鋼的石墨化過程機理的研究

《鋼的石墨化過程機理的研究》是依託中南大學，由何克堅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋼的石墨化過程機理的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：何克堅
• 依託單位：中南大學

項目摘要

鋼的石墨化是重要的固態相變之一，套用廣泛。近年來，尋找無環境污染的無鉛易切削鋼成為鋼鐵行業迫切需要解決的關鍵問題之一。利用石墨顆粒在加工時的潤滑性能，研製彌散球化石墨易切削鋼是國際上的前沿課題。異相誘導石墨形核和降低滲碳體穩定性可加速石墨化過程。但初始組織也是十分重要的影響因素。到目前為止，世界上70多年來所用的初始組織都是珠光體或淬火馬氏體，後者退火時石墨化比前者快得多。然而申請人的工作有跡象顯示貝氏體為初始組織可能遠優於馬氏體。本項目將全面對比研究鋼不同組織，特別是貝氏體石墨化過程的機理，不同成分含量的合金系統的石墨化驅動力和石墨化退火動力學。套用最先進的電子顯微術包括亞埃解析度高分辨成像和電子能損譜，研究鋼石墨化過程中碳的沉澱，滲碳體穩定性和分解特徵，特別是石墨的成核生長分布特徵有助於澄清中碳鋼石墨球化成核機理，獲得最佳化石墨球化鋼的新途徑，為拓寬鋼石墨化過程的套用打下更堅實的基礎。

結題摘要

項目的要點是研究石墨化過程中馬氏體和貝氏體的顯微結構演變及相關性能，澄清中碳鋼石墨球化機理，最佳化研製石墨球化易切削鋼的方法。熱力學計算選取0.4C-1.8Si-1.4Al-0.1Mn合金為目標系統。電子顯微術詳細研究了末端淬火樣品680ºC石墨化過程中顯微結構的演變，特別是馬氏體和貝氏體的石墨球成核長大特徵。碳在不同初始組織的分布大不相同。石墨相即在前奧氏體晶界上也在晶內成核。貝氏體石墨相成核要早於馬氏體約辦小時。石墨化3小時後，貝氏體和馬氏體的石墨化過程基本完成。貝氏體中僅有均勻形核的石墨球約5微米, (002)面同心生長；馬氏體中除了無異相成核核心石墨球外還有異相（如AlN）成核的石墨球，(002)面與界面成不同角度生長，隨異相的形狀，有的大於10微米。貝氏體中石墨球比馬氏體的平均尺寸小，分布更彌散性能更均勻。性能測試表明石墨化貝氏體的磨損性能大大好過馬氏體與商業含鉛易切削鋼相當。結論：貝氏體而不是馬氏體石墨化是研製環保易切削鋼最優路徑。鋼中石墨球比較大，無異相成核石墨球也有3-5微米，即便FIB切樣獲取包含核心的TEM薄樣也不易。很幸運發現各向同性熱解碳塊體有尺寸50-600納米的無異相成核石墨球生成. 與鋼中的無異相成核石墨球十分相似，正是這種石墨球的生成使得製備性能優良可用於航天工業的大尺寸各向同性熱解碳塊體成為可能。而且它們是在僅有C，H, Ar的氣氛中生成，非常有利於石墨球成核長大的研究。用先進的電子顯微術包括HRTEM，EELS和plasmon mapping詳細研究了單個完整熱解石墨球和鋼中無異相核心石墨球的顯微結構，顯示它們的顯微結構基本一致：低石墨化核心上生長出多個高石墨化椎體組成近似球體。這些結果表明合適條件下，在固，液，氣相中形成這種石墨球是一種普遍的自然現象。這些成果豐富了相變理論。用單個無異相成核石墨球為參照首創建立了STEM-EELS納米解析度準確測量納米球以及厚度不均勻樣品的厚度，評價光學性能和結構的最佳化實驗條件和方法。