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不锈钢复合板热处理行为的材料工程研究

时间:2018-06-29 08:02来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇材料工程论文,材料工程硕士属于工程硕士下属的一个研究领域,全称Master Of Material Engineering,工程硕士领域代码为430105。
本文是一篇材料工程论文,材料工程硕士属于工程硕士下属的一个研究领域,全称Master Of Material Engineering,工程硕士领域代码为430105。主要培养具有坚实材料工程理论基础和专业知识,了解材料工程行业内发展动向的,掌握材料化学成分和组织结构的分析方法、材料制造过程的质量监控、材料的改进技术等。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇材料工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 研究背景及研究目的和意义
随着中国装备、石化、核电、海洋事业的迅猛发展,工业技术也飞速进步,而传统钢铁产品已经不足以应对使用需求,许多特殊领域及用途通常需要特殊性能的贵重材料,高效节能的不锈钢-碳钢复合板受到许多领域的青睐,且它是将低碳钢作为基层,与不锈钢覆层用一定的方法结合而成的复合钢板,市场供应量急剧上升。不锈钢复合板不仅具有不锈钢的耐腐蚀性、耐高温氧化性、耐热、抗磁等特征,又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性,此外,不锈钢复合板既实现不锈钢与碳钢性能的的优势互补,又降低了成本,节约了不锈钢中贵重金属元素。以不锈钢复合板取代不锈钢,相关的加工制造企业可节约 1/3 的原材料成本,目前我们仍在发展中国家行列,每年人均需求的不锈钢量只有欧美国家的几分之一,因此具有非常大的提升空间以及市场潜力[1-3]。不锈钢复合板是指在较厚规格低碳或低合金钢(基板、基材或基层)的单面或双面包覆(冶金复合)较薄(0.1~20mm)的不锈钢覆层,在金属复合板中所占比例超过 80%,是目前世界上使用量较大的一种层状结构复合材料。不锈钢复合板按厚度规格可分为薄板(0.4~8mm)、中板(9~20mm)和厚板(21~150mm)。轧制设备的局限性以及轧制水平造就我国目前生产的不锈钢-碳钢复合板产品规格多集中于中板,而高质量复合薄板和厚板的生产仍是空白。尽管国内外已经实现了不锈钢-碳钢复合板的工业化生产,但也存在着工艺烦琐、能源消耗、产品质量不高的问题。因而,需要开发高效、节能、节材的先进不锈钢-碳钢复合板生产工艺,以满足各工业部门对材料的需求[4-5]。传统上不锈钢复合板的工业化生产工艺主要包括:堆焊法、爆炸焊接法和真空热轧法,堆焊法作为最早方法[6-8],由于界面较大的残余应力和生产周期长,并且复层金属结合强度低,性能较差等缺点,不适合大规模生产;爆炸复合法在制备复合板的过程中的作用时间很短,基层与覆层金属的结合界面扩散程度极低,所以生成脆性金属间化合物的可能性也极小,但是爆炸复合的过程不易控制、炸药危险性髙、噪音极大环境污染严重且结合界面具有明显的残余应力,影响复合板的综合性能;由于轧制技术的逐渐进步,爆炸焊接-轧制复合法已经慢慢地把爆炸焊接复合法所替换[9]。
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1.2 不锈钢复合板主要生产工艺概述
 
1.2.1 爆炸复合法
爆炸复合法[3]是通过炸药瞬间爆炸产生的作用力将两块金属板有效连接的一种方法。采用爆炸结合方法前,需要将基层金属与覆层不锈钢层叠布置,且两个金属之间要留有一定的间隙。在炸药爆炸过程中,炸药的化学能转化为覆层不锈钢的动能,基层金属板高速碰撞产生高温高压致使接触界面局部熔化成锯齿状连接,两种金属原子牢固的结合在一起,使得界面的剪切强度大大提高。爆炸复合工艺作为较为传统的制备方法,可将材料属性不同的金属通过爆炸法结合到一起,金属复合范围广;并且还能实现较大面积和较大厚度的金属复合;作用时间短,界面来不及扩散或扩散程度极小,避免了界面金属间化合物的产生;锯齿状连接致使界面结合性能很高;然而,爆炸复合工艺也存在自身无法避免的弊端,主要是对覆层不锈钢的厚度要一定的要求,既不能过厚也不能过薄,否则爆炸复合无法实现理想结合;通过爆炸复合制备的不锈钢复合板,复合界面结合质量一般,复合表面较差;此外爆炸复合采用的炸药,具有危险性,而且爆炸产生的噪音巨大,对环境有一定的影响,而且爆炸场所还会受到限制。随着轧制技术的不断成熟,目前大多采用爆炸焊接-轧制法,可以改善爆炸复合的局限性以及复合板的性能。
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第 2 章 实验材料与研究方法
 
本文实验采用真空热轧复合法制备不锈钢复合板,通过对比热轧态、热处理工艺对不锈钢复合板基层、复合层、覆层的组织形貌及组织演变规律进行研究。研究复合层晶界析出物、夹杂物的生成及成分等对不锈钢复合板界面结合性能的影响规律。
 
2.1 实验材料
实验选用的覆层钢板是具有良好耐腐蚀性的 304 奥氏体不锈钢,本次轧制试验采取的方法为对称组坯和真空热轧,这种方法可以有效的避免不锈钢复合板轧制后由于基层与复层物理化学性能不同而发生的翘曲,得到的不锈钢复合板均匀平整,板型良好。通过对称组坯的方法,也大大提高了生产效率。将组坯完成的不锈钢复合板坯料通过由机械泵和分子泵组成的二级泵进行抽真空,使不锈钢复合板坯料内部达到较高的真空度,这样可以有效的避免不锈钢复合板界面氧化物的生成,从而获得结合性能优异的不锈钢复合板界面。
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2.2 实验方案流程
通过用对称组坯技术和真空热轧的方法成功制备出三种不同热轧温度的不锈钢复合板,比较三种热轧温度下复合板复合界面的组织性能以及弯曲力学性能,选出韧性最好的一组热轧温度的不锈钢复合板进行热处理工艺的研究,具体流程图如 2-1所示。研究了淬火温度、淬火时间对不锈钢复合板组织性能的影响,对不锈钢复合板基层碳钢、覆层不锈钢、不锈钢复合板界面组织、界面生成物以及复合界面的显微硬度、剪切性能、拉伸性能等力学行为进行了分析。
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第 3 章 真空热轧不锈钢复合板界面的组织性能分析....17
3.1 热轧态不锈钢复合板的组织分析 ................17
3.2 热轧态不锈钢复合板的弯曲行为分析 ......18
3.3 本章小结 ..........23
第 4 章 热处理对 304L/Q235 复合板组织的影响..............25
4.1 淬火对不锈钢复合板的组织影响 ................25
4.2 304/Q235 复合板界面元素扩散现象分析........32
4.3 本章小结 ..........34
第 5 章 热处理对 304L/Q235 复合板力学性能的影响....37
5.1 界面显微硬度分析 ....37
5.2 淬火对不锈钢复合板剪切行为的影响 ......40
5.3 淬火对不锈钢复合板拉伸行为的分析 ......43
5.4 本章小结 ..........50
 
第 5 章 热处理对 304L/Q235 复合板力学性能的影响
 
材料在服役过程中会承受各种应力和载荷,显微硬度、抗拉强度、剪切强度等力学指标是表征材料力学性能的直接方法。本章研究了热处理工艺对不锈钢复合板显微硬度、拉伸、剪切行为的影响,分析了淬火温度、保温时间下的复合板复合界面的硬度变化趋势、断口形貌、断裂机制以及结合强度变化的规律。
 
5.1 界面显微硬度分析
不锈钢复合板从基层碳钢到覆层不锈钢可以分为基层、脱碳层、复合界面、渗碳层和覆层五个区域。图 5-1 为不同淬火工艺对不锈钢复合板各区显微硬度的影响,按照图 5-1f)所示的方法进行测量。图 5-1a)为基层碳钢在不同淬火温度、保温时间下显微硬度的变化规律。可以看到,当淬火温度一定时,基层硬度随着保温时间的延长会呈现降低趋势,当淬火温度为 950oC,保温时间为 6min 时,基层的显微硬度出现最大值 365HV,当淬火温度为 1150oC,保温时间为 60min 时,基层的显微硬度值最小,为 235HV;当保温时间一定时,基层的显微硬度随着淬火温度的升高呈现先升高后降低的变化趋势,在 950oC 时出现硬度峰值。基层碳钢在经过淬火处理后,其组织由热轧态的铁素体和珠光体转变为板条马氏体及沿晶界分布的铁素体,由细晶强化可知,晶粒越细小,在一定体积内基层的晶界就越多,而晶界可以阻挡位错的运动,晶界越多对位错的阻碍作用就越大,体现在基层的显微硬度就是随之升高,随着淬火温度的升高,晶粒长大,晶界减少,组织过热,出现组织软化,基层的显微硬度也随之减小。当淬火温度为 950oC 时,显微硬度出现峰值可能与基层碳钢的淬透性有关。图 5-1b)为不锈钢覆层的显微硬度变化趋势,其变化规律很复杂,当保温时间一定时,覆层显微硬度的最小值 183HV、175HV 分别出现在淬火温度 1000oC 和淬火温度为 950oC。在淬火保温过程,基层碳钢中的碳元素扩散剧烈,有大量的碳扩散到覆层不锈钢中,扩散距离随之增加,并且会析出碳化铬,沿着晶界弥散分布,通过碳化物钉扎晶界,防止再结晶和晶粒长大实现晶界强化,但会造成覆层贫铬、晶间腐蚀现象,因而耐蚀性显著下降;随着淬火温度的升高、保温时间的延长,碳化物会溶解,重新固溶到覆层不锈钢中,快速冷速后能够得到单一的单相奥氏体组织,且随着温度的升高,在回复再结晶过程中覆层软化效果也会使硬度下降。正是由于强化作用和软化作用在淬火过程中交互作用,覆层的硬度变化极其复杂。
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结 论
 
本文通过采用对称组坯和不同热轧温度下真空热轧的方法制备了三种不锈钢复合板(轧制温度为 1100oC、1200oC、1300oC),并选取热轧温度为 1100oC 的不锈钢复合板进行淬火处理(温度分别为 900oC、950oC、1000oC、1050oC、1100oC、1150oC,时间为 6min、60min)来提高覆层不锈钢的耐蚀性以及基层碳钢的强度。研究分析了热轧温度与淬火对不锈钢复合板组织性能与力学性能的影响。结论如下:
(1) 对不同轧制温度的不锈钢复合板进行弯曲试验,结果表明:轧制温度为1100oC 的不锈钢复合板出现脱层现象,层间界面较弱,由于弯曲断裂吸收的能量较大,断裂韧性较好,具有较高的弯曲强度和弯曲韧性;与轧制温度为 1200oC、1300oC的复合板相比,其组织细小均匀,所以选取轧制温度为 1100oC 的不锈钢复合板作为热处理研究对象。
(2) 不锈钢复合板复合界面可分为覆层不锈钢、渗碳层、复合界面、脱碳层、基层碳钢五个区域。渗碳层存在沿晶界析出的碳化铬,当淬火温度在 900oC~1050oC 之间,随温度的升高先大量析出后固溶至覆层组织中,析出物厚度先增加后减小直至消失,当淬火温度为 1100oC 时完全消失。此外,保温时间对碳化物的析出作用不大。
(3) 不锈钢复合板的显微组织在经过淬火工艺后变化明显,基层碳钢由热轧态的铁素体和珠光体转变为板条马氏体、残余奥氏体。随着淬火温度的升高和保温时间的延长,组织中有上贝氏体生成且数量随之增多,晶粒长大明显;覆层不锈钢的组织为奥氏体孪晶,随着温度的升高和保温时间的延长,晶粒长大明显,界面形成元素扩散结合层。淬火温度为 1100oC,保温时间为 6min 时,不锈钢复合板的组织最优。
(4) 复合界面的显微硬度随着淬火温度的升高和保温时间的延长而升高,界面两侧元素扩散加剧,根据舍弗勒相图推测界面组织有马氏体,同时还有弥散分布的Cr23C6。基层碳钢的显微硬度随淬火温度的升高和保温时间的延长而降低,这是由于基层组织有上贝氏体生成,同时存在组织过热,造成基体软化行为。
(5) 不锈钢复合板的剪切强度随淬火温度的升高先升高后降低,界面剪切断口位置由复合界面转变为脱碳层,当淬火温度为 1100oC,保温时间 6min 时,复合板的剪切强度取得峰值为 538MPa。当保温时间为 60min 时,剪切强度随淬火温度的升高而降低,主要是由于温度越高,基层碳钢的回复再结晶引起组织软化,晶粒长大,元素扩散加剧均使脱碳层强度降低。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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