1200MPa级热轧高强钢的显微组织与力学性能研究

2020-10-15杨艳萍高永强

教练机 2020年3期

杨艳萍，高永强，刘伟，高阳

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

随着计算机技术的快速发展和制造产业的更新升级，我国适时提出了“中国制造2025”行动纲要以推动我国从制造业大国向制造强国迈进。为了使制造的产品在各个方面有更突出的表现，以高强钢为代表的大量新型材料用于航空、航天、汽车零部件、兵器及化工等工业领域，是由于这些材料具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损等优异性能，但在实际加工和应用中也存在难以切削和成形困难等问题[1,2]。以马氏体为基的多相高强钢的研究应用得到学者和企业的关注，因其具有良好的强塑性匹配及冷成形与焊接性能；另一方面，通过高强减重使其在航空航天和汽车等交通领域的结构件制造中取得了较大发展。

采用超快冷技术（UFC）和控扎控冷技术（TMCP）结合可以在热轧后得到具有大量形变亚结构的过冷奥氏体，通过控制后续冷却过程的相变，使钢在合金元素减量化与低碳化条件下获得高性能。本文以航空高强度钢18Mn2CrMoBA为基础，设计一种低碳低合金高强结构钢，研究在此UFC-TMCP技术工艺下的组织形态及其对力学性能的影响，为进一步研究开发新钢种及其应用提供依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

试验钢原料采用钙处理工艺，其N、P和S含量偏下限控制和真空脱气处理，化学成分见表1。从成分上看试验钢为低碳钢，使其具有较好的成形加工性能和良好的焊接性能；一定量的Mn起到固溶强化和扩大奥氏体相区的作用；极微量的B提高了淬透性。

表1 试验钢的主要化学成分

1.2 实验方法

将锻成38 mm×70 mm×120 mm的坯料加热到1250℃保温1 h，接着在二辊试验轧机上进行5道次大压下轧制，开轧温度为1160℃，终轧温度为820～850℃，轧后得到4.0 mm厚的试验钢板，超快冷至680℃并等温8 s析出先共析铁素体，最后水淬至300℃卷取得到马氏体。沿轧板纵向切割制备得到标准的金相样品，用4%硝酸酒精溶液侵蚀以观察组织，同时用lepera溶液侵蚀，并利用ZEISS(蔡氏)Axioplan2型万能显微镜 (OM)对各组成相进行金相观察，接着采用Nova nano 400型扫描电子显微镜（SEM）对高强钢组织进行电镜观察与定量分析。之后，在JEM-2100F型透射电镜（TEM）下观察各组织的内部结构。试样的机械性能按GB/T 228.1-2010沿板轧向切取板状拉伸试样，宽度为12.5 mm，标距为50 mm，在液压式万能材料试验机上进行了拉伸试验，测量得到拉伸力学性能和n值。

2 实验结果与分析

2.1 试验钢的显微组织观察

试验钢的显微组织如图1所示，均由铁素体软相+马氏体硬相组成，马氏体基体连成片，呈深褐色，说明试验钢卷取后马氏体有一定的自回火，得到回火马氏体；铁素体在马氏体基体上呈细小的多边形和等轴状，呈白亮色，采用IPP图像分析软件测得其铁素体体积分数约为30%，中部的铁素体（图1a）晶粒尺寸较边部（图1b）略粗大，是由于边部等温时的冷速大，铁素体形核多，得到的铁素体大多组织细小。

图1 试验钢的显微组织图

图2 试验钢的SEM组织图

2.2 试验钢的扫描观察与分析

为了观察马氏体板条内的组织，得到试验钢的SEM组织（图2），马氏体为扩散型相变，相变后组织较硬凸出，铁素体是由过冷奥氏体冷却析出，相变后组织较软凹下去。试验钢热轧后超快冷，使过冷奥氏体中保留了大量的形变亚结构，这些形变亚结构对后续铁素体和马氏体的形成均有促进作用，并细化了相变组织[3,4]。得到的铁素体晶粒细小，约为2-3 um，内部有较多的碳化物析出相。得到的马氏体内部有较多细的板条，边部有部分为锯齿状，是由于板条马氏体在铁素体和奥氏体边界形核并向晶内长大，马氏体相变使体积膨胀，切边出现的浮凸使界面不平。

2.3 力学性能结果及机理分析

试验钢的工程应力应变曲线如图3所示。由图可知，该试验钢抗拉强度达到1261 MPa，屈服强度达到770 MPa，伸长率较高为12.5%，屈强比较小为0.61，应变硬化率n值有0.12，低的屈强比和高的n值可使材料在低于断裂应力时有较大应变的塑性变形，减小了应力集中，提高了材料的均匀变形与抗断裂能力，说明试验钢的力学性能和冲压成形性能较好。图中显示曲线为连续屈服，是由于热轧后的奥氏体经超快冷后有先共析铁素体析出，碳由铁素体向过冷奥氏体扩散进一步降低了铁素体中碳的含量，而试样拉伸时主要由铁素体承担塑性变形，这样就减小了碳原子在塑性变形过程中对位错的钉扎，且后续马氏体相变膨胀挤压周围铁素体产生大量可动位错，故曲线平滑为连续屈服。

图3 试验钢应力应变曲线

试验钢中马氏体的精细组织如图4所示，板条马氏体内部有较多细的长条马氏体，条宽约0.3 um，是由于热轧后超快冷保留的形变亚结构细化了原奥氏体组织，细的马氏体长条提高了材料的协调变形能力，得到的n值较高为0.12。马氏体条上也观察到较多的析出相，尺寸约为50-100 nm，呈圆片状，经能谱分析为含Nb和Ti的碳化物，这些弥散分布的析出相有效的细化了晶粒和提高了试验钢的强度。因此，试验钢通过马氏体+铁素体+析出相的多相复合表现出优良的强韧性，适用于交通结构高强度材料。