高硼中碳合金钢硬质相形态和分布耦合控制机理研究

以高硼铁基合金在高负荷、大冲击磨损工况的应用问题为背景，以高硼中碳合金钢为研究对象，采用稀土变质耦合电脉冲改性控制硬质相的形态和分布，解决硬质相粗大网状分布的组织缺陷，从理论和工艺上为高硼铁基合金的开发应用奠定基础。主要研究：1)电脉冲参数等对初生相形核能力与游离状况的影响，初晶奥氏体和硼化物、后续共晶相在耦合控制下的形核和生长规律及机理；2)多物理场综合作用下的非平衡凝固热力学和动力学模型；3)电迁移对原子和固/液界面浓度场的作用，硼化物硬质相的种类（Fe2B/FeB）及比例变化规律，4)Peltier效应对基体相和硬质相晶粒形态的影响机制；5)第一原理计算表征硬质相特性，结合断口及磨损形貌分析，研究硬质相特性、形态、分布等对力学性能、磨损特性和磨损机理的影响。本项目可建立高硼铁基合金凝固组织特别是硬质相控制的方法及理论，促进高硼铁基合金的应用，并完善外加物理场条件下非平衡凝固理论。

本项目以高硼铁基合金的应用问题为背景，以高硼中碳合金为对象，研究了合金元素、稀土变质处理和电脉冲改性处理等对高硼中碳合金凝固组织和性能的影响规律，并探讨了相应的作用机理。对高硼中碳合金在低真空环境、空气环境和磨料环境下的高温磨损特性和机理进行了探索性研究。. 研究表明，随着硼含量增加，合金硬度在HRC51~58范围内增加，而冲击韧性在4.9~2.3J/cm2范围内降低；碳含量增加，硬度增加明显，而冲击韧性明显降低；铬含量增加，合金硬度和冲击韧性均有一定的提高。用不同含量的RE-Mg和RE-Mg-Ti合金对高硼中碳合金进行了复合变质处理，发现变质后，高硼中碳合金的物相组成均没有发生变化，但是共晶组织的形态发生了较明显变化，而随着变质剂RE-Mg和Ti加入量的增加，高硼中碳合金组织中奥氏体晶粒的细化趋势及硼碳化合物的细化都更为明显。. 但无论是变化合金元素含量还是稀土变质处理都不能明显改变硼碳化合物的网状形貌，因此，不能明显提高高硼中碳合金的韧性。而电脉冲处理可以完全改变硼碳化物的网状结构，使硼碳化物孤立块状分布于基体之中，高硼中碳合金的韧性可从3 J/cm2左右提高到8~10J/cm2。.本项目利用单一变量法研究脉冲电流的各个参数对高硼中碳合金的影响。发现，随着脉冲电流强度增加，高硼中碳合金凝固组织中共晶莱氏体减少，硼碳化物断网现象变得明显，高硼中碳合金硬度以及冲击韧性提高。随着脉冲电流频率的增加，高硼中碳合金凝固组织中共晶莱氏体减少并最终消失，硬质相断网现象更明显，并最终以孤立块状分布于基体中。在脉冲电流的脉宽小于30μs时，高硼中碳合金硬度以及冲击韧性随脉宽的增加而提高；在脉宽大于30μs时，高硼中碳合金硬度以及冲击韧性随脉宽的增加而降低。. 分析认为脉冲电流对高硼中碳合金凝固组织及力学性能的影响是焦耳热效应、电磁力效应、电迁移效应以及帕尔贴热效应共同作用的结果。其中焦耳热效应和电磁力效应作用最为显著。脉冲电流通过高硼中碳合金所产生的的焦耳热及电磁力共同作用使得共晶莱氏体减少，硼碳化物硬质相断网并且变的圆整。共晶莱氏体减少可能与电迁移效应有关。硼碳化物硬质相形状变得圆整还可能与帕尔贴热效应有关。