无间隙原子钢和2.25Cr1Mo钢的脆化机制研究

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1、博士学位论文无间隙原子钢和2.25Cr1Mo钢的脆化机制研究STUDYONEMBRITTLEMENTMECHANISMSOFINTERSTITIAL-FREEAND2.25Cr1MoSTEELS赵禹哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG111.91学校代码：10213国际图书分类号：669密级：公开工学博士学位论文无间隙原子钢和2.25Cr1Mo钢的脆化机制研究博士研究生：赵禹导师：宋申华教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:

2、TG111.91U.D.C:669DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONEMBRITTLEMENTMECHANISMSOFINTERSTITIAL-FREEAND2.25Cr1MoSTEELSCandidate：ZhaoYuSupervisor：Prof.SongShenhuaAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：ShenzhenGraduate

3、SchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要无间隙原子（IF）钢和2.25Cr1Mo钢都具有碳当量低，韧性和塑性良好等特点。这两种钢因成分和性能的差异被应用于不同的领域。其中，具有良好深冲性能的无间隙原子钢是汽车车身覆盖件及部分结构件的主要材料。2.25Cr1Mo钢因具有良好的韧性、较高的抗氧化性和耐高温性能，被广泛应用于制造各种高温承压容器及管道等。然而，IF钢中的固溶强化元素磷会在热轧等过程中发生晶

4、界偏聚，引起材料的非硬化脆化；同时在深冲和冷轧过程中会发生硬化脆化现象。2.25Cr1Mo钢在长期中等温度的服役过程中，钢中的杂质元素会发生晶界偏聚并引起材料的非硬化脆化；工程实践中的诸如焊接、时效析出等过程会引起钢的硬化脆化。此外，晶粒尺寸会同时影响钢的硬化和非硬化脆化。可见，钢铁材料的脆化往往是由硬化脆化和非硬化脆化这两种机制共同作用的结果，而目前还没有这方面的研究。因此，本文主要研究磷的晶界偏聚、强化硬化和晶粒尺寸对IF钢和2.25Cr1Mo钢脆性的综合影响，并揭示低合金钢的硬化与非硬化联合脆化机制。本课题以IF钢和2.25Cr1

5、Mo钢为研究对象，通过高温热处理、时效热处理、室温拉伸、焊接热模拟等方法，获得不同晶粒尺寸、磷晶界偏聚浓度和强化硬化的试样。通过系列冲击实验并结合扫描电子显微镜（SEM）进行断口形貌观察，测定试样的断口形貌转变温度（FATT）。利用硬度测试、金相分析、俄歇电子能谱分析（AES）、场发射扫描透射电子显微镜（FEGSTEM）、电子背散射衍射（EBSD）等表征手段，对试样的微观组织、晶界化学成分、晶界特征结构、维氏硬度等参数进行表征。综合分析IF钢和2.25Cr1Mo钢的断口形貌转变温度与材料的强度（硬度）、晶粒尺寸和磷晶界偏聚浓度之间的关系

6、，建立IF钢和2.25Cr1Mo钢的硬化与非硬化联合脆化的数学模型。o研究发现，高温淬火的IF钢在600C恒温时效过程中的P晶界偏聚表现出非平衡的特征，并且在时效20h后恢复平衡状态。此外，P在IF钢和2.25Cr1Mo钢中的平衡晶界偏聚浓度随晶粒尺寸的增加而增加，随温度增加而降低。研究表明，晶粒尺寸增加会促使钢中大角度晶界和高Σ指数的CSL晶界的含量增加，这是导致不同晶粒尺寸的钢中P晶界偏聚浓度不同的重要因素。通过偏聚热力学的理论分析认为，偏聚自由能随晶粒尺寸增加而增加，同时偏聚熵和焓在变化中存在一定的线性关系。对不同晶粒尺寸、磷晶界

7、浓度和屈服强度的IF钢的FATT进行了测定，研究表明IF钢的FATT与磷晶界偏聚浓度（Cp，at.%）和屈服强度（σs，10MPa）成正-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文-1/2-1/2线性相关性，与晶粒尺寸（d，mm）成负线性相关性。而且，FATT与磷晶界偏聚浓度或屈服强度之间的线性关系受晶粒尺寸的影响，而磷晶界偏聚和屈服强度两者与FATT之间的关系是互不影响的。以泰勒公式为模型，建立的脆化公式为：o-12-12-12FATT(C)=2.1Cp+3.48σs-22.36d+0.64(Cp-14)(d-3.06)+0.896(σs-1

8、4)(d-3.06)-13.7，其中Cp、σs、d分别表示磷的晶界偏聚浓度（at.%）、屈服强度（10MPa）、晶粒尺寸（mm）。然而，2.25Cr1Mo钢的脆化机制与IF钢有所不同。其中，最主要的是2.2