纳米结构双相钢中残留奥氏体微结构调控及其对力学性能的影响

【摘要】纳米结构超级贝氏体（或称低温贝氏体）和Q&P（淬火-碳分配）马氏体双相钢是一类重要的兼具超高强度、高塑性和良好韧性的高性能钢铁结构材料。纳米结构贝氏体铁素体或者马氏体板条对其强度起决定作用，对塑性和韧性起关键作用的则为残留奥氏体。随着钢材强度的显著提高，通常伴随塑性和韧性的显著下降，因此如何调控纳米结构双相钢中残留奥氏体微结构，来实现精细组织调控和获得优良综合力学性能，成为材料领域的重要科学问题。本文利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和能谱分析仪（EDS）等手段研究其微观组织、相分数以及碳含量；利用显微硬度仪、纳米压痕仪、万能试验机和磨损仪等测试手段研究其力学性能和耐磨性能。通过分析合金元素、奥氏体晶粒尺寸和新型多步热处理工艺对残留奥氏体组织的影响；研究残留奥氏体结构和含量对其热稳定性的影响；和研究残留奥氏体相变诱导塑性（TRIP）效应对其机械稳定性的影响，来探索纳米结构双相钢中残留奥氏体微结构调控机理及其对力学性能的影响。主要的研究内容如下：1、设计高C（0.95wt%）和中C（0.30wt%）含量的合金钢进行贝氏体转变，中C贝氏体钢的显微组织为较粗大亚微米级（330–360nm）贝氏体铁素体板条、残留奥氏体和马氏体，其残留奥氏体体积分数减少到10–18vol%和碳含量降低到0.62–0.86wt%；设计不添加和添加Co（3.87wt%）和Al（1.37wt%）合金的高碳钢进行贝氏体转变，添加Co和Al合金贝氏体钢的显微组织为更细小纳米级（~35nm）贝氏体铁素体板条和残留奥氏体，其残留奥氏体体积分数减少到16–32vol%和碳含量增加到1.48–1.80wt%，在回火过程中，残留奥氏体体积分数和碳含量的减少程度均低于不含Co和Al合金的贝氏体钢；设计不同奥氏体化温度的高碳钢进行贝氏体转变，提高奥氏体化温度以增加奥氏体晶粒尺寸，导致贝氏体束长度和贝氏体体积分数的增加。研究表明，在超级贝氏体钢中，降低C含量，可以减少残留奥氏体体积分数和降低碳含量，但是在相变过程中形成块状M/A组织；添加Co和Al合金，可以减少残留奥氏体体积分数和增加碳含量，同时抑制残留奥氏体的分解和延迟碳化物的析出；增大奥氏体晶粒尺寸，可以加速贝氏体相变和减少残留奥氏体体积分数，此外存在一个临界奥氏体晶粒尺寸（~41μm）。2、设计低温贝氏体转变+深冷处理、低温贝氏体转变+碳分配过程的新型多步热处理工艺，显微组织为多相的纳米级贝氏体铁素体板条、残留奥氏体、新形成的细小马氏体（或者铁素体）板条和碳化物，都可以使残留奥氏体尺寸显著降低和体积分数明显减少。研究表明，超级贝氏体钢通过深冷处理，残留奥氏体明显细化归因于未转变奥氏体进一步转变成纳米尺寸马氏体和碳化物；通过碳分配过程，残留奥氏体明显细化归因于未转变奥氏体进一步分解成纳米尺寸铁素体和碳化物。同时相对于两步低温贝氏体转变法细化残留奥氏体，需要很长的相变时间（~4days），深冷处理和碳分配过程只需要很短的相变时间（~2hrs），就可以显著降低残留奥氏体尺寸和减少残留奥氏体体积分数。3、利用超级贝氏体和Q&P马氏体工艺，研究残留奥氏体在相变和回火过程的热稳定性，超级贝氏体钢和Q&P马氏体钢，其显微组织都是纳米级贝氏体铁素体或者马氏体板条，和残留奥氏体（或含有细小碳化物）组成，具有高的残留奥氏体含量，但是Q&P马氏体钢中残留奥氏体体积分数和碳含量高于（或接近）超级贝氏体钢；回火过程中残留奥氏体分解成铁素体和碳化物，其体积分数和碳含量都会降低，但是Q&P马氏体钢的残留奥氏体含量和回火硬度减少程度均低于超级贝氏体钢。研究表明，Q&P马氏体钢在相变和回火中，残留奥氏体的热稳定性甚至高于（或接近）超级贝氏体钢。4、利用拉伸和磨损实验，研究残留奥氏体在应力作用下的机械稳定性，超级贝氏体钢和Q&P马氏体钢都具有优异的强塑性匹配，但是低温贝氏体转变（200℃）的超级贝氏体钢的塑性相对较差（总延伸率为5.8%），中温碳分配（450℃）的Q&P马氏体钢具有更高的塑性（总延伸率为14–20%）；相对于超级贝氏体钢，Q＆P马氏体钢的磨损表面具有更高的硬度（762HV1对应695HV1）和更厚的变形层（3.3μm对应2.1μm）。研究表明，超级贝氏体钢中大量的Fe-C簇、细小碳化物和孪晶残留奥氏体的形成，降低了残留奥氏体的机械稳定性，在应力（拉伸和磨损）作用下TRIP效应不显著；Q&P马氏体钢中残留奥氏体具有很好的机械稳定性，在应力作用下发生应变诱发马氏体相变，具有明显的TRIP效应。
【作者】胡锋；
【导师】吴开明；PeterHodgson；
【作者基本信息】武汉科技大学，材料学，2014，博士
【关键词】超级贝氏体；Q＆P马氏体；合金元素；热处理工艺；残留奥氏体稳定性；

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