(国际低合金会议论文24)一种超高强度钢的相变和机械性能

一种超高强度钢的相变和机械性能

摘要：本文论述以试验性规模通过热机控制工艺生产的低碳高强度钢的研发过程。连续冷却转变产生一条贝氏体和奥氏体混合体占据相场的平顶“C”曲线。水淬钢的显微组织基本由高度移位的板条马氏体组成，伴随细小的(Ti, Nb)CN化合物析出。在850︒ C～750︒ C温度范围内，获得1217-1298 MPa的屈服强度、1372–1513 MPa的极限抗拉强度和16-12%的总伸长量。也获得了45-72J的冲击韧性。

关键词：超高强度钢；热机控制工艺；显微组织；力学性能

Phase Transformation and Mechanical Properties

of an Ultrahigh Strength Steel

Abstract: The present study deals with the development of a low carbon high strength steel by thermomechanical controlled processing on a pilot scale. The continuous cooling transforma tion has yielded a flat top “C” curve with the phase field occupied by a mixture of bainite and martensite. The microstructure of water quenched steel essentially consists of highly dislocated lath martensite along with fine (Ti, Nb)CN precipitates and twins. High strength steel with 1217-1298 MPa yield strength and 1372–1513 MPa ultimate tensile strength along with 16-12% total elongation has been obtained in the range of 850 to 750︒ C finish rolling temperature. The impact toughness value in the range of 45-72J was also achieved in the present steel.

Key words: ultrahigh strength steel; thermomechanical controlled processing; microstructure; mechanical properties.

二十世纪八十年代中期，美国海军研发出低碳含Cu高强度低合金系列钢(HSLA-80、HSLA-100) ，取代HY-80和HY-100钢。添加Mn、Ni、Cr、Mo，以实现奥氏体和微合金元素Ti、Nb（主要为碳化物）的淬透性，还添加了碳氮化物的形成物，以实现奥氏体晶粒细化。

对早期HY-130型钢进行淬火和回火，以实现强度和韧性，但这些钢的焊接难度大，非常昂贵。添加少量合金元素的高性能钢(HPS)领域的最新发展，通过降低碳当量，取消焊接过程中的预热要求，降低成本，是种具有竞争力的选择。通常按照军用规范(MIL-S-24371B)，用高强度微合金钢生产潜水艇船体板。但是，目前的研究目的就是应对这些挑战。这导致范式向铁素体和贝氏体、含一定数量的残余奥氏体的马氏体这样的低温转化产物组成的多相显微组织转变，这种范式的转变导致改善了性能的新钢种的演变。

本研究致力于通过热机控制工艺(TMCP)，以中试规模，开发一种低碳微合金超高强度钢。评定了各种工艺参数对组织和性能的影响。

表1 研究钢的化学成分（质量比%）

1 试验

在生产能力为2 吨的电弧炉中冶炼钢材。254×254 mm2的铸锭被热锻至

95×95 mm2的钢坯。表1示出从光谱分析中得到的合金化学成分。锻造钢坯被加热3h，至1200℃，在三个阶段控制轧制成16 mm厚的钢板。第一阶段，在11000℃至10200℃的温度范围中，在三道次轧制中采用42%的变形量，以将厚度减至55 mm。在第二阶段中，在1020-920℃的温度范围中，采用54%的变形量。第三阶段，在920℃至1020-920℃的终轧温度范围内，在三道次轧制中采用54%的变形量。最后，对轧制钢板进行水淬火。

通过传统的打磨和抛光技术制备光学金相试样，然后在2%的硝酸乙醇溶液中蚀刻，以在光学显微镜下检测。还使用ImageJ软件（1.42版）进行图像定量分析，以对相关显微组织参数定量。通过EDAX测定了析出物的化学成分。

按照ASTM规范(Vol.03.01 E8M-96)，从钢板上制备拉伸试样，其长轴平行于轧制方向，标距长度为50 mm，宽度和厚度分别为12.5 mm 和12 mm。在50 t万能拉伸试验机(Instron 8803)上进行了拉伸试验，十字头速率为3.3×10-4 s-1。

按照ASTM标准(ASTM: Vol. 03.01: E23 – 96)，在室温(25℃)、0℃、- 20℃和– 40℃下，对标准试样进行了夏比V型缺口冲击试验，其平面沿轧制面。记录三次连续试验的结果，作为相应试样的冲击值。

2 结果和讨论

2.1 连续冷却条件下的转变、

图1 试验钢的CCT图F:铁素体；B：贝氏体；M：马氏体图1描述出试验钢的连续冷却转变（CCT）曲线。Ac3和Ac1分别记录为810︒ C和715︒C。多边形铁素体和魏氏铁素体组成的高温下的转变区应被证明低于Ac1温度，冷却速率为0.1︒ C/s。发现贝氏体转变开始温度(BS)为460︒C，冷却速率为0.1︒ C/s，与从下面等式中获得的预估BS温度一致：

BS = 830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo (wt%) (1)

马氏体开始转变温度(MS)为290︒ C，CCT图中横直线条表示。在低温时获