第1章前言
1.1材料设计发展概况
许多科学工作者对材料科学的发展进行过较为详尽的评述,总括起来看,可将材料的发展大致可分为四个阶段:一、经验设计阶段。在应用金相显微镜观察材料的组织形貌之前,人们是凭借积累的经验来制备新材料的,如调整钢中的成分制造锋刃的宝剑;在粘土中添加不同比例的各类纤维物生产强度较高的建筑材料;调整矿砂的种类和比例生产各种特制的玻璃等。二、组织设计阶段。这一阶段是以金相显微镜应用于材料设计为标志的,通过金相显微镜观察材料的组织形貌后,发现材料的组织与性能密切相关,从此人们有目的地通过调整成分,改进生产工艺以获取特定的组织来保证材料的性质符合预定的要求。如调整钢中碳的浓度来控制铁素体和渗碳体的相对含量,以求获得预定强度和硬度的钢材,对确定成分的钢也可通过改变热处理工艺获得不同形貌的组织,如珠光体、索氏体和屈氏体等,从而获得性能相差很大的钢材。三、相结构设计阶段。X射线衍射方法测定的晶体结构,开创了X射线晶体结构分析的历史,使古典晶体学向现代晶体学发展,使人们对材料结构的认识有组织结构层次向相的结构层次深入。对材料相结构认识的深化,大大丰富了材料科学的内容,随之也增多了为获得预定性能目标的手段。例如,为了提高合金的强度可以采用间隙式固溶体强化、置换式固溶体强化、弥散强化、双相强化和有序一无序转变强化等多种方案。
材料原子结构层次设计的主要任务是在自由原子的电子结构己知的情况下预计同类原子聚合时,由原子外层电子相互作用所引起的电子空间分布和能量状态的变化,进而由变化后的电子结构预计纯单质的晶体结构类型、晶体结构参数和性质,最后预计异类原子聚合时原子电子结构的变化所引起的相的结构和性质的变化。归纳起来,目前在原子的电子结构层次上进行合金设计以下几种理论:1.汤夏夫和森水正彦以分子轨道计算法为基础发展了一种新相分计算法困。此法采用平均轨道能级和平均结合次数来预测新相的出现,轨道能级是过渡族元素加入后所产生的新能级的平均能量取值,它与添加元素的电负性及原子半径有密切关系;平均结合次数与原子间电子云重迭程度相关,它反映了原子间共价键的强度,其值越高,原子间的键合就逾强。2.Pauling对价键理论的建立作出了巨大贡献,应用杂化状态、共振、电负性和单键半径等概念对分子和晶体构型进行了卓有成效的研究。
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1.2问题的提出
目前,工模具钢主要分为两大类:高合金工模具钢和低合金工模具钢,这两类钢的PaP种都很多,如高合金工模具钢;低合金工模具钢品种更多。这些模具钢都有其主要的适用范围,如高合金模具主要使用在对抗回火性要求较高的工况,低合金工模具钢主要使用在对抗回火性要求不高但对韧性要求较高的场合。在实际生产中,大量的低合金工模真钢又因使用时工作温度超过回火温度而达不到应有的抗回火性,甚至耐磨性过低.为了提高生产效率和模具的使用寿命,在对抗回火性要求不是很高的场合,人往往选择高合金工模具钢,但是,随着生产的发展,人们逐渐认识到很多抗回火性要求不是很高的加工场合,使用高合金钢在成本上是一种浪费,特别是用高合金钢作冷作模具中合金工模具钢既有高合金工模具钢抗回火性较高的特点,又有低合金工模具钢韧性较好的特点,且成本较低。中合金工模具钢的种类不是很多,近年来它的发展受到了人们的广泛关注。尽管钢的发展历史很长,理论与经验己很丰富,但在材料设计特别是合金材料的设计中,如何实现合金设计和其它工程设计相类似,能预先通过计算或其它非实验的方法获得需要设计的合金的各项性能,目前有关这方面的报道并不多见。常用的合金设计方法是参考某些钢的成分,在原有成分的基础之上根据经验进行成分调整。如何在不做实验或尽可能少做实验的情况下进行合金设计是材料工作者一直追求的目标。随着科学理论的发展和计算机技术的提高,材料的理论设计已成为可能。本文针对CrlZMoV钢在重冲击载荷作用下的缺点,尝试设计一种在该工况下代替的中合金工模具钢,对提高生产效率、节约能源、降低成本都有很大意义。
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第2章合金设计步骤
2.1性能目标
每种钢的设计都是有一定的出发点的,都是针对某个或某些实际问题而进行设计的。在合金设计前必须明确设计新钢种的使用条件,现有或正在服役的材料的不足之处,才能明确合金设计的方向。图2-l是提出性能目标的流程框图。模具钢有各种性能指标,对于不同的使用条件,对性能的要求也是很不同的,如:冷作模具钢是在室温条件下进行冷冲、剪裁、挤压等条件下工作,这就要求模具钢必须具有较高的强度、韧性、耐磨性和硬度,具有一定的抵抗摩擦生热的抗回火性;而热作模具钢,除考虑这些因素外,还要考虑热疲劳,抗高温回火性等其它因素。也很少发生断裂失效,但是,当用于重冲击载荷作用功工况时,常常以断裂方式失效。为了提高在这种工况下模具的使用寿命,有必要设计一种新的钢种,与Q12MoV相比,韧性要好,强度要高,硬度、耐磨性基本保持不变。
2.2结构设计
淬火加热时随着淬火加热温度的不同,合金元素在奥氏体中的溶解程度是不同的,所以可以通过控制淬火加热温度来控制奥氏体的合金化程度。实践证明侧,马氏体的硬度主要决定于马氏体的碳含量,而马氏体中的其它合金元素含量的影响较小,得到马氏体以前的组织是奥氏体,因此,奥氏体中的碳的含t是预测马氏体强度、硬度的首要因素。加入合金元素的作用也是有差别的,如Cr元素提高钢的淬透性加入有稳定奥氏体的作用等。钢淬火前奥氏体晶粒的大小决定着形成的马氏体针或板条的大小,为了细化组织,必须确保奥氏体晶粒
2.3成分设计…………………11
2.4工艺设计…………………22
第3章实验方法、实验结果及分析…………………23
3.1实验合金原料的配制与熔炼…………………23
3.2实验合金的成分测定…………………23
3.3实验合金的热处理及分析…………………24
3.4结果分析…………………36
3.5成分调整后实验用钢的研究…………………37
第4章DMg模具钢与常用几种模具钢的比较………………42
4.1五种工模具钢评介………………42
4.2五种工模具钢各项性能比较………………44
第4章DMg模具钢与常用几种模具钢的比较
l通过对新研制的DMg(选DMg-2)模具钢和其它常用模具钢的X;射线衍射实验、热处理实验、力学性能实验进行比较,总结如下:(l)新研制的DMg模具钢有城C、M23C6、MeC、M,C3和MC五种类型碳化物。(2)DMg模具钢中由于多种类型碳化物存在,它们在淬火加热时溶解温度与溶解速度不同,可使钢的淬火加热温度范围加宽(930阳980℃),淬火温度的降低克服了己有的合金模具钢高温淬火的缺点。同时,在较高温度加热淬火,难溶的从C、M,C,和MC型碳化物阻碍奥氏体晶粒长大,达到细化组织的目的。
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结论
本文通过选择固体与分子经验电子理论与相平衡热力学计算的计算机模拟相图相结合的方法设计出了一种中合金冷作模具钢,在合金成分的确定上基本摆脱了传统的尝试的方法,运用理论计算结果进行合金设计,并对所设计的新钢进行了各项实验,结果令人满意。由此可得出如下结论:1.根据固体与分子经验电子理论,马氏体中合金元素会形成Fe-C-Me(Me表示合金元素)的偏聚,偏聚的动力为合金相的价电子结构,偏聚倾向的大小可用偏聚结构单元的共价键上的共用电子对数凡表示。受重冲击力载荷的模具钢,荃体强韧性主要来自于回火马氏体,其次需要少里奥氏体缓解应力集中。为了使模具得到最大的强韧性,选择马氏体中偏聚晶胞值极大的合金化元素W、Mb、V是必要的,其次是Cr、si等。同时也可兼顾强化奥氏体。
参考文献（略）