淬火-配分鋼的組織調(diào)控與力學性能研究.pdf

1、塑性形變與熱處理一體化既能顯著提高鋼的力學性能,又具有節(jié)能功效，是開發(fā)新型材料及加工工藝的優(yōu)先考慮方向。目前廣為研究的淬火-配分（Q&P）鋼主要基于傳統(tǒng)的離線熱處理（一步法和兩步法）工藝，其在線（塑性形變加熱處理）加工工藝參數(shù)與顯微組織和力學性能的關系尚未明了，需進一步研究。為此，本工作嘗試在低碳鋼的淬火-碳配分熱處理工藝前引入塑性形變，分別通過冷軋后淬火-碳配分處理及熱軋后直接淬火-碳配分處理改變鋼的顯微組織，關注工藝參數(shù)對馬氏體細化

2、、殘余奧氏體含量以及馬氏體基體碳貧化等顯微組織的作用，揭示顯微組織調(diào)控對材料強韌化的作用，提出Q&P鋼強化、增塑、增韌和改善高速沖擊性能的主導因素。主要的研究內(nèi)容和成果如下：
　?。?）對Fe-0.19C-1.47Mn-1.50Si試樣經(jīng)預先冷軋后分別進行Q&P和Q&T（淬火-回火）處理，結(jié)果表明：預先冷軋細化原奧氏體晶粒后能顯著細化兩者的馬氏體領域/束的寬度，并導致馬氏體板條中的位錯密度增加，而馬氏體條寬基本不變，同時Q&P試樣

3、中的殘余奧氏體量也基本一致。相較于 Q&T試樣，Q&P試樣不僅含有較多的殘余奧氏體，而且馬氏體基體中的碳含量顯著下降，產(chǎn)生嚴重的碳貧化現(xiàn)象。對Q&T和Q&P試樣的力學性能研究表明，細化馬氏體組織能有效提高兩者的強度和沖擊韌性，但對延伸率影響較小。與 Q&T試樣相比，Q&P試樣中由于馬氏體碳的嚴重貧化和含有較多的殘余奧氏體，導致其具有高的延伸率和沖擊韌性及低的強度。因此將冷軋與Q&P處理相結(jié)合，可獲得具有高強塑積和高韌性的細晶Q&P鋼。進

4、一步的分析表明，馬氏體基體的碳貧化才是 Q&P試樣增塑和增韌的主導因素，殘余奧氏體的相變誘發(fā)塑性（TRIP）、阻礙裂紋擴展（BCP）和吸收馬氏體的位錯（DARA）等效應對Q&P鋼的增塑作用十分有限。也即配分的主要意義在于讓殘余奧氏體吸收從馬氏體中擴散過來的過飽和的碳原子，使得馬氏體基體軟化和韌化，進而提高Q&P試樣的綜合力學性能，而殘余奧氏體自身僅起補充作用。
　?。?）初步研究了熱軋后直接淬火-配分工藝中關鍵的兩個因素：軋制溫度

5、和配分方式，對其組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，改變軋制溫度可分別獲得再結(jié)晶細化的和未再結(jié)晶形變的原奧氏體組織，進而改變經(jīng)兩步法淬火-配分處理后所得試樣的馬氏體組織特征：經(jīng)再結(jié)晶細化的原奧氏體組織中，馬氏體的領域和束均得到細化；而未再結(jié)晶形變態(tài)的原奧氏體組織中，僅馬氏體束得到細化而領域尺寸略有增加，同時，原奧氏體中殘留的位錯還會遺傳到相變后的馬氏體中。由于馬氏體相變的起始溫度Ms受原奧氏體狀態(tài)的影響很小，因此所得試樣中的殘余奧氏體含量基

6、本一致。力學性能研究表明，無論軋制后的原奧氏體是否再結(jié)晶，其經(jīng)兩步法淬火-配分處理后的試樣強度和韌性均得到顯著提高而不犧牲延伸率，尤其是馬氏體束和領域均細化的試樣提高幅度更為顯著。當軋制后的配分冷卻方式由兩步法改為快冷至Ms溫度后自然冷卻時，因碳的配分程度不夠，導致在室溫試樣中的殘余奧氏體含量和馬氏體基體中的碳貧化程度顯著降低，最終導致Q&P試樣的強度增加，但延伸率和沖擊韌性顯著降低。
　　（3）分別對低碳（Fe-0.20C-1.

7、49Mn-1.54Si）和中碳（Fe-0.38C-1.54Mn-1.58Si）試樣在Ms溫度以下進行不同冷速的實驗，模擬工業(yè)生產(chǎn)條件下冷卻方式：爐冷（~0.5℃/s）、空冷（~5℃/s）、氣冷（~50℃/s）和水冷（~300℃/s）對 Q&P鋼殘余奧氏體含量的影響。發(fā)現(xiàn)在水冷(水淬)條件下，兩種試樣中的殘余奧氏體含量均很低（<0.5％），但中碳試樣較低碳試樣高，與一般規(guī)律相符。同時，隨著冷速降低，兩種試樣中的殘余奧氏體含量均升高，但低碳

8、試樣中的殘余奧氏體含量高于中碳試樣，與水淬截然相反。分析認為，這主要在于較低冷速條件下碳配分與馬氏體相變同時進行，低碳試樣由于Ms溫度較高，碳的配分能力強，相同冷速下殘余奧氏體能獲得更多的碳，更易于被穩(wěn)定到室溫殘留下來。鑒于冷卻過程中馬氏體相變與碳擴散同時進行，描述變溫馬氏體相變的K-M和Magee方程計算得到的馬氏體含量應高于實際值，對于冷速較低的情況應該考慮碳配分對未轉(zhuǎn)變奧氏體穩(wěn)定的作用，因此馬氏體形成量與溫度的關系應介于Magee

9、方程和經(jīng)徐祖耀修正的方程之間。
　?。?）利用霍普金森壓桿裝置對比了低碳（Fe-0.19C-1.47Mn-1.50Si） Q&P試樣和 Q&T試樣的高速壓縮性能及剪切斷裂特征。結(jié)果表明，應變速率為500-2000s-1時，兩者的流變應力和屈服強度隨應變速率的增加而增加，形變過程中應變速率硬化起主導作用。而當應變速率為2500s-1時，兩者的流變應力和屈服強度開始降低，表明馬氏體基體的絕熱軟化效應大于應變速率硬化效應。利用Johns

10、on-Cook方程擬合得到的參數(shù)表明，Q&P試樣較 Q&T試樣具有更低的應變速率敏感性。同時，沖擊剪切實驗表明，Q&P試樣比 Q&T試樣具有更好的抗絕熱剪切斷裂能力。上述兩種性能差異的主要原因在于Q&P試樣中殘余奧氏體低的應變速率敏感性和低的溫度敏感性以及形變時發(fā)生TRIP效應。同時，殘余奧氏體的穩(wěn)定性也受應變速率的影響，應變速率較低時，殘余奧氏體易于發(fā)生應力/應變誘發(fā)馬氏體相變，而隨著應變速率升高，絕熱升溫效果顯著，降低了相變驅(qū)動力，