（材料学专业论文）30gpa级超高强度马奥组织钢的研究.pdf

尊 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢玮亨签字嗍砂( 。年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解钢铁研究总院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 学位敝储虢土衙 签字日期：b 【。年6 月1 同 导师签名 签字同期：l 。年( 月7 日 ， 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( r m ) 超过1 5 0 0 m p a 时，断后伸长率( 么) 为1 0 左右，强塑 积( 列) 很难超过2 0 g p a ，使成形性与使用安全性大幅度降低。本文以含碳量 为0 2 1 0 5 1 w t 的高s i 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t r i p 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1 5 0 0 m p a 、r m x a 3 0 g p a 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p a c k e t 构成，板条尺寸 ( o 1 0 2 1 a m ) 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( o 1 0 a n ) 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2 5 0 等温淬火+ 5 0 0 t 2 短时配分处理，含碳量为0 3 7 w t 和0 4 1 w t 的试验钢分别获得了超高强度、高强塑积的力学性能：1 6 7 0 m p a 、3 3 g p a ( 残奥量 2 1 ) 和1 8 3 5 a 、3 4 8 g p a ( 残奥量 2 7 ) 。 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t r i p 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。 关键词：马氏体；残余奥氏体；淬火配分；高强度；塑性；应变诱导塑性 a b s t r a c t d e v e l o p i n gh i g hs t r e n g t hs t e e l si sa ni n e v i t a b l et r e n df o rs t e e lm a t e r i a l s ，h o w e v e r , t h e t e n s i l es t r e n g t h 俾m ) u s u a l l yi n c r e a s e s 谢廿las i g n i f i c a n tl o s so fd u c t i l i t y i ng e n e r a lw h e n t e n s i l es t r e n g t ho fs t e e l se x c e e d15 0 0 m p a , t h et o t a le l o n g a t i o n s 口) a r eo n l ya b o u t10 ， a n dt h u st h ep r o d u c t so fr mt oaa r el o w e rt h a n2 0 g p a ，w h i c hd e t e r i o r a t e s t h e f o r m a b i l i t ya n dt h es a f e t yo fs t e e l s t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni s t os t u d yt h e m e c h a n i s mt oi m p r o v et h ed u c t i l i t yo fu l t r a - h i g ht e n s i l es t r e n g t hs t e e l sw i 廿lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fr m 15 0 0 m p a a n dr m x a 3 0 g p a i nt h i ss t u d y , s t e e l s 、) l ，i t hc a r b o n c o n t e n tr a n g e df r o m0 2 1t oo 5 1 w t w e r es e l e c t e dt of a b r i c a t es t e e l sw i t h m i c r o s t r u c t u r ec o n s i s t i n go fm a r t e n s i t ea n dm e t a s t a b l ea u s t e n i t e ，a i m i n ga ti m p r o v i n gt h e d u c t i l i t yo fu l t r a - h i g hs t r e n g t hs t e e l sb ym e a n so ft h eq & p ( q u e n c h i n ga n dp a r t i t i o n i n g ) p r o c e s s t h em i c r o s t r u c t u r eo fs t u d i e ds t e e l st r e a t e db yq & p p r o c e s si sm a i n l yc o m p o s e do f t h r e ep h a s e s ，he ，i n i t i a lm a r t e n s i t e ，f r e s hm a r t e n s i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e t h ei n i t i a l m a r t e n s i t ea s s u m e st e m p e r e dm a r t e n s i t ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hl a r g e rs i z e dm a r t e n s i t el a t h ； t h ef r e s hm a r t e n s i t eh a sq u e n c h e dm a r t e n s i t ec h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h i n n e rt h i c k n e s so f m a r t e n s i t el a t h ( o 1 0 2 i _ t m ) t h a nt h a to fi n i t i a lm a r t e n s i t el a t h ( 0 2 - 0 31 a m ) ，o n l yo n es i n g l e s e to fp a c k e te x i s t i n gi no n ef r e s hm a r t e n s i t eg r a i n , a n dh i g h e rc a r b o nc o n t e n ta n d h a r d n e s st h a nt h o s eo fm a t r i x t h er e t a i n e da u s t e n i t ee x i s t si nt h et h i nf i l ms h a p e b e t w e e nm a r t e n s i t el a t h so ri nt h eb l o c k ys h a p e ( a b o u to 1l a m ) i nt h ep a c k e tb o u n d a r ya n d i n i t i a la u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r y as i z ed e p e n d e n tg e o m e t r i c a lm o d e lw a sp r o p o s e db a s e o nt h eh e t e r o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r ed e v e l o p e dd u r i n gt h eq u e n c h i n gp r o c e s s ，w h i c h r e a s o n a b l ye x p l a i n st h ei n c r e a s i n go fv o l u m eo fr e t a i n e da u s t e n i t et o g e t h e rw i t l lt h a to f f r e s hm a r t e n s i t ei nac e r t a i nr a n g et e m p e r a t u r e t h eh i g h e rr e t a i n e da u s t e n i t ec a nb e o b t a i n e d u s i n gh i g h e rt e m p e r a t u r eq u e n c h i n ga n dh i g ht e m p e r a t u r ea n ds h o r tt i m e p a r t i t i o n i n g i nt h es t u d i e dr a n g e ，i n c r e a s i n gc a r b o nc o n t e n tc o u l di n c r e a s et h ev o l u m e f r a c t i o na n di m p r o v es t a b i l i t yo fr e t a i n e da u s t e n i t ei ns t e e l sp r o c e s s e db yq & p t h ed u c t i l i t ya n dt h ep r o d u c to fr mt oao fq & pt r e a t e ds t e e l si n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t e ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e s w i t ht h e i n c r e a s i n gv o l u m ef r a c t i o n o ff r e s hm a r t e n s i t e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u l t r a - h i g ht e n s i l ew i t hh i g hd u c t i l i t y , s u c ha s16 7 0 m p a - 3 3 g p a ( o 3 7 w t cs t e e lw i t h r e t a i n e da u s t e n i t ef r a c t i o na b o u t2 1 ) ，18 3 5 m p a - 3 4 8 g p a ( o 4 1 w t cs t e e lw i t h r e t a i n e da u s t e n i t ef r a c t i o na b o u t2 7 ) w e r eo b t a i n e dt h r o u g hq u e n c h i n ga t2 5 0 。ca n d p a r t i t i o n i n ga t5 0 0 w i t hs h o r tt i m e t h ed e f o r m a t i o no fs t e e l st r e a t e db yq u e n c h i n ga n d p a r t i t i o n i n gc a n b ed i v i d e di n t o3 s t a g e s ：( i ) u n i f o r md e f o r m a t i o nc o n t r o l l e db yd i s l o c a t i o n ss t r e n g t h e n , am i l l e rd u c t i l i t y c o n t r i b u t i o n ；( i i ) u n i f o r md e f o r m a t i o nc o n t r o l l e db yt r i pe f f e c t s ，am a i nc o n t r i b u t i o nt o t h eh i g hd u c t i l i t yi m p r o v e m e n t , w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h ee n h a n c e dw o r kh a r d e n i n gr a t e b ym e a n so ft r i pe f f e c t so ft h el a r g ef r a c t i o n e dm e t a s t a b l ea u s t e n i t e ；( i i i ) n o n u n i f o r m d e f o r m a t i o n ( o rn e c k i n g ) c o n t r o l l e db yt h en u c l e a t i o na n de x p a n s i o no fc r a c ki n d u c e db y l a r g es i z e dc a r b o n i t r i d ea n do x i d ep r e c i p i t a t i o n s ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h et r a d i t i o n a l q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gp r o c e s s e ds t e e l s d u r i n gt h ec o u r s eo fd e f o r m a t i o n , t h ef r e s h m a r t e n s i t ed e f o r m sc o o p e r a t i v e l y 、析lo t h e rp h a s e sa n da c t sa ss t r e n g t h e n i n gc o m p o n e n t c o m p a r e dw i t hs a m p l e st r e a t e db yt r a d i t i o n a lq - tp r o c e s s ，s t e e l st r e a t e db yq - p ( - d p r o c e s sh a v el o w e rh y d r o g e ne m b r i t t l e m e n ts u s c e p t i b i l i t i e s ，l o w e rf a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t ea n db e t t e rr e s i s t a n c eo fi m p a c ta b r a s i v e i tw a st u r no u tt ob ef e a s i b l et h a tq & p p r o c e s sc o u l db ea p p l i e di nt h e h o ts t a m p i n gl i n ea n dc o n t i n u o u sa n n e a l i n gl i n ei nd u s t r y k e yw o r d s ：m a r t e n s i t e ；r e t a i n e da u s t e n i t e ；q u e n c h i n ga n dp a r t i t i o n i n g ；h i g hs t r e n g t h ； d u c t i l i t y ；t r i p i v 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 选题背景及意义l 1 2 组织结构对强度和塑性的影响2 1 2 1 高强度、高塑性钢的组织结构一2 1 2 2 提高钢强度的因素3 1 2 3 提高钢塑性的因素4 1 2 4 钢的强化、塑化机制一5 1 3 高强度、高塑性钢的组织获得方法7 1 3 1m 3 组织调控思路而7 1 3 2m + a 或b + a 组织的获得方法8 1 4 本文拟采用的工艺路线1 7 1 5 本文的主要研究目的和研究内容1 8 第二章试验材料与方法- 1 9 2 1 试验材料及冶炼19 2 2 试验方法2 0 2 - 2 1 热处理设备2 0 2 2 2 热处理工艺2 l 2 2 3 微观组织分析2 1 2 2 4 力学性能试验：2 4 2 2 5 应用性能试验2 5 第三章淬火和配分过程中的组织演变2 8 3 1 引言2 8 3 2 组织演变过程2 8 3 2 1 变温马氏体相变的原位观察：2 8 3 2 2 控制奥氏体转变法3 0 3 2 3 膨胀法3 3 3 2 4q & p 工艺的组织演变模型3 6 3 3 组织表征3 6 3 3 1 组织形貌表征与辨别3 6 3 3 2 新鲜马氏体的表征3 9 3 3 3 残余奥氏体的表征4 3 3 4 组织演变规律4 5 3 4 1q t 的影响规律4 5 3 4 2 配分温度( p t ) 和时间( t ) 的影响4 8 3 4 3 回火对残奥量的影响5 7 3 4 4 试验钢含碳量对残奥量的影响5 9 3 5 残奥量影响因素的分析与讨论6 0 3 5 1 组织和成分的不均匀分布6 0 3 5 2 碳的配分与析出行为6 3 3 6 本章小结6 5 第四章钢的力学性能及其微观机制6 6 4 1 引言6 6 4 2 马奥组织钢的力学性能。6 6 4 2 1 力学性能的变化规律6 6 4 2 2 高强度高塑性力学性能的获得7 6 4 2 3 力学性能比较7 8 4 3 分析与讨论8 4 4 3 1 组织结构与力学性能的关系8 4 4 3 2 单轴拉伸条件下的变形特性9 0 4 3 3 单轴拉伸条件下的断裂行为9 9 4 4 本章小结一1 0 6 第五章高强高塑钢的应用性能研究一1 0 7 5 1 引言一1 0 7 5 2 抗氢脆敏感性试验：10 7 5 3 疲劳裂纹扩展行为一1 10 5 4 冲击磨料磨损性能一111 5 5q & p 工艺在热成型马氏体钢方面的应用11 5 5 5 1 冷却曲线1 1 6 5 5 2 金相组织1 1 8 5 5 3 力学性能1 1 8 5 6q & p 工艺在冷轧连退线上应用设想11 9 5 7 本章小结1 2 1 第六章主要结论1 2 3 参考文献1 2 5 攻读博士学位期间发表的学术论文。1 3 6 j l 定谢13 7 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 高强度化是钢铁材料发展的趋势【l 捌，高强度钢的大量使用可以降低钢材的消 耗，减轻设备的重量，是实现节能减排的重要途径。然而随着钢强度水平的提高， 其塑性通常降低，使表征安全性的强塑积( 谢) 很难提高，如何提高钢的塑 性是钢铁材料面临的重要问题，尤其是在钢铁材料高强度化的发展趋势下。 不同种类合金钢抗拉强度( r m ) 和断后伸长率( 彳) 的关系汇总结果如图1 1 所示，晶体结构为f e e 的合金钢塑性较高，强塑积可达6 0 g p a ，但抗拉强度小 于1 0 0 0 m p a ；晶体结构为b e e 的合金钢抗拉强度可达2 3 0 0 m p a ，但随抗拉强度 的增加，塑性水平大幅度下降，当抗拉强度超过1 5 0 0 m p a 时，断后伸长率为1 0 左右，强塑积很难超过2 0 g p a 。 图1 - 1 合金结构钢力学性能汇总 m a r a g i n g - 马氏体时效钢；d p s s - 只2 相不锈钢，om a t t - 马氏体钢；i fs t c c l i f 钢；m a r t - b a i n - 马贝复合钢；t r i p 相 变诱发塑性钢；d p - 双相钢；n a n o - b a i n - 纳米贝氏体钢；a s s - 奥氏体不锈钢；t w i p 孪晶诱发塑性钢 为了同时满足高强度化和高安全性的发展要求，董瀚娩1 在国家9 7 3 项目中明 确提出了新一代钢铁材料的一个发展目标，即抗拉强度为1 5 0 0 m p a 级，同时保 第一章绪论 证强塑积大于3 0 g p a 。本文的目的在于研究提高超高强度钢塑性的机制，获得 r m 2 1 5 0 0 m p a 、r m x a _ 3 0 g p a 的力学性能，对于钢铁材料的发展和应用具有重要 的指导意义。 1 2 组织结构对强度和塑性的影响 1 2 1 高强度、高塑性钢的组织结构 抗拉强度可以达到1 0 0 0 2 2 0 0 m p a 的合金钢的组织结构和力学性能汇总如图 1 2 所示，这些钢有双相钢( m + f ) 、马氏体钢( m ) 、低合金超高强度钢 ( m + c a r b i d e s ) 、二次硬化钢( m + c a r b i d e s ) 、马氏体时效钢( m + i n t e r m e t a l l i c s ) 、 q p ( t ) 钢( m + a ) 以及贝氏体马氏体复合钢( b + m ) ，它们都是以马氏体组织 为基体或含有一定量的马氏体组织。 尺m p a m 图1 2 高强度钢力学性能的比较 u h s l a - 低合金超高强度钢：s e c o n dh a r d e n i n gs t e e l 二次硬化钢1 q ；q - p ( - t ) s t e e l 淬火配分( 回火) 钢【1 蚴1 ； u h c s 一超高碳钢f 2 3 1 ；其它同图1 - 1 由m + f 组织构成的双相钢和由f + b + a 组织构成的t r i p 钢的抗拉强度都低于 1 2 0 0 m p a ，但是能够获得较高的断后伸长率；由b + m + a 组织构成的贝马复相钢 的抗拉强度为1 3 5 0 1 6 7 0 m p a ，断后伸长率为8 1 6 ；由m + 碳化物或金属间化合 物构成的二次硬化钢和马氏体时效钢的抗拉强度为1 5 0 0 2 2 0 0 m p a ，断后伸长率 2 第一章绪论 为8 1 6 ；纳米贝氏体钢的抗拉强度达1 7 0 0 2 3 0 0 m p a ，断后伸长率达3 0 ；基体 为珠光体( p ) 的超高碳钢( u h c s ) 的抗拉强度可达1 8 1 0 m p a ，断后伸长率达到1 8 ， 也具有高强度和高塑性的特点1 2 4 2 5 1 ；而i 妇m + a 组织构成的q p ( t ) 钢的抗拉强度 为8 0 0 2 2 0 0 m p a ，断后伸长率为5 3 0 。可见，抗拉强度大于1 5 0 0 m p a 的钢，其 组织结构可以为m + a 、b + m + a 、b + a 、m + e a r b i d e s i n t e r m e t a l l i c s 或p ，其中二次 硬化钢和马氏体时效钢需加入大量的m o 、c o 、n i 等合金元素以形成碳化物或金 属间化合物，使成本大大升高，而纳米贝氏体钢和超高碳钢碳含量较高，且工艺 较难控制。因此，综合考虑钢材的成本和工艺性能等因素，m + a 或b + m + a 的组 织形态可能是新一代高强度、高塑性钢的发展方向。 1 2 2 提高钢强度的因素 从前面力学性能汇总的结果可以发现，获得高强度较容易实现，常见的强化 方法主要有间隙固溶强化、第二相粒子析出强化、细晶强化、相变强化等。 c 原子的间隙固溶强化是钢铁材料中最经济、最有效的强化方式，其主要微 观机制是溶质原子使晶体发生畸变，产生的弹性应力场与位错周围的弹性应力场 相互作用，形成气团，增加位错运动阻力，使材料产生强化。 第二相粒子与位错交互作用，阻碍位错的继续滑移，导致材料的强化。马氏 体时效钢在时效过程中产生金属间化合物【2 昭7 1 ，并与基体保持半共格关系，当析 出物的粒子半径r 与位错柏氏矢量b 的比值r b - 2 _ 1 5 时【2 引，位错绕过析出相粒子， 当沉淀物间距达到某一临界值时，将产生最大的强化效果。低合金超高强度钢【2 9 】 和二次硬化钢【3 0 j 都利用了碳化物的析出强化作用。第二相强化产生的强度增量与 第二相体积分数厂和颗粒尺寸d 之间可以表达为y 昂co c 厂1 2 d 1 2 ( 切过机制) 和 r s p co c 厂1 2 d l n d ( 绕过机制) 【3 1 1 ，可见，第二相颗粒的强化作用十分显著。 细化晶粒使晶界所占比例增高，阻碍位错滑移，产生强化，材料强度与有效 晶粒尺寸之间的关系可以由h a l l p e t e h 公式( 以= c r b + k y d 2 ，c r b 为单晶的屈 服强度，d 为有效晶粒尺寸，k 为比例系数) 描述，可见细化有效晶粒尺寸可有 效提高钢的强度水平，低碳马氏体钢的有效晶粒尺寸为板条马氏体束的尺寸3 2 刁7 】， 贝氏体马氏体( m + b ) 复合组织由于下贝氏体分割原奥氏体晶粒，使等效奥氏 体晶粒和马氏体板条束细化，组织的细化导致强度的升高 3 8 , 3 9 。 硬相的存在增加了软相的变形程度和位错密度，产生强化作用i 研究表明 4 0 - 4 2 1 ，随马氏体相( 硬相) 比例的增加以及马氏体相中含碳量的升高，双相钢的 强度水平升高。 亚稳奥氏体在变形过程中发生马氏体转变，使材料发生硬化，提高钢的强度， 3 第一章绪论 同时提高钢塑性。t r i p 钢属于典型的相变强化机制【4 3 1 ，而由q & p 工艺获得的 m + a 组织也存在相变强化的作用l 4 4 】。 各种强化机制的实质是溶质原子、第二相粒子、晶界、相界与位错发生交互 作用，阻碍位错运动，产生加工硬化，从而提高钢材的强度【4 5 j 。金属晶体中的位 错由相变和塑性变形引入，位错与邻近位错能够发生交互作用，使运动受阻而产 生强化，位错密度越高，金属抵抗塑性变形的能力就越大，强度增量与位错密 度p 1 2 _ 呈i e t z 关系，位错密度为1 0 81 0 9 r a m 2 时，位错强化提供2 0 3 6 4 1 m p a 的强 度，可见位错强化是钢铁材料中有效的强化方式1 3 1 i 。 1 2 3 提高钢塑性的因素 影响钢的塑性的因素较复杂，综合起来主要有晶粒尺寸、钢的洁净度、亚稳 奥氏体相及其稳定性。 增加组织中软相比例可以提高钢材的塑性。d p 钢中存在大量铁素体，断后 伸长率可以达到3 0 ，而均匀伸长率可达2 0 ( d p 4 5 0 钢f 4 6 】) ，塑性水平远高于 单相马氏体和马氏体+ 析出物构成的钢，随铁素体量增加，d p 钢的塑性水平增大。 细化晶粒不但可以提高钢的强度，还能提高钢的塑性。晶粒尺寸减小，晶粒 可以通过转动协调变形，提高钢的塑性。 碳化物沿晶界析出，降低了界面结合能，在应力作用下发生塑性变形时，在 析出物处产生应力集中，形成微孔，在晶界滑移的作用下，微孔链接形成裂纹， 从而降低钢的塑性【4 7 】。研究表明h 昏5 0 1 ，夹杂物无论其类型、数量、尺寸、形状和 分布，对钢的塑性都有损害；李晓源【5 l 】研究了洁净度对塑性的影响，认为夹杂物 在临界尺寸以下对均匀塑性变形没有影响，而对非均匀塑性变形影响较大。因此， 从提高塑性的角度来讲，应该提高钢的洁净度以减小夹杂物对塑性的损害，还应 控制析出物的形状和尺寸。 亚稳奥氏体产生t r i p 或t w i p 效应提高钢的塑性。t r i p 钢在变形过程中， 残余奥氏体发生马氏体转变，使局部产生强化，促使变形在其它位置继续发生， 进而推迟了颈缩的产生，提高钢材的塑性水平【5 2 】；t w i p 钢中具有稳定的残余奥 氏体相和低层错能，使其变形机制以孪晶为主，孪晶的形成强烈地阻碍位错运动， 使局部产生强化，推迟颈缩产生，提高了t w i p 钢的均匀伸长率f 5 3 1 。t r i p 钢的 塑性水平随残余奥氏体量的增加而增加【5 4 】。 能够同时提高钢强度和塑性的方法有晶粒细化和使用亚稳奥氏体相。工业生 产中，通过明显的晶粒细化实现高强度和高塑性较为困难。对于不同种类合金钢 的强塑积与亚稳奥氏体量关系的汇总结果( 如图1 3 ) 发现，职钢、d p 钢和马 氏体钢等没有亚稳奥氏体或含有少量亚稳奥氏体，t r i p 钢含有5 1 5 的亚稳 4 第一章绪论 奥氏体，纳米贝氏体钢含有约3 0 的亚稳奥氏体，t w i p 钢具有的1 0 0 奥氏体， 它们的强塑积从1 0 1 5 g p a 、2 0 2 5 g p a 、4 0 5 0 g p a 、变化到5 0 7 0 g p a 。可 见随着奥氏体含量的增加，钢材的强塑积几乎呈线性增加，所以提高钢中亚稳奥 氏体的含量是提高钢的塑性和强塑积的一个有效措施。根据这个趋势，3 0 g p a 级钢中应具有约2 0 3 0 的奥氏体相。 零 罡 c 9 裹 t 图l - 3 亚稳奥氏体量与钢强塑积的关系 5 5 - 5 7 1 1 2 4 钢的强化、塑化机制 单轴拉伸条件下，钢的总伸长率主要由两部分构成，一部分是颈缩前的均匀 伸长阶段，另一部分是颈缩后的非均匀伸长阶段。均匀伸长阶段主要由钢的加工 硬化行为控制，加工硬化能力越强，钢的均匀伸长率越大，当加工硬化造成承载 能力增加不能抵偿试样面积减小所导致的承载能力下降时，材料将发生塑性失稳， 产生颈缩；非均匀伸长阶段主要由裂纹的形成和扩展机制控制，通常与钢的洁净 度水平和脆性相的起裂行为有关，钢中的夹杂物尺寸越大、数量越多，钢的均匀 伸长率越低。 几种典型的高强度和高塑性钢的单轴拉伸曲线如图1 4 所示，由单相m 构 成的马氏体钢和由m + a 组织构成的q & p 钢具有较高的强度水平，由单相f 构 成的钢、单相a 构成的t w i p 钢和由f + a 构成的t r i p 钢、双相不锈钢具有 较高的塑性。 5 第一章绪论 图1 - 4 不同钢种的单轴拉伸曲线 根据塑性失稳的康西德判据l 5 副可知，当钢的加工硬化率( d o c l e ) 等于真应 变时，即d o d e - 8 ( 加工硬化率真应变) 曲线与o - ( 真应力真应变) 曲线相交 时，材料将产生颈缩，交点所对应的应变为均匀伸长率，对应的应力为抗拉强度。 几种典型材料的加工硬化率和真应力一真应变曲线的关系曲线如图1 5 所示，可 见，钢只有在很大的应变范围内具有较高加工硬化速率，才能在获得较高强度的 同时获得较高的均匀伸长率。 加工硬化率主要由两部分提供，一部分由基体中的硬相提供，主要体现在拉 伸变形的初始阶段，硬相越多初始加工硬化率越大；另一部分由钢中的亚稳相提 供，拉伸过程中，亚稳相通过其t r i p 或t w i p 效应持续地提供加工硬化率，通 常，亚稳相的稳定性越高，体积分数越大，效果越明显。单相马氏体钢由于只存 在硬相，初始位错密度较高，因此在变形初始阶段具有较高的加工硬化率，而在 变形过程中由于位错密度随应变量的增加率较低，使其加工硬化率扩速下降，导 致马氏体钢只能获得高强度，而不能获得高塑性的力学性能；i f 钢中没有硬相， 也没有亚稳相，本身位错密度最低，因此加工硬化率最低，变形过程中位错密度 逐渐增加，使加工硬化率缓慢下降，所以获得了高塑性而得不到高强度的力学性 能；从洫钢和t w i p 钢的加工硬化率的变化行为可以看出，亚稳相在变形过 程中能够持续地提供加工硬化率，所以能获得较高的强度和较大的均匀伸长率， 但是由于缺少硬相的作用，使其初始加工硬化率较低。 6 m也善西c_accmmcac山 第一章绪论 罡 姜 岔 兰 ： 卜2 巴 詈 岳 暑 c 芒 多 图1 - 5 加工硬化率和真应力真应变曲线的关系 通过上述分析可知，要同时获得高抗拉强度、高塑性的力学性能，钢材应该 具有以下的组织特征：1 ) 多相化，由单相组织构成的钢只具有高强度( 马氏体 钢) 或高塑性( 奥氏体钢) ，在硬基体上增加软相能提高钢的塑性。2 ) 亚稳化， 亚稳奥氏体相在变形过程中转变成马氏体，提供持续加工硬化率，不仅能提高钢 的塑性，还能同时提高钢的强度。3 ) 组织的细化，通过组织的分割细化有效晶 粒尺寸( b m 复合钢) ，不仅能起到强化作用，还能增加裂纹扩展的途径，增大 裂纹扩展阻力，提高钢的塑韧性。 所以，要获得抗拉强度大于1 5 0 0 m p a 、强塑积大于3 0 g p a 的力学性能，需 要获得高强度基体上分布亚稳奥氏体的组织，这种高强度基体组织必然是具有高 硬度的贝氏体、马氏体或亚微米晶纳米晶组织，亚稳奥氏体相需要有一定的量和 足够的稳定性。因此，本文要得到的目标组织是马奥( m + a ) 组织或贝氏体( + 马氏体) + 奥氏体( b + ( m + ) a ) 组织。 1 3 高强度、高塑性钢的组织获得方法 1 3 1m 3 组织调控思路 随着电子束背散射衍射方法( e b s d ) 、三维原子探针( 3 d a p ) 、高分辨 ( h r t e m ) 、纳米压痕等的组织表征手段日益发展，人们对钢铁材料的组织强韧 7 第一章绪论 化机制有了更加深刻的认识，如通过e b s d 手段发现钢中板条马氏体由原奥氏体 晶粒、板条束( p a c k e t ) 、板条块( b l o c k ) 和板条( l a t h ) 组成【5 9 1 ，影响强度的 组织控制单元为马氏体板条块，而影响韧性的组织控制单元为马氏体板条束 6 0 l 。 可见，高性能钢的组织调控逐步实现精细化，人们分别对于组织的多相化【6 、多 尺度化【6 2 j 以及亚稳相【6 3 】在钢中的作用等方面的理解更加深刻。 董瀚在提出新一代高强度、高塑性钢铁材料的发展目标的同时，提出了m 3 组织调控思路【l2 】，即从多相化( m u l t i p h a s e ) 、亚稳化( m e t a s t a b i l i t y ) 及多尺度 化( m u l t i s c a l e ) 等方面进行更加精细化的微观组织调控，从而获得优异的力学 性能和服役性能。其中的多相化控制是指根据性能的需要，获得多相组织，利用 各相的特点及相互之间的配合实现高性能化；亚稳控制包括亚稳奥氏体相的控制， 以及元素的固溶与析出行为的控制等；多尺度的控制包含晶粒尺寸、板条尺寸、 位错、层错等更加微观尺度的组织调控。m 3 组织调控思路涵盖内容之广，充分 体现了不同组织结构之间的相互作用对力学性能的重要影响。本文的目标组织 ( m + a 或b + ( m + ) a ) 具有m 3 组织的特征，这种m 3 组织可以由马氏体或( 和) 贝氏体+ 残余奥氏体构成，马氏体或( 和) 贝氏体提供较高的初始加工硬化率， 而亚稳奥氏体相提供持续的加工硬化率，从而获得高强度、高塑性的力学性能。 在这样的指导思路下，最重要的工作就是在获得硬基体( 马氏体或贝氏体) 的同时，获得更多的亚稳奥氏体组织。 1 3 2m + a 或b + a 组织的获得方法 目前，获得m + a 组织的有效方法有q & p 工艺和q p t 工艺，获得b + a 组 织的有等温淬火工艺，下面就各工艺的特点及组织控制原理进行综述。 1 3 2 1 奥氏体稳定化现象 奥氏体的热稳定化现象指的是在马氏体转变过程中( 聪以下) 或转变前( 聪 以上) 进行等温或时效处理，会使未转变奥氏体向马氏体的继续转变出现“滞后”， 使室温残余奥氏体量增加，最终获得马氏体+ 残余奥氏体的组织结构。奥氏体的 热稳定化现象在碳钢、铬钢、镍钢和一些其它合金钢以及f e - n i ( 含碳) 合金里 都经常发生【“- 7 3 】，奥氏体稳定化处理的时效工艺如图1 - 6 所示 7 4 1 。 奥氏体稳定化实质上是热稳定化、化学稳定化、相至稳定化和宏观热应力稳 定化等诸多机制的综合作用。c o t t r e l l 气刚7 5 7 6 】理论认为等温过程中有c 原子偏 聚，位错能吸收大量杂质原子( c ，n ) 而形成c o t t r e l l 气团【7 7 】，提高奥氏体相的 强度，阻碍马氏体或准贝氏体相变，导致奥氏体的热稳定化。马氏体相变过程中 8 第一章绪论 碳原子向奥氏体中富集，降低奥氏体的版点；引起奥氏体化学稳定化【7 8