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1、高氮奥氏体中温转变过程研究上海交通大学博士学位论文高氮奥氏体中温转变过程研究姓名:卑多慧申请学位级别:博士专业:材料学指导教师:潘健生;朱祖昌20030101上海交通大学博士学位论文高氮奥氏体中温转变过程研究摘要奥氏体渗氮加中温等温工艺可以获得显微硬度超过的表面渗层,有望作为一种洁净化学热处理方法替代奥氏体氮碳共渗或渗碳工艺。然而,在.奥氏体中温转变机理方面,尚存在较多的分歧,阻碍了.奥氏体中温处理工艺在工业上的应用和推广。本文利用多种观察测试手段分析研究了高氮奥氏体中温等温处理过程中的转变机理、分解产物形貌、分解序列、位向关系、显微硬度的变化等等,并与前人试验结
2、果做对比,重点分析了.合金的晶体学特征及其引起的一系列转变的特殊性。采用.厚度的工业纯铁薄片℃气体渗氮,制备了含氮量分布不同的三种试样:①未渗穿试样即中心包含未发生转变的铁素体的奥氏体淬火层;②存在明显氮浓度梯度的过冷奥氏体单相层;③氮浓度分布基本均匀的过冷奥氏体单相层。为了研究含氮马氏体淬火层中残余奥氏体的中温转变及其对整体显微硬度的影响,并将其中温转变产物与回火马氏体组织作对比,还相应制备了三种高氮马氏体试样。研究结果表明:在未渗穿试样的奥氏体单相区域,奥氏体的分解速度与其含氮量紧密相关。含氮奥氏体基本完成分解所需要的时间与其含氮量的关系基本满足:.,其中为含
3、氮量叭%,叭%摘要.%,为需要的时间。含氮量越高,奥氏体分解基本结束需要的时间越短,且其分解后能够达到显微硬度最高值越高。℃等温冷至室温后,原奥氏体层高氮区分解产物的显微硬度可超过,且随等温时间的延长下降不明显。利用分段渗氮法氨分解率~%,渗氮氨分解率~%,渗氮成功制备了厚度为~、含氮量基本均匀的过冷高氮奥氏体试样。射线衍射点阵常数精确测定法测得该奥氏体含氮量在.~.%范围。这一工艺的获得为含氮奥氏体中温转变研究的顺利进行及进一步深入创造了条件。含氮量位于.~.%范围的过冷奥氏体试样,在。等温后,首先析出’.,形成.丫‘一的亚稳定状态。利用。衍射方法证实高氮奥氏体
4、中温分解前期存在“丫一的先析出”阶段,为本文首次报道。这一发现验证了观察中发现“大量的弥散,.析出相”的事实。在℃等温处理~.冷至室温后发现:.衍射峰急剧减弱,而衍射峰大大增强,并且显微硬度急剧上升。等温~后,衍射峰消失,最终形成.竹’.两相组织,显微硬度可超过。等温时间继续延长至,分解产物长大不明显,显微硬度仍可以保持在以上。研究发现:高氮奥氏体。等温前期;奥氏体晶内发生弥散沉淀析出弘,而在位错等缺陷处形成层片状的丫。组织,形成,.亚稳定状态,其中丫.与母相丫.符合?的位向关系;高氮奥氏体在晶界两侧同时发生相变,分解成仪一竹‘一。两相层状组织,分解区域由晶界生向
5、晶内的宽度相近,上海交通大学博士学位论文与晶内分解产物有明显的分界线,并在分解后期变化不大。高氮奥氏体。等温分解后期,等温试样观察发现:①明场组织具有规则波折状形貌组织;②晶带轴的电子衍射花样中,在、等晶面衍射矢量方向出现双超点阵,但在、晶面的衍射矢量方向没有发现这一现象;③类型仪.孪晶衍射花样。等温试样研究表明:奥氏体分解基本完成,组织仍然非常细密,..与或丫一之间的位向关系基本符合】。//缸,与缸几乎平行。作者认为高氮奥氏体中温分解及随后冷至室温过程中形成?Ⅸ’.相存在两种可能性:等温后期由贫氮奥氏体切变形成旺’.,并促使,一进一步析出;②。等温处理后,在冷却
6、至室温过程中,贫氮奥氏体中发生“类马氏体”转变形成Ⅸ’.,分解产物中过饱和氮原子。无论哪种方式,都与高氮奥氏体中温处理前期析出大量矿。弥散相造成母相贫氮有关。高氮奥氏体液氮深冷处理后,可以得到包含大体积百分数残余奥氏体的马氏体淬火混合组织,其中含有大量的“薄板状”形貌的?马氏体,并且薄板状马氏体体积比例随含氮量的增加而增加。这对常见的“?马氏体形貌分为板条状和片状”的划分方式是有益的补充。℃等温长时间处理后,原与高氮马氏体并存的残余奥氏体分解成弥散细小仪.和‖一两相组织,其分解区与回火马氏体区域有明显的分界,形貌特征与回火马氏体或贝氏体都有明显的差别。残余奥氏体的
7、分解产物可以使整体显微硬度明显升高,但与高氮奥氏体单相组织同温度等温分解组织相比,虽然最终分解产物相同,但高氮奥氏体中温分解产物组织细密,显微硬度更高,并且不易粗化。摘要本文首次报道了“高氮奥氏体℃中温等温处理后冷至室温后出现局部超高显微硬度”的现象,其估计值甚至超过硬质合金和烧结碳化硅陶瓷。超高硬度区域较少,常常出现在含氮量基本均匀的奥氏体试样中靠近表面氮化物层区域的奥氏体分解区。该区域的形成可能与奥氏体层内的高氮浓度以及存在微区氮浓度分布不均匀有关,估计当高氮奥氏体形成.’.与’。两纳米尺度相相互分割,可显示出纳米强化与相变强化相结合的超高硬度效果。根据这一发
8、现提出“开
