低合金高强度高塑性复相钢材的成分设计

摘要

就全世界而论，作为传统产业的钢铁工业，已经过了它的鼎盛时期。但钢铁材料的固有优势(使用和加工性能优异，回收率高，价格低等)导致世界钢铁工业仍然存在发展空间，钢产量仍在持续增加。尽管我国已经成世界上钢产量最多的国家，但是，在资源、能源和环境等人类可持续发展的总体水平要求下，钢铁材料还面临诸多的挑战，如生产成本增高(原料成本和人工工资增高等)和钢材价格降低(钢制品价格下降，从而要求钢材降价等)的压力，面临挑战和机遇，其对策是获得市场比较优势。 提高结构材料的性能是获得比较优势的永恒课题。以信息技术快速、节约、准确设计高性能结构材料是获得比较优势的重要途径，也是钢铁企业生存发展的必由之路。高性能结构材料是指高比强度、高比刚度、高比强延积、耐高温、耐腐蚀和抗磨损的新结构材料，与目前已广泛使用的结构材料相区别，也称为现代结构材料或先进结构材料。这类材料的使用数量将逐渐增多，取代传统结构材料的比率也将逐渐增大。低碳低合金钢通过优化设计，可以获得最佳的成分、组织和性能的配合，达到高的强塑积(σ×δ)和性能价格比，作为高性能结构材料有良好的发展应用空间。 应用信息技术的目的就是在明确材料使用性能要求的前提下，搜集满足该性能的材料的组分，组织结构，合成方法等数据、经验(包括秘方等)公式等信息，将其进行综合处理，分析得出最佳结果(或理论公式)从而免去“大海捞针”式的反复实验的做法，快速、简捷、准确设计出新材料，尽早投产应用。 通过对目前国内外普遍应用的低碳低合金高强度钢的现状分析，可以看出：低碳、低合金通过合金化、微合金化，并且与先进技术和先进工艺相结合起来生产制造，可获得多种类、多相组织的结合，如铁素体＋珠光体、铁素体＋马氏体、空冷贝氏体、板条马氏体、铁素体＋贝氏体＋马氏体＋残余奥氏体、贝氏体＋马氏体＋残余奥氏体等，从而赋予该类钢高强度、高塑性和高的韧性。即具有复相组织的低碳低合金钢，可以具有高强度和高的塑韧性配合。 在归纳总结低碳低合金复相钢{贝氏体＋[残余奥氏体＋马氏体(或回火马氏体)＋铁素体]少量}相变临界点和转变动力学有关数据的基础上，建立了计算复相钢中临界点和关键点即相变动力学中转变开始点和转变终了点的计算公式；运用已有的研究成果和低碳低合金高强度钢的相变强化理论，提出了按性能要求设计先进低碳低合金复相钢的成分和组织的计算公式。并对其进行了验证：试验结果与计算得到的该钢的TTT图和CCT图相比较，基本吻合，满足设计要求。钢的过冷奥氏体转变动力学特点，即钢的锻后实际冷却速度Vr有：VB＞V1≥VF＞Vp；合金元素引起的Bs下降值与Ms下降值的比值(即ΔBs/ΔMs值)尽量取高值，可以获得良好的强韧性配合。 针对调质钢制造汽车前梁出现的问题和不足，运用所提出的低碳低合金高强度高塑性钢成分设计公式，设计了一种锻后空冷可获得以贝氏体为主的非调质复相钢20Mn2SiVB，其抗拉强度σb≥900MPa。经工业冶炼轧制，锻造生产，制成汽车前梁，其主要化学成分为(wt％)：0.18C，2.05Mn，0.84Si，0.12V，0.0043B，0.057S；显微组织和主要力学性能(1250℃锻后空冷)：贝氏体＋(残余奥氏体＋铁素体＋马氏体)少量；σb=963.4MPa，σs=635.4MPa，δ=13.9％，Ψ=43％，HB=290，ak=67J/cm2，Nf=200x104次，达到了设计要求。 采用TEM、SEM、XRD和EDS等现代检测手段和方法，对20Mn2SiVB钢的显微组织及断口进行了分析；并对钢的强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳极限等力学性能进行了测试；对钢的化学成分、显微组织与其力学性能和加工成型工艺之间的依赖关系，进行了分析和讨论。 设计钢种显微组织中的贝氏体为粒状贝氏体(由铁素体基体和马氏体-奥氏体小岛组成)，其中(M-A)小岛尺寸愈细小，数量愈多，铁素体中亚结构愈多，钢的强韧性愈高；复相组织中残余奥氏体以薄膜状存在于贝氏体板条间或在贝氏体板条上以一定角度分布，将板条大量分隔成更小的块，削减了裂纹尖端的应力峰，使其得到钝化，加之其形变强化作用，降低了裂纹扩展速率，提高了材料的变形抗力，从而改善了钢的韧性；复相组织中仿晶界型铁素体对钢的塑性和韧性也有一定的促进作用，同时对合金元素的有效利用，前梁制造工艺的方便控制也是有利的，还可以改善钢的切削加工性能。 对20Mn2SiVB钢的疲劳断口裂纹源分析表明：当钢中存在变形较困难的Al、Si、Ca等氧化物夹杂，且尺寸大于10μm时，显著降低钢的疲劳极限值，而尺寸小于10μm的夹杂物，若分布均匀，对钢的疲劳极限值不会产生明显影响。 20Mn2SiVB钢的加热冷却工艺对钢的组织和性能也有明显影响。当奥氏体化温度高，冷却速度快，固溶奥氏体中的合金元素量多且均匀，钢中残余奥氏体量增多，钢的综合力学性能得到提高。反之，残余奥氏体量减少，力学性能下降。 综合分析结果，利用20Mn2SiVB钢代替调质钢制造汽车前梁，始锻温度1250℃，锻后空冷，当复相组织中各相的相对含量为：9％残余奥氏体＋6％铁素体，其余为贝氏体和少量马氏体(或为回火马氏体)时，能够满足汽车前梁的生产制造和使用要求。由于以廉价合金元素代替较贵重合金元素，以非调质工序代替调质工序，且可以不经回火处理，简化了汽车前梁制造工艺，降低了生产成本，能够产生良好的经济和社会效益。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题意义

1.2提高结构材料的性能是获得比较优势的永恒课题

1.3以信息技术快速、节约、准确设计钢材是获得比较优势的重要途径

1.4低合金高强度、高塑性钢材国内外研究开发现状

1.4.1研究开发低合金高强度高塑性钢材的必要性和可能性

1.4.2铁素体(F)+珠光体(P)型低碳高强度钢材的性能、应用和存在问题

1.4.3铁素体+马氏体型低合金双相钢的性能水平、应用和存在问题

1.4.4空冷低碳低合金贝氏体钢的性能水平，应用和存在问题

1.4.5板条马氏体型低碳低合金高强度钢材的性能和应用

1.4.6低碳低合金TRIP钢材的性能水平和应用

1.5本文作者主要研究内容和所做工作

1.5.1低碳低合金非调质空冷贝氏体钢的成分设计

1.5.2汽车前梁用钢的设计

1.5.3试验用钢显微组织结构分析，力学性能测试，汽车前梁台架试验

1.5.4非调质贝氏体钢复相组织的强韧化机理及前梁钢性能的综合评价

1.6本章小结

第2章先进低碳低合金复相钢材设计

2.1先进低碳低合金复相钢材设计依据

2.2先进低碳低合金复相钢材设计方法

2.2.1按相图初步设计钢的化学成份

2.2.2按钢的临界冷却速度，或TTT图和CCT图及其影响因素设计钢的成份

2.2.3按现有类似钢材进行改进成份设计，回归分析设计钢的成份

2.3先进低碳低合金钢的成分、组织与性能关系

2.3.1先进低碳低合金钢的成分与组织的关系

2.3.2先进低碳低合金钢的成分、组织对其力学性能的影响

2.4先进低碳低合金钢成分对其加工工艺和成型性能的影响

2.4.1先进低碳低合金钢成分对其加工工艺性能的影响

2.4.2先进低碳低合金钢成分对其成型性能的影响

2.5先进低碳低合金复相钢成分设计计算公式

2.5.1设计钢材的强度与临界冷却速度计算公式

2.5.2设计钢材的实际平均冷却速度计算公式

2.6本章小结

第3章汽车前梁专用复相钢的成分设计及强韧化机理

3.1汽车前梁用钢的现状、存在问题和发展趋势

3.1.1汽车前梁用钢的现状和存在问题

3.1.2汽车前梁用钢的发展趋势

3.2汽车前梁先进钢材成分设计

3.2.1汽车前梁先进钢材设计依据

3.2.2汽车前梁先进钢材显微组织设计

3.2.3汽车前梁先进钢材的合金化思路

3.2.4汽车前梁先进钢材成分设计计算

3.3汽车前梁先进钢材的工业性冶炼、连铸和轧制

3.3.1汽车前梁先进钢材的工业性冶炼和连铸

3.3.2汽车前梁先进钢材的工业性轧制

3.4汽车前梁先进钢材的力学性能和强韧化机理

3.4.1汽车前梁先进钢材的显微组织和力学性能

3.4.2汽车前梁先进钢材中的贝氏体组织与其力学性能

3.4.3汽车前梁先进钢材中的残余奥氏体组织与其力学性能

3.4.4汽车前梁先进钢材中的铁素体组织与其力学性能

3.5本章小结

第4章汽车前梁专用复相钢的工业台架试验研究

4.1汽车前梁先进钢材的锻造和控制冷却

4.1.1不同奥氏体化温度对汽车前梁钢性能的影响

4.1.2锻后不同冷却速度对汽车前梁钢性能的影响

4.2汽车前梁设计钢材锻造空冷后的台架试验及疲劳断口分析

4.2.1汽车前梁设计钢材锻造空冷后的台架试验

4.2.2汽车前梁台架试验结果检测

4.2.3汽车前梁台架试验结果分析

4.3 20Mn2SiVB钢制造汽车前梁综合评价

4.3.1前梁钢制造工艺与组成相相对含量的关系

4.3.2 20Mn2SiVB钢制造汽车前梁综合评价

4.4本章小结

第5章结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文(包括已通过鉴定的项目和获得的奖项)目录

致谢