AerMet100钢热变形行为与热处理组织性能及其第一性原理表征

论文摘要

本文系统研究了AerMet100钢热变形行为及热处理过程组织结构演变与力学性能的变化规律。结合最优化理论,获得了较佳的热变形参数,进而制定了AerMet100钢热轧变形工艺,为后续热处理提供较佳的预备组织。基于第一性原理密度泛函理论,表征了合金含量对奥氏体变形抗力的影响,并对时效析出相的性质及其演变规律进行了研究。对AerMet100钢热压缩试验进行了三元二次正交设计,变形温度、应变速率和变形量分别选定为878℃～1121℃、0.061s-1～16.4s-1和0.046～0.654。结果表明,原始组织对真应力-应变曲线和晶粒形貌影响很小;随变形温度的降低、应变速率与应变量的增加,流变应力增大,晶粒尺寸减小;随应变速率的增加,真应力-应变曲线中出现由PLC效应引起的锯齿状波动越来越明显。回归获得了热变形激活能Q为483kJ/mol,同时得到热压缩再结晶晶粒尺寸d和流变应力σ与Z参数（Zenner-hollomon）之间的本构关系分别为: d = 1660.5Z-0.126和σ= 145ε0.158 ln{( Z (/ 2.03×1019))1/8.58 + (( Z(/2.03×1019))2/8.58+1)1/2}。采用BP神经网络方法分别建立了流变应力、晶粒尺寸与变形温度、应变速率、变形量之间关系的数学模型。结果表明:所建立BP神经网络形式的本构模型具有很高精度和预测能力,在试验范围内可实现对任意变形条件下流变应力和晶粒尺寸的预测。对热变形过程的双级目标函数（流变应力与晶粒尺寸）进行线性处理后,建立了反映流变应力与晶粒尺寸综合性能的质量指标函数,采用序列二次规划法对质量指标函数进行最优化分析处理,获得了较易变形且变形后又具有较佳组织的热压缩工艺:变形温度、应变速率和变形量分别为905℃、10s-1和0.6。并在此工艺下对高温固溶（1100℃×60min）的AerMet100钢进行热轧变形处理后,TEM观察表明,采用上述工艺,消除了供货态基体中未溶的碳化物、孪晶马氏体和微观缺陷,晶粒细化至2.2μm,为后续热处理提供较好的组织准备。进一步研究了热轧态AerMet100钢不同淬火与时效工艺下组织演变和性能的变化规律。揭示了相同保温时间（60min）淬火温度对硬度的影响规律:淬火硬度随温度先升高后降低。当淬火温度为885℃时,硬度达到HRC49.8;超过885℃时,硬度随之下降,当淬火温度为920℃时,硬度为HRC47,得出AerMet100钢淬火温度为885℃。对试验用钢在460℃和480℃时效动力学进行了研究,得出满足最佳强韧性配合的时效工艺是460℃×300min和480℃×60min,对应的强韧化指标乘积分别是105.2和119.1。最终获得了AerMet100钢较佳强韧性配合的热处理工艺:885℃×90min淬火+ 480℃×60min时效,其抗拉强度、延伸率、断面收缩率和冲击韧性分别为1991MPa、19.1%、65.8%和47.6J/cm2。TEM观察表明,淬火态AerMet100钢于不同时效过程马氏体板条内析出的碳化物类型发生了转变。经425℃×60min时效,板条内沉淀出杆状Fe3C型碳化物;在480℃×30min时效,板条内沉淀出细小、弥散分布的正交结构的Fe2-xCx析出相;延长时效时间至180min,板条内正交结构的Fe2-xCx消失,析出M2C型碳化物。EDS结果指出,基体中Mo含量随着时效温度升高和时间延长而降低,基体中的Cr含量随保温时间的延长先降低后升高,在480℃时效过程中Cr参与了M2C型碳化物的析出过程,即M2C的演变次序为（Cr, Mo）2C→（Mo, Cr）2C→Mo2C。基于第一性原理密度泛函理论对AerMet100钢奥氏体变形能力进行表征,研究了合金元素M（M=Co、Ni、Cr或Mo）含量及其占位情况对奥氏体晶胞键集居数、总能量和结合能的影响。结果表明:当Ni替代顶角位置的Fe原子/Co、Cr和Mo分别替代面心位置的Fe原子时,合金元素含量越低,键集居数减小,晶胞总能量升高,原子间结合力降低,晶体易于变形。对低温时效析出相（Fe, M）3C的电子结构计算指出,合金元素Co、Ni溶入到Fe3C中,降低了形成能;Feg位置原子的态密度曲线变化很小, Fes位置原子的自旋向下态密度峰值向费米面以下漂移,使Feg与Fes位置的原子之间交互作用减弱,其根本原因是Co、Ni降低了（Fe, M）3C结构的稳定性。不同Mo含量的（Mo, Cr）2C电子结构计算表明,随Mo含量的增加,晶胞体积增大,总态密度在费米能级处降低,化合物稳定性提高。对时效析出相形成能计算表明,铁的碳化物Fe2C和（Fe, M）3C的形成能均高于（Mo, Cr）2C的形成能,为亚稳相;而（Mo, Cr）2C相为稳定相,并随着Mo含量的增加稳定性升高。这种现象与TEM的观察结果相符合,即在时效初期沉淀析出的（Fe, M）3C碳化物,随着温度升高而逐渐消失;较高时效温度析出的（Mo, Cr）2C,随时效时间继续延长最终演变为稳定相Mo2C,这也从电子结构计算层面揭示了AerMet100钢时效析出相的转变过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超高强度钢的发展
• 1.2.1 国外超高强度钢
• 1.2.2 国内超高强度钢
• 1.3 高钴镍超高强度钢的组织与性能
• 1.3.1 合金化特点
• 1.3.2 显微组织
• 1.3.3 合金碳化物与二次硬化
• 1.3.4 力学性能
• 1.4 高钴镍超高强度钢强韧化技术
• 1.4.1 强韧化理论
• 1.4.2 强韧化工艺
• 1.4.3 高钴镍合金钢强韧化途径
• 1.5 钢的塑性变形行为
• 1.5.1 塑性变形行为的研究方法
• 1.5.2 应力-应变曲线特征
• 1.5.3 热变形过程组织演变
• 1.5.4 流变应力数学模型
• 1.6 神经网络在材料科学中的应用现状
• 1.6.1 BP 神经网络
• 1.6.2 BP 网络结构及特点
• 1.6.3 BP 网络的工作原理
• 1.6.4 人工神经网络的应用
• 1.7 第一性原理基本理论及其应用
• 1.7.1 第一性原理方法
• 1.7.2 密度泛函理论
• 1.7.3 几种近似方法
• 1.7.4 自恰迭代循环和几何优化
• 1.7.5 第一性原理密度泛函理论在材料科学中的应用
• 1.8 论文的研究目的、意义和主要研究内容
• 1.8.1 研究目的和意义
• 1.8.2 论文的主要内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备及工艺方案
• 2.2.1 热压缩
• 2.2.2 淬火与时效工艺
• 2.3 分析测试方法
• 2.3.1 组织结构分析
• 2.3.2 力学性能分析与测试
• 2.4 计算方法
• 第3章 AerMet100 钢热压缩行为
• 3.1 供货态组织TEM 观察
• 3.2 固溶态组织OM 观察
• 3.3 热压缩变形的真应力-真应变曲线
• 3.3.1 原始组织对真应力-真应变曲线的影响
• 3.3.2 变形条件对真应力-真应变曲线的影响
• 3.3.3 PLC 效应及其机制
• 3.4 热变形参数对再结晶晶粒形貌的影响
• 3.4.1 变形温度对再结晶晶粒形貌影响
• 3.4.2 应变速率对再结晶晶粒形貌的影响
• 3.4.3 变形量对再结晶晶粒形貌影响
• 3.5 AerMet100 钢热压缩流变应力本构方程
• 3.5.1 流变应力数据统计分析
• 3.5.2 流变应力数学模型
• 3.5.3 材料常数的确定
• 3.6 再结晶晶粒尺寸和Z 参数的关系
• 3.7 热压缩过程再结晶晶粒尺寸与流变应力的神经网络预报
• 3.7.1 神经元模型及其层结构
• 3.7.2 样本数据
• 3.7.3 人工神经网络结构确定
• 3.7.4 神经网络模型
• 3.8 AerMet100 钢热压缩工艺优化
• 3.8.1 优化原理
• 3.8.2 多目标最优化问题的处理
• 3.8.3 最优化方法
• 3.8.4 热变形工艺优化设计与应用
• 3.9 本章小结
• 第4章 AerMet100 钢淬火时效组织结构与力学性能
• 4.1 AerMet100 钢淬火组织与性能
• 4.2 淬火AerMet100 钢时效组织与性能
• 4.2.1 金相组织和硬度
• 4.2.2 拉伸性能
• 4.2.3 冲击韧性
• 4.2.4 断口形貌SEM 观察
• 4.2.5 组织结构TEM 观察
• 4.2.6 时效基体成分EDS 分析
• 2C 型碳化物的析出机制'>4.3 M₂C 型碳化物的析出机制
• 4.4 本章小结
• 第5章 固溶态 AerMet100 钢变形能力与时效析出相 演变的第一性原理表征
• 5.1 引言
• 5.2 奥氏体的电子结构计算及其变形能力表征
• 5.2.1 晶胞结构设计及计算方法
• 5.2.2 电子结构计算的边界条件
• 5.2.3 电子结构计算结果
• 5.2.4 碳及合金元素对奥氏体变形能力的影响
• 5.3 时效析出相电子结构计算
• 3C 型碳化物的电子结构计算'>5.3.1 M₃C 型碳化物的电子结构计算
• 2C 的电子结构及其物理性能计算'>5.3.2 Mo₂C 的电子结构及其物理性能计算
• 2C 型碳化物电子结构影响'>5.3.3 Cr 含量对M₂C 型碳化物电子结构影响
• 5.3.4 时效析出相的结构稳定性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历