非完全奥氏化对珠光体等温转变组织与性能的影响

论文总字数：26316字

摘 要

本文以高碳热轧盘条为研究对象，探究了不同奥氏体化条件以及合金元素对共析转变的组织形貌以及力学性能的影响，为高性能热轧盘条的成分设计和热处理工艺改进提供了一定的理论支撑。主要得出以下结论：

对高碳盘条进行950℃奥氏体化处理，研究发现随着保温时间的延长，珠光体片层逐渐发生溶解，处于非完全奥氏体状态，最终组织中有残留的短棒状渗碳体存在；6min左右珠光体完全溶解，处于完全的奥氏体状态，最终组织为全片层状珠光体组织；同时，随着奥氏体保温时间的延长，抗拉强度不断升高，最终趋于稳定。对比不同Cr含量高碳盘条组织和力学性能变化，可以发现Cr元素的添加会提高奥氏体的形核速率并抑制奥氏体晶粒的长大速度；随着Cr元素含量的增加，拉伸断口逐渐由塑性断裂转变成塑性和脆性混合断裂，这可能与沿晶界处形成的网状异常组织有关。

对沿原奥氏体晶界析出的晶界异常组织(GB-α、DP)进行研究发现，晶界异常组织的形成与奥氏体均匀程度无关，在珠光体的共析转变过程中形成，并与合金元素的种类和含量有关。Si含量的增加会促进晶界铁素体（GB-α）的形成及增加晶界铁素体的厚度；而Mn含量和C含量对晶界铁素体的影响则相反。珠光体中铁素体-渗碳体两相界面处，Si元素在铁素体侧富集，而Mn元素在Fe₃C侧富集。在Fe₃C中Si元素含量极低，Si元素基本不溶于Fe₃C；而Mn元素为强碳化物形成元素，在铁素体中存在一定含量的Mn元素。

关键词：高碳珠光体；奥氏体化；力学性能；晶界异常组织

Abstract

In this paper, high carbon hot rolled wire rod is studied to explore the effect of austenitizing conditions as well as alloy elements on eutectoid transformation process and mechanical properties, which provide certain theoretical support for component design and heat treatment process of high performance hot rolled wire rods. The following main results are obtained in this experiment:

For 82B and 82BCr high carbon wire rods, austenitizing at 950 ℃, lamellar pearlite disappeared before 3 min with the prolongation of holding time, residual cementite particles disappeared after 6 min, and austenite grains grew rapidly after 6 min. Under the same austenitizing conditions, the addition of Cr promotes the nucleation rate of austenite and inhibits the growth rate of austenite grains. Austenitizing at 950℃ for different time and holding at 550℃ for 90 seconds, with the austenite holding time prolonging, the structure changes from the mixed structure of lamellar pearlite and granular pearlite to the whole lamellar pearlite, and the tensile strength increases continuously, then tends to a stable value. The tensile fracture of 82B wire rod is plastic, while that of 82BCr wire rod gradually changes from plastic fracture to brittle fracture, which is related to the abnormal network structure formed along grain boundary.

The abnormal grain boundary structure (GB-a, DP) precipitated along the original austenite grain boundary has nothing to do with the homogeneity of austenite, but with the type and content of alloy elements. For Fe-C-Mn-Si quaternary alloys, the increase of Si content and the decrease of C content promote the increase of grain boundary ferrite (GB-a), and the increase of Mn content inhibits the formation of grain boundary ferrite (GB-a).

Key words: Fe-C-Mn-Si quaternary high carbon steel; Fe-C-Mn-Si-Cr quaternary high carbon steel; austenitizing; mechanical properties; abnormal structure

目 录

摘 要 2

Abstract 4

第一章 绪论 6

1.1引言 6

1.2 冷拉拔钢丝生产工艺简介 6

1.2.1 冷拉拔钢丝的发展现状 6

1.2.2冷拉拔钢丝的生产流程 7

1.3珠光体向奥氏体逆转变过程 7

1.3.1 珠光体的组织结构 7

1.3.2奥氏体化过程 8

1.3.3 合金元素对奥氏体形成的影响 9

1.4奥氏体向珠光体转变过程 11

1.4.1 珠光体转变过程 11

1.4.2 合金元素对珠光体转变的影响 12

1.5 力学性能 15

1.6 本文的研究目的和主要研究内容 15

1.6.1 研究目的 15

1.6.2 研究内容 16

第二章 实验设备及实验方法 18

2.1 研究路线 18

2.2 实验材料 18

2.3 实验方法 19

2.3.1 奥氏体化过程 19

2.3.2 珠光体等温转变 19

2.4 微观组织及观察以及合金元素成分分析 19

2.4.1 OM分析 19

2.4.2 SEM分析 20

2.4.3 3DAP分析 20

2.5 力学性能测试 21

第三章 实验结果与分析 22

3.1 高碳盘条奥氏体化过程 22

3.1.1 保温时间对组织形貌变化的影响 22

3.1.2 保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响 23

3.2 高碳盘条等温转变过程 25

3.2.1 不同奥氏体化条件对等温组织转变的影响 25

3.2.2 力学性能 27

3.3 合金元素对晶界异常组织的影响 29

结论 31

致 谢 32

参考文献 33

1 绪论

• 1. 1引言

材料是2000年以来世界三大支柱产业之一，也是国民经济的物质根本。金属材料在其中具有非常重要的地位，并且钢材长期以来是人们使用最为普遍的金属原料。铁元素在地球上的储藏量十分丰富，并且具有可回收、价格低廉等优势，可以肯定即使在将来，钢铁材料的主导地位也很难被取代。高强度、高抗疲劳性能和高韧性以及强稳定性等良好的杰出的综合特质一向是钢铁及金属材料领域寻求的目标。具有良好的塑性形变能力的高碳钢丝作为大规模工业领域生产金属材料中强度最高的结构材料^[1]，是当前科研探索的重点。我国道桥建设也已经进入阶段，跨江、跨海等超大跨距桥梁的建设逐渐被纳入计划和提上日程，如港珠澳大桥、琼州海峡大桥和舟山群岛联岛大桥等。迄今为止，中国建成的斜拉桥共有30余座，其中跨度大于1000m的悬索桥20余座，仅排在德国、日本之后、位居世界第三^[2]。冷拉拔珠光体钢丝因其具有高强度的特性而作为重要的结构件，常被用来建造桥梁缆索。

桥梁缆索用的钢丝一般选用高碳微合金化热轧盘条为原始材料，而热轧盘条的热处理工艺以及合金成分的含量和种类对盘条的组织和性能具有重要影响。对于拉拔变形过程中珠光体组织的演化以及珠光体钢丝的性能已经开展了大量的研究。 但是珠光体的初始对后续珠光体钢丝的冷拉拔变形以及强化产生影响。为此，各国的研究学者深透探索了珠光体转变的热力学和动力学过程，以及合金元素、转变条件对微观组织转变和力学性能的影响。

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