ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢的相变及析出碳化物的研究

论文摘要

本论文以ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢为实验材料,通过DSC实验来测该材料在升温和降温阶段的DSC曲线,从而对ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢的相变动力学进行分析：利用Thermo-Calc软件对钢中析出物的种类以及析出顺序进行模拟计算；同时采用阳极萃取的方法对时效处理前后钢中所析出的碳化物进行制取,并通过X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）对碳化物的类型、形貌、尺寸、分布以及碳化物对钢性能的影响进行分析讨论。研究结果表明：在升温阶段ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢发生的相变分为马氏体→奥氏体和马氏体+奥氏体→奥氏体两个阶段,这两处的相变激活能分别为2785KJ/mol和875KJ/mol;在降温阶段材料发生奥氏体→马氏体转变,发生相变所需的激活能为-55KJ/mol,相变激活能为负值,表明相变的驱动力无限大,马氏体相变为自发反应相变。另外,在升温和降温阶段相变的反应级数n都为1,说明马氏体相变是可逆相变,马氏体向奥氏体转变和奥氏体向马氏体转变的反应机理相同,均为形核和长大过程。经过Thermo-Calc热力学软件的模拟计算发现,ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢在400-1600℃时的主要平衡析出相为M23C6、MX和Laves相等。γ→α的平衡开始转变温度约为900℃,平衡转变终了温度为780℃。MX的平衡开始析出温度约为1200℃,M23C6的平衡开始析出温度约为900℃,Laves相大约在700℃时开始析出。经过选区电子衍射和XRD分析发现,该耐热钢内的主要析出相为M23C6、MX和Laves相等。其中,M23C6型碳化物习惯在板条界或板条内析出,其形貌以不规则球形和棒状为主；MC型碳化物则主要以细小球形颗粒或针片状颗粒弥散的分布在晶体内部。在600℃经过1.7万小时的时效处理以后,材料在室温条件下的脆性增加,显微组织结构发生明显的退化。碳化物颗粒在晶界和晶内明显粗化或球化,这正是钢在时效以后性能下降的主要原因。ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢的显微组织为板条马氏体结构,马氏体耐热钢的强化机制主要包括马氏体强化、固溶强化、以及碳化物的沉淀强化。在晶内细小弥散分布的MC型碳化物在长期高温时效过程中沉淀析出是ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢在高温下能够保持强度的主要原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 耐热钢的发展概况
• 1.2.1 耐热钢的发展
• 1.2.2 耐热钢的现状
• 1.3 马氏体相变
• 1.3.1 热分析动力学的发展和现状
• 1.3.2 马氏体相变研究的发展及现状
• 1.4 耐热钢中碳化物的研究
• 1.4.1 碳化物在耐热钢中的作用
• 1.4.2 碳化物的研究现状
• 1.4.3 碳化物的类型
• 1.4.4 碳化物的主要研究方法
• 1.4.5 阳极萃取碳化物
• 1.5 本论文研究的内容及意义
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 试验和分析方法
• 2.2.1 常温力学性能测试
• 2.2.2 差示扫描量热（DSC）试验
• 2.2.3 耐热钢中析出物的热力学计算
• 2.2.4 碳化物的制取
• 2.2.5 碳化物的分析
• 2.2.6 显微组织分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 相变动力学分析
• 3.1 数据提取与动力学分析
• 3.1.1 Kissinger理论
• 3.1.2 Ozawa（小泽丈夫）理论
• 3.1.3 实验所得曲线及峰温
• 3.1.4 用小泽丈夫理论计算反应的激活能E
• 3.1.5 用Kissinger理论计算激活能E
• 3.1.6 计算降温阶段的相变激活能E
• 3.1.7 Kissinger理论计算指前因子A
• 3.1.8 用Kissinger理论计算反应级数n
• 3.2 马氏体相变分析
• 3.2.1 相变过程
• 3.2.2 激活能与马氏体相变
• 3.2.3 反应级数n的意义
• 3.3 本章小结
• 第4章 析出物的热力学计算及分析
• 4.1 热力学模型
• 4.2 结果和分析
• 4.2.1 ZG1Cr10MoWVNbN的平衡相图
• 4.2.2 平衡相和温度的关系
• 4.2.3 平衡相和合金元素的关系
• 4.3 本章小结
• 第5章 碳化物的种类和形貌
• 5.1 萃取碳化物粉末的XRD分析
• 5.1.1 XRD结果的理论分析
• 5.1.2 XRD数据分析
• 5.2 钢中碳化物的FRTEM分析
• 5.2.1 碳化物的低倍观察
• 5.2.2 碳化物的高分辨原子排列观察
• 5.3 钢中碳化物的种类和分布
• 5.3.1 碳化物在钢中的分布
• 5.3.2 钢中碳化物的透射分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 碳化物对钢的组织及性能的影响
• 6.1 耐热钢的显微组织分析
• 6.2 碳化物对钢力学性能的影响
• 6.2.1 时效前后钢的力学性能
• 6.2.2 碳化物的析出对钢力学性能的影响
• 6.3 ZG1Cr10MoWVNbN耐热钢的强化机理
• 6.3.1 合金元素的固溶强化
• 6.3.2 第二相的沉淀强化
• 6.3.3 马氏体强化
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢