超高强度双相钢中残留奥氏体的调控及其对机械性能的影响

摘要

超高强度双相钢是为满足第三代先进高强度钢(3GAHSS)的发展需求而开发的一种高性能钢材。目前，低温贝氏体（low temperature bainite）钢和淬火-碳分配(Q&P，quenching-partitioning)马氏体钢是这种超高强度双相钢的代表。超高强度双相钢的高强度主要来源于结构中的贝氏体铁素体或马氏体板条，而具有优异塑性韧性的残余奥氏体在受到外部应力时会引发相变诱导塑性（TRIP）效应，使其在保持良好的塑性和韧性的同时，令材料本身的强度和硬度进一步提高。因以，如何通过调控超高强度双相钢中的残留奥氏体来得到综合机械性能优良的组织结构，便成为这类先进高强度钢发展应用所面临的重要科学难题。本文采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等先进研究方法，来分析合金元素(Ni)对组织结构尤其是残留奥氏体形貌特征、体积分数、尺寸大小和碳元素分布等影响。对相同化学成分的实验钢设计了Q&P马氏体和低温贝氏体两种不同的热处理工艺，并对比了二者的力学和三体磨料磨损性能;通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等观察分析组织结构;采用电子探针(EPMA)分析方法检测残留奥氏体中的碳含量，探讨在超高强度双相钢中残留奥氏体、TRIP效应与磨料磨损性能之间的联系。主要的研究结果如下:
　　1、Ni的添加降低了贝氏体转变的驱动力，显着延迟了贝氏体成核，并且极大地延长了低温贝氏体转变完成所需的时间。
　　2、添加Ni元素后，低温贝氏体相变后显微组织中的残留奥氏体的体积分数显着增加（从19.3vol％上升到39.60vol％），在室温下保留更多的残留奥氏体，同时会显著地提高低温贝氏体转变中残留奥氏体的平均尺寸(从0.654μm±0.232μm上升到0.822μm±0.336μm)。
　　3、通过加入Ni合金元素，定向调控残留奥氏体的体积分数和平均尺寸，可以促进TRIP效应的发生，使钢样的总延伸率和强塑积得到很大的改善，分别达到了15.5％（相对增加了63.2％）和25.90GPa％（相对增加了53.0％），获得了更好的综合性能。
　　4、薄膜状残留奥氏体中的碳含量高于块状残留奥氏体（高约34～37％），这使得薄膜状残留奥氏体具备更强稳定性且更有利于TRIP效应的发生。
　　5、在三体磨料磨损过程中，两种热处理工艺下的试样，都在外应力作用下发生形变诱导效应（TRIP效应）使富碳残留奥氏体转变为马氏体，提高了表面硬度从而显著降低后续磨损过程中的磨损失重量。
　　6、与低温贝氏体转变试样相比，Q&P马氏体试样具备更高的奥氏体碳含量和更厚的形变层，这使得TRIP效应的发生更为明显。因此，Q&P试样表现出更强的三体磨料磨损性能。