Fe-Cu合金中Cu析出的研究

论文摘要

以往，Cu因具有热脆性等原因在钢中的含量都较低，并且其不能作为唯一的强化元素，要使材料强度达到标准，还需依赖其它元素及其它强化方式。近年来，随着冶金行业的革新，对钢材中各元素成分的精度控制大大提高，杂质元素含量显著降低，低合金高强度钢与纯净钢相继问世。Cu的有害作用问题被解决，因而其在钢材中的含量得以提高，可高于1wt%，因而其沉淀强化作用可得到充分发挥，材料的强度及硬度性能有了大幅改善。近几十年来，越来越多的学者将Cu元素作为单一合金强化元素来进行研究。铜单一合金化钢经热处理后会形成许多细小而弥散分布的ε-Cu颗粒，可大幅度提高钢材强度。同时，高纯净基体与高塑性析出物使钢材仍保留高塑性。此外，以与析出行为相配合的特定的热机械处理可以进一步细化钢的组织，从而提高钢材性能。含铜钢兼具高强度、良好加工特性和优秀焊接特性等优点，逐渐成为当前钢铁的一个研究重点，Cu在钢铁中的析出行为对研制新的含铜钢具有指导意义。本文主要通过数学建模及透射电子显微镜等实际实验观察和讨论对合金中ε-Cu的析出过程中，成分、温度、时间等因素对形核的影响进行了探讨分析。Ni和Mn可加速溶质原子在合金中的脱溶过程，使在相同的热处理工艺下添加这两种元素的合金有着更高的沉淀数密度。此外添加第三项元素可促使FeCu1.5Ni3和FeCu1.5Mn3在特定的温度条件下发生相间沉淀。相间沉淀的发生还与热处理温度有关，其温度必须在TTT曲线不连续点以上、相变温度以下的温度区间内。对于FeCu1.5Ni3和FeCu1.5Mn3合金来说，可以形成相间沉淀的温度区间分别在600715℃和550640℃之间。Ni和Mn的引入可以促使析出相中的Cu元素含量有些许增高。并且在形核过程中Ni和Mn会被逐渐排到颗粒外部，富集于沉淀/基体界面处，从而令沉淀相的临界形核功减小，以促进形核。实际实验结果与根据Cahn-Hilliard理论及MLS理论建立的数学模型模拟的临界晶核成分分布、形核率、颗粒数目及析出相尺寸的结果相吻合，验证了理论模型的合理性与正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.1.1 钢中的残留元素
• 1.1.2 含铜钢的发展
• 1.1.3 Cu 的作用
• 1.2 合金的脱溶与时效
• 1.2.1 脱溶过程与沉淀物结构
• 1.2.2 脱溶热力学与动力学
• 1.2.3 形核生长与失稳分解
• 1.3 Fe-Cu 固溶体分解的理论描述
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 Fe-Cu 合金脱溶分解热力学
• 1.4 Cu 在钢中的析出
• 1.4.1 Cu 的析出过程
• 1.4.2 Cu 的析出强化
• 1.4.3 相间沉淀
• 1.5 本论文研究内容
• 第2章 Cu 脱溶沉淀模型与计算
• 2.1 概述
• 2.2 Langer Schwartz 模型和 Modified Langer Schwartz 模型
• 2.2.1 Langger Schwartz 模型（LS 模型）
• 2.2.2 Modified Langer Schwartz 模型（MLS 模型）
• 2.3 成核激活能与沉淀相浓度
• 2.4 Fe-Cu 系合金 Cu 析出数值模拟
• 2.5 本章小结
• 第3章 Cu 析出实验设计
• 3.1 概述
• 3.2 实验材料与处理工艺
• 3.2.1 实验材料的化学成分
• 3.2.2 实验材料的热处理工艺
• 3.3 实验方法及仪器
• 3.3.1 光学显微镜试样的制备
• 3.3.2 硬度测试
• 3.3.3 透射电镜试样的制备
• 3.3.4 试样组织及析出物的透射电镜观察与分析
• 第4章 Cu 析出实验结果与分析
• 4.1 相变组织分析
• 4.2 Cu 颗粒的析出情况
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 析出物形状、大小及数目
• 4.2.3 沉淀相的成分分析
• 4.2.4 相间沉淀
• 4.3 硬度实验
• 4.4 实验观测结果与数学模拟结果的对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果