碳锰含量对马氏体钢力学性能的影响

邓照军　林承江　赵　杰　洪梦庆　彭　周

(1.武钢研究院　湖北　武汉：430080； 2.神龙汽车有限公司技术中心　湖北　武汉：430056)



碳锰含量对马氏体钢力学性能的影响

邓照军1林承江1赵杰2洪梦庆1彭周1

(1.武钢研究院湖北武汉：430080； 2.神龙汽车有限公司技术中心湖北武汉：430056)

摘要研究了4种以C、Mn元素为主的试验钢，在相同轧制及淬火工艺下的组织与力学性能，并利用金相与透射电镜对淬火、回火后的试样进行了组织分析。试验结果表明：当C含量为0.21%、Mn含量为1.5%～1.9%时，经过860℃保温600s后水冷，然后再加热至350℃时效600s后空冷，试样的屈服强度达到1145～1171MPa，抗拉强度达到1270～1304MPa，伸长率A80mm≥3.05%。微观组织分别表现为：淬火后的试样中板条马氏体居多，而回火后的试样中板条马氏体内有大量碳化物析出。

关键词马氏体钢；淬火；时效

马氏体钢是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种，其生产工艺是通过完全奥氏体化后淬火+时效处理，得到回火马氏体组织，主要用于成形要求不高的车门防撞杆等零件来取代以往的管状零件，从而减少制造成本，随着汽车轻量化的要求日益突出，高强钢的应用将会越来越广泛[1,2]。

代晓莉等人[3]研究了一种热轧态马氏体钢，其主要成分为C(0.15%～0.18%)、Si(0.21%～0.23%)、Mn(1.6%～1.8%)，并添加了适量的铌、钛等微合金化元素，通过控轧控冷最终得到6mm厚的热轧马氏体钢，其屈服强度达到1050MPa，抗拉强度达到1397MPa，伸长率达到10.5%。Artem等人[4]研究了几种C、Mn并添加Cr、Ti的冷轧淬火马氏体钢，当C含量为0.1%～0.15%、Mn含量为4.7%时，淬火后得到的马氏体钢抗拉强度超过1387MPa；当C含量为0.38%、Mn含量为1.2%，并添加适量Cr、Si、Ti后，抗拉强度达到1875MPa以上。

本文采用C含量为0.14%～0.21%、Mn含量为1.5%～2.4%的简单成分试验钢，通过热轧、冷轧至1.2mm，然后淬火水冷并时效处理，最终得到抗拉强度超过1200MPa的马氏体钢。

1试验方法

1.1试样制备

采用50kg真空感应炉冶炼4个成分的试验钢铸锭，成分见表1。将铸锭于1250℃加热2小时并用轧机开坯成40mm厚板坯，随后再加热保温热轧，热轧开轧温度1100℃，终轧温度860℃，热轧最终厚度3.5mm，轧后堆垛空冷。热轧板坯酸洗后，冷轧至1.2mm厚。

表1　试验钢的化学成分(wt%)

试样的热处理采用11kW的箱式加热炉进行，冷轧试样的尺寸剪切成100mm×220mm，先将箱式炉的温度升高至860℃并保持恒温，然后加入冷轧试样，加热600s后取出试样水淬。

切取部分淬火试样做组织观察和力学性能测试，且部分试样在350℃时效600s后取出空冷。

1.2检验方法

由于热处理后试样强度较高，直接采用线切割加工成80mm标距，平行部宽度为12.5mm的标准拉伸试样，采用Z050万能拉伸试验机进行力学性能测试，余样进行金相组织观察。同时将试样制备成透射电镜薄膜样品，采用型号为JEM-2100F透射电镜进行组织观察。

2试验结果

2.1热轧态试样的金相组织与力学性能分析

采用Thermo-Calc软件计算试验钢的AC3温度，4种试验钢的AC3温度点为793～802℃，热轧的精轧出口温度控制在860±30℃，即奥氏体单相区，在轧后的空冷中，奥氏体转变成铁素体+珠光体。该钢还需要冷轧至1.2mm，而热轧厚度为3.5mm，冷轧的压下量为65.7%，为了便于冷轧，热轧精轧后采用了空冷并堆垛，降低冷却速度，得到铁素体+珠光体组织。

图1为试样的热轧态组织，图1(a)为碳含量适中，Mn含量较高的1号试样金相组织，其珠光体含量较多，晶粒尺寸较小；在C含量较高的2号和3号试样中，可见珠光体的数量也较多；而在Mn含量较高、C含量较低的4号试样中，珠光体较少，而且组织细小。表2为热轧态试样的力学性能，比较1号、2号和3号试样的结果，发现试样C含量为0.17%～0.21%、Mn含量为1.5%～1.9%时，热轧态试样的力学性能差别不大，但当Mn含量达到2.4%时，即使C含量达到0.14%，热轧试样的强度明显偏高，这与图1中所观察到的金相组织中晶粒最小的特点相对应。

图1　热轧态试样的金相组织(a-1号，b-2号，c-3号，d-4号)

试样号屈服强度Rp0.2(MPa)抗拉强度Rm(MPa)伸长率(A80mm%)136855520.0238655818.0335851323.5444469420.0

2.2冷轧淬火、时效处理后的组织与力学性能分析

分别对淬火及淬火+时效处理后的试样进行了金相组织观察，图2为直接水淬后的金相组织，四个试样的组织均为马氏体。图3为淬火+时效处理后的金相组织，试样中的马氏体板条内都存在大量碳化物析出。

图2　水淬态试样的金相组织(a-1号，b-2号，c-3号，d-4号)

图3　水淬+时效态试样的金相组织(a-1号，b-2号，c-3号，d-4号)

表3为淬火态及淬火+时效处理后试样的力学性能，直接水淬后试样的抗拉强度较高，均超过1400MPa，屈服强度同样较高达到1140～1360MPa，伸长率也较好，只有3号试样为2.8%，其余达到3.4%～4.9%。

表3　淬火及时效处理后试样的力学性能

时效处理后，各试样的强度均下降，但1号、4号试样的屈服和抗拉强度均偏低，2号、3号试样的强度较好。

选取强度和伸长率性能都较好的2号试样进行透射电镜下的组织分析，图4为该试样的透射电镜组织，淬火态组织为明显的板条马氏体，时效处理后，马氏体板条内、板条界面上析出大量的碳化物。

图4　2号试样的透射电镜组织(a-淬火态，b-淬火+时效态)

3分析与讨论

在实验室研究了一种主要元素仅为C、Mn的马氏体钢，当C含量为0.21%、Mn含量从1.5%升高至1.9%时，淬火+时效处理后试验钢的屈服和抗拉强度均较高。而当C含量为0.17%、Mn含量为1.9%时，淬火时效后试样的屈服强度仅为915MPa，抗拉强度为1050MPa，伸长率为3.1%。当C含量进一步降低至0.14%，同时增加Mn含量至2.4%，冷轧淬火后试验钢的强度也偏低，且伸长率也降为2.3%。这说明对于这种简单成分的马氏体钢，C元素含量起着决定作用，当C元素含量达到0.21%时，Mn的选择范围较宽，淬火+时效处理后，钢的强度都能达到1200MPa级马氏体钢的要求。而当C含量降低后，即使提高Mn元素含量，强度仍然偏低。

直接淬火态试样的屈服和抗拉强度均偏高，伸长率也较差。经过350℃时效处理后，试验钢的强度明显降低，但伸长率几乎没有变化。对于抗拉强度要求1200MPa级别的马氏体钢，淬火+时效态的力学性能满足要求。

4结论

(1) C含量约0.21%，Mn含量为1.5%～1.9%时，冷轧淬火态试验钢的抗拉强度均超过1200MPa，伸长率达到3%以上。

(2) 时效处理后，试验马氏体钢的强度明显下降，但伸长率基本不变。

参考文献

[1]R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler. Advanced high strength steels for automotive industry[J], Archives of Civil and Mechanical Engineering,2008,(2):103-117.

[2]Y. S. Jin, Development of advanced high strength steels for automotive applications[J], La Metallurgia Italiana,2011,(6):43-48.

[3]代晓莉,郭佳,李飞,等.HR900/1200MS热轧马氏体钢的研发[J].首钢科技,2014,(6):25-28.

[4]张东升,刘青,高长益,译.锰对碳素马氏体钢的强度和应变硬化的影响[J].日本钢铁协会，2013,53(6):1076-1080.

(责任编辑：李文英)

Effect of C & Mn Contents on Mechanical Properties of Martensite Steel

Deng ZhaojunLin ChengjiangZhao JieHong MengqingPeng Zhou

(1.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;2.DONGFENG PEUGEOT CITROEN Automobile Co.Ltd.， Wuhan 430056， Hubei)

Abstract:Four types of C & Mn steels were researched, microstructure and mechanical properties were studied after the same rolling and quenching processes, and the microstructures were characterized by both optic microscopy and transmission electron microscopy. The result shows that when the C content is 0.21%, and the Mn content ranges from 1.5% to 1.9%, the yield strength of the tested steels is 1145 MPa to 1171 MPa, the tensile strength is 1270 MPa to 1304 MPa. And the elongation is greater than 3.05%, after heating to 860 ℃ and maintaining 600 s and then quenching in water, and tempering at 350 ℃ for 600 s. It is shown that the microstructures were lath martensite after quenching process, and a large number of carbides were precipitated inside the lath martensite and along the grain boundary.

Key words:martensite steel; quenching; temper

收稿日期：2016-05-10

作者简介：邓照军(1975～)，男，博士，高级工程师.E-mail：dengzjun@sina.com

中图分类号：TG142.1

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)02-0013-03