超高碳钢是指碳含量为1.0~2.1%，渗碳体体积百分比为15~32%的普碳钢。铸态时强度低而性脆。经过热加工和热处理后，可得到均匀分布着细小渗碳体颗粒的超细铁素体(0.5~2μm)基体。这种组织的超高碳钢在一定温度(A1温度附近)和应变速度下具有超塑性。

外文名

ultra-high carbon steel

学科

材料工程

领域

工程技术

正文

超高碳钢

简介

超高碳钢指的是含1.0-2.1wt%C的低合金普通碳钢，在历史上曾长期被认为是脆性材料，但于二十世纪70年代中期后，被发现有希望开发为兼有高强度与高韧塑性的新型结构材料。不仅如此，在对显微组织进行控制之后，超高碳钢还能获得优异的超塑性，其拉伸伸长率可高达2000%以上，而且其超塑性变形速率可提高到10-1s-1以上。

超高碳钢超塑化的关键在于使碳化物以极为细小的颗粒状弥散分布于铁基体。这种碳化物颗粒尺寸仅零点1微米左右，对材料的韧塑性没有任何危害，而由于第二相体积含量高达20～30%，所以能够很有效地控制基体的晶粒大小，使之保持在0.5～1微米的细晶尺寸。

超塑化

根据近年来的研究进展，实现超高碳钢的超塑化主要从以下几个方面着手：

（1）添加合适的元素。其中最有效的是硅和铝。它们都是铁素体稳定元素，能够有效地阻止晶界碳化物网络的生成，也能够防止碳化物颗粒的长大，从而保持超塑化所必需的细晶组织。同时，它们都能提高转变温度，使超塑变形可在较高温度下进行，有利于进一步降低变形抗力。不过，这类元素有促进石墨化的作用，因此，还必须添加适量的铬等碳化物形成元素来防止石墨化。

（2）实行恰当的热-加工处理。其要点是：在γ+Fe3C区进行连续的热机械加工，使先共析网状碳化物破碎成较细的碳化物颗粒，并细化奥氏体晶粒。然后在α+Fe3C区进行热机械加工，破碎珠光体组织，获得细小球状碳化物颗粒的弥散分布组织。有文献提出用离异共析转变方法，其要点是：将已粉碎晶界碳化物网络的材料重新加热到Acm上端，得到碳不均匀分布的奥氏体，然后采用较慢的控制冷却速度，冷却到共析转变温度以下，即可获得球状碳化物组织。

（3）采用喷射成形等新型制备工艺。利用快速凝固原理，喷射成形可直接获得无晶界碳化物网络且充分细化的组织，因此可避免在固态下用热加工粉碎这种晶界网络的麻烦，提高了生产效率。不仅如此，最近的研究还发现，由喷射成形制备的超高碳钢，尽管还是珠光体组织，却无需另外进行热的或机械的处理，就有相当好的超塑变形能力，伸长率可达380%。这是由于这种珠光体非常细，以至在变形过程中很容易碎化为颗粒组织，故被称为“自超塑化”现象。