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• 本文标题：含铜中碳铸钢热处理工艺的基础研究.doc
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• 内容摘要：摘要 中碳铸钢是强度硬度切削加工性能较好，并且有一定韧性与塑性焊接性尚可的钢种。生产成本比其他钢种低，适合用于重型机械中承受较大负载的部件，例如球磨机轴承底座，还可用于制造受力大承受冲击载荷强的零件。由于是中碳钢，因此在各种热处理过程中常出现典型相，比如珠光体贝氏体等 含铜中碳铸钢的时效强化前人有所研究，然而在原子尺度上的研究目前还有进一步的空间，本文立足于第一性原理，通过模拟软件对时效过程中的一些含铜亚稳相进行了原子尺度的性质研究，对其晶体结构做出了预测，同时，对含铜相沉淀析出的过程进行了一些热力学和动力学的计算，包括含铜第二相沉淀析出与温度和时间的规律，从而对等温淬火温度进行了初步的设计。 关键词， 中碳铸钢，含铜析出相，热力学计算，动力学计算，第一性原理 BasicresearchonheattreatmentprocessofmediumcarbonCubearingsteels Abstract Mediumcarboncaststeelisakindofsteelwithgoodstrengthhardnesscuttingperformancetoughnessplasticityandweldability。Itsproductioncostislowerthanthatofothersteelgradesanditissuitableforheavydutymachinerypartswithlargeloadsuchasballmillbearingbaseitcanalsobeusedformanufacturingpartswithlargestressandstrongimpactload。Becauseitismediumcarbonsteeltypicalphasessuchaspearliteandbainiteoftenappearinvariousheattreatmentprocesses。Thetypicalheattreatmentprocessofcaststeelisaustemperinginordertoobtainthelowerbainitewithgoodpropertieshighstrengthandtoughness。 Inordertofurtherimprovethepropertiesofmediumcarboncaststeelasmallamountofcopper(1wt%)wasaddedintothemediumcarboncaststeeltoimprovethestructureandpropertiesofthesteel。Thestrengtheningeffectofcopperintheprocessoftraformationcanimprovethemicrostructureandmechanicalpropertiesofmediumcarboncaststeel。Inthiswaycopperisusedtooptimizethemediumcarboncaststeelwhichisbeneficialtotheimprovementofmaterialeconomicbenefits。Themainstrengtheningeffectofcopperisagingstrengtheningandprecipitationstrengtheningandthesecondphaseparticlesrichincopperareoftenprecipitatedatthecrystaldefectswhichhasafavorableeffectonthestrengthofthecaststeelstructuremeanwhilecopperelementcanalsoenhancethestabilityofundercooledausteniterefinethegraiandimprovethetoughness。 Inthispaperbasedonthefitprincipletheatomicscalepropertiesofsomemetastablephasescontainingcopperintheagingprocessarestudiedbysimulationsoftwareandthecrystalstructureispredicted。AtthesametimetheprecipitationprocessofcoppercontainingphaseisstudiedbysomeheatThecalculationofmechanicsanddynamicsincludingtheprecipitationofthesecondphasecontainingcopperthelawoftemperatureandtimehaspreliminarilydesignedtheisothermalquenchingtemperature。 KeyWords， mediumcarbonsteels，copperbearingprecipitate，thermodynamiccalculation，dynamiccalculation，Fitprinciples 目录 摘要 III Abstract V 1引言 1 2文献综述 2 2 2。2含铜钢的发展现状 2 2。3铜 3 2。3。1细化晶粒 3 铜脆 4 对铸钢渗层组织的影响 4 耐腐蚀性 4 2。3。5提高焊接性 5 5 2。4。1沉淀强化的机理 5 2。4。2固溶强化的机理 6 2。4。3提高韧性的原理 6 2。5铜动力学 7 2。6铸钢的热处理工艺 9 研究方法 10 3。1研究 10 3。2应用软件 10 4含铜中碳铸钢中富铜相的模拟分析 12 4。1研究对象和分析思路 12 4。2镍元素对于含铜析出相的影响分析 13 4。2。1结合能的分析计算 13 4。2。2形成热的分析计算 15 4。3各相的能带结构分析 16 4。4富铜相与母相的界面分析 18 4。5镍元素对富铜相与母相界面的影响 25 5εCu沉淀在铸钢组织中析出的理论分析 27 5。1下贝氏体和等温淬火工艺简介 27 5。2εCu的形核热力学分析 28 5。3εCu的形核动力学分析 30 5。4Cu含量对εCu形核影响的动力学分析 37 6结论引言 钢是现代社会的物质基础，它的含碳量质量分数为002%至211%之间，是铁碳合金。钢的化学成分可以有很大变化，在实际生产中，钢往往根据用途的不同含有不同的合金元素，比如铜元素。钢按照不同的标准可以进行不同的分类，按碳含量高低可以分为低碳钢中碳钢和高碳钢，按照成形方法可以分类为锻钢轧制钢铸钢等，按照金相组织可以分为珠光体钢贝氏体钢马氏体钢等，还可以按照用途分为结构钢耐磨钢轴承钢弹簧钢等等。其中，铸钢是指专用于制造钢质铸件的钢材。当铸件的强度要求较高采用铸铁不能满足要求时应采用铸钢。作为对比，铜也是人类最早使用的金属之一。早在史前时代，人们就开始采掘露天铜矿，并用获取的铜制造武器式具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远可以作为合金元素加入钢中来提高后者的性能。 一直认为铜在钢中是有害元素。含量很低的铜也会引起热脆，降低钢的机械性能，使含铜钢件容易断裂。然而在科技迅速发展的今天，钢铁材料的发展也十分迅猛，我们进一步了解到铜元素在钢中能起到各种正面作用。铜可以提高钢材的耐腐蚀性能显示，在钢材中加入一定铜后，也有的提高因此铜元素在钢铁中的有益作用是很多的。对于各种铸钢，还需要进一步研究铜元素在热处理的动力学相变过程中的作用原理，对于各种相的生成有无促进或抑制作用热处理工艺提高含铜铸钢性能。 本课题中铜元素加入的基体中碳铸钢是一种强度硬度和切削加工性能较好，并且有一定韧性与塑性，焊接性尚可的钢种。它的生产成本比其他钢种低，适合用于重型机械中承受较大负载的部件，例如球磨机轴承底座，还可用于制造受力大承受冲击载荷强的零件。在等温淬火后一般得到下贝氏体组织，性能优良。铜元素往往以这些下贝氏体组织为基体，通过生成沉淀和时效作用对基体性能产生影响，为了研究这些影响的机理，本课题采用相关模拟软件和有关的热力学和动力学知识进行了比较深入的分析。 文献综述 铜是一种很常见的合金元素，本身具有良好的抗张强度与耐腐蚀性，同时在加工过程中表现出良好的延展性与可塑性。鉴于其优良特性，近年来，铜越来越多的作为合金元素加入钢中，以改善钢的性能。铜加入钢铁材料中能起到很多方面的改善，提高钢材的综合性能。铜可以改变钢的显微组织，影响相变过程，进而影响钢材的物理性能力学性能，在起到沉淀强化和固溶强化作用的同时，铜还可以提高钢材的耐腐蚀性抗菌性。相对而言，铜的加入也会带来一些隐患。比如铜脆就是需要避免的危害。 含铜钢的发展现状 添加合金元素是提高钢材综合性能的重要手段。根据参考文献[1]可以得知目前含铜钢已经发展出含铜耐候钢含铜不锈钢含铜高合金钢等多种钢材，并广泛应用于军事交通运输物流医疗等诸多领域，而且各个领域随着科学技术的发展和社会需求的增加，对含铜钢的需求还会进一步增加。 铜元素的加入可以提高钢材的强度和韧性，因此含铜高强度钢也被广泛应用，其中代表性的钢种有HSLA80和HSLA100，这两种高强度含铜钢主要利用εCu的析出强化与高位错密度的超细贝氏体组织强化效应，保持原有的韧性，综合性能得到提高。一些含铜高强度钢结构钢还具有较高的断裂韧性，比如船体结构钢，被用于民用军用舰艇船舶等领域，现有的产品包括日本的466380等。 普通铸钢添加合金元素铜制成含铜铸钢，这类钢一般用于制造形状复杂的零件，同时兼顾一定的强度和耐腐蚀性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件容器阀体和船舶用铸钢零件。 然而当前制备含铜钢的主要方法仍是在冶炼钢材过程中添加铜元素，会造成铜资源的浪费，。 铜 细化晶粒 以30CrMiCu和30CrMi钢的实验为例[]，经过高温回火后两种钢的组织均主要为回火屈氏体和回火索氏体。30CrMiCu比30CrMi的晶粒细小。因为铜元素在钢中弥散质点钉扎奥氏体晶界，具有阻碍奥氏体晶粒长大和一定的细化晶粒作用原有的晶界面被颗粒与奥氏体的相界面所代替，减少了晶界面。 文献[3]铜对于组织的细化作用，由于铜增加了奥氏体的稳定性，降低了相变温度，使相变时铁素体自由能与奥氏体自由能差值增大，减小了临界晶胚尺寸。同时，相变温度的降低也降低了碳原子的扩散速率，结果使已经形核的晶胚长大速度减慢，最终细化了组织的亚结构。铜析出先于奥氏体相变，相应地奥氏体转变在弥散细小的铜颗粒上进行，产生了细小均匀的奥氏体，铜颗粒还通过钉扎相界面使奥氏体细化。 铜脆 引起铜脆的致因主要有两种[]，一种是残留铜屑或氧化铜引起的铜脆，另一种是高铜钢锻造时引起的铜脆。炉内残留的氧化铜铜屑在高温下会形成含铜蒸汽，，并且在高温下渗入钢材表面。此时钢材处于奥氏体状态，铜可以在奥氏体内迅速向晶界扩散，引发铜脆龟裂。另一种原因常出现在添加较多铜的耐候钢中，这类钢材含铜量较高(大于02，)，如果在氧化性气氛中加热，钢就会发生氧化反应，表层含量下降，含量相对上升，直至超过其在中的溶解度，进而从钢中析出，在晶界上形成网络状富铜相。加热温度超过1100℃时，这一富铜相熔点较低，发生氧化，处于熔融状态，达到一定程度时就会发生开裂，造成晶界断裂，形成铜脆裂纹缺陷，，显然不利于含铜钢的加工处理。含铜钢热处理时必须避开铜脆温度，低于1100℃。 对铸钢渗层组织的影响 关于铜改变渗层组织的研究，文献[]中详细实验。该实验尝试在铸钢表面渗铬硼和碳的基础上，在渗剂中加入铜和稀土元素，铜和稀土元素对渗层组织和性能的影响。根据实验结果，加入适当量的铜和稀土元素，可使铸钢渗层的硬度提高，主要是铜对于层组织起到了弥散强化的作用。 耐腐蚀性 腐蚀失效是金属材料功能失效的主要类型之一，在钢中加入适量的铜能显著提高钢的耐腐蚀性能。铜是提高耐腐蚀性能最为突出的合金元素之一，含铜02%的钢其耐候性比不含铜钢提高20%以上，铜还可以改善海水中和H2S环境中的耐蚀性，含铜02%也完全能阻止管线钢的氢致开裂。 文献[]中可知铜提高钢耐腐蚀性的原理与电化学腐蚀有关。少量的铜能提高钢铁材料的耐蚀性能，其原因之一是因为钢材在腐蚀过程中，铜起到活化阴极的作用，促使钢阳极发生钝化，因而减缓腐蚀。另一种原因是钢在腐蚀过程中表面会产生一层薄的富铜层，在钢的表面腐蚀层与铜的富集层之间还会形成紧密的薄氧化铜中间层，形成致密完整的双层结构的锈层，该锈层紧贴钢基体的内层附着性强，可减缓腐蚀介质进一步腐蚀钢板内部。另外，铜与其它元素，如磷镍等，复合使用时，提高耐大气腐蚀性能的效果更好。低合金钢中铜的加入量一般规定在02~0。5%。 铜还具有抗菌性，主要应用是抗菌不锈钢，根据文献[8]可以得知铜抗菌性的原理是，抗菌不锈钢表面受到持续的腐蚀作用后，内部溶出的铜离子释放，可以破坏细菌的蛋白质结构，破坏细菌的代谢和复制过程，杀死细菌。 在一些特殊要求的场合中，为了实际使用的需要铸钢件加入铜获得了抗菌性和耐腐蚀性，其代表即船用含铜铸钢零件。 提高焊接性 铜钢优良的焊接性能[6]得知，其原因是铜可以影响焊接处的热影响区，由于焊接过程中的高热量使铜熔化，造成焊合区晶粒粗大，热影响区软化。加入100%~1。50%铜可使低合金高强钢焊接性能大为提高，如HSLA80等，与一般的低合金高强钢相比焊接时热裂及冷裂抗力都大为提高。文献[]同样提出铜可以改善钢的焊接性。 沉淀强化的机理 沉淀强化是钢中铜元素主要的强化手段。沉淀强化同时效强化，是指在固溶了合金元素以后，在常温或加温的条件下，使在高温固溶的合金元素以某种形式析出，金属间化合物之类，，形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，使强度增加，韧性降低。在钢中加入铜元素能起到沉淀强化作用。一般呈脆性的弥散相在强化的同时也会造成钢材塑性和韧性的明显下降αFe→bcc结构Cu偏聚区→bcc结构Cu析出→9R结构过渡相→fcc结构εCu析出相。在时效初期至峰值阶段，富铜G。P区是强化效应的主要原因，它与基体成半共格关系，附近存在应力场阻碍位错的运动，同时还存在大量的晶体缺陷对位错扩展形成阻力。在过时效阶段，析出物εCu与基体成非共格关系，其特点是低硬度高塑性，位错线通过切过机制切过粒子，此时εCu是主要的强化相。 含铜铸钢中的铜之所以作为合金元素加入，主要原因是铜的时效作用能提高铸钢件的强度，在使用的过程中更为安全。 固溶强化的机理 固溶强化也是铜在钢中的作用之一。文献[]，低碳钢中每1%Cu能产生38，70MPa的固溶强化作用，这种强化效果可以直线上升至11%Cu，并且铜在05%以下时对钢的塑性无明显影响，而低合金钢中常用的强化元素硅锰会降低塑性。因此铜是一种很好的起强化作用的合金元素。 由固溶强化的原理可知，铜原子与铁原子在尺寸化学性质电学性质等方面存在差异，铜作为溶质原子在铁中存在时，在点阵中任何一个溶质原子的周围都存在弹性应力场，这种弹性应力场能够对位错的运动造成很大的阻碍作用，同时铜作为溶质原子容易出现在晶体缺陷处，起到对位错的钉扎作用，即柯氏气团。 铜的加入可以提高钢的冲击韧性，这钢材中加入铜可以提高回火后的冲击韧性，改善钢材的性能。 文献[]中某种低合金铸钢组织30CrMi材料加上少量的铜进行合金化，并采用不同的热处理方法进行热处理，测定其力学性能。加入铜的30CrMiCu与对比的30CrMi经过相同的热处理工艺，加工成拉伸冲击试样待测，每种试验条件各取3根试样。之后这两种材质的试样进行了对比实验。 表2材料力学性能对比 材料 热处理工艺 HRC αkcm2 30CrMi 空淬+高回 29 218 942 783 16 30CrMiCu 空淬+高回 27 300 886 740 17 试验结果可以看出，而冲击韧性是两种材料差距最大的指标，可见30CrMiCu钢冲击韧性高于30CrMi许多。这样的结果可以从二者的显微组织中分析原因。含铜相在奥氏体晶界容易析出，从而对奥氏体晶界的扩展起到了阻碍作用，奥氏体晶粒相对的难以长大，所以30CrMiCu比30CrMi晶粒细小。晶粒大小是影响钢材韧性的主要因素，细小晶粒能分散加在材料上的应力，缓解了应力集中，提高了钢材的塑性和韧性，因此表现为宏观的冲击韧性指标提高。 铜动力学 含铜中碳铸钢的相变规律是本课题研究的一大重点。铜在钢的相变动力学中起的作用，文献[]，铜的影响能间接在CCT曲线上。 实验用钢的成分如表2所示。 表2实验样品的化学成分，wt%， 元素 C Si Mn Ni Cu 含量 04 0。4 1。7 1。2 2 实验用中碳含铜钢的静态CCT曲线如图2所示。 图2实验用中碳钢的静态CCT曲线 研究表明，添加铜可以明显抑制奥氏体高温冷却过程的铁素体珠光体相变，在中碳含铜钢中，铜可以有限扩大奥氏体区，提高钢的淬透性，降低钢的临界冷速。该实验中还添加了镍，除了提高钢的淬透性，还可以减少铜脆现象的危害。 文献[]可以得知，铜可以提高过冷奥氏体的稳定性，显著降低奥氏体开始转变的温度。文献[1]也研究了桥梁耐候钢中铜对相变的影响，在铜含量由029%增加到049%后，实验钢样的铁素体开始转变温度变化不大，贝氏体开始转变与终止转变温度降低。 ℃淬火后，铜完全固溶在基体中，在回火时，过饱和固溶体中迅速形成铜原子的偏聚区，随后逐渐以富铜相形式形核，长大和粗化。该试验中铜的沉淀析出主要受铜的过饱和度和温度两大因素控制。对于非均匀形核，形核功和临界晶核半径， ，21， ，22， 其中，ΔGvΔGe分别为析出单位体积β相所引起的化学自由焓变化和应变能，ΔGv正比于过饱和度γαβ为单位面积的界面能。400450℃回火由于温度较低，过饱和度较大，ΔG和r较小，因而随温度提高，εCu析出数量逐渐增加，长大速度较慢，尺寸较小。εCu相数量显著增加，弥散均匀分布，有效钉扎位错的运动，阻碍马氏体板条的回复因而强化效果最。 ，23， 其中Cm代表铜在晶内的溶解度，其值远小于一，Q是晶界和晶内溶质原子的畸变能差值，A为...
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