高强度Q&P钢和Q-P-T钢的研究

摘要

获得高强度高韧性材料一直是材料工作者们追求的目标。目前我国钢材年产量已逾四亿吨,但大量生产和应用的结构钢材强度一般400MPa～800MPa。为节约能源、减少环境污染、节约矿产资源,迫切需要发展高强度和超高强度钢,以实现器件的轻量化,达到节能减排的目的。为研制具有高强度(1500MPa-2000MPa),兼具一定的塑性和韧性且成本低廉的结构钢,本文根据徐祖耀等提出的高强度钢成分和组织设计思想和淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)热处理新工艺,结合近年来Speer等提出的淬火-碳分配(Q&P)热处理工艺,设计出1500MPa级别和2000MPa级别的Q-P-T高强度钢。利用光学金相(OM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)等多种方法研究了Q-P-T钢的显微组织,揭示了其具高强度和塑性的因为；为在热处理中对Q&P钢和O-P-T钢的组织进行控制,本文研究了淬火-碳分配过程中残余奥氏体的稳定性。本文的主要研究内容如下:
　　 首先,设计成分为0.2C-1.53Si-1.46Mn的Q&P钢,并籍J-Mat Pro软件和Speer等提出的约束碳平衡(CCE)模型设计其相应的热处理工艺(初始淬火温度为250℃,碳分配温度为480℃)。经不同Q&P处理工艺后其抗拉强度约1000MPa,延伸率10～20％。其中,一步法(初始淬火温度和碳分配温度相同)处理Q&P钢的强度比两步法(初始淬火温度小于碳分配温度)处理Q&P钢高约200MPa,但其塑性仅约为两步法处理Q&P钢的一半。通过OM、SEM、TEM和XRD表征了两步法处理Q&P钢微观组织随碳分配时间的变化,研究结果表明Q&P钢组织由板条马氏体基体和条间残余奥氏体复合组成,其强度主要取决于组织中马氏体含量和马氏体中的碳含量,而残余奥氏体则起着提高塑性和韧性的作用。实验表明随碳分配时间的增加,碳化物析出增多,残余奥氏体含量减少。残余奥氏体含量减少的因为主要有:1)在Q&P处理过程中马氏体/奥氏体相界面的迁移；2)在较高温度和较长时间碳分配的过程中奥氏体分解成渗碳体。通过与其他先进结构钢(如双相钢,相变诱发塑性钢,马氏体钢等)比较,Q&P钢具有高强度和良好塑性相结合的优秀综合力学性能。
　　 为进一步提高钢的强度,根据徐祖耀等提出的超高强度钢成分和组织设计思想,通过在原有的Q&P钢成分基础上添加Nb、Mo等碳化物形成元素,研制出强度级别为1500MPa的低碳超高强度淬火-碳分配-回火(沉淀)钢(低碳Q-P-T钢),其成分设计为:Fe-0.2C-1.5Si-1.5Mn-0.053Nb-0.13Mo；热处理工艺设计为:初始淬火温度QT=220℃,碳分配和回火温度为400℃。低碳Q-P-T钢经两步法处理后其抗拉强度可达1500MPa,延伸率大于15％。通过OM、SEM、TEM和XRD等测试手段对其微观组织进行表征,结果表明,由于Nb的合金化使低碳Q-P-T钢较类似成分的Q&P钢具有更为细小的原始奥氏体晶粒尺寸,由此淬火后获得更为细小的马氏体领域和马氏体板条,马氏体板条内含高密度位错并弥散分布着几个纳米的复杂碳化物,而且由于Si的加入使马氏体条间存在一定量的薄膜状残余奥氏体(体积分数4～6％)。上述组织结构的特征正是由徐祖耀提出的高强度钢组织设计思想所预期的。
　　 为了获得更高强度级别,即抗拉强度达到2000MPa的超高强度钢,根据超高强度钢组织设计原理,通过在低碳Q-P-T钢成分基础上适当增加碳含量(降低Ms温度以细化组织,同时增加碳原子的固溶强化效应)和合金元素含量(增加弥散沉淀强化效应),设计出含Nb、Ni的中碳Q-P-T钢,设计成分为:Fe-0.485C-1.2Si-1.2Mn-0.21Nb-0.98Ni；相应的热处理工艺为:初始淬火温度QT=95℃,碳分配和回火温度为400℃。实验结果表明:研制的中碳Q-P-T钢经两步法处理后其抗拉强度大于2000MPa,总延伸率大于10％。通过SEM、TEM、XRD和EDS揭示了中碳Q-P-T钢的微观组织为:高密度位错的马氏体、马氏体条间的薄膜状残余奥氏体和马氏体内的弥散分布的复杂碳化物,其中马氏体板条宽度为几十纳米,残余奥氏体厚度和复杂碳化物的尺寸均为几个纳米。XRD衍射分析测定出中碳Q-P-T钢的残余奥氏体含量为4～6％。因此,本论文研究所获得组织全部为纳米级的马氏体高强钢首次被报道。研究表明中碳Q-P-T钢的高强度取决于马氏体组织的细化和马氏体中弥散析出的复杂碳化物,塑性主要取决于残余奥氏体和马氏体基体的软化(经O-P-T处理后马氏体中碳浓度下降,碳的固溶强化效应降低)。本文研究验证了Q-P-T工艺的可行性和体现出其比Q&P工艺可获得更高强度结构钢和更广泛的含Si钢的应用。本文研究的Q-P-T钢(低碳和中碳)是继TRIP、TWIP和Q&P钢后,成为一种新型先进结构钢。
　　 在淬火-碳分配过程中马氏体/奥氏体相界面的迁移直接影响奥氏体的稳定性及其含量,从而影响Q&P钢的微观组织和力学性能。本文通过实验观察到0.2C-1.45Mn-1.53Si钢在Q&P处理过程中马氏体/奥氏体相界面发生了迁动,并从理论上证明在Q&P处理过程中存在界面上铁原子扩散的热力学条件,从而否定了Speer等提出的Q&P处理的CCE热力学模型的限制条件(马氏体/奥氏体相界面不移动)。通过热力学计算出相界面迁移的速度为3.08nm/s；随后通过数值模拟方法对Q&P过程中碳分配和马氏体/奥氏体相界面迁移进行耦合模拟,结果表明马氏体/奥氏体相界面在Q&P处理过程中可以产生数十纳米的位移。