图;
[0024]图7A是钢在快速贝氏体加工之前和之后的光学和SEM图像;
[0025]图7B是快速贝氏体加工的钢的透射电子显微镜图像;
[0026]图8示出模拟的初始边界条件;
[0027]图9A、9B、9C和9D是在不同的加热速率下建模的渗碳体溶解;
[0028]图10是在室温下和在1000 °C下的浓度梯度[C和Cr];以及
[0029]图11是Fe-0.03C-0.3Cr重量%铁基合金的连续冷却图。
【具体实施方式】
[0030]根据本发明,公开了一种新的金属处理方法,其通过极其快速地加热金属、接着立即将材料快速淬火而导致将低等级铁基合金转变为高强度钢。所得钢是至少马氏体、贝氏体、铁素体和下文更详细讨论的其它结构的异质组成。
[0031]就此而言,我们的实验显示,在快速奥氏体化之后紧接着快速淬火已证实形成双重硬度微结构,如附图中所说明。实验显示,具有AISI4130名称的材料的快速加工得到约525和625维氏硬度(Vickers hardness)的多个硬度峰。硬度的组合已通过单一传感器差热分析得到证实,其显示在单一淬火操作期间两个温度范围发生转变。在AISI 4130中,在水淬火期间从1202 °?至1022 °F*此外从860 °?至680 °F发生转变。
[0032]尽管对于这种双重冷却转变的现象未充分理解,但存在多种理论。第一种是钢被快速加热并且还没有发生碳流平。因此,在个别的晶粒大小尺度下存在多种碳和合金浓度。前者的铁素体区域含有最少的碳,而前者的珠光体和含碳化物的区域具有丰富的碳。碳富集区域转变为马氏体,而碳匮乏区域转变为贝氏体。在快速贝氏体加工完成后,先前的碳化物通常几乎完整存在。
[0033]另一种可能的理论是当奥氏体转变为纳米尺度片晶时存在上限转变温度。在冷却期间发生的第二转变是片晶聚结成较大的片。
[0034]这种双重转变概念使我们得到了本发明的另一个方面。由于存在双重转变,可允许第一转变发生,而停止第二转变。例如,将铁基合金快速加热至所选峰值温度,几秒钟后,在低于第一转变结束温度但高于第二转变开始温度的淬火介质中将铁合金淬火。所述材料将完成第一转变,但推迟第二转变。
[0035]这可造成例如形成第一阶段的快速贝氏体,例如,仅纳米非聚结贝氏体相,但是留下显著量的另一个相,可能是残留奥氏体,或一些其它的奥氏体子产物。然后可使材料从第一转变结束温度(即1022 T )与第二转变开始温度(即860 T )之间的温度降低。注意到所提供的温度是来自基于4130化学钢的异质性的实验。对于具有不同化学性质的其它钢合金,第一和第二转变开始和结束温度将不同并且为本领域技术人员所公知。
[0036]已知不同的钢合金具有不同的最佳峰值加热温度以获得最大延展性结果。当峰值加热温度较高时,具有较少碳的钢将保持最高延展性,而当峰值加热温度不够高时,具有较多碳的钢将保持最高延展性。在碳为0.035重量%的1008普通碳钢的情况下,当钢达到的峰值加热温度为2225-2275 °F时,金属板的A50伸长率优化为8%至10%。在碳为0.41重量%的4140铬钼钢的情况下,当钢达到的峰值加热温度为1925-1975 °F时,金属板的A50伸长率得到优化。对于碳含量介于上述两种实例之间的钢,实验已发现存在最佳峰值温度的几乎线性关系,因此当加热至1950-2000 °F时,0.30重量%碳钢获得最好的结果。当加热至2025-2075 °?时,具有0.20重量%碳的钢获得最好的结果。当加热至2125-2175 °F时,具有0.10重量%碳的钢获得最好的结果。通过线性内插,可确定优选的延展性峰值加热温度。正因为如此,0.15重量%碳钢将因此具有2075 °F-2125 °F的优选峰值加热温度。当处理在珠光体/铁素体状态中或在球化状态中的钢时,这些最佳峰值温度适用。已经过冷轧并且随后未充分归一化/退火而因此保持硬化的钢,由于赋予其的应力而将能量储存于其中。在这些情况下,最佳峰值加热温度可从上述规定的峰值加热温度降低多达100-200 T。
[0037]已发现,加入已知为强碳化物成形剂的合金元素有益于最终微结构的机械性质。这些合金元素包括(但不限于)铬、钼、钒、硅、铝、硼、钨和钛。将两个基于普通碳的1020钢板进行快速贝氏体加工。钢化学性质中的唯一显著差异是一种加入有0.33重量%的铬。在几秒钟内将钢快速加热至2050 0F。在达到峰值2050 °?后,在水雾中将钢淬火至室温。在1500-1600MPa下测试的具有0.33重量%铬的改性1020具有9%至10% A50伸长率。在1350-1450MPa下测试的普通碳1020钢(无铬)具有7.5%至8.5% A50伸长率。考虑到唯一实验差异在于改性1020化学结构中具有0.33重量%铬,由于向1020合金中加入铬,机械性质的改进可归因于存在碳化铬和碳化钼。类似地,比较1050普通碳钢与6150铬钒合金钢。在快速加工至1900 °F后,6150钢具有比普通碳1050钢高约I %至2%百分点的伸长率。快速加工的6150的强度也具有比快速加工的1050高10MPa的屈服强度和高150MPa的极限拉伸强度。已发现,典型的是,市售普通碳钢一旦经过快速贝氏体加工就具有7.5%至9.5%总伸长率。含有碳化物成形合金的钢趋向于过量的9-11%以上的总伸长率。快速贝氏体加工的4140钢产生1600MPa屈服强度、2100MPa拉伸强度和10%总A50伸长率。当使用完整1/2〃宽度A50试样在1/4〃厚度下测试4130时,在1500MPa屈服强度和1900MPa极限拉伸强度下产生11-12%总A50伸长率。
[0038]还发现,先前微结构的球化有益于增强快速贝氏体加工的钢的机械性质。据认为,通过将碳组织进球体中,球化会进一步限制碳迀移,已知球体是关于表面积在几何上最有效的容量存储方式。通过经由球化限制碳迀移,可控制贝氏体的百分比。在钢中形成纹理以控制先前奥氏体晶粒大小和与元素迀移的相互作用的其它方法已证明是有益的。例如,在4130钢的情况下,针对穿甲弹和其它小型武器弹,发现热的条纹状4130具有比75%球化4130低10-15%的防弹性。
[0039]在快速贝氏体加工之前,需要控制初始微结构来实现这些独特的微结构。使用计算热力学和动力学模型评价了上述假说。在这种模型中,考虑了含有铁素体(a)和渗碳体(M3C)的系统。假定线性加热速率为1、10和lOOKs—1,计算奥氏体生长动力学。计算显示,在Fe-C系统的情况下,在1KiT1下发生Fe3C的快速溶解。相比而言,即使在IKiT1下,M3C(富集Cr)的溶解速率也是缓慢的。上述结果支持所提出的在快速贝氏体加工期间的微结构演化机理。
[0040]本发明的第一个方面在于提供一种廉价、快速且简单的方法来制造含有可观百分比的纳米尺寸片晶贝氏体且同时具有纳米尺寸的马氏体板条的一些所期望机械性质的低碳、中碳或高碳铁基合金。尽管其它的热机械加工技术需要漫长的热加工来获得多元的贝氏体-马氏体微结构,但快速贝氏体加工可