淬火-回火热处理对超高强F...金钢组织与力学性能影响研究_吴峥峥.pdf

吴峥峥，工程师，2001年毕业于海军工程大学内燃机动力与机电管理专业。E-mail:navy_淬火-回火热处理对超高强 Fe-Mn-Al-C 合金钢组织与力学性能影响研究吴峥峥1，赵剑飞1，周乃鹏2，罗小兵2（1.海装装备项目管理中心，北京100071；2.钢铁研究总院工程用钢研究所，北京100081）摘要：对一种成分为Fe-8Mn-8Al-0.8C的Fe-Mn-Al-C系超高强合金钢的热轧钢板进行“淬火+回火”热处理试验，研究其力学性能和微观组织。结果表明，试验用钢在热轧后由铁素体、奥氏体以及-碳化物三种物相组成，且组织呈现明显的带状，经热处理后-碳化物消除，热轧板在900 保温1 h后水淬200 回火60 min后呈现最优整体力学性能，抗拉强度达到1 410 MPa，延伸率为29%，强塑积达到41 GPa%。关键词：淬火-回火热处理；超高强Fe-Mn-Al-C合金钢；-碳化物；微观组织；力学性能中图分类号：TG386文献标识码：A文章编号：1006-4613（2023）01-0023-05DOI：10.3969/j.issn.1006-4613.2023.01.005Study on Effect of Quenching-tempering Heat Treatment on Microstructuresand Mechanical Properties of Ultra-high Strength Fe-Mn-Al-C Alloy SteelWU Zhengzheng1，ZHAO Jianfei1，ZHOU Naipeng2，LUO Xiaobing2（1.Marine Equipment Project Management Center，Beijing 100071，China；2.ResearchInstitute of Structural Steels，Central Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）Abstract：The mechanical properties and microstructures of hot-rolled Fe-Mn-Al-C ultra-high strength alloy steels with elements of Fe-8Mn-8Al-0.8C were studied based on their heattreatment testing by Quenching plus Tempering.The study results showed that the tested steel wascomposed of three kinds of phases such as ferrite,austenite and-carbide after hot rolling,andits microstructure appeared distinct banded structure.However,the-carbides were eliminatedafter heat treatment,while hot rolled steel sheets showed the best integrated mechanical propertiesafter holding at 900 for 1 hour and tempering at 200 for 60 minutes,particularly the tensilestrength reached 1 410 MPa,the elongation was 29%and the product of tensile strength andelongation after fracture reached 41 GPa%.Key words：quenching-tempering heat treatment；ultra-high strength Fe-Mn-Al-C alloysteel；-carbide；microstructure；mechanical property近年来，Fe-Mn-Al-C钢由于兼具超高强度和可观的塑性而被广泛关注1-5，其优异的强韧性可以应用于轻质汽车以及其他交通工具上。对于Fe-Mn-Al-C系合金钢，在钢中添加较高含量的Al等元素可降低钢的密度，同时利用Mn等元素优化组织性能，可以使之具有较高的强度和良好的塑性，因而具有良好的轻量化应用前景6。常见的Fe-Mn-Al-C钢热处理工艺有两相区临界退火（IA）和淬火+回火（Q&T），具有TRIP效应的Fe-Mn-Al-C钢的性能主要取决于TRIP效应与铁素体再结晶情况7-12。本文通过成分设计优化，在钢鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期23-中添加较多的Al元素降低密度，同时形成-铁素体以减少超细晶铁素体对于加工硬化能力的破坏。经过冶炼、锻造、热轧、热处理等试验手段，研究了热处理对热轧后的Fe-8Mn-8Al-0.8C轻质合金钢的力学性能和微观组织的影响。1试验材料及方法采用真空熔炼炉铸造得到20 kg的钢锭，并将钢锭锻造成截面为40 mm60 mm的锻坯。锻坯在1 200 C保温1 h后进行6道次热轧变形，终轧温度约为850，1#轧板水冷到约300 后空冷至室温，2#轧板直接空冷至室温，热轧板轧后厚度约为4.0 mm。试验用Fe-Mn-Al-C钢的化学成分如表1所示。表1试验用Fe-Mn-Al-C钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Fe-Mn-Al-CSteel for Testing（Mass Fraction）%热轧板在900 保温1 h后水淬至室温，然后在200 回火5、10、60 min后空冷至室温。金相试样在打磨抛光后采用4%硝酸酒精浸蚀，并采用光学显微镜与扫描电镜观察其微观组织形貌。X-射线衍射（XRD）用于物相分析，通过分析XRD衍射能谱对试样的残余奥氏体含量进行计算。选择相的（200）、（220）和（311）晶面衍射线以及相的（200）和（211）晶面的衍射线，利用公式（1）计算残余奥氏体体积分数13：V=1.4II+1.4I（1）式中，V为奥氏体的体积分数；I为奧氏体（200）、（220）和（311）晶面衍射峰的积分强度；I为铁素体（200）和（211）晶面衍射峰的积分强度。透射电子显微镜型号为JEOL2100。采用电子分析天平测量试验用钢的密度为7.19 g/cm3，比传统的钢的密度低约8%。2试验结果2.1轧后显微组织与力学性能图1为钢板XRD结果与金相图片。通过观察可以发现热轧板组织均为粗大亮白色-铁素体+灰黑色细晶带，细晶带中包含灰色块状奥氏体与黑色碳化物。相较于2#轧板，1#轧板明显含有更少的析出物，说明水冷+空冷的冷却方式可以有效的控制碳化物的析出。金相观察得到的相组成和相含量结果与图1（a）中的XRD结果相对应，并且通过XRD结果可以初步判断黑色碳化物为-碳化物。因此，试验用钢在热轧后由铁素体、奥氏体以及-碳化物三种物相组成。为了进一步确定析出物类别，对于2#轧板进行TEM观察。析出物的TEM图像与衍射斑图像如图2所示。通过衍射斑可以确定析出物为-碳化物，大量分布在奥氏体晶间。-碳化物分为晶内-碳化物与晶间*-碳化物，-碳化物一般为450650 回火生成，*-碳化物一般为650800 退火冷却过程中生成，因此确定热轧板中-碳化物为*-碳化物。*-碳化物对力学性能有害，应通过热轧及热处理工艺进行抑制。热轧板的力学性能如表2所示，可以看出热轧板强度较高但延伸率不足。1#轧板的抗拉强度与延伸率均优于2#轧板，证明了水冷控制*-碳MnAlCSiFe8.257.800.850.10余量（a）热轧板XRD结果；（b）1#轧板金相图片；（c）2#轧板金相图片图1钢板XRD结果与金相图片Fig.1 XRD Results of Steel Plates and Their Metallographic Pictures鞍钢技术 2023 年第 1 期吴峥峥等：淬火-回火热处理对超高强Fe-Mn-Al-C合金钢组织与力学性能影响研究总第 439 期24-图2*-碳化物TEM照片与衍射斑图像Fig.2 TEM Pictures and Diffraction SpotImages of*-Carbides化物析出可以有效的提升热轧板的综合性能。选取性能较好的1#轧板进行后续的热处理，进一步提升试验用钢的综合性能。表2热轧板力学性能Table 2 Mechanical Properties ofHot Rolled Steel Sheets2.2热处理后显微组织与力学性能热轧板在900 保温1 h后水淬至室温，然后在200 回火5、10、60 min后空冷至室温。热处理后试样的金相图片和XRD结果见图3，回火5、10、60 min的试样简称为QT5、QT10、QT60。编号 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%强塑积/（GPa%）1#1 2481 07213.617.02#1 1801 0468.510.0从图3可以看出，组织仍为亮白色条带+黑灰色细晶带双相，黑灰色细晶带处为纳米级超细晶。为了进一步表征组织的构成与含量，进行XRD试验，结果如图3（d）所示。可以看到回火后的试样组织为+两相，与金相照片相对应。利用XRD数据进行定量计算，得到QT5、QT10和QT60的奥氏体体积分数分别为55.8%、55.0%、57.3%。因此，随着回火时间的增加，相组成与相含量基本不发生变化，与金相照片观察结果相符。不同回火时间试样的工程应力-应变曲线及力学性能如图4所示，Fe-8Mn-8Al-0.8C钢回火不同时间后的力学性能见表3。（a）QT5金相图片；（b）QT10金相图片；（c）QT60金相图片；（d）XRD结果图3热处理后试样的金相图片和XRD结果Fig.3 Metallographic Images and XRD Results of Samples after Heat Treatment（a）工程应力-应变曲线；（b）力学性能随回火时间变化图图4不同回火时间试样的工程应力-应变曲线和力学性能变化图Fig.4 Variation Diagram for Engineering Stress-Strain Curves andMechanical Properties of Samples at Different Tempering Time鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期25-表3 Fe-8Mn-8Al-0.8C钢回火不同时间后的力学性能Table 3 Mechanical Properties of Fe-8Mn-8Al-0.8CSteel after Tempering at Different TimeQT5的曲线在塑性变形阶段出现了抖动现象。随着回火时间的增加，QT60曲线上抖动现象消失，试样抗拉强度小幅降低，同时延伸率显著提高。QT5试样表现出接近1 700 MPa的超高抗拉强度，而QT60表现出1 410 MPa的抗拉强度，同时还具有接近30%的延伸率。试验用钢的强塑积随着回火时间的增加而提高，在QT60表现出最佳的强塑积，达到41 GPa%。与其他已报道的先进高强钢相比，经过淬火-回火热处理后的热轧钢体现出超高强的抗拉强度以及与之相匹配的优良塑性。3分析与讨论为了进一步分析不同回火时间回火试样在组织变化很小的情况下对应力学性能变化，分别对QT5、QT10和QT60试样进行SEM和EDS分析，SEM图像及选区奥氏体EDS结果见图5。通过SEM观察，可以发现相在“淬火+回火”过程中转换为回火马氏体，随着回火温度升高，马氏体中含碳量降低，碳向碳化物析