合金元素铝和硅对超高碳钢组织和性能的影响

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1、河北工业大学硕士学位论文合金元素铝和硅对超高碳钢组织和性能的影响摘要超高碳钢的碳含量(C>1.0%)介于常用钢材和铸铁之间，由于碳含量较高，采用常规工艺生产时，碳以粗大脆性网状碳化物的形式沿原奥氏体晶界析出，使材料的脆性显著增加。研究表明采用适当的工艺将其中网状碳化物破碎或抑制其析出，使钢得到等轴状铁素体基体上均匀分布的球状碳化物组织时，能够使钢获得良好的力学性能。本研究利用真空熔炼技术制备化学成份为C＝1.5～1.9％，Cr＝1.3～1.7％，Al＝1.0～4.0％或Si＝2.0～3.0％的超高碳钢，以铸锭在1050～1100℃轧制成的直径20～25mm的棒材作为

2、本研究的母材，然后根据需要对样品进行热处理，组织分析和力学性能测试等。研究结果表明：(1)合金元素Al和Si均能够抑制超高碳钢中粗大网状碳化物在原奥氏体晶界上析出，但是Al的作用优于Si。它们也能够细化珠光体，减小珠光体片间距，但Al细化的作用优于Si，例如UHCS-2.83Si钢珠光体片间距为0.2μm，UHCS-2.61Al钢珠光体片间距达到0.072μm。(2)Si对珠光体形态几乎没有影响，Al对珠光体形态影响较大，Al<2.0%时形成细片状珠光体，珠光体团尺寸很小，碳化物片分叉增多，Al>2.0%时形成的珠光体在低倍下看似很粗大，且薄厚不均匀，但高倍电镜观察

3、的结果表明这些看似“粗大”的渗碳体片实际上是由铁素体和许多更为细小的碳化物片组成，而且珠光体片间距也很均匀。(3)Si在促进超高碳钢石墨化方面的作用要优于Al。UHCS-2.13Si钢组织中有少量细片状石墨析出，UHCS-2.83Si钢中析出的片状石墨数量增多，且尺寸增大。C＝1.49％，Cr＝1.52％，Al＝4.02％的超高碳钢中没有石墨析出，而C＝1.92％，Cr＝1.58％，Al＝4.03％超高碳钢因碳含量增多导致仅析出一定量尺寸较小的团絮状石墨。(4)含Al超高碳钢表现出很好的锻造性能，即使有石墨析出的UHCS-4.03Al钢仍然能够顺利锻造成棒材，且材料

4、的表面质量较好。由于片状石墨相存在，含Si超高碳钢的锻造性能则相对较差，一经锻打就开裂，甚至UHCS-2.83Si钢完全不能锻造成棒材。(5)超高碳钢（C＝1.5～1.7％，Cr＝1.5～1.6％，Al＝2.3～4.0％）在820℃～880℃范围内随球化退火温度的不断提高，钢中碳化物的球化效果逐渐变好。球化退火处理后钢的塑性得到明显改善，材料的应力-应变曲线上都存在明显的屈服平台。钢的塑性受第二相粒子类型影响较大，例如UHCS-4.02Al钢经820℃×2h球化退火得到有很多片状碳化物存在的球化组织，经850℃×3h球化退火i合金元素铝和硅对超高碳钢组织和性能的影响

5、得到有少量细小片状碳化物存在的球化组织，经880℃×2h球化退火后才能得到碳化物完全球化的球化组织，而且该钢在不同退火条件下都有很高的强度（σs≈700Mpa,σb≈1000MPa），由于存在金属间化合物Al13Fe4它的塑性始终无法改善。而UHCS-2.61Al钢第二相主要是Fe3C，因此经820℃×2h和850℃×3h球化退火处理在保持很高强度（σs≈700Mpa,σb≈1000MPa）的情况下能够获得δ＝18%的塑性。关键词：超高碳钢，球化退火，碳化物，合金化，铝，硅ii河北工业大学硕士学位论文EFFECTOFALLOYINGELEMENTSALANDSION

6、MICROSTRUCTURESANDMECHANICALPROPERTIESOFTHEULTRAHIGHCARBONSTEELSABSTRACTUltrahighcarbonsteels（UHCSs）arethesteelswhichcontaincarbonbetweenthoseofconventionalsteelsandcastirons,inwhichthecontinuousnetworkcarbidesprecipitatealongprimaryaustenitegrainboundariesunderroutineprocessing,andthe

7、ngreatlyincreasebrittlenessofthesteels.However,itrevealedthatmechanicalpropertiesofthesteelscanbegreatlyimprovedbyobtainingmicrostructuresfineequiaxedferritematrixandspheroidalcarbides.UHCSswithchemicalcompositionsofC＝1.5～1.9％，Cr＝1.3～1.7％，Al＝1.0～4.0％orSi＝2.0～3.0％werepreparedbyvacuumm