中碳微纳结构贝氏体钢的组织调控与动态力学性能研究

中碳微纳结构贝氏体钢的组织调控与动态力学性能研究

随着社会对安全与节能环保的逐渐重视,开发兼具高强度、高塑性的先进高强钢越显重要。近年来,一种具有超细贝氏体铁素体板条及板条间富碳残余奥氏体的高碳微纳结构贝氏体钢因其超高强度、高塑性以及良好韧性备受人们关注,但由于制备这种微纳结构贝氏体钢时间周期时间较长以及较高的碳含量导致的其成型性不佳的问题,极大地限制了其在工业上的应用。

为此,本文设计了中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理工艺,利用光学显微镜、扫描电镜、背散射电子衍射、透射电镜、X-射线衍射、三维原子探针显微术和电子探针等分析测定手段,研究了合金元素、热处理工艺及应变速率对中碳微纳结构贝氏体钢微观组织及力学性能的影响,进一步揭示了中碳微纳结构贝氏体钢的相变机理及其高强塑性的微观机理。主要研究结论如下:（1）研究了合金元素Mn和Si含量对中碳贝氏体钢回火前后微观组织与力学性能的影响,发现随着Mn 和Si元素含量的提高,热轧态组织中残余奥氏体体积分数增加,组织强度和硬度均增加。

经过300⁵00?C回火,屈服强度、抗拉强度和低温韧性均先升高后降低,延伸率逐渐升高,且高Mn高Si钢300?C回火后的强韧性最好。低Si钢回火脆性的主要原因是组织中存在大量大尺寸的结构复杂的长条状/针状碳化物,而中Si钢和高Si钢300?C回火后弥散析出细小的碳化物M₆C、

M₃C和MC和残余奥氏体变形时发生的相变诱发塑性（Transformation Induced Plasticity,TRIP）效应均可以提高钢的强韧性。

（2）研究了等温淬火工艺对中碳贝氏体钢微观组织与力学性能的影响,发现实验样品经长时间等温淬火后其微观组织主要由贝氏体铁素体和薄膜状残余奥

氏体组成。随着等温时间的延长,组织中残余奥氏体体积分数和碳含量均先增加后保持不变;随着等温温度的升高,组织中块状残余奥氏体尺寸和贝氏体铁素体的板条宽度均增加。

随着等温时间的延长或者等温温度的升高,试验钢的抗拉强度逐渐下降,延伸率逐渐升高。（3）研究了磁场对中碳贝氏体钢等温淬火组织的影响,发现施加12 T磁场,贝氏体铁素体的转变量增加,贝氏体组织细化,各相的硬度降低,其原因为磁场可降低贝氏体相变能垒,增加其相变驱动力,促进贝氏体的相变。

此外,磁场可促进贝氏体中碳原子加速向γ/α相界面扩散,降低了贝氏体铁素体碳含量,使残余奥氏体富碳。（4）研究了不同配分时间对淬火-配分（Quenching and Partitioning,Q&P）马氏体钢的微观组织与力学性能的影响,发现在400°C配分60 s后的Q&P工艺钢抗拉强度达到1460 MPa,强塑积为22.78 GPa%,显示出良好的综合力学性能。

随配分时间的延长,材料的抗拉强度逐渐降低而伸长率逐渐升高,较长的配分时间会引起残余奥氏体的分解和渗碳体析出,使材料的综合力学性能降低。经过传统淬火-回火（Quenching-Tempering,Q&T）工艺处理后,抗拉强度提升至1496MPa,而延伸率只有6.9%,强塑积为10.30 GPa%,远低于Q&P工艺钢。

（5）研究了不同应变速率对回火钢、热轧钢、Q&P钢以及Q&T钢的动态和准静态力学性能的影响,发现随着应变速率的提高,材料抗拉强度和延伸率均逐渐升高,组织中残余奥氏体含量逐渐降低,说明在应变过程中发生了应变诱发马氏体相变,提高了材料的强度和塑性,且Q&P马氏体钢的应变敏感性高,TRIP效应更明显。（6）研究了不同应变速率对回火钢、Q&P钢和Q&T钢的断口形貌和组织精细结构的影响,发现在高应变速率条件下,回火钢断口中心出现大且深的韧窝,

韧窝被拉长,且拉长幅度明显大于准静态过程;组织中贝氏体板条变形弯曲甚至断裂,位错密度明显增加;Q&P马氏体钢断口中心韧窝出现少量裂纹,Q&T钢韧窝不清晰,表明回火钢在高应变速率下具有更高的塑韧性。