模拟方法在贝氏体钢研究中的应用

论文摘要

近年来模拟方法在材料的成分和工艺设计方面获得广泛应用,对大型工件更具优势。本论文采用数值模拟、人工神经网络和小试样物理模拟结合的方法,对贝氏体钢大型厚壁锻件、厚截面铸件和1500MPa级高强钢的成分和工艺设计进行指导,探索应用模拟方法研制高强韧贝氏体钢的途径,在此基础上对所研究贝氏体钢的强韧化机制和1500MPa级高强钢的超高周疲劳行为进行了研究。研究表明,采用NSHT热处理数值模拟程序计算热处理冷却过程的温度场分布,通过ANN模型预测或实测CCT图,结合小试样控制冷却的热处理工艺模拟,可以较好预测所研究贝氏体钢的组织和性能,有效指导成分和工艺设计。（1）对400mm*800mm*800mm反应堆压力容器（RPV）特厚大锻件在淬火过程中的温度场分布进行了计算,获得不同部位的冷却曲线;在微调SA508-3成分基础上通过W合金化进行初步成分设计,采用人工神经网络预测实验钢的CCT图;二者结合预测实验钢对应锻件不同位置的组织和性能。并通过小试样控制冷却模拟了大锻件不同位置的冷却过程,获取典型位置材料的组织和性能数据。在此基础上对RPV特厚大锻件的成分和工艺进行了优化设计。结果表明,对SA508-3进行适量微调和W合金化,经淬火+高温回火后可以获得良好的综合力学性能和截面内性能的均匀性,满足RPV锻件的技术条件要求。（2）对60mm厚的Mn-Si-Cr贝氏体钢板类铸件奥氏体化后的空冷进行了数值模拟,结合CCT图预测了不同成分铸件空冷后的组织,同时通过小试样热处理模拟预测了性能,二者结合预测了铸件典型位置的空冷淬透性。在此基础上合理设计成分与工艺,达到了淬透性要求。预测结果与实测结果一致。（3）采用小试样模拟不同尺寸钢棒空冷,建立了1500MPa级无碳化物贝氏体/马氏体（CFB/M）高强钢的改型CCT图;对不同形变温度的形变热处理进行了实验模拟。对其连续冷却转变规律进行了研究,探讨了冷却速度和形变温度对组织和性能的影响,为获得高强韧CFB/M组织提供了工艺指导。在根据实验结果获得CFB/M组织的基础上,研究了CFB/M高强钢的超高周疲劳行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 模拟方法在材料科学中的应用
• 1.2.1 热处理过程的数值模拟
• 1.2.2 人工神经网络
• 1.2.3 小试样物理模拟方法
• 1.3 贝氏体钢的研究和发展
• 1.3.1 贝氏体钢的合金化
• 1.3.2 贝氏体钢的强韧性
• 1.3.3 贝氏体钢
• 1.3.4 Mn-B 系贝氏体钢
• 1.4 高强钢的超高周疲劳
• 1.4.1 影响高强钢疲劳裂纹萌生的因素
• 1.4.2 高强钢的超高周疲劳
• 1.5 钢铁结构材料的组织细化机制和途径
• 1.5.1 低碳合金钢的形变诱导铁素体相变（DIFT）
• 1.5.2 低碳贝氏体和针状铁素体钢的形变诱导析出和中温相变
• 1.5.3 调质钢的淬火前奥氏体超细化
• 1.5.4 低合金高强度钢和无碳化物贝氏体/马氏体（CFB/M）复相组织
• 1.6 研究内容和研究路线
• 第2章 反应堆压力容器特厚大锻件用贝氏体钢的研究
• 2.1 本章引论
• 2.2 淬火冷却过程的数值模拟结果
• 2.3 实验钢的成分设计
• 2.3.1 实验钢的合金化原则
• 2.3.2 实验钢的CCT 图预测
• 2.3.3 实验钢成分的确定
• 2.3.4 实验钢的实测CCT 图和末端淬透性
• 2.4 实验钢的工艺设计和综合力学性能测试
• 2.4.1 力学性能测试方法
• 2.4.2 回火温度对室温拉伸性能的影响
• 2.4.3 回火温度对高温强度和低温韧性的影响
• 2.5 成分和工艺对组织的影响
• 2.5.1 W 合金化对组织的影响
• 2.5.2 回火温度对组织的影响
• 2.5.3 分析与讨论
• 2.6 本章结论
• 第3章 贝氏体/马氏体空冷耐磨铸钢的淬透性预测和强韧化
• 3.1 本章引论
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 实验钢的成分设计
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 实验钢的空冷淬透性预测
• 3.3.1 板状铸件的空冷数值模拟
• 3.3.2 实验钢的淬透性分析
• 3.3.3 实验钢淬透性预测结果的验证
• 3.4 回火温度对实验钢强韧性的影响
• 3.4.1 回火温度对强度和韧性的影响
• 3.4.2 分析与讨论
• 3.5 本章结论
• 第4章 冷却速度和形变温度对CFB/M 高强钢组织和性能的影响
• 4.1 本章引论
• 4.2 实验材料和方法
• 4.3 冷却速度和奥氏体化温度对组织和性能的影响
• 4.3.1 冷却速度对组织转变的影响
• 4.3.2 冷却速度对贝氏体和残余奥氏体相对量的影响
• 4.3.3 奥氏体化温度对组织的影响
• 4.3.4 冷却速度和奥氏体化温度对性能的影响
• 4.4 形变温度对组织和性能的影响
• 4.4.1 形变温度对组织的影响
• 4.4.2 不同温度形变处理后的硬度和冲击韧度
• 4.4.3 分析与讨论
• 4.5 本章结论
• 第5章 CFB/M 复相高强钢的超高周疲劳行为
• 5.1 本章引论
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 实验室制备钢的超高周疲劳行为
• 5.3.1 组织和常规力学性能
• 5.3.2 S-N 曲线
• 5.3.3 疲劳断口分析
• 5.3.4 da/dN-ΔK 曲线和ΔKth
• 5.3.5 实验室制备高强钢的疲劳起裂机理分析
• 5.3.6 加载间歇时间对超高周疲劳性能的影响
• 5.4 工业生产高强钢的超高周疲劳行为
• 5.4.1 组织和常规力学性能
• 5.4.2 S-N 曲线
• 5.4.3 疲劳断口分析
• 5.4.4 疲劳起裂机理分析
• 5.4.5 da/dN-ΔK 曲线和疲劳裂纹扩展路径
• 5.4.6 微观精细结构对疲劳强度的影响
• ODA、ΔK_fish-eye'>5.5 鱼眼与 ODA 边界处门槛值ΔK_ODA、ΔK_fish-eye
• 5.6 本章结论
• 第6章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 热处理冷却过程的数值模拟方法简介
• 附录B 人工神经网络预测CCT 图的方法简介