超高强度增强塑性淬火-碳分配钢的组织设计

摘要

一个世纪以来,廉价的Fe-Mn-Si基低合金钢由传统的高强度低合金钢逐渐发展为当今的先进高强钢,其未来仍将向更高强度和更好塑性的方向发展。在目前减少碳排放,遏制全球气候变暖国际大背景下,迫切需要发展高强度和超高强度钢,从而实现构件的轻量化,以达到节约减排,保护环境的目标。因此,为了开发兼具更高强度和良好塑性的新一代超高强度钢,本研究首先通过组织设计,提出了其微观组织应为位错型马氏体基体(硬相)+残余奥氏体(软相)两相复合组织,同时在此基础上设计了成份为0.41C-1.3Mn -1.27Si-1.01Ni-0.56Cr的钢,并结合近年来新提出的淬火-碳分配(Q&P)热处理工艺,得到抗拉强度达1573MPa,总延伸率达20.43%的超高强度增强塑性的钢,达到了设计要求。利用扫描电子显微镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD),X射线衍射(XRD),透射电子显微镜(TEM)等手段对其微观组织进行了表征。结果表明,此高强度增强塑性钢中含有约18.7%的残余奥氏体组织,其均匀地分布在马氏体板条周围,呈现马氏体-奥氏体复合组织的形态,近似地符合组织设计要求。组织中条状奥氏体的宽度在50nm-200nm左右,远大于一般淬火钢中的残余奥氏体宽度,因而具有很好的两相的塑性协调变形能力；马氏体板条宽度约为100-200nm,其内部含有高密度位错。X射线线形分析结果表明,其马氏体组织的微观应变为2.60×10-3,平均位错密度为8.05×1014m-2,均低于相同回火温度和回火时间条件下马氏体淬火-回火钢,说明Q&P工艺下基体软化速度加快,基体自身塑性得到提高。通过探讨Q&P钢中奥氏体增强塑性的机理,其对材料的增塑的作用体现在如下几点：(1)一定量奥氏体的存在减小了材料淬火应力；(2)在Q&P工艺的碳分配过程中,奥氏体成为马氏体中过饱和碳的扩散和分配的“吸收源”,有效削弱了碳化物在马氏体基体中的析出,从而提高了基体本身的塑性；(3)奥氏体组织分割了马氏体束或马氏体板条,减小了有效晶粒尺寸,阻止裂纹扩展,提高材料的韧性和塑性；(4)较宽尺寸的残余奥氏体具有良好塑性变形能力,在拉伸过程中奥氏体可以发生与马氏体的协调形变,在较大变形条件下相继发生相变诱发塑性(TRIP)效应,从而进一步推迟了缩颈的发生,保证了基体和奥氏体可以在整个形变过程中相互协调,使从而得到较高的塑性。基于协调形变和奥氏体的相变诱发塑性效应,引入增加奥氏体-马氏体交互作用项,提出了修正的Mileiko两相混合表象模型,其预测更符合现有的实验结果。