高速钢多组分合金碳化物回火粗化行为原子尺度研究

High speed steels are widely used in making high-speed cutting tools. However, they are limited in high temperature working conditions due to the lower red-hardness, caused by the coarsening of alloying carbides. Non-carbide forming elements, such as cobalt and aluminum, can improve the red-hardness of high speed steel, but the mechnism has not been clarified yet. In the present work, the effect of Co and Al on the coarsening behavior of M2C and MC carbides has been investigated by field ion microscope, three-dimensional atom probe, high resolution transmission electron microscope, mossbauer spectroscopy.We study the phase partitioning of non-carbide forming elements (Co and Al) and carbide forming elements (W, Mo, Cr, V, Fe), and the influence of Co and Al on the phase partitioning of alloying elements among ferrite, M2C and MC, and examine the atom percentages of M2C and MC alloying carbides. According to the compostions of carbides, we study the stability of M2C and MC (M=W, Mo, Cr, V, Fe) and the coarsening mechanism of multicomponent alloying carbides. The role of non-carbide forming elements in the precipitation of carbides has been clarified.The present work is aimed to provide theories for optimizing the compositions of high speed steels with excellent high-temperature performance.

高速钢是机械加工制造业的基础原材料之一，但因合金碳化物粗化产生的红硬性不足问题，限制了其在高温切削场合下的应用。非碳化物形成元素（Co、Al）可改善高速钢红硬性，然而其作用机理尚不明晰。 本课题拟采用场离子显微镜、三维原子探针、高分辨透射电镜、穆斯堡尔谱等手段，研究Co、Al对高速钢回火过程微观组织演变特别是合金碳化物M2C和MC粗化行为的影响；研究非碳化物形成元素Co、Al和碳化物形成元素W、Mo、Cr、V在铁素体、M2C、MC中的分配情况，分析Co、Al对碳化物形成元素相分配的影响，获得多组分合金碳化物M2C和MC的原子组成；根据碳化物原子组成，结合第一性原理计算，研究M2C和MC（M=W, Mo, Cr, V, Fe）的稳定性，探讨多组分合金碳化物的粗化机制，阐明非碳化物形成元素在碳化物析出过程中的作用机理，以期为优化高速钢成分设计、开发高温性能优异的高速钢提供理论支撑。

高速钢刀具在高速切削过程中，刃部温度显著升高，导致刀刃软化、加工效率和精度急剧降低。添加非碳化物形成元素（Co、Al），可显著提升高速钢高温性能，但其作用机理至今尚不明晰。本课题研究了高速钢回火过程微观组织变化规律，重点关注了合金碳化物演变行为，分析了合金元素在铁素体和碳化物中的分配情况，并结合第一性原理计算，以期阐明合金元素对碳化物稳定性的影响规律及机理。.高速钢回火后析出大量与基体共格的纳米级合金碳化物MC和M2C，是高速钢具有良好高温性能的主要原因。过回火阶段，M2C碳化物尺寸粗化倾向明显、发生结构转变，而MC碳化物则表现出较高的尺寸和结构稳定性，对保持高温性能稳定发挥主要作用。.高速钢回火过程中同时发生合金碳化物析出、长大和粗化，碳化物粗化行为不符合经典的LSW熟化理论。粗化过程伴随有元素重新分配：Cr、Mo元素向碳化物中富集，而Fe、W元素则从碳化物中脱溶。降低碳化物粗化速率，必须抑制合金元素特别是Cr元素扩散。.Co之所以能提高热稳定性，一方面由于Co影响碳化物析出过程，提高碳化物析出数量；另一方面，Co改变了合金元素特别是Cr元素的相分配行为，降低了碳化物的长大速率，延长了碳化物析出强化效应。.Al影响M2C合金碳化物生长过程，改变碳化物形态和结构。Al改变了相变过程中合金元素的分配行为，增强了碳化物热稳定性。过量Al的加入，促进基体由马氏体转变为铁素体，降低材料硬度。Al加入量应控制在1wt%以下，以避免过量Al加入带来的不利影响。.第一性原理计算表明，掺杂Cr元素降低碳化物晶格常数与稳定性，掺杂W、Mo元素增加晶格常数及稳定性，特别是W元素更为明显。Co、Al通过改变Cr、W、Mo等合金元素的相分配，改变了碳化物晶格常数及稳定性，从而影响碳化物高温热处理过程的演变行为。.形变可诱导M2C碳化物相变反应，这是由于变形后碳化物内部产生位错和层错缺陷，可成为相变新相的非均匀形核位置。这为实际生产中寻找替代合金元素添加的方法、解决合金碳化物粗化问题提供了可能。