高碳合金钢深冷处理过程中碳化物形核长大机理研究

Deep cryogenic treatment (DCT) plays an important role in improving the mechanical properties and service life of materials. At present, the researches for cryogenic treatment have been only on the relationship of macro-structure and performance. No systematic work has been conducted on the effect of deep cryogenic treatment on the microstructure evolution. On the basis of the systematic study the morphology characterization of microstructure in a high carbon alloy steel, the relationship is build up between the microstructure and mechanical properties. We attempt to reveal the relationship between the morphology characterization of isothermal martensite, formed martensite and retained austenite under cryogenic treatment and the segregation of carbon and precipitation of second carbides. The dynamic model of carbide nucleation and growth can be proposed based on the coupling under the stress, strain and temperature field. This work results will contribute to clear the theory of deep cryogenic treatment. It is important significance to the development of phase transformation mechanism and the promotion of deep cryogenic technique.

深冷处理能显著改善钢中的力学性能，是提高材料使用寿命的重要手段。目前，对于深冷处理的研究仅仅是在宏观表象与性能关系方面，深冷处理过程中可能发生的组织和结构变化尚缺乏系统研究。在前期研究的基础上，对高碳合金钢经深冷处理后的微观组织形态学进行系统研究，建立描述深冷处理高碳合金钢的组织形态和力学性能之间关系模型。揭示等温马氏体、原生马氏体和残余奥氏体的形态、分布等特征对低温碳偏聚及二次碳化物析出的影响，并建立在深冷应力、应变场与温度场耦合作用下二次碳化物形核长大模型。研究成果将对深冷处理理论的澄清、低温条件下相变机理的发展及深冷技术的推广使用均具有重要意义。

深冷处理指的是将材料置于特定的、可控的低温环境中，使其微观组织结构产生变化，从而达到提高或者改善材料性能的一种热处理技术，是提高材料使用寿命的重要手段。本基金主要采用内耗，3DAP以及HAADF-STEM等方法从原子尺度研究了深冷处理对高碳高合金钢的碳偏聚行为以及回火过程导致的碳化物析出长大机理，探讨深冷处理对高碳高合金钢相变行为的影响。研究结果表明经深冷处理M2 钢硬度提高2.5~3.1HRC，深冷初期硬度随保温时间增加而增加，在深冷5h 时硬度最大(65.9HRC)，而后延长保温时间对硬度无影响。结合纳米划痕研究不同深冷时间对M2 钢摩擦系数的影响，深冷1h M2钢具有最优耐磨性能。结合内耗分析证实深冷处理初期马氏体相变产生新可动位错，使得可动位错密度增加；同时相变过程产生的塑形变形，导致残余奥氏体及马氏体周围存在静水压应力场驱使位错移动，并俘获低温下晶格收缩而从基体中溢出的间隙原子。由于位错移动而俘获的碳原子会在晶界处形成碳原子偏聚，从而成为回火过程中碳化物析出长大的核心。在深冷初期由于发生马氏体相变引起塑形变形，导致位错密度增加，塑性变形产生应力驱使位错移动，并俘获大量碳原子，引起碳原子在位错处的偏聚。基于3DAP与HAADF-STEM研究结果进一步证实经过深冷处理后碳将偏聚于孪晶界面以及位错等缺陷处，并在升温至室温或更高温度下M2C型碳化物析出长大。