而大量的碳化物只有1 3 0 0 時(shí)才開始全都溶解。1 總體上講，加熱溫度的升高與碳化物的溶解呈直線關(guān) 系。 隨著固溶溫度的升高與析出相溶解的同時(shí)，奧氏體晶粒開始長大。開始時(shí) 緩慢增大，而后則速度加快。粗大的晶粒對(duì)室溫強(qiáng)度是不利的，但在一定程度 上能提高高溫力學(xué)性能。圖2 9 上列出了晶粒的大小對(duì)c r 2 0 n i 8 0 合金的蠕變性 能的影響。圖中可以看出，7 0 0 c 和8 0 0 c ，隨著平均晶粒面積的增加，合金的 蠕變極限呈直線上升。 詈嘻9 喜3 9 器霉 馳 圖2 呻高溫下晶粒度對(duì)c r 2 0 n i 8 0 合金的蠕變性能的影響 2 2 5 工藝參數(shù)對(duì)高溫形變淬火強(qiáng)度效果的影響 工藝參數(shù)對(duì)x 7 材料高溫形變淬火強(qiáng)度效果有很大影響。為了了解對(duì)高溫形 變淬火強(qiáng)化規(guī)律，并達(dá)到確定最佳工藝參數(shù)的目的，我們將對(duì)下列參數(shù)逐個(gè)進(jìn) 行討論：形變溫度、形變量、形變速度、固溶。 2 2 5 1 形變溫度 形變溫度是眾多工藝參數(shù)中，對(duì)高溫形變淬火強(qiáng)度效果影響最為重要的一 項(xiàng)。所以，如何控制形變溫度對(duì)改變鋼種的力學(xué)性能起著重要的作用。 控制形變溫度在本質(zhì)上是為了避免奧氏體再結(jié)晶的發(fā)生。在奧氏體高溫形 變過程中，形變奧氏體所獲得的位錯(cuò)，雖然因高溫的作用在數(shù)量( 密度) 上有 所減少，但同時(shí)卻發(fā)生了位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的重新排列一多邊化過程。由于多邊化過程 1 5 d一磋輯戢囊 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的結(jié)果，分散在晶粒內(nèi)部的( 雜亂無章的) 位錯(cuò)大部分消失，取而代之的是穩(wěn) 定性極高的亞晶組織，亦即由位錯(cuò)墻構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組織。同時(shí)，過高的應(yīng)力集中 區(qū)域也會(huì)在位錯(cuò)的熱運(yùn)動(dòng)中消失。這種網(wǎng)絡(luò)形式的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及晶內(nèi)應(yīng)力集中的 去除乃是最理想的組織狀態(tài)，使得鋼材具有極為良好的強(qiáng)度及塑性、韌性的組 合。 實(shí)際上，這種多邊化過程，就是再結(jié)晶的最初始階段，因而有人稱之為“就 地再結(jié)晶”。在選擇高溫淬火工藝參數(shù)( 形變溫度，形變量、形變速度等等) 時(shí)， 必須注意，不能允許再結(jié)晶過程過分的發(fā)展，尤其是集聚再結(jié)晶( 二次再結(jié)晶) 的階段絕不允許發(fā)生。否則，形變所引入的各種形式的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)均將遭到徹底 破壞，而不能取得明顯的強(qiáng)韌化效果。 在高溫形變淬火工藝參數(shù)中，形變溫度是最重要的一個(gè)參數(shù)。在可以避免 再結(jié)晶發(fā)生的條件下，奧氏體形變溫度愈高時(shí)，形變強(qiáng)化效果愈低。換句話說， 形變溫度愈高時(shí)，引入的位錯(cuò)密度愈小，但位錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度作用的穩(wěn)定性愈 大。在有可能發(fā)生再結(jié)晶的情況下，奧氏體溫度愈高時(shí)，再結(jié)晶過程發(fā)展得愈 緩慢( 圖2 - 1 0 ) 。這種現(xiàn)象對(duì)高溫形變淬火是極為有利的。 窯 籬 鬟 降 ， 厶 l i i， 一一y 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 5 2 形變量 形變量對(duì)高溫形變淬火后力學(xué)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果，大體可以歸納為兩種 類型：一種是力學(xué)性能隨形變量而單調(diào)地增減；一種是在性能形變量曲線 上出現(xiàn)一個(gè)極值( 極大或極小) 。 首先，分析第一種類型。 例如，形變量對(duì)4 5 c r m n s i m o v 鋼拉伸性能影響。鋼的處理規(guī)范是：1 0 0 0 奧氏體化，9 0 0 軋制，油冷淬火后3 1 5 c 回火?？梢缘弥S著形變量的增加， 鋼的抗拉強(qiáng)度、硬度、延伸率、斷面收縮率都不斷提高。 在4 0 x 2 h 4 c m 鋼上得到了類似的結(jié)果，隨著形變量的增加，鋼的抗拉強(qiáng)度、 硬度、延伸率、斷面收縮率也都單調(diào)地升高。 其次，第二種類型。 高溫形變淬火的5 5 x i t 鋼拉伸性能與形變量之間的關(guān)系。當(dāng)形變量為2 5 4 0 時(shí)，獲得了最佳的力學(xué)性能。形變量再增加，強(qiáng)度與塑性都下降。此外，沖 擊值、疲勞極限，斷裂韌性、蠕變速度與形變量問的關(guān)系中都存在最佳形變量。 這種情況絕非偶然的巧合，而是與形變奧氏體中形變強(qiáng)化與再結(jié)晶弱化這兩種 相互矛盾的過程之間的交互作用有關(guān)?？梢酝茢?，影響這兩個(gè)過程的各種因素， 必然對(duì)最佳形變量有影響。 對(duì)于一般鋼材來說，在形變量與力學(xué)性能指標(biāo)間存在一個(gè)極值，乃是最普 遍的現(xiàn)象。因?yàn)樵谛巫冞^程中，所獲得的形變量( 一般按原始截面縮小的程度 來衡量) 與施加的應(yīng)力大小之間并不呈簡單的直線關(guān)系，而是隨后增加每一單 位形變量時(shí)所需的應(yīng)力大小由于前面的加工硬化而提高了很多。另一方面，形 變強(qiáng)化過程中，起始的形變部分要比隨后相同的形變量時(shí)所能造成的強(qiáng)化效果 要大。所以，單純的形變強(qiáng)化效果隨形變量的增大在開始階段比較明顯，而后 逐漸和緩。加之由于一般的形變是一次完成的，較大形變量所造成的材料的內(nèi) 熱會(huì)使溫度升高而促使再結(jié)晶過程易于進(jìn)行，使強(qiáng)化效果下降。 這樣，存在一個(gè)最佳形變量的情況便是很自然的了。對(duì)于大多數(shù)的鋼材來 說。高溫形變淬火時(shí)的最佳形變量約為2 5 4 0 9 6 。繼續(xù)增大形變量，強(qiáng)化效果不 再顯著增加，并因再結(jié)晶的發(fā)生而開始下降。 本次的變形手段為鍛造。 1 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 合理選擇鍛造方法是改善高速鋼碳化物偏析的重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)中常用的鍛 造方法有許多種，如單向鐓粗、單向拔長、軸向反復(fù)鐓拔 ( 1 ) 單向鐓粗單向鐓粗就是只進(jìn)行一次鐓粗。當(dāng)原材料的碳化物偏析級(jí)別 與鍛件要求的碳化物偏析級(jí)別接近時(shí)，可以采用此法。它一般用于制作薄形刀 具( 盤狀銑刀) 和小型模具。毛坯的高徑比一般應(yīng)小于3 。這種方法操作簡單， 但對(duì)碳化物的破碎作用不大 ( 2 ) 單向拔長對(duì)于長度與直徑之比較大的工件，當(dāng)原材料( 鋼材) 的碳化 物偏析級(jí)別與工件要求的碳化物偏析級(jí)別接近時(shí)，多采用單向拔長。通常，鍛 造比越大，工件中碳化物偏析的級(jí)別越低。但是，由于單向拔長變形的單向性， 過大的鍛比將導(dǎo)致碳化物呈帶狀分布，使橫向機(jī)械性能降低。單向拔長時(shí)，鍛 造比取2 4 為宣。 ( 3 ) 軸向反復(fù)鐓拔這種方法的變形過程如圖2 1 1 所示 月l - 鐓粗后高度；彳材料纖維方向；正一鐓拔后長度；，毛坯長度 圖2 _ 1 1 軸向反復(fù)鐓拔的變形過程 從表2 - 1 所列試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，把w 1 8 c r 4 v 鋼由由1 1 0 哪改鍛由6 0 m 的坯料 時(shí)，三次反復(fù)鐓拔較一次拔長對(duì)改善碳化物偏析程度具有明顯效果。