超高碳鋼是指碳含量為1.0~2.1%，滲碳體體積百分比為15~32%的普碳鋼。鑄態(tài)時強度低而性脆。經(jīng)過熱加工和熱處理后，可得到均勻分布著細(xì)小滲碳體顆粒的超細(xì)鐵素體(0.5~2μm)基體。這種組織的超高碳鋼在一定溫度(A1溫度附近)和應(yīng)變速度下具有超塑性。

外文名

ultra-high carbon steel

學(xué)科

材料工程

領(lǐng)域

工程技術(shù)

正文

超高碳鋼

簡介

超高碳鋼指的是含1.0-2.1wt%C的低合金普通碳鋼，在歷史上曾長期被認(rèn)為是脆性材料，但于二十世紀(jì)70年代中期后，被發(fā)現(xiàn)有希望開發(fā)為兼有高強度與高韌塑性的新型結(jié)構(gòu)材料。不僅如此，在對顯微組織進(jìn)行控制之后，超高碳鋼還能獲得優(yōu)異的超塑性，其拉伸伸長率可高達(dá)2000%以上，而且其超塑性變形速率可提高到10-1s-1以上。

超高碳鋼超塑化的關(guān)鍵在于使碳化物以極為細(xì)小的顆粒狀彌散分布于鐵基體。這種碳化物顆粒尺寸僅零點1微米左右，對材料的韌塑性沒有任何危害，而由于第二相體積含量高達(dá)20～30%，所以能夠很有效地控制基體的晶粒大小，使之保持在0.5～1微米的細(xì)晶尺寸。

超塑化

根據(jù)近年來的研究進(jìn)展，實現(xiàn)超高碳鋼的超塑化主要從以下幾個方面著手：

（1）添加合適的元素。其中最有效的是硅和鋁。它們都是鐵素體穩(wěn)定元素，能夠有效地阻止晶界碳化物網(wǎng)絡(luò)的生成，也能夠防止碳化物顆粒的長大，從而保持超塑化所必需的細(xì)晶組織。同時，它們都能提高轉(zhuǎn)變溫度，使超塑變形可在較高溫度下進(jìn)行，有利于進(jìn)一步降低變形抗力。不過，這類元素有促進(jìn)石墨化的作用，因此，還必須添加適量的鉻等碳化物形成元素來防止石墨化。

（2）實行恰當(dāng)?shù)臒?加工處理。其要點是：在γ+Fe3C區(qū)進(jìn)行連續(xù)的熱機械加工，使先共析網(wǎng)狀碳化物破碎成較細(xì)的碳化物顆粒，并細(xì)化奧氏體晶粒。然后在α+Fe3C區(qū)進(jìn)行熱機械加工，破碎珠光體組織，獲得細(xì)小球狀碳化物顆粒的彌散分布組織。有文獻(xiàn)提出用離異共析轉(zhuǎn)變方法，其要點是：將已粉碎晶界碳化物網(wǎng)絡(luò)的材料重新加熱到Acm上端，得到碳不均勻分布的奧氏體，然后采用較慢的控制冷卻速度，冷卻到共析轉(zhuǎn)變溫度以下，即可獲得球狀碳化物組織。

（3）采用噴射成形等新型制備工藝。利用快速凝固原理，噴射成形可直接獲得無晶界碳化物網(wǎng)絡(luò)且充分細(xì)化的組織，因此可避免在固態(tài)下用熱加工粉碎這種晶界網(wǎng)絡(luò)的麻煩，提高了生產(chǎn)效率。不僅如此，最近的研究還發(fā)現(xiàn)，由噴射成形制備的超高碳鋼，盡管還是珠光體組織，卻無需另外進(jìn)行熱的或機械的處理，就有相當(dāng)好的超塑變形能力，伸長率可達(dá)380%。這是由于這種珠光體非常細(xì)，以至在變形過程中很容易碎化為顆粒組織，故被稱為“自超塑化”現(xiàn)象。