低合金高強度高塑性復相鋼材的成分設計.pdf

1、就全世界而論，作為傳統(tǒng)產業(yè)的鋼鐵工業(yè)，已經過了它的鼎盛時期。但鋼鐵材料的固有優(yōu)勢(使用和加工性能優(yōu)異，回收率高，價格低等)導致世界鋼鐵工業(yè)仍然存在發(fā)展空間，鋼產量仍在持續(xù)增加。盡管我國已經成世界上鋼產量最多的國家，但是，在資源、能源和環(huán)境等人類可持續(xù)發(fā)展的總體水平要求下，鋼鐵材料還面臨諸多的挑戰(zhàn)，如生產成本增高(原料成本和人工工資增高等)和鋼材價格降低(鋼制品價格下降，從而要求鋼材降價等)的壓力，面臨挑戰(zhàn)和機遇，其對策是獲得市場比較優(yōu)勢

2、。 提高結構材料的性能是獲得比較優(yōu)勢的永恒課題。以信息技術快速、節(jié)約、準確設計高性能結構材料是獲得比較優(yōu)勢的重要途徑，也是鋼鐵企業(yè)生存發(fā)展的必由之路。高性能結構材料是指高比強度、高比剛度、高比強延積、耐高溫、耐腐蝕和抗磨損的新結構材料，與目前已廣泛使用的結構材料相區(qū)別，也稱為現代結構材料或先進結構材料。這類材料的使用數量將逐漸增多，取代傳統(tǒng)結構材料的比率也將逐漸增大。低碳低合金鋼通過優(yōu)化設計，可以獲得最佳的成分、組織和性能的配合

3、，達到高的強塑積(σ×δ)和性能價格比，作為高性能結構材料有良好的發(fā)展應用空間。 應用信息技術的目的就是在明確材料使用性能要求的前提下，搜集滿足該性能的材料的組分，組織結構，合成方法等數據、經驗(包括秘方等)公式等信息，將其進行綜合處理，分析得出最佳結果(或理論公式)從而免去“大海撈針”式的反復實驗的做法，快速、簡捷、準確設計出新材料，盡早投產應用。 通過對目前國內外普遍應用的低碳低合金高強度鋼的現狀分析，可以看出：低碳

4、、低合金通過合金化、微合金化，并且與先進技術和先進工藝相結合起來生產制造，可獲得多種類、多相組織的結合，如鐵素體＋珠光體、鐵素體＋馬氏體、空冷貝氏體、板條馬氏體、鐵素體＋貝氏體＋馬氏體＋殘余奧氏體、貝氏體＋馬氏體＋殘余奧氏體等，從而賦予該類鋼高強度、高塑性和高的韌性。即具有復相組織的低碳低合金鋼，可以具有高強度和高的塑韌性配合。 在歸納總結低碳低合金復相鋼{貝氏體＋[殘余奧氏體＋馬氏體(或回火馬氏體)＋鐵素體]少量}相變臨界點和

5、轉變動力學有關數據的基礎上，建立了計算復相鋼中臨界點和關鍵點即相變動力學中轉變開始點和轉變終了點的計算公式；運用已有的研究成果和低碳低合金高強度鋼的相變強化理論，提出了按性能要求設計先進低碳低合金復相鋼的成分和組織的計算公式。并對其進行了驗證：試驗結果與計算得到的該鋼的TTT圖和CCT圖相比較，基本吻合，滿足設計要求。鋼的過冷奧氏體轉變動力學特點，即鋼的鍛后實際冷卻速度Vr有：VB＞V1≥VF＞Vp；合金元素引起的Bs下降值與Ms下降值

6、的比值(即ΔBs/ΔMs值)盡量取高值，可以獲得良好的強韌性配合。 針對調質鋼制造汽車前梁出現的問題和不足，運用所提出的低碳低合金高強度高塑性鋼成分設計公式，設計了一種鍛后空冷可獲得以貝氏體為主的非調質復相鋼20Mn2SiVB，其抗拉強度σb≥900MPa。經工業(yè)冶煉軋制，鍛造生產，制成汽車前梁，其主要化學成分為(wt％)：0.18C，2.05Mn，0.84Si，0.12V，0.0043B，0.057S；顯微組織和主要力學性能(

7、1250℃鍛后空冷)：貝氏體＋(殘余奧氏體＋鐵素體＋馬氏體)少量；σb=963.4MPa，σs=635.4MPa，δ=13.9％，Ψ=43％，HB=290，ak=67J/cm2，Nf=200x104次，達到了設計要求。 采用TEM、SEM、XRD和EDS等現代檢測手段和方法，對20Mn2SiVB鋼的顯微組織及斷口進行了分析；并對鋼的強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞極限等力學性能進行了測試；對鋼的化學成分、顯微組織與其力學性能和加

8、工成型工藝之間的依賴關系，進行了分析和討論。 設計鋼種顯微組織中的貝氏體為粒狀貝氏體(由鐵素體基體和馬氏體-奧氏體小島組成)，其中(M-A)小島尺寸愈細小，數量愈多，鐵素體中亞結構愈多，鋼的強韌性愈高；復相組織中殘余奧氏體以薄膜狀存在于貝氏體板條間或在貝氏體板條上以一定角度分布，將板條大量分隔成更小的塊，削減了裂紋尖端的應力峰，使其得到鈍化，加之其形變強化作用，降低了裂紋擴展速率，提高了材料的變形抗力，從而改善了鋼的韌性；復相組

9、織中仿晶界型鐵素體對鋼的塑性和韌性也有一定的促進作用，同時對合金元素的有效利用，前梁制造工藝的方便控制也是有利的，還可以改善鋼的切削加工性能。 對20Mn2SiVB鋼的疲勞斷口裂紋源分析表明：當鋼中存在變形較困難的Al、Si、Ca等氧化物夾雜，且尺寸大于10μm時，顯著降低鋼的疲勞極限值，而尺寸小于10μm的夾雜物，若分布均勻，對鋼的疲勞極限值不會產生明顯影響。 20Mn2SiVB鋼的加熱冷卻工藝對鋼的組織和性能也有明顯

10、影響。當奧氏體化溫度高，冷卻速度快，固溶奧氏體中的合金元素量多且均勻，鋼中殘余奧氏體量增多，鋼的綜合力學性能得到提高。反之，殘余奧氏體量減少，力學性能下降。 綜合分析結果，利用20Mn2SiVB鋼代替調質鋼制造汽車前梁，始鍛溫度1250℃，鍛后空冷，當復相組織中各相的相對含量為：9％殘余奧氏體＋6％鐵素體，其余為貝氏體和少量馬氏體(或為回火馬氏體)時，能夠滿足汽車前梁的生產制造和使用要求。由于以廉價合金元素代替較貴重合金元素，以