亚微米/纳米晶中碳铁基合金的变形行为与力学性能研究

Improving the strain hardening of submicron/nanocrystalline carbon iron-based alloys with medium carbon will be the research emphases in this project, by optimizing and regulating the microstructure, to achieve the optimal match of strength and ductility. Effect of annealing temperature and time on microstructure evolution will be studied, and reveal the influence mechanism of carbide particle size and distribution on the strength, ductility and uniform elongation. Deformation behavior and mechanical properties of submicron/nano-crystalline iron-based alloys with medium carbon after SPD deformation and different heat treatments will be studied, and reveal microscopic deformation mechanisms and the effect for the strain hardening and mechanical properties, to determine the microstructure to get the optimal combination of strength and ductility. Crystallographic orientation distribution(texture) of submicron/nano-crystalline iron-based alloys with medium carbon, misorientation distribution, which the effect on the mechanical properties especially the impact toughness will be discussed. Verifying whether there exists toughness anisotropy, establishing crystallographic characteristics of fracture behavior in submicron/ anocrystalline iron-based alloys with medium carbon. The reasearch result in this project will provide a theoretical basis and technical support for practical application of submicron/nano-crystalline iron-based alloys with medium carbon.

本项目以提高亚微米/纳米晶中碳铁基合金的应变强化能力为研究重点，通过优化与调控亚微米/纳米晶中碳铁基合金的微观组织结构，达到强度和塑性最优组合的目的，实现强韧化。主要研究退火温度和保温时间对亚微米/纳米晶中碳铁基合金组织演变的影响规律，揭示碳化物颗粒尺寸和分布对强度、塑性和均匀延伸率的影响机理；通过对SPD变形及不同工艺热处理的亚微米/纳米晶中碳铁基合金变形行为和力学性能的研究，揭示亚微米/纳米晶中碳铁基合金的微观变形机制及其对应变强化能力和力学性能的作用机理，确定获得强度和塑性最优组合的组织状态；探讨亚微米/纳米晶中碳铁基合金的晶体学取向分布（织构）、取向差分布及其对力学性能尤其是对冲击韧性的影响规律，验证亚微米/纳米晶中碳铁基合金是否存在韧性各向异性，确立相关材料断裂行为的晶体学特征。本项目研究成果可为亚微米/纳米晶中碳铁基合金的实际工程应用提供理论基础和技术支撑。

本项目以提高亚微米/纳米晶中碳铁基合金的应变强化能力为研究重点，通过优化与调控亚微米/纳米晶中碳铁基合金的微观组织结构，达到强度和塑性的良好匹配，实现强韧化。. 将初始组织为铁素体加珠光体的中碳钢进行不同工艺的预处理，分别得到马氏体组织和伪共析组织。然后采用连续温轧加退火技术对两种初始组织的中碳钢进行大变形，研究了温轧和后续退火工艺对马氏体钢和伪共析钢组织演变以及力学性能的影响规律，优化出了有效提高加工硬化能力的各组织因素配合状态，即铁素体多峰晶粒尺度层状结构。粗细尺度的晶粒大多交替分布，多尺度晶粒层状结构在拉伸变形时引起应变梯度效应和多向应力状态，可造成几何必须位错的有效堆积，从而导致应变强化能力的显著提升。研究还发现，普通中碳钢中加入Cr-Mo元素有助于进一步细化铁素体晶粒和碳化物的球化效果。采用高压扭转技术对中碳钢进行剧烈塑性变形，获得了纳米铁素体晶粒与纳米碳化物颗粒均匀分布的复相结构，其中铁素体平均晶粒尺寸为75nm，碳化物颗粒平均尺寸为26nm。通过高压扭转获得的纳米尺度45钢在拉伸应变后期，保持了相当的应变强化速率，获得了一定的均匀延伸率。这是由于晶内纳米碳化物颗粒的存在诱发几何必须位错的堆积，并减缓回复的速率，使应变强化得以保持。研究还发现，纳米尺度45钢的强度均是以晶界强化为主，变形机制为位错滑移，未发现其他变形机制的作用。总之，纳米晶铁素体配合分散的纳米碳化物颗粒分布和铁素体多峰晶粒尺度层状结构均可以提高中碳铁基合金的应变强化能力。通过对温轧及退火态中碳铁基合金的各向异性研究发现，温轧态比退火态各向异性要高，退火后横向和纵向在强度和韧性两方面的差值均显著减小，说明退火后材料的各向异性得到了改善。本项目的研究成果丰富和发展了超细晶钢的制备技术与渗碳体的固溶析出理论，可为生产低成本、高性能碳钢提供必要的理论基础和技术支撑。