论文部分内容阅读
晶粒细化会使钢的强度和韧性同时得到提高，是常用的钢的强韧化方法之一。对于不同类型组织的钢，晶粒尺寸的定义也有所差异。由于马氏体组织具有复杂的多层次结构，对马氏体钢的强韧性起作用的晶粒尺寸至今无定论。本文以低合金板条马氏体钢为研究对象，采用多种试验手段定量分析了板条马氏体的组织亚结构，并研究组织亚结构与强度和韧性之间的关系，探讨板条马氏体钢的强度和韧性的组织控制单元，即控制板条马氏体钢的强韧性的“有效晶粒尺寸”。主要研究内容如下：
⑴17CrNiM06钢经淬火低温回火后为板条马氏体组织，其微观结构依次由原奥氏体晶粒、板条束( Packet)、板条块(Block)和板条(Lath)组成。板条束为原奥氏体晶粒内具有相同惯习面的马氏体板条晶区，板条块为板条束内大角度晶界包围的区域，具有相似晶体学取向。采用电子背散射衍射(EBSD)方法分析发现，一个板条束内通常由6种近K-S关系((111)γ//(011)α，[101]γ11[111]α，)的变体组成，相邻变体组成板条块。随原奥氏晶粒尺寸的减小，试验钢的板条束尺寸和板条块宽度减小，而板条宽度变化不大：当原奥氏体晶粒尺寸从337μm变化到6μm，板条束尺寸从129μm减小到4μm，板条块宽度从14.4μm减小到1.1μm，而马氏体板条的宽度在0.3μm左右。
⑵经淬火低温回火后，17CrNiM06板条马氏体钢的强度随组织的细化而有所增加，但增加幅度不大。进一步研究发现，17CrNiMo6钢的屈服强度与原奥氏体晶粒尺寸、板条束尺寸和板条块宽度之间都符合Hall-Petch关系，即屈服强度与原奥氏体晶粒尺寸、板条束尺寸和板条块宽度的-1/2次方之间都存在线性关系。由于板条块宽度比板条束尺寸小很多，并且相邻板条块之间也是大角度界面，对位错运动存在塞积作用，从而起到类似晶界强化的作用。因此，板条块可作为板条马氏体钢对强度起作用的组织单元，即板条块宽度为控制强度的“有效晶粒尺寸”。
⑶经淬火低温回火后，17CrNiMo6板条马氏体钢的韧性也随组织的细化而提高：当原奥氏体晶粒尺寸从337μm细化至6uμ(板条束尺寸从129μm减小到4μm，板条块宽度从14.4μm减小到1.1μm)，韧脆转变温度从265K降低到174K，下平台冲击能量从5J提高到47J。试验钢准解理断裂微裂纹的形核在MnS夹杂物周围，而准解理裂纹传播过程中在板条块边界和板条束边界都发生转折，但在板条束边界转折角度更大，说明裂纹传播通过板条束边界时需要消耗更多的能量。另外，对冲击试样断口定量统计结果发现，准解理面的尺寸和板条束的尺寸相近。因此，板条束可作为板条马氏体钢对韧性(准解理断裂或解理断裂)起作用的组织单元，即板条束尺寸为控制韧性的“有效晶粒尺寸”。
⑷对17CrNlMo6钢拉伸试样的变形和断裂过程的原位观察结果表明，试验钢出现了明显的塑性变形后才产生断裂，可观察到呈波纹状的滑移带。三点弯曲试样和板状原位拉伸试样断口均为韧窝断口，夹杂物或第二相粒子所在处是显微空洞容易萌生的位置。在应力峰值前后主裂纹开始起裂，在裂纹开始扩展后载荷反而下降。主裂纹扩展过程中，通常在主裂纹前面的薄弱区域会先起裂形成小裂纹或空洞，随应力加大，相邻的微孔合并起来，连接长大成新裂纹。进一步增加载荷时，主裂纹与新裂纹连接起来而断裂。