30GPa％级超高强度马奥组织钢的研究

摘要

高强度化是钢铁材料的发展趋势，然而随着钢强度的提高，其塑性通常下降。一般而言，抗拉强度(Rm)超过1500MPa时，断后伸长率(A)为10％左右，强塑积(Rm×A)很难超过20GPa％，使成形性与使用安全性大幅度降低。本文以含碳量为0.21-0.51wt.％的高Si钢为研究对象，通过等温淬火+控制碳配分(Q&P)方法，调控马氏体+奥氏体(M+A)组织，利用奥氏体相的TRIP效应提高超高强度钢的塑性。目的在于探讨提高超高强度钢塑性的机制，获得Rm≥1500MPa、Rm×A≥30GPa％的力学性能。
　　 Q&P工艺处理钢主要由先形成马氏体、新鲜马氏体和残余奥氏体构成。先形成马氏体板条尺寸较大，呈回火态特征；新鲜马氏体由1个packet构成，板条尺寸(0.1-0.2μm)较小，含碳量和纳米硬度均高于先形成马氏体，呈淬火态特征；残余奥氏体以板条间的薄膜状或原奥氏体晶界、板条束界分布的小块(0.1μm)状形态存在。根据淬火过程中组织的不均匀性，提出了碳不均匀配分的几何模型，合理地解释了在一定的温度范围内残奥量和新鲜马氏体的量同时增加的现象。发现了采用较高的等温淬火温度和高温短时的配分制度获得最大量残余奥氏体，以及通过提高钢的含碳量来提高残奥量及其稳定性的规律。
　　 钢的伸长率和强塑积随残奥量的增加而增加，强度水平随新鲜马氏体量的增加而提高。通过250℃等温淬火+500℃短时配分处理，含碳量为0.37wt.％和0.41wt.％的试验钢分别获得了超高强度、高强塑积的力学性能：1670MPa、33GPa％(残奥量～21％)和1835MPa、34.8GPa％(残奥量～27％)。
　　 钢的塑性变形可以分为3个阶段：1)以马氏体基体位错强化为主的均匀变形段，对塑性的贡献较小；2)以亚稳奥氏体相变强化为主的均匀变形段，是提高塑性的主要阶段，主要归因于大量亚稳奥氏体的TRIP效应，提高了加工硬化率和推迟颈缩的产生；3)由裂纹的形成和扩展控制的非均匀变形段，与传统淬火回火样品的非均匀形变段相差不大，主要受大尺寸析出物或夹杂物所引起裂纹的萌生与扩展控制。整个变形过程中，新鲜马氏体能够协同变形，起到强化作用。
　　 相对于传统淬火+回火组织，高强度马奥组织钢具有较好的抗氢脆敏感性、较低的疲劳裂纹扩展速率和较好的抗冲击磨料磨损性能，并且在热成型和薄板连退线上都具有应用的可能性。