先進(jìn)高強(qiáng)塑性Q-P-T鋼增塑機(jī)制及其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.pdf

1、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)更高強(qiáng)度的C-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)約能源和資源、實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排從而保護(hù)環(huán)境等目的。為此，本文根據(jù)徐祖耀院士提出的新一代（第三代）先進(jìn)高強(qiáng)度鋼淬火-分配-回火(Q-P-T)熱處理工藝新思想，設(shè)計(jì)了高強(qiáng)塑性的低碳Q-P-T鋼的成分（Fe-0.25C-1.48Mn-1.20Si-1.51Ni-0.05Nb(wt.％））和合理的Q-P-T工藝。通過X射線衍射(X

2、RD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和力學(xué)性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)研究了新型Q-P-T工藝和傳統(tǒng)Q&T（淬火和回火）工藝對(duì)鋼種的力學(xué)性能（包括準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和沖擊力學(xué)性能）和微觀組織的影響，揭示了Q-P-T鋼較Q&T鋼具有高強(qiáng)塑性的微觀機(jī)制，探索了Q-P-T鋼在不同形變溫度條件下的微觀組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響。通過低碳Q-P-T鋼和貝氏體鋼中平均位錯(cuò)密度的測(cè)定和TEM的觀察，驗(yàn)證了低碳Q-P-T鋼中殘余奧氏體吸收位錯(cuò)（

3、DARA）效應(yīng)的存在，同時(shí)發(fā)現(xiàn)貝氏體鋼中也存在DARA新效應(yīng)，從而提出了DARA效應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)條件，進(jìn)一步闡明了殘余奧氏體增強(qiáng)高強(qiáng)度鋼塑性的微觀機(jī)制。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　 (1)設(shè)計(jì)了一種含Nb微合金化元素的低碳Q-P-T鋼，基于Speer等人提出的“約束碳準(zhǔn)平衡”(CCE)熱力學(xué)理論模型，對(duì)室溫殘余奧氏體含量與淬火溫度（Tq）的關(guān)系做了理論預(yù)測(cè)，繼而設(shè)計(jì)出合理的Q-P-T工藝。設(shè)計(jì)的低碳Q-P-T鋼展現(xiàn)了非常好的高

4、強(qiáng)塑性，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1322MPa，延伸率和強(qiáng)塑積分別可高達(dá)16.9％和22342MPa％，顯示出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。但是設(shè)計(jì)鋼種經(jīng)傳統(tǒng)Q&T工藝處理后，其抗拉強(qiáng)度提升至1438MPa，但其延伸率只有12.1％，強(qiáng)塑積為17400MPa％，遠(yuǎn)低于Q-P-T鋼。沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Q-P-T鋼室溫(20℃)下的縱向沖擊功（Akv）為36J，比Q&T鋼的縱向沖擊功(18J)增加了近一倍，Q-P-T鋼展現(xiàn)出較Q&T鋼更好的沖擊韌性。TEM表征揭

5、示出Q-P-T鋼的高強(qiáng)度來(lái)源于高位錯(cuò)密度的板條馬氏體（硬相）以及馬氏體基體中彌散析出的大量的細(xì)小fccNbC合金碳化物和少部分hcpε過渡型碳化物（沉淀強(qiáng)化相），而高的塑性則歸因于室溫下大量“薄片狀”富碳?xì)堄鄪W氏體（軟相）的穩(wěn)定存在。而Q&T鋼中殘余奧氏體呈現(xiàn)“薄膜狀”，其含量在2％以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q-P-T鋼，因此其塑性顯著下降。
　　 (2)與傳統(tǒng)Q&T工藝相比，新型Q-P-T工藝具有較高的淬火溫度，這使得Q-P-T鋼較Q&T

6、鋼含有更多的殘余奧氏體;同時(shí)有效減少了引起微裂紋形成的淬火內(nèi)應(yīng)力和馬氏體相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，由此提高了先進(jìn)高強(qiáng)度Q-P-T鋼的塑性和韌性。而且，較高的淬火溫度減小了馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力，從而使Q-P-T鋼具有更均勻的馬氏體板條尺寸和更細(xì)小的板條馬氏體，這有利于提高Q-P-T鋼的強(qiáng)度和韌性，部分彌補(bǔ)了Q-P-T鋼中馬氏體含量減少引起的強(qiáng)度下降。這就是為什么Q-P-T鋼比Q&T鋼具有遠(yuǎn)高的塑性和韌性，而強(qiáng)度稍低于Q&T鋼。
　　 (3)

7、通過對(duì)不同形變溫度(-70℃～400℃)條件下Q-P-T鋼的力學(xué)性能測(cè)試與殘余奧氏體量的XRD測(cè)定，發(fā)現(xiàn)Q-P-T鋼在-70℃～300℃形變溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能不亞于室溫(20℃)的力學(xué)性能，同時(shí)在該溫度范圍內(nèi)，殘余奧氏體展現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，因此本文研究的低碳Q-P-T鋼可在-70℃～300℃溫度范圍時(shí)使用。不同形變溫度條件下Q-P-T鋼的TEM微觀結(jié)構(gòu)表征顯示:在-70℃～300℃溫度范圍內(nèi)，Q-P-T鋼高的強(qiáng)度來(lái)自于高位錯(cuò)密度的馬

8、氏體板條以及馬氏體基體上彌散分布的fccNbC合金碳化物和hcpε過渡型碳化物，而高的塑性來(lái)自于大量“薄片狀”富碳?xì)堄鄪W氏體顯著的相變誘發(fā)塑性(TRIP)效應(yīng)和協(xié)調(diào)形變。當(dāng)在300℃以上溫度時(shí)，殘余奧氏體量顯著減少、脆性滲碳體開始形成，兩者共同導(dǎo)致了其力學(xué)性能急劇惡化。本文的研究揭示了Q-P-T鋼中Si元素的加入在低溫階段(-70℃～300℃)可以抑制脆性滲碳體(Fe3C)的生成，但是在300℃以上的高溫階段卻不能抑制殘余奧氏體分解形成

9、的滲碳體和￡過渡型碳化物開始轉(zhuǎn)變成的滲碳體。
　　 (4)不同應(yīng)變條件下低碳Q-P-T鋼和貝氏體鋼中殘余奧氏體含量的XRD測(cè)定結(jié)果表明，殘余奧氏體含量都隨著應(yīng)變的增加而減少，TEM觀察均顯示出形變孿晶馬氏體，兩者都證明了TRIP效應(yīng)的存在。基于形變過程中馬氏體（或貝氏體）和殘余奧氏體中平均位錯(cuò)密度的X射線衍射線形分析(XLPA)方法的測(cè)定和TEM的觀察，驗(yàn)證了在中碳Q-P-T鋼中最新發(fā)現(xiàn)的DARA效應(yīng)在低碳Q-P-T鋼中依然存在

10、，同時(shí)發(fā)現(xiàn)貝氏體鋼中也存在DARA新效應(yīng)，即馬氏體（或貝氏體）中的位錯(cuò)移動(dòng)到相鄰的殘余奧氏體中，從而被殘余奧氏體所“吸收”。DARA效應(yīng)使馬氏體（或貝氏體）硬相處于“軟化態(tài)”或“未加工硬化態(tài)”，極大的增強(qiáng)了硬相馬氏體（或貝氏體）與軟相奧氏體的協(xié)調(diào)形變能力。
　　 (5)提出了DARA效應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)條件:鋼中應(yīng)含有盡可能多的殘余奧氏體（大于10％體積分?jǐn)?shù)），馬氏體（或貝氏體）和殘余奧氏體兩相應(yīng)具有共格（或半共格）的界面。
　

11、　 (6)殘余奧氏體在形變過程中增強(qiáng)高強(qiáng)度鋼塑性有三個(gè)相繼的效應(yīng):DARA，TRIP和BCP（阻礙裂紋擴(kuò)展）效應(yīng)，三者共同構(gòu)成殘余奧氏體增強(qiáng)高強(qiáng)度鋼塑性的微觀機(jī)制。三種效應(yīng)均相繼增強(qiáng)了硬相馬氏體（或貝氏體）與鄰近殘余奧氏體軟相協(xié)調(diào)形變的能力，繼而相繼提高了高強(qiáng)度鋼的塑性，同時(shí)，三種效應(yīng)均隨殘余奧氏體量的增加而增強(qiáng)。足夠多的殘余奧氏體是保證先進(jìn)高強(qiáng)馬氏體（或貝氏體）鋼具有良好塑性的先決條件。
　　 (7)首次研究了新型Q-P-T

12、鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。通過對(duì)Q-P-T鋼和Q&T鋼進(jìn)行不同應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)定，發(fā)現(xiàn)Q-P-T鋼的抗拉強(qiáng)度和塑性較準(zhǔn)靜態(tài)都有了提高，且隨著應(yīng)變速率的提高，Q-P-T鋼的抗拉強(qiáng)度和塑性均隨之提高，顯示出本研究Q-P-T鋼具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。相反，Q&T鋼強(qiáng)度提高的同時(shí)伴隨著塑性稍有下降。同一應(yīng)變速率條件下，Q-P-T鋼較Q&T鋼顯示出更好的綜合動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。本文研究的低碳Q-P-T鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能不亞于準(zhǔn)靜態(tài)的力學(xué)性能，因此本文研