高強(qiáng)塑積Q-P-T鋼及其強(qiáng)塑性機(jī)制的研究.pdf

1、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的發(fā)展趨勢是研發(fā)更高強(qiáng)度的Fe-Mn-Si系廉價(jià)鋼并保持足夠的塑性，以期實(shí)現(xiàn)鋼件輕量化，達(dá)到節(jié)約原材料、節(jié)能減排的低碳經(jīng)濟(jì)目的?；诖耍覀冋n題組徐祖耀院士在Speer等提出的淬火&分配(Q&P)鋼基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)析出強(qiáng)化的重要性，進(jìn)一步提出了淬火-分配-回火(Q-P-T)熱處理新思想。本文根據(jù)新型Q-P-T工藝的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出低、中碳含鈮鋼相關(guān)的成分和優(yōu)化的工藝，開發(fā)出高于目前先進(jìn)高強(qiáng)度鋼25000 MPa％的強(qiáng)塑積，達(dá)到或

2、超過新一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)塑積的理論預(yù)測值(30000MPa％)，并揭示其高強(qiáng)度高塑性機(jī)制。此外，不同溫度下(-85～450℃)的力學(xué)性能測試及顯微組織表征為拓展Q-P-T鋼的使用范圍打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。主要的研究內(nèi)容和成果如下。
　　1.設(shè)計(jì)出四種不同C（0.2和0.4 wt.％）或Nb（0.03和0.08wt.％）含量的Fe-Mn-Si基Q-P-T鋼，參考約束條件下碳平衡(CCE)理論，選擇在室溫時(shí)得到最大奧氏體量的最佳淬火溫度，對(duì)試

3、樣分別進(jìn)行了傳統(tǒng)的淬火&回火(Q&T)和新型的Q-P-T熱處理。拉伸結(jié)果表明，經(jīng)Q&T處理的試樣，碳含量的增加使其力學(xué)性能遵循通常的高強(qiáng)度-低塑性的規(guī)律。然而經(jīng)Q-P-T處理后的試樣卻發(fā)現(xiàn)，碳含量的增加同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和塑性，這不同于通常的高強(qiáng)度-低塑性規(guī)律。其中，成分為Fe-0.42C-1.46Mn-1.58 Si-0.03Nb的試樣其強(qiáng)塑積為31627MPa％（抗拉強(qiáng)度為1558MPa，延伸率達(dá)到20.3％），超過下一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼

4、所定義的理論強(qiáng)塑積值。此外，與Q&T處理相比，同成分的鋼經(jīng)Q-P-T處理后，在稍微降低抗拉強(qiáng)度的前提下顯著提高其延伸率。
　　2.經(jīng)X射線衍射(XRD)分析、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察等方法揭示了Q-P-T處理和Q&T處理后試樣具有不同力學(xué)性能的內(nèi)在原因。新型Q-P-T工藝和傳統(tǒng)Q&T工藝的差別就在于淬火溫度(Tq)的不同，前者的淬火溫度通常遠(yuǎn)高于后者（室溫），這使得相同成分的試樣經(jīng)Q-P-T處理后能獲得更多的殘余

5、奧氏體，同時(shí)有效地減少了由淬火應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋，從而顯著提高了試樣的塑性。在Q-P-T處理的試樣中，碳含量增加同時(shí)提高其強(qiáng)度和塑性的機(jī)理是，高的碳含量提高了馬氏體的強(qiáng)度，其包括板條馬氏體內(nèi)更高的位錯(cuò)密度，更小的馬氏體領(lǐng)域(Packet)尺寸和更多析出的碳化物;同時(shí)提高其塑性的原因是獲得更多的殘余奧氏體。
　　3.通過對(duì)中碳Q-P-T拉伸試樣施加不同的應(yīng)變量后，測定了其殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)變化，結(jié)果表明，隨應(yīng)變量的增加，殘余奧氏體量

6、逐漸減少。此外，低碳和中碳Q-P-T試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在縮頸前中碳Q-P-T試樣具有較長的均勻形變能力;加工硬化指數(shù)-真應(yīng)變曲線清楚地顯示兩者的TRIP效應(yīng)的差異，即在均勻形變（n=εu）前，硬化指數(shù)(n)在大的應(yīng)變范圍內(nèi)增加，呈現(xiàn)出寬的平臺(tái)。因此，中碳Q-P-T試樣在拉伸中表現(xiàn)出較明顯的TRIP效應(yīng)。
　　4.通過X射線衍射線形分析(XLPA)方法測定了中碳Q-P-T鋼中馬氏體和殘余奧氏體的平均位錯(cuò)密度隨應(yīng)變量的

7、變化。應(yīng)變?cè)黾拥?％時(shí)，馬氏體的平均位錯(cuò)密度從6.65×1014 m-2（未拉伸）減小到5.25×1014 m-2，而殘余奧氏體的平均位錯(cuò)密度從4.21×1014 m-2（未拉伸）迅速增加到8.77×1014 m-2，且超過了馬氏體內(nèi)位錯(cuò)密度。結(jié)果表明，在均勻形變階段（應(yīng)變約在12％內(nèi)），馬氏體的位錯(cuò)密度低于未形變前，直到均勻形變以后才逐漸增加，而殘余奧氏體中位錯(cuò)密度在整個(gè)形變中快速地增加?；谝陨辖Y(jié)果，提出在形變過程中殘余奧氏體吸收位

8、錯(cuò)效應(yīng)（DARA效應(yīng)），即在形變的初始階段，由于外加應(yīng)力的作用，馬氏體中的部分高密度位錯(cuò)可以移動(dòng)到相鄰的殘余奧氏體中，這被TEM觀察到的橫跨馬氏體/奧氏體界面的平行的位錯(cuò)列所間接證明。因此，殘余奧氏體增塑機(jī)制為:殘余奧氏體的DARA效應(yīng)使馬氏體在均勻形變階段處于“未形變狀態(tài)”，由此有效地提高了馬氏體的形變能力;隨應(yīng)變的增大，當(dāng)局域產(chǎn)生應(yīng)力集中，由此通過應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變產(chǎn)生TRIP效應(yīng);隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大而產(chǎn)生微裂紋，在馬氏體條間的殘

9、留奧氏體可有效地阻礙裂紋擴(kuò)展。
　　5.在低碳和中碳Q-P-T鋼中，一直冷到-70℃時(shí)電阻測量仍未發(fā)現(xiàn)馬氏體相變的跡象，表明殘余奧氏體的Ms溫度很低;反之升溫到200℃時(shí)，也未發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體發(fā)生分解現(xiàn)象。表明在較寬的溫度范圍內(nèi)殘余奧氏體具有足夠的熱穩(wěn)定性。經(jīng)不同溫度拉伸測定獲得中碳Q-P-T鋼的Mσs=-20℃，Md≈200℃。低的Mσs有利于在該溫度之上時(shí)鋼件在搬運(yùn)或制造過程中避免應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生，使殘余奧氏體在以后的服

10、役中產(chǎn)生TRIP效應(yīng)。而Md≈200℃，表明鋼件在該溫度使用時(shí)殘余奧氏體具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和TRIP效應(yīng)的最佳結(jié)合。
　　6.通過對(duì)低碳和中碳Q-P-T鋼在-85～450℃范圍內(nèi)進(jìn)行力學(xué)性能測定，發(fā)現(xiàn)低碳和中碳Q-P-T鋼均存在一個(gè)具有最佳強(qiáng)度和塑性的溫度范圍:100～300℃，尤其是中碳Q-P-T鋼在200℃時(shí)強(qiáng)塑積高達(dá)57738MPa％。這主要是由于在此溫度下中碳Q-P-T鋼的殘余奧氏體具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)馬氏體基體中繼