铌钒合金化高强钢热成形工艺及组织性能研究

摘要

随着汽车工业的快速发展和环保要求的日益提高，应用高强钢来达到轻量化逐渐成为汽车产业节能减排的重要方式，而热成形技术是汽车用高强钢加工成形的重要手段。目前，商用1500MPa级22MnB5钢被广泛应用于热成形制造过程中，其延伸率仅在5-6%左右，在一定程度上制约了其在汽车关键部件上的推广应用。添加Nb、V等微合金元素可使热成形钢的晶粒进一步细化，进而有效的提升热成形钢的力学性能。本文以Nb、V微合金化钢为对象，采用实验与理论计算等手段，研究分析了铌钒合金化高强钢热成形过程中的适宜工艺参数及第二相粒子析出，并对比研究了Nb、V合金元素对高强钢氢脆敏感性的影响。研究结论如下：　　①针对铌钒合金化高强钢的热成形工艺过程，采用平板模拟淬火实验研究分析了不同保温温度和保温时间对钢中组织、原奥氏体晶粒和力学性能，获得了适宜的热成形加热工艺制度。保温温度实验研究表明：当保温温度低于870℃时，钢未完全奥氏体化，淬火后钢组织为马氏体和铁素体的混合组织，淬火态钢的抗拉强度和屈服强度随着保温温度的增加而提高，延伸率下降；当保温温度高于870℃时，可以完全奥氏体化并在淬火后为全马氏体，此时影响淬火态钢的力学性能因素主要为原奥氏体晶粒大小，抗拉强度变化幅度不大，屈服强度和延伸率略有下降；随着保温温度的提高，奥氏体晶粒逐渐变大，在960℃时出现晶粒粗大不均匀现象。不同保温时间实验结果表明：保温3min及以上铌钒钢可以完全奥氏体化；随着保温时间的延长奥氏体晶粒逐渐长大，保温超过7min出现快速粗化现象；在保温3min全奥氏体化之后，淬火态钢的抗拉强度、屈服强度和延伸率随保温时间的增加而下降，保温3min时铌钒高强钢的抗拉强度拥有最大值1570.78MPa。综合实验结果与实际操作要求，铌钒高强钢热成形加热工艺制度确定为：保温温度930℃，保温时间3min。　　②采用JMatPro热力学计算和实验分析，对比研究了热成形过程中铌钒合金钢中的第二相粒子析出行为及其对钢组织性能的影响。结果表明：Nb、V元素在钢中几乎全部存在于M(C,N)相中；含Nb粒子在原奥氏体晶界处与Ti的复合析出，在晶内是与V、Ti复合析出；含V粒子主要以V、Ti复合形式在晶内析出。Nb、V合金元素可以细化组织提升钢力学性能及冷弯性能。　　③通过铌钒高强钢和22MnB5钢的对比实验分析，研究了Nb、V合金元素对高强钢氢脆敏感性的影响。结果表明，铌钒合金化钢的氢脆指数略低于22MnB5钢；铌钒高强钢充氢后在断裂处呈现准解理特征，而22MnB5钢为准解理和沿晶断裂的混合特征；Nb、V合金元素可以细化晶粒，并在晶内生成碳化物作为氢陷阱，有效提升铌钒高强钢抗氢致开裂性能。

目录

1 绪 论

1.1 汽车轻量化现状

1.1.1 轻量化的概念及意义

1.1.2 轻量化技术的发展

1.1.3 汽车轻量化技术及应用

1.2 高强钢的发展及研究现状

1.2.1 高强钢的研究现状

1.2.2 合金元素对高强钢的影响

1.3 热成形工艺的发展及研究现状

1.3.1 热成形工艺的概念及应用

1.3.2 国内外热成形工艺的研究现状

1.3.3 热成形用高强钢微合金化的研究现状

1.4 热成形钢的氢致延迟断裂机理及研究现状

1.4.1 氢致延迟断裂机理

1.4.2 氢致延迟断裂研究现状

1.5.1 研究目的及意义

1.5.2 主要研究内容

2 实验研究方案

2.1 实验材料

2.2 平板模具淬火实验

2.3 氢脆敏感性实验

2.4.1 金相观察实验

2.4.2 扫描电子显微镜表征

2.5 力学性能测试

3 铌钒合金化高强钢热成形加热制度的研究

3.1.1 奥氏体化温度影响研究方案

3.1.2 不同温度下淬火后的微观组织

3.1.3 不同温度下的原奥氏体晶粒

3.1.4 不同温度下的力学性能

3.2.1 保温时间影响研究方案

3.2.2 不同保温时间下淬火后的微观组织

3.2.3 不同保温时间下的原奥氏体晶粒

3.2.4 不同保温时间下的力学性能

3.3 本章小结

4 铌钒高强钢中粒子析出行为研究

4.1.1 计算模型条件

4.1.2 粒子析出热力学分析

4.2 铌钒高强钢中粒子的析出分布

4.2.1 晶界析出的粒子

4.2.2 晶内析出的粒子

4.3 粒子析出对组织的影响

4.4 粒子析出对力学及冷弯性能的影响

4.5 本章小结

5 铌钒合金化高强钢氢致延迟断裂研究

5.1 氢脆敏感性实验研究方案

5.1.1 慢应变速率拉伸试验

5.1.2 恒应力试验

5.2 氢致开裂行为研究

5.3 氢损伤行为研究

5.4 氢致延迟断裂分析与讨论

5.5 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 作者攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢