大过冷诱导多层次珠光体组织细化及其对塑性的影响机制研究

Extensive application of ultra-strong pearlitic materials make them increasingly popular, while high ductility enables the high-quality formability. This project focuses on the control mechanism for the colony optimization (size, uniformity, and boundary misorientation) and laminated-structure design (thickness of cementite/ferrite lamellae and thickness ratio) via the separation of undercooled temperature T1 and isothermal transformation temperature T2, and controlling the austenizing temperature T and undercooled time t during austenite decomposition. It aims to reveal the individual effect of parameters of colony structure and laminated-structure on ductility enhancement, respectively. Also, effect of the fraction of high-angle boundaries on the ductility is quantitatively determined. The deformation behaviors of whole pearlite colony and cementite/ferrite lamellae in colonies are particularly stressed, respectively, as well as their roles in the behaviors during crack nucleation and growth. It aims to provide the new knowledge for designing pearlitic steel with high ductility and provide a guideline for developing the cold-drawn pearlite wire with ultra-high strength through investigations of the project.

超高强冷拔珠光体材料的广泛应用使其备受关注，然而高的塑性才能确保其完成冷变形加工。本项目拟通过分离过冷温度T1和珠光体等温温度T2，并控制奥氏体温度T和过冷时间t等改变相变热力学条件的方法，实现珠光体团结构(尺寸、均匀性、高角度界面比例和分布)和团内层状结构(Fe3C/α-Fe片厚及其厚度比)的调控。进而分别探明影响塑性的主、次要珠光体团结构特征，定量揭示高角度界面比例对塑性的影响，并优化团结构。在团结构特征相近的条件下，弄清各层状结构特征对塑性的影响规律，从而从多层次角度优化珠光体组织。重点研究不同应变条件下，团整体和层内Fe3C/α-Fe片的变形行为，并弄清对裂纹形核、扩展行为的影响机制，为发展高强塑性珠光体材料和制备冷变形超高强度线材奠定理论基础。

本项目通过调整奥氏体化温度、过冷温度和等温温度等相变条件，系统研究了大过冷下珠光体相变的动力学行为，珠光体形核和长大的行为，多层次珠光体组织的演化，及其对力学性能的影响。研究表明，大过冷诱导珠光体转变C曲线左移，即孕育期缩短，而相变完成时间也变短，从而加速珠光体的形核和长大过程。随着过冷度增加，珠光体形核率大大提高，促进珠光体在晶界和晶内大量形核，从而珠光体团显著细化。新形成的团结构均匀性良好，排列分布更随机；团界面的取向角总体变大，大角度团界比例增加，几个小角度团间的取向角易累积成大角度。大过冷还诱导渗碳体变薄，α-Fe/Fe3C厚度比改变。采用DIC系统，BSE和EBSD同位观察技术系统研究了多层次珠光体组织跨尺度的变形行为，揭示了团结构和团内片层结构对强塑性的影响机制，并阐明薄渗碳体片对位错阻力降低和低的初始位错密度是其强度略有降低的主要原因。大过冷后，材料均匀和非均匀变形能力变强。在缺口状态，团间、团内α-Fe/Fe3C片间良好的协调变形能力，使得裂纹形核的临界应力变大，而增多的大角度团界和累积取向角为大角度的团都增加了裂纹扩展的阻力，并建立了相关模型。因此，大过冷珠光体组织使得材料具有良好的塑韧性，即使在大变形条件下，过冷试样中渗碳体弯曲、薄化，轻微碎化缓解变形，而直接等温试样中渗碳体已严重碎化并发生回溶。大过冷工艺在降低强度的同时，显著提高了塑性，而高的塑性指标确保了材料的冷变形成型性。这对于后续拉拔工艺有利，减少拉拔次数，节约成本，并有望在高性能线材制造中得到应用。