电-热-力复合场对42CrMo/T250钢微观组织及力学性能的影响
发布时间：2023-01-30 14:04
先进高强度钢凭借其优异的力学性能、良好的成型性能以及较低的制造成本,在汽车制造、军工以及航天等领域有着十分广阔的应用前景。纵观第一代到第三代先进高强钢的发展历程,以“复相、多尺度”为基础的调控理论研制具有“亚稳相、超细晶基体”等特点的超级钢逐渐受到青睐。现今,在轻量化和智能制造等一些列工业背景下,如何更快速高效且低能耗地开发更轻质、高性能的钢材也成为了材料加工领域的研究热点。高能瞬时电脉冲处理,自电致塑性效应被发现以来,就备受材料研究人员的关注。近些年来,伴随着对非平衡固态相变机理、多物理场作用下微观结构的演变规律以及相应伴生现象的深入研究,电致强化这一概念也逐渐受到重视,电脉冲处理在钢铁材料的强韧化等方面也实现了一定程度的工程化应用。此外,基于电子风冲击、电迁移效应对快速相变以及再结晶的影响,采用脉冲电流对钢材进行细化及强韧化处理完全符合第三代先进高强钢的开发宗旨和组织性能要求特点。但以往的工作多集中在对电脉冲处理诱发的组织细化以及强塑性同时提升等方面的浅层研究,而缺乏对位错组态、界面迁移、晶体取向以及析出行为等方向的实质性深入探索。因此,研究脉冲电流作用下钢材的亚结构演化及强韧化机...
【文章页数】：277 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题目的与意义
1.2 钢铁材料的研究现状
1.3 42 CrMo钢简介
1.3.1 42 CrMo钢的国内外发展背景
1.3.2 42 CrMo钢的组织及性能特点
1.3.3 42 CrMo钢的国内研究现状
1.3.4 42 CrMo钢的国外研究现状
1.4 马氏体时效钢简介
1.4.1 马氏体时效钢的国内外发展背景
1.4.2 T-250 马氏体时效钢的由来
1.4.3 马氏体时效钢的性能特征
1.4.4 马氏体时效钢的国内外应用现状
1.4.5 马氏体时效钢的国内研究现状
1.4.6 马氏体时效钢的国外研究现状
1.5 金属材料的强韧化研究背景
1.5.1 几大主要强化机制
1.5.2 新强韧化机理的国内外研究现状
1.5.3 金属材料的组织细化方法
1.5.3.1 铸态组织的细化
1.5.3.2 形变、热处理以及形变+热处理
1.5.3.3 冶金
1.5.3.4 特种处理
1.5.4 钢铁材料传统晶粒细化工艺存在的问题
1.6 高能瞬时电脉冲处理简介
1.6.1 电脉冲处理的物理效应
1.6.2 脉冲电流物理效应的实质体现
1.6.2.1 电致塑性
1.6.2.2 脉冲电流诱发再结晶
1.6.2.3 位错组态的改变
1.6.2.4 脉冲电流诱导析出与回溶
1.6.2.5 PLC效应的改变
1.6.2.6 快速固态相变
1.6.2.7 电流对钢材奥氏体化机制的影响
1.6.2.8 特殊性能的改善
1.6.3 电脉冲处理的应用概述
1.6.3.1 电脉冲处理的工业化背景
1.6.3.2 电脉冲处理的数学模型
1.7 应用电脉冲技术进行钢材强韧化的可行性探讨
1.8 本文应用电脉冲技术拟解决的问题
1.9 研究内容
第2章 实验方法
2.1 实验材料
2.1.1 42 CrMo钢的制备
2.1.2 T250 钢的制备
2.1.3 初始态显微组织
2.2 实验工艺及方案
2.2.1 42 CrMo钢的实验流程
2.2.2 T250 钢的实验流程
2.3 电脉冲处理装置
2.4 实验设备
2.4.1 硬件
2.4.2 软件
2.5 试样制备
2.5.1 显微组织观察、表征及硬度测试
2.5.2 TEM样品制备
2.5.3 原奥氏体晶界观察
2.5.4 EBSD样品制备
2.5.5 AFM样品制备
2.5.6 APT样品制备
2.5.7 拉伸测试样品制备
2.5.8 XPS样品制备
2.5.9 DSC样品制备
2.5.10 断口分析
2.5.11 试样尺寸
2.6 技术路线
第3章 电脉冲处理过程中的有限元数值模拟
3.1 引言
3.2 多物理场耦合的理论基础
3.2.1 经典热力学理论与基本方程
3.2.2 耦合场方程
3.3 电脉冲处理T250 钢的有限元模拟
3.3.1 模拟预设置
3.3.2 几何定义及网格划分
3.3.3 材料属性定义
3.3.4 边界条件设定与载荷施加
3.4 电脉冲处理模拟结果及后处理
3.4.1 温度场分布
3.4.2 电流密度分布
3.4.3 应力分布
3.5 本章小结
第4章 电脉冲淬火处理对42CrMo钢组织与性能的影响
4.1 引言
4.2 不同时长脉冲电流作用下淬火态42CrMo钢的组织与性能
4.2.1 显微组织演变
4.2.2 硬度变化
4.3 脉冲电流作用下42CrMo钢的组织演变机理
4.3.1 晶粒细化
4.3.2 亚结构变化
4.3.3 残余奥氏体稳定性的提高
4.3.4 马氏体的转变机制
4.4 脉冲电流作用下42CrMo钢的强韧化
4.4.1 拉伸性能
4.4.2 强化机理
4.4.3 韧化机理
4.5 本章小结
第5章 电脉冲回火处理对42CrMo钢组织及性能的影响
5.1 引言
5.2 TQ态42CrMo钢的回火处理
5.2.1 不同时长EPT处理对TQ态42CrMo组织与性能的影响
5.2.2 不同温度TT处理对TQ态42CrMo组织与性能的影响
5.3 EPQ态42CrMo钢的回火处理
5.3.1 不同时长EPT处理对EPQ态42CrMo组织与性能的影响
5.3.2 不同温度TT处理对EPQ态42CrMo组织与性能的影响
5.4 42 CrMo钢回火过程的机理分析
5.4.1 组织演变机制
5.4.2 组织-性能关系以及力学行为
5.5 层片碳化物的形成机理及其对强韧性的影响
5.5.1 形成机制
5.5.2 层状碳化物对力学性能的影响
5.6 本章小结
第6章 电脉冲固溶处理对T250 钢组织与性能的影响
6.1 引言
6.2 T250 钢的EPS处理的工艺优化
6.2.1 显微组织
6.2.2 拉伸性能及断口分析
6.3 固溶态T250 钢组织演变及强韧化机理分析
6.3.1 显微组织及亚结构转变机制
6.3.2 强化机制
6.3.3 韧化机制
6.4 本章小结
第7章 电脉冲时效处理对TS态 T250 钢组织与性能的影响
7.1 引言
7.2 时效态TS试样的时效硬化曲线及拉伸性能
7.3 时效态TS试样的显微组织
7.3.1 马氏体的回复及逆变奥氏体的形成
7.3.2 析出行为
7.4 TS+EPA(280 ms)试样中NixTiy相的形成及演化机理
7.5 时效态TS试样的强韧化机理
7.5.1 强化机制
7.5.2 基于第一性原理的NixTiy相的分子动力学模拟
7.5.3 韧化机理
7.6 本章小结
第8章 电脉冲时效处理对EPS态 T250 钢组织与性能的影响
8.1 引言
8.2 时效态EPS试样的时效硬化曲线
8.3 时效态EPS试样的显微组织
8.4 纳米逆变奥氏体的形成机理
8.5 时效态EPS试样的强韧化机理
8.5.1 强化机制
8.5.2 韧化机制
8.6 本章小结
第9章 结论
展望
参考文献
作者简介及在攻读博士期间所取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]In-situ observation of solid-liquid interface transition during directional solidification of Al-Zn alloy via X-ray imaging[J]. Yuanhao Dong,Sansan Shuai,Tianxiang Zheng,Jiawei Cao,Chaoyue Chen,Jiang Wang,Zhongming Ren. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2020(04)
[2]Electron force-induced dislocations annihilation and regeneration of a superalloy through electrical in-situ transmission electron microscopy observations[J]. Xina Zhang,Hongwei Li,Mei Zhan,Zebang Zheng,Jia Gao,Guangda Shao. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2020(01)
[3]中国汽车市场预测及细分领域市场案例分析[J]. 欧鹏飞,冯乾隆. 汽车实用技术. 2019(23)
[4]青铜/铌复合材料的高压扭转变形过程（英文）[J]. S.O.ROGACHEV,S.A.NIKULIN,V.M.KHATKEVICH,R.V.SUNDEEV,D.A.KOZLOV. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[5]600 MPa级Nb-Ti微合金化高成形性元宝梁用钢的强化机制[J]. 惠亚军,潘辉,刘锟,李文远,于洋,陈斌,崔阳. 金属学报. 2017(08)
[6]Ti-Ni金属间化合物电子结构与力学性质的第一性原理计算[J]. 王鹏,李军,林崇智,杨柳,彭琳,王莹,肖聪,陈敬超. 中国有色金属学报. 2016(12)
[7]多相强化型马氏体时效不锈钢中的合金元素偏聚效应[J]. 田家龙,李永灿,王威,严伟,单以银,姜周华,杨柯. 金属学报. 2016(12)
[8]先进金属材料的第二相强化[J]. 吕昭平,蒋虽合,何骏阳,周捷,宋温丽,吴渊,王辉,刘雄军. 金属学报. 2016(10)
[9]中国制造业现状及国际先进制造技术发展趋势[J]. 柳百成. 世界制造技术与装备市场. 2015(04)
[10]析出相对马氏体时效钢氢扩散系数的影响[J]. 谢春乾,李金许,李倩,张智,宿彦京,乔利杰. 材料热处理学报. 2014(11)
博士论文
[1]复合变质Al-20Mg2Si合金中初生Mg2Si形态调控[D]. 于宏辰.吉林大学 2017
[2]脉冲电流对高强度钢组织与力学性能的影响及数值模拟分析[D]. 马炳东.吉林大学 2014
[3]淬火态30CrMnSiA和42CrMo钢等离子体稀土氮碳共渗层组织与性能[D]. 唐丽娜.哈尔滨工业大学 2013
[4]电脉冲法消除残余应力的理论及关键技术研究[D]. 郑建毅.浙江大学 2011
硕士论文
[1]脉冲电流处理对45钢组织和力学性能的影响[D]. 马俊.吉林大学 2018
[2]脉冲电流处理H13钢组织演变及热疲劳行为的研究[D]. 尹德猛.吉林大学 2010
本文编号：3733144
【文章页数】：277 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题目的与意义
1.2 钢铁材料的研究现状
1.3 42 CrMo钢简介
1.3.1 42 CrMo钢的国内外发展背景
1.3.2 42 CrMo钢的组织及性能特点
1.3.3 42 CrMo钢的国内研究现状
1.3.4 42 CrMo钢的国外研究现状
1.4 马氏体时效钢简介
1.4.1 马氏体时效钢的国内外发展背景
1.4.2 T-250 马氏体时效钢的由来
1.4.3 马氏体时效钢的性能特征
1.4.4 马氏体时效钢的国内外应用现状
1.4.5 马氏体时效钢的国内研究现状
1.4.6 马氏体时效钢的国外研究现状
1.5 金属材料的强韧化研究背景
1.5.1 几大主要强化机制
1.5.2 新强韧化机理的国内外研究现状
1.5.3 金属材料的组织细化方法
1.5.3.1 铸态组织的细化
1.5.3.2 形变、热处理以及形变+热处理
1.5.3.3 冶金
1.5.3.4 特种处理
1.5.4 钢铁材料传统晶粒细化工艺存在的问题
1.6 高能瞬时电脉冲处理简介
1.6.1 电脉冲处理的物理效应
1.6.2 脉冲电流物理效应的实质体现
1.6.2.1 电致塑性
1.6.2.2 脉冲电流诱发再结晶
1.6.2.3 位错组态的改变
1.6.2.4 脉冲电流诱导析出与回溶
1.6.2.5 PLC效应的改变
1.6.2.6 快速固态相变
1.6.2.7 电流对钢材奥氏体化机制的影响
1.6.2.8 特殊性能的改善
1.6.3 电脉冲处理的应用概述
1.6.3.1 电脉冲处理的工业化背景
1.6.3.2 电脉冲处理的数学模型
1.7 应用电脉冲技术进行钢材强韧化的可行性探讨
1.8 本文应用电脉冲技术拟解决的问题
1.9 研究内容
第2章 实验方法
2.1 实验材料
2.1.1 42 CrMo钢的制备
2.1.2 T250 钢的制备
2.1.3 初始态显微组织
2.2 实验工艺及方案
2.2.1 42 CrMo钢的实验流程
2.2.2 T250 钢的实验流程
2.3 电脉冲处理装置
2.4 实验设备
2.4.1 硬件
2.4.2 软件
2.5 试样制备
2.5.1 显微组织观察、表征及硬度测试
2.5.2 TEM样品制备
2.5.3 原奥氏体晶界观察
2.5.4 EBSD样品制备
2.5.5 AFM样品制备
2.5.6 APT样品制备
2.5.7 拉伸测试样品制备
2.5.8 XPS样品制备
2.5.9 DSC样品制备
2.5.10 断口分析
2.5.11 试样尺寸
2.6 技术路线
第3章 电脉冲处理过程中的有限元数值模拟
3.1 引言
3.2 多物理场耦合的理论基础
3.2.1 经典热力学理论与基本方程
3.2.2 耦合场方程
3.3 电脉冲处理T250 钢的有限元模拟
3.3.1 模拟预设置
3.3.2 几何定义及网格划分
3.3.3 材料属性定义
3.3.4 边界条件设定与载荷施加
3.4 电脉冲处理模拟结果及后处理
3.4.1 温度场分布
3.4.2 电流密度分布
3.4.3 应力分布
3.5 本章小结
第4章 电脉冲淬火处理对42CrMo钢组织与性能的影响
4.1 引言
4.2 不同时长脉冲电流作用下淬火态42CrMo钢的组织与性能
4.2.1 显微组织演变
4.2.2 硬度变化
4.3 脉冲电流作用下42CrMo钢的组织演变机理
4.3.1 晶粒细化
4.3.2 亚结构变化
4.3.3 残余奥氏体稳定性的提高
4.3.4 马氏体的转变机制
4.4 脉冲电流作用下42CrMo钢的强韧化
4.4.1 拉伸性能
4.4.2 强化机理
4.4.3 韧化机理
4.5 本章小结
第5章 电脉冲回火处理对42CrMo钢组织及性能的影响
5.1 引言
5.2 TQ态42CrMo钢的回火处理
5.2.1 不同时长EPT处理对TQ态42CrMo组织与性能的影响
5.2.2 不同温度TT处理对TQ态42CrMo组织与性能的影响
5.3 EPQ态42CrMo钢的回火处理
5.3.1 不同时长EPT处理对EPQ态42CrMo组织与性能的影响
5.3.2 不同温度TT处理对EPQ态42CrMo组织与性能的影响
5.4 42 CrMo钢回火过程的机理分析
5.4.1 组织演变机制
5.4.2 组织-性能关系以及力学行为
5.5 层片碳化物的形成机理及其对强韧性的影响
5.5.1 形成机制
5.5.2 层状碳化物对力学性能的影响
5.6 本章小结
第6章 电脉冲固溶处理对T250 钢组织与性能的影响
6.1 引言
6.2 T250 钢的EPS处理的工艺优化
6.2.1 显微组织
6.2.2 拉伸性能及断口分析
6.3 固溶态T250 钢组织演变及强韧化机理分析
6.3.1 显微组织及亚结构转变机制
6.3.2 强化机制
6.3.3 韧化机制
6.4 本章小结
第7章 电脉冲时效处理对TS态 T250 钢组织与性能的影响
7.1 引言
7.2 时效态TS试样的时效硬化曲线及拉伸性能
7.3 时效态TS试样的显微组织
7.3.1 马氏体的回复及逆变奥氏体的形成
7.3.2 析出行为
7.4 TS+EPA(280 ms)试样中NixTiy相的形成及演化机理
7.5 时效态TS试样的强韧化机理
7.5.1 强化机制
7.5.2 基于第一性原理的NixTiy相的分子动力学模拟
7.5.3 韧化机理
7.6 本章小结
第8章 电脉冲时效处理对EPS态 T250 钢组织与性能的影响
8.1 引言
8.2 时效态EPS试样的时效硬化曲线
8.3 时效态EPS试样的显微组织
8.4 纳米逆变奥氏体的形成机理
8.5 时效态EPS试样的强韧化机理
8.5.1 强化机制
8.5.2 韧化机制
8.6 本章小结
第9章 结论
展望
参考文献
作者简介及在攻读博士期间所取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]In-situ observation of solid-liquid interface transition during directional solidification of Al-Zn alloy via X-ray imaging[J]. Yuanhao Dong,Sansan Shuai,Tianxiang Zheng,Jiawei Cao,Chaoyue Chen,Jiang Wang,Zhongming Ren. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2020(04)
[2]Electron force-induced dislocations annihilation and regeneration of a superalloy through electrical in-situ transmission electron microscopy observations[J]. Xina Zhang,Hongwei Li,Mei Zhan,Zebang Zheng,Jia Gao,Guangda Shao. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2020(01)
[3]中国汽车市场预测及细分领域市场案例分析[J]. 欧鹏飞,冯乾隆. 汽车实用技术. 2019(23)
[4]青铜/铌复合材料的高压扭转变形过程（英文）[J]. S.O.ROGACHEV,S.A.NIKULIN,V.M.KHATKEVICH,R.V.SUNDEEV,D.A.KOZLOV. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[5]600 MPa级Nb-Ti微合金化高成形性元宝梁用钢的强化机制[J]. 惠亚军,潘辉,刘锟,李文远,于洋,陈斌,崔阳. 金属学报. 2017(08)
[6]Ti-Ni金属间化合物电子结构与力学性质的第一性原理计算[J]. 王鹏,李军,林崇智,杨柳,彭琳,王莹,肖聪,陈敬超. 中国有色金属学报. 2016(12)
[7]多相强化型马氏体时效不锈钢中的合金元素偏聚效应[J]. 田家龙,李永灿,王威,严伟,单以银,姜周华,杨柯. 金属学报. 2016(12)
[8]先进金属材料的第二相强化[J]. 吕昭平,蒋虽合,何骏阳,周捷,宋温丽,吴渊,王辉,刘雄军. 金属学报. 2016(10)
[9]中国制造业现状及国际先进制造技术发展趋势[J]. 柳百成. 世界制造技术与装备市场. 2015(04)
[10]析出相对马氏体时效钢氢扩散系数的影响[J]. 谢春乾,李金许,李倩,张智,宿彦京,乔利杰. 材料热处理学报. 2014(11)
博士论文
[1]复合变质Al-20Mg2Si合金中初生Mg2Si形态调控[D]. 于宏辰.吉林大学 2017
[2]脉冲电流对高强度钢组织与力学性能的影响及数值模拟分析[D]. 马炳东.吉林大学 2014
[3]淬火态30CrMnSiA和42CrMo钢等离子体稀土氮碳共渗层组织与性能[D]. 唐丽娜.哈尔滨工业大学 2013
[4]电脉冲法消除残余应力的理论及关键技术研究[D]. 郑建毅.浙江大学 2011
硕士论文
[1]脉冲电流处理对45钢组织和力学性能的影响[D]. 马俊.吉林大学 2018
[2]脉冲电流处理H13钢组织演变及热疲劳行为的研究[D]. 尹德猛.吉林大学 2010
本文编号：3733144
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