经改进型和普通淬火-配分工艺处理的高强钢的显微组织和力学性能.pdf

第卷第期上海金属，年月，作 者 简 介：孙 晓 宇，男，主 要 从 事 汽 车 用 高 强 钢 的 研 究，：经 改 进 型 和 普 通 淬 火配 分 工 艺 处 理 的 高 强 钢 的 显 微 组 织 和 力 学 性 能孙 晓 宇李阳雷 爱 娣刘 仁 东胡 智 评（鞍 钢 广 州 汽 车 钢 有 限 公 司，广 东 广 州；鞍 钢 钢 铁 研 究 院 汽 车 与 家 电 用 钢 研 究 中 心，辽 宁 鞍 山）【摘 要】对 厚 含、和（质 量 分 数）的 钢 板 进 行 了 普 通 和 改进 型 淬 火配 分（）工 艺 处 理。检 测 了 钢 板 的 显 微 组 织、力 学 性 能，并 对 拉 伸 断 口 进 行 了 分析。结 果 表 明：经 改 进 型 工 艺 处 理 的 钢 的 显 微 组 织 由 铁 素 体、贝 氏 体、二 次 马 氏 体 和 残 留奥 氏 体 组 成，残 留 奥 氏 体 体 积 分 数 为，而 经 普 通 工 艺 处 理 的 钢 则 为 铁 素 体回 火马 氏 体二 次 马 氏 体残 留 奥 氏 体，前 者 的 残 留 奥 氏 体 体 积 分 数 为，后 者 为；经 普 通 工 艺 处 理 的 钢 的 屈 服 强 度、抗 拉 强 度 分 别 为和 ，断 后 伸 长 率 为，而 经 改进 型 工 艺 处 理 的 钢 的 屈 服 强 度 和 抗 拉 强 度 分 别 为和 ，断 后 伸 长 率 为；经 改 进 型 工 艺 处 理 的 钢 为 韧 性 断 裂，而 经 普 通 工 艺 处 理 的 钢 为 韧脆 性 混 合 断 裂。【关 键 词】淬 火配 分，残 留 奥 氏 体，力 学 性 能中 图 分 类 号：文 章 编 号：（）（，；，）【】，（），（）；（），；（），【】，第期孙 晓 宇 等：经 改 进 型 和 普 通 淬 火配 分 工 艺 处 理 的 高 强 钢 的 显 微 组 织 和 力 学 性 能 经 淬 火 配 分（，）工 艺 处 理 的 中 锰 钢 是 典 型 的 第 三 代 汽 车 用 高 强钢。是 由等 在年 提 出 的 用于 生 产 具 有 马 氏 体 和 残 留 奥 氏 体 组 织 的 高 强 高 塑性 钢 的 新 工 艺。工 艺 过 程 为：首 先，使钢 奥 氏 体 化，随 后 淬 火 至 马 氏 体 转 变 开 始（）与结 束（）温 度 之 间 的 某 一 温 度 并 短 时 间 保 温，获得 一 定 量 的 马 氏 体 和 未 转 变 奥 氏 体；随 后，在淬 火 结 束 温 度 或 高 于 淬 火 结 束 温 度 的 某 一 温 度 进行 配 分 处 理，使 碳 从 过 饱 和 马 氏 体 向 未 转 变 奥 氏体 中 扩 散 和 富 集，使 奥 氏 体 稳 定 化；最 后，将 钢 冷却 至 室 温，获 得 马 氏 体残 留 奥 氏 体 的 混 合 组织。因 此，钢 板 在 兼 具 高 强 度 的 同 时 由 于 残留 奥 氏 体 的（）效 应，也 具 有 良 好 的 塑 性。为 满 足 现 有工 业 生 产 及 汽 车 零 件 生 产 的 需 求，在 上 述 普 通 工 艺 的 基 础 上 提 出 了 临 界 区 工 艺，即 采 用临 界 区 退 火 工 艺，在 经 处 理 的 钢 中 形 成 铁素 体，以 使 钢 板 强 度 从 约 降 低 至 左 右，塑 性 提 高 到以 上。尽 管 如 此，对 于 复 杂 的 汽 车 结 构 件，目 前 广 泛 应 用 的 钢 仍 存 在 冲 压 性 能 不 良 和 变 形 开 裂 等 问 题。因此，进 一 步 提 高 经 工 艺 处 理 的 钢 的 塑 性 是扩 大 高 强 钢 应 用 范 围、推 进 汽 车 轻 量 化 的 重 要 途径。本 文 研 究 了 贝 氏 体 扩 散原 子 对 钢残 留 奥 氏 体 含 量 和 力 学 性 能 的 影 响，并 与 传 统 基于 马 氏 体 扩 散原 子 的 钢 进 行 对 比，系 统分 析 了 两 种 钢 的 显 微 组 织 和 力 学 性 能。试 验 材 料 及 方 法试 验 用 钢 采 用 真 空 电 磁 感 应 炉 冶 炼，主 要 化 学 成 分（质 量 分 数）为、和。将 钢 锭 锻 造 成 截 面 的 锻坯，在 保 温 后 经道 次 轧 制 成 厚钢 板，酸 洗 后 再 冷 轧 至 厚，最 后 分 别 对 之 进 行普 通 和 改 进 型 工 艺 处 理，如 图所 示。拉 伸试 样 标 距 为，在万 能 拉 伸 试 验 机 上 进行 拉 伸 试 验，拉 伸 速 率 为 。将 钢 板 用 线 切 割 制 备 成 尺 寸 为 的 金 相 检 验 和射 线 衍 射 试 验 试 样，金 相 试样 采 用 体 积 分 数 为的 硝 酸 酒 精 溶 液 腐 蚀。采用 中 科 院 金 属 研 究 所 的 日 本 理 学 型射 线 衍 射 仪 进 行 检 测（电 压 为，电 流 为；采 用射 线，波 长为 ；扫描 步 长 为（）；扫 描 角 度 为 ）。根 据射 线 衍 射 试 验 结 果 按 式（）计 算 残 留 奥 氏体 含 量：（）（）式 中：为 残 留 奥 氏 体 体 积 分 数；为 残 留 奥 氏 体（）、（）和（）衍 射 峰 的 平 均 积 分 强 度；为 马 氏 体（）和（）衍 射 峰 的 平 均 积 分 强 度。图两 种 工 艺 试 验 结 果 及 讨 论 显 微 组 织经 普 通 和 改 进 工 艺 处 理 的 钢 具 有 不 同的 组 织 结 构。如 图所 示，经 改 进 工 艺 处理 的 钢 的 组 织 为 铁 素 体、贝 氏 体、二 次 马 氏 体 和 残留 奥 氏 体，而 经 普 通 工 艺 处 理 的 钢 的 组 织为 铁 素 体、回 火 马 氏 体、二 次 马 氏 体 和 残 留 奥 氏体。众 所 周 知，普 通 工 艺 处 理 的 钢 首 先 在两 相 区 退 火 获 得 铁 素 体 和 奥 氏 体，部 分 奥 氏 体 经一 次 淬 火 转 变 为 马 氏 体，随 后 将 钢 升 温 至点以 上 温 度 并 保 温，使 马 氏 体 回 火，相 互 缠 结 的 位 错发 生 回 复，被 位 错 钉 扎 的 碳 原 子 扩 散 至 奥 氏 体 中，提 高 奥 氏 体 的 稳 定 性。经 普 通 工 艺 处 理 的钢 需 从 较 高 温 度 一 次 淬 火，最 佳 淬 火 温 度 要 通 过模 型 计 算，即 一 次 马 氏 体 配 分 的原 子 恰 好能 使 其 余 的 奥 氏 体 稳 定 至 室 温。改 进 型 工 艺 是 将 钢 淬 火 至 略 高 于点 的 某 一 温 度，避免 过 冷 奥 氏 体 转 变 为 马 氏 体。在 随 后 的 过 时 效 等温 阶 段，大 量 过 冷 奥 氏 体 转 变 为 贝 氏 体。在 贝 氏体 形 成 过 程 中 碳 向 过 冷 奥 氏 体 中 扩 散，提 高 剩 余奥 氏 体 的 稳 定 性。因 此，过 时 效 阶 段 结 束 时 仍 存在 一 定 量 的 亚 稳 奥 氏 体，其 中 含 碳 量 较 高 或 晶 粒尺 寸 较 小 的 奥 氏 体 能 保 留 至 室 温，剩 余 的 稳 定 性较 差 的 奥 氏 体 在 最 后 冷 却 阶 段 转 变 为 马 氏 体。上海金属第卷图经 改 进（）和 普 通（）工 艺 处 理 的 钢 的 显 微 组 织 （）（）经 改 进 和 普 通 工 艺 处 理 的 钢 中 残 留 奥氏 体 形 态 有 明 显 差 异。图为 经 两 种 工 艺 处 理 的钢 的 透 射 电 子 显 微 图 和 相 应 的 衍 射 斑 点。图（，）表 明，普 通 工 艺 处 理 的 钢 板 残 留 奥氏 体 呈 板 条 状 分 布 于 回 火 马 氏 体 板 条 间。图（）中 衍 射 斑 点 表 明 残 留 奥 氏 体 与 相 邻 马 氏体 板 条 保 持 关 系，即，。图（，）为 经 改 进 工 艺 处 理 的 钢 中 残 留 奥 氏 体，呈 块 状，其 衍 射 斑 点为（），如 图（）所 示。普 通 钢 首 先 快速 冷 却 至模 型 计 算 的 温 度，大 量 过 冷 奥 氏 体转 变 为 马 氏 体，剩 余 的 少 量 奥 氏 体 夹 杂 在 马 氏 体板 条 间。而 对 于 改 进 型 钢，由 于 其 一 次 淬火 冷 却 温 度 略 高 于点，奥 氏 体 未 转 变 为 马 氏体，随 后 大 量 过 冷 奥 氏 体 发 生 贝 氏 体 转 变，保 留 下来 的 奥 氏 体 呈 块 状。图经 改 进（）和 普 通（）工 艺 处 理 的 钢 板 的 透 射 电 子 显 微 图 （）（）第期孙 晓 宇 等：经 改 进 型 和 普 通 淬 火配 分 工 艺 处 理 的 高 强 钢 的 显 微 组 织 和 力 学 性 能 两 种 工 艺 处 理 的 试 验 钢 中 残 留 奥 氏 体含 量 有 明 显 差 异。图为 经 两 种 工 艺 处 理 的 钢 的射 线 衍 射 图 谱。根 据 图结 果 计 算 可 知，普 通 工 艺 处 理 的 钢 中 残 留 奥 氏 体 体 积 分 数 为，改 进 型 工 艺 处 理 的 钢 为，表明 改 进 型 工 艺 能 明 显 提 高 试 验 钢 中 残 留 奥氏 体 含 量。其 原 因 在 于，普 通 钢 淬 火 温 度是 通 过模 型 计 算、理 论 上 残 留 奥 氏 体 含 量 最大 的 温 度，该 模 型 假 设 置 换 原 子（、等）不 扩散 及 马 氏 体奥 氏 体 界 面 不 迁 移，并 假 设原 子 在马 氏 体 与 奥 氏 体 中 化 学 势 相 同 时扩 散 停 止。事 实 上，在 工 艺 的 配 分 阶 段，尽 管 马 氏 体 内的 位 错 会 发 生 明 显 回 复，但 仍 存 在 大 量 缠 结 的 位错 阻 碍 碳 原 子 移 动，难 以 使 马 氏 体 和 奥 氏 体 中的 化 学 势 相 同，导 致 不 稳 定 奥 氏 体 在 冷 却 过 程 中形 成 二 次 马 氏 体。其 次，在 工 艺 的 配 分 阶段 奥 氏 体 界 面 能 移 动，即 过 冷 奥 氏 体 发 生 贝 氏 体转 变。改 进 型 工 艺 主 要 利 用 了 过 冷 奥 氏 体在 过 时 效 阶 段 发 生 贝 氏 体 转 变，贝 氏 体 形 成 的 同时 碳 持 续 向 奥 氏 体 中 扩 散，与 回 火 马 氏 体 向 周 围配 分 碳 原 子 相 比，贝 氏 体 向 周 围 扩 散原 子 更 充分，即 更 有 利 于 提 高 残 留 奥 氏 体 含 量。图两 种 工 艺 处 理 的 钢 的射 线 衍 射 图 谱 力 学 性 能 和 断 口 形 貌图为 经 改 进 和 普 通 工 艺 处 理 的 钢 的应 力应 变 曲 线。可 以 看 出，普 通 钢 的 屈 服强 度、抗 拉 强 度、断 后 伸 长 率 分 别 为、和；改 进 型 钢 的 屈 服 强 度、抗 拉强 度、断 后 伸 长 率 分 别 为、和，即 传 统 钢 的 强 度 更 高，改 进 型 钢 的断 后 伸 长 率 更 高。普 通 钢 屈 服 强 度 较 高 的原 因 可 能 是 其 马 氏 体 硬 度 较 高。文 献 报道，普 通 钢 在 淬 火 阶 段 能 形 成 大 量 马 氏 体，尽 管 在 随 后 的 配 分 阶 段 马 氏 体 中 的 自 由 位 错 能 有效 回 复，但 回 火 马 氏 体 的 强 度 仍 略 高 于 贝 氏 体，变形 过 程 中 马 氏 体 中 的 位 错 难 以 滑 移。改 进 型 钢 在 二 次 淬 火 阶 段 能 形 成 大 量 马 氏 体，发 生 的体 积 膨 胀 挤 压 周 围 铁 素 体，使 铁 素 体 内 产 生 自 由位 错，拉 伸 变 形 过 程 中 自 由 位 错 在 较 低 的 应 力 下即 可 滑 移，所 以 普 通 钢 的 屈 服 强 度 高 于 改进 型 钢。普 通 钢 的 抗 拉 强 度 较 高 主要 是 由 于 回 火 马 氏 体 的 硬 度 明 显 高 于 贝 氏 体，拉伸 变 形 过 程 中，与 改 进 型 钢 中 贝 氏 体 相 比，普 通 钢 中 回 火 马 氏 体 能 产 生 更 明 显 的 加 工硬 化 效 应。改 进 型 钢 的 断 后 伸 长 率 较 高 主要 归 因 于 两 个 方 面：一 是 改 进 型 钢 的 组 织 主要 为 铁 素 体 和 贝 氏 体，比 传 统 钢 中 的 铁 素体 和 回 火 马 氏 体 具 有 更 好 的 变 形 性 能，有 利 于 钢板 的 塑 性 变 形；二 是 节 中 提 到 的 改 进 型 钢 中 含 有 更 多 的 残 留 奥 氏 体，在 变 形 过 程 中 能产 生效 应，延 迟 颈 缩 的 产 生，提 高 钢 板 的塑 性。图两 种 工 艺 处 理 的 钢 的应 力应 变 曲 线 图为 经 改 进 和 普 通 工 艺 处 理 的 钢 的拉 伸 断 口 微 观 形 貌。图表 明：改 进 型 钢的 断 口 弥 散 分 布 着 细 小 的 韧 窝，以 韧 性 断 裂 为 主；而 普 通 钢 的 断 口 交 互 分 布 着 大 小 不 一 的 解理 面 及 部 分 韧 窝，为 混 合 型 断 裂。改 进 型 钢 中 大 量 残 留 奥 氏 体 在 变 形 阶 段 能 产 生效应，延 缓 了 颈 缩 的 产 生，断 裂 以 撕 裂 为 主，为 韧 性断 裂；反 之，普 通钢 的 奥 氏 体 很 难 产 生 上海金属第卷图经 改 进（）和 普 通（）工 艺 处 理 的 钢 的 拉 伸 断 口 微 观 形 貌 （）（）效 应，部 分 断 裂 发 生 在 回 火 马 氏 体 中 的 应 力集 中 处，表 现 为 韧脆 性 混 合 断 裂。结 论（）经 普 通 工 艺 处 理 的 含 、和 的 钢 的 屈 服 强 度、抗 拉 强 度分 别 为和 ，断 后 伸 长 率 为；经改 进 工 艺 处 理 的 钢 的 屈 服 强 度 和 抗 拉 强 度分 别 为和 ，断 后 伸 长 率 为。（）经 改 进 工 艺 处 理 的 钢 的 组 织 为 铁素 体贝 氏 体二 次 马 氏 体残 留 奥 氏 体，经 普通 工 艺 处 理 的 钢 则 为 铁 素 体回 火 马 氏 体二 次 马 氏 体残 留 奥 氏 体；与 经 普 通 工 艺处 理 的 钢 中 马 氏 体 相 比，经 改 进 工 艺 处 理的 钢 的 贝 氏 体 中 碳 能 更 充 分 地 扩 散，因 而 其 残 留奥 氏 体 体 积 分 数（）远 高 于 普 通 工艺 处 理 的 钢（），塑 性 更 好。（）经 改 进 与 普 通 工 艺 处 理 的 两 种 钢的 断 裂 机 制 明 显 不 同，前 者 为 韧 性 断 裂，后 者 为 脆性韧 性 混 合 断 裂。参 考 文 献 ，“”：，（）：李 万 松低 碳 钢 的 微 观 组 织 和 力 学 性 能 研 究 北京：北 京 科 技 大 学，李 阳基 于 商 品 钢 的 淬 火分 配 组 织 结 构 演 变 与 塑 性 变 形 行为 济 南：山 东 大 学，邓 杰，宋 新 莉，孙 新 军，等含 钛 中 锰 钢 淬 火配 分 组 织 及 力 学性 能 钢 铁，（）：马 鸣 图先 进 汽 车 用 钢 北 京：化 学 工 业 出 版 社，于 京 诺，宋 进 桂，梅 文 征，等汽 车 轻 量 化：材 料、设 计 与 制 造北 京：机 械 工 业 出 版 社，张 柯高 强 塑 积钢 及 其 强 塑 性 机 制 的 研 究 上 海：上 海 交 通 大 学，丁 然超 细 晶 钢 的 组 织 性 能 控 制 及 其 演 变 规 律 北 京：北 京 科 技 大 学，景 财 年相 变 诱 发 塑 性 钢 的 组 织 性 能 北 京：冶 金 工 业 出版 社，：，（）：司 志 旺，符 寒 光合 金 钢 淬 炎配 分 工 艺 研 究 进 展 钢铁，（）：，：张 君低 碳 高 强 度 钢 的 热 处 理 工 艺 及 变 形 机 制 研 究沈 阳：东 北 大 学，（）：刘 和 平高 性 能 热 变 形 钢 的 组 织 与 性 能 北 京：国防 工 业 出 版 社，闫 述基 于 亚 稳 奥 氏 体 控 制 的 先 进 高 强 钢 组 织 性 能 研 究沈 阳：东 北 大 学，（），：许 荣 昌，亓 显 玲，代 永 娟高 塑 性 奥 氏 体钢 研 究 进 展 与应 用 莱 钢 科 技，（）：，：修 回 日 期：