納米結(jié)構(gòu)雙相鋼中殘留奧氏體微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其對力學性能的影響.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)超級貝氏體(或稱低溫貝氏體)和Q&P(淬火-碳分配)馬氏體雙相鋼是一類重要的兼具超高強度、高塑性和良好韌性的高性能鋼鐵結(jié)構(gòu)材料。納米結(jié)構(gòu)貝氏體鐵素體或者馬氏體板條對其強度起決定作用,對塑性和韌性起關鍵作用的則為殘留奧氏體。隨著鋼材強度的顯著提高,通常伴隨塑性和韌性的顯著下降,因此如何調(diào)控納米結(jié)構(gòu)雙相鋼中殘留奧氏體微結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)精細組織調(diào)控和獲得優(yōu)良綜合力學性能,成為材料領域的重要科學問題。本文利用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微

2、鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)和能譜分析儀(EDS)等手段研究其微觀組織、相分數(shù)以及碳含量;利用顯微硬度儀、納米壓痕儀、萬能試驗機和磨損儀等測試手段研究其力學性能和耐磨性能。通過分析合金元素、奧氏體晶粒尺寸和新型多步熱處理工藝對殘留奧氏體組織的影響;研究殘留奧氏體結(jié)構(gòu)和含量對其熱穩(wěn)定性的影響;和研究殘留奧氏體相變誘導塑性(TRIP)效應對其機械穩(wěn)定性的影響,來探索納米結(jié)構(gòu)雙相鋼中殘留奧氏體微結(jié)構(gòu)調(diào)控機理及

3、其對力學性能的影響。主要的研究內(nèi)容如下:
　　1、設計高C(0.95 wt％)和中C(0.30 wt%)含量的合金鋼進行貝氏體轉(zhuǎn)變,中C貝氏體鋼的顯微組織為較粗大亞微米級(330–360 nm)貝氏體鐵素體板條、殘留奧氏體和馬氏體,其殘留奧氏體體積分數(shù)減少到10–18 vol%和碳含量降低到0.62–0.86 wt%;設計不添加和添加Co(3.87 wt%)和Al(1.37 wt%)合金的高碳鋼進行貝氏體轉(zhuǎn)變,添加Co和Al合金貝

4、氏體鋼的顯微組織為更細小納米級(~35 nm)貝氏體鐵素體板條和殘留奧氏體,其殘留奧氏體體積分數(shù)減少到16–32 vol%和碳含量增加到1.48–1.80 wt%,在回火過程中,殘留奧氏體體積分數(shù)和碳含量的減少程度均低于不含Co和Al合金的貝氏體鋼;設計不同奧氏體化溫度的高碳鋼進行貝氏體轉(zhuǎn)變,提高奧氏體化溫度以增加奧氏體晶粒尺寸,導致貝氏體束長度和貝氏體體積分數(shù)的增加。研究表明,在超級貝氏體鋼中,降低 C含量,可以減少殘留奧氏體體積分數(shù)

5、和降低碳含量,但是在相變過程中形成塊狀M/A組織;添加Co和Al合金,可以減少殘留奧氏體體積分數(shù)和增加碳含量,同時抑制殘留奧氏體的分解和延遲碳化物的析出;增大奧氏體晶粒尺寸,可以加速貝氏體相變和減少殘留奧氏體體積分數(shù),此外存在一個臨界奧氏體晶粒尺寸(~41μm)。
　　2、設計低溫貝氏體轉(zhuǎn)變+深冷處理、低溫貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配過程的新型多步熱處理工藝,顯微組織為多相的納米級貝氏體鐵素體板條、殘留奧氏體、新形成的細小馬氏體(或者鐵素體

6、)板條和碳化物,都可以使殘留奧氏體尺寸顯著降低和體積分數(shù)明顯減少。研究表明,超級貝氏體鋼通過深冷處理,殘留奧氏體明顯細化歸因于未轉(zhuǎn)變奧氏體進一步轉(zhuǎn)變成納米尺寸馬氏體和碳化物;通過碳分配過程,殘留奧氏體明顯細化歸因于未轉(zhuǎn)變奧氏體進一步分解成納米尺寸鐵素體和碳化物。同時相對于兩步低溫貝氏體轉(zhuǎn)變法細化殘留奧氏體,需要很長的相變時間(~4 days),深冷處理和碳分配過程只需要很短的相變時間(~2 hrs),就可以顯著降低殘留奧氏體尺寸和減少殘

7、留奧氏體體積分數(shù)。
　　3、利用超級貝氏體和 Q&P馬氏體工藝,研究殘留奧氏體在相變和回火過程的熱穩(wěn)定性,超級貝氏體鋼和Q&P馬氏體鋼,其顯微組織都是納米級貝氏體鐵素體或者馬氏體板條,和殘留奧氏體(或含有細小碳化物)組成,具有高的殘留奧氏體含量,但是Q&P馬氏體鋼中殘留奧氏體體積分數(shù)和碳含量高于(或接近)超級貝氏體鋼;回火過程中殘留奧氏體分解成鐵素體和碳化物,其體積分數(shù)和碳含量都會降低,但是Q&P馬氏體鋼的殘留奧氏體含量和回火硬度

8、減少程度均低于超級貝氏體鋼。研究表明,Q&P馬氏體鋼在相變和回火中,殘留奧氏體的熱穩(wěn)定性甚至高于(或接近)超級貝氏體鋼。
　　4、利用拉伸和磨損實驗,研究殘留奧氏體在應力作用下的機械穩(wěn)定性,超級貝氏體鋼和 Q&P馬氏體鋼都具有優(yōu)異的強塑性匹配,但是低溫貝氏體轉(zhuǎn)變(200℃)的超級貝氏體鋼的塑性相對較差(總延伸率為5.8%),中溫碳分配(450℃)的Q&P馬氏體鋼具有更高的塑性(總延伸率為14–20%);相對于超級貝氏體鋼, Q&P