高能瞬时多场耦合作用下高强钢的组织演变及电致强化机理

基于高能量脉冲电流通过有约束的固态金属产生的瞬时多场耦合效应，提出金属材料电致强化的新观点和方法。把对试件热膨胀的强制约束和控制冷却技术引入电脉冲处理过程，附加高应力压缩致密化作用和对晶粒生长的抑制。以淬火马氏体为初始组织，在瞬时高能量冲击多场耦合作用的极端非平衡条件下，研究含钼高强钢急速加热时马氏体向奥氏体逆向转变、逆变奥氏体细化、冷却时马氏体细化、碳化物析出等过程变化及脉冲电流对这些过程中新相形核与生长热力学、动力学条件的影响；探讨α→γ逆向切变、逆变奥氏体相变再结晶及纳米尺度碳化物（M2C）共格析出的可能性；从电-热-力多场耦合作用引发钢中正逆相变、再结晶、应力分布、位错组态、碳化物析出及其热稳定性的非常规变化探讨钢微观组织结构演变规律；从相变强化、细晶强化、析出强化、应变强化等多方面综合作用揭示高强钢的电致强化机理。直接针对工程部件，优化电脉冲处理工艺参数，实现高强钢的超高强度化。

基于高能量脉冲电流通过有约束的固态金属产生的瞬时电-热-力多场耦合效应，把对试件热膨胀的强制约束和控制冷却技术引入电脉冲处理过程，提出了金属材料电致强化的观点和方法。从电-热-力多场耦合作用引发钢中正逆相变、亚稳结构形成、再结晶、应力状态、位错组态、碳化物析出及其热稳定性的非常规变化探讨钢微观组织结构演变规律；从相变强化、细晶强化、析出强化、应变强化等多方面综合作用揭示钢的电致强化机理。主要研究结果如下：.1. 实现钢的超高强度化.对普通碳钢、低合金钢、模具钢、轴承钢等进行适当参数的脉冲电流处理，配合适当的约束力和控冷技术，使各种钢材的抗拉强度均有大幅度提高。.2.脉冲电流处理过程中钢的相和组织结构演变.1）对亚稳定奥氏体锰钢中奥氏体及其深冷马氏体、普通45#碳钢、40Cr钢等，进行适当的脉冲电流处理，与传统淬火热处理相比，钢的原奥氏体晶粒明显细化，随后控制冷却得到的马氏体板条都相应变短、变窄。.2）脉冲电流极端非平衡的处理特点导致了钢中多相、多尺度、混合组织的产生；高强度的板条马氏体间保留了纳米尺度的奥氏体膜；在22MnB5钢中多次发现局部奥氏体纳米晶。.3）在脉冲电流处理极快的加热速度下，马氏体向奥氏体的逆相变是无扩散的切变，刚形成的奥氏体具有与原马氏体相似的针状，随后发生相变再结晶，成为细小的奥氏体等轴晶粒。因此，组织细化是在相变再结晶过程中促进形核，并抑制再结晶晶粒长大的结果。.3.电致强化机理的研究.1）相变强化，实验结果表明，凡是脉冲电流处理过程中基体发生相变的材料，其强度均有大幅度提高；而基体不发生相变的材料其强度提高幅度相对较小。 .2）细晶强化，对可发生相变的各种钢材进行适当参数的脉冲电流处理，均发现钢的显微组织明显细化。.3）析出强化，脉冲电流处理的各类钢材中都或多或少发现有纳米尺度的第二相（碳化物）析出。.4）位错或孪晶强化，在电-热-力多场耦合作用下，钢中位错密度明显增加，有大量的位错缠结、位错墙构成的亚晶，并发现层错和超细孪晶。.5）亚稳结构及多相、多尺度、混合组织的形成，如普通碳钢中的纳米尺度的孪晶、层错，板条马氏体间纳米尺度的残余奥氏体膜，局部产生的奥氏体纳米晶等。.6）应力状态改变和组织致密化 脉冲电流超快速加热时施加高压力载荷对热膨胀及相变应力的约束等，均在材料内部引入较高压应力，产生致密化效应。