（材料加工工程专业论文）60kg级高塑性复相钢板的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 6 0 k g 级高塑性复相钢板的研究 摘要 在工程机械及建筑用钢领域，如何在保证强度的同时使塑性提高，始终是研究者们 关注的重要课题。在众多的高强度钢品种中，相变诱发塑性钢被认为是最具发展前景的 高塑性多相高强度钢，相变诱发塑性钢的本质是在钢材塑性变形过程中，通过诱发钢 中残余奥氏体的马氏体相变，提高钢材的强度和塑性。 本文以q 3 4 5 钢的化学成分为基础，通过添加合金元素s i 和微量合金元素n b 、t i ， 设计并制备出a 、b 、c 、d 、e 、f 六种试验钢，经实验室轧机进行不同工艺的热轧试验 后，利用l e p e r a 技术以及热染技术区分钢中的残余奥氏体和马氏体，并用穆斯堡尔谱方 法定量测量出残余奥氏体含量，分析研究了化学成分和热轧工艺参数对试验钢力学性能 和组织的影响规律，以期筛选出6 0 k g 级高塑性复相钢板的最佳化学组成及生产工艺制 度，主要研究成果如下： ( 1 )基于减少合金含量和降低生产成本的原则，确定出较好的化学成分范围为c ： 0 1 4 0 1 6 ，s i ：1 5 0 1 6 0 ，m n ：1 5 0 1 6 0 ，n b ：0 0 2 o 0 3 ，t i ：0 0 2 0 0 3 。 ( 2 )模拟中厚板轧制条件，试验确定出6 0 k g 级高塑性复相钢板工业生产的较好工 艺为：精轧开轧温度8 8 0 。c ；终轧温度8 2 0 1 2 ：轧后采用水冷、铁素体区空冷 以及贝氏体区保温冷却的三段冷却方式：采用堆冷方式时，贝氏体区保温温 度为4 5 0 左右，采用空冷方式时，贝氏体区保温温度为5 0 0 左右。 ( 3 )按试验确定的化学成分和工艺条件，可以达到6 0 k g 级高塑性复相钢板研制的 预期目标：延伸率i 2 7 ，冲击功3 4 j ，屈服强度， 4 6 0 m p a 。抗拉强度 6 0 0 m p a 。 ( 4 )试验钢的最终组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体。目前残余奥氏体的最大 量为1 1 5 2 2 。 ( 5 )优选出的b 钢和d 钢做为下一步继续研究的试验钢，优化控轧控冷参数，使 各项力学性能达到更高的水平。 关键词：相变诱发塑性钢残余奥氏体热轧l e p e r a 试剂穆斯堡尔谱 i i 东北大学硕士学位论文hbstract r e s e a r c ho nt h e6 0 k gl e v e ld i p h a s es t e e lp l a t ew i t hh i g h p l a s t i c i t y a b s t r a c t i nt h ef i e l do fp r o j e c tm a c h i n ea n db u i l d i n g ，t h eq u e s t i o no fh o wt om a k et h ep l a s t i c i t y i n c r e a s ew h i l et h es t r e n g t hi sk e p t ，i st h em a j o rt o p i cw h i c hr e s e a r c h e r sa t t e n d i ni n n u m e r a b l e t y p eo fs t e e l s ，t r i ps t e e lh a st h em o s tf o r e g r o u n dw h i c hh a sh i 曲p l a s t i c i t ya n dh i g hs t r e n g t h t h ee s s e n c eo ft r i ps t e e l si st oi n c r e a s et h ep l a s t i c i t ya n dt h es t r e n g t ht h r o u g hi n d u c i n g m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o no f r e s i d u a la u s t e n i t eu n d e ra c t i o no f p l a s t i cd e f o r m a t i o n b a s e do nt h es t e e lo fq 3 4 5 ，t h r o u g ha d d i n gs i ，n ba n dt i ，s i xc o n s t i t u e n ts t e e l sw e r e d e s i g n e da n dp r e p a r e d a f t e rd i f f e r e n th o tr o l l i n gc r a f t s ，r e s i d u a la u s t e n i t ea n dm a r t e n s i t e w e r es e p a r a t e du s i n gl e p e r ar e a g e n te t c h i n ga n dh e a t - t i n t e dm e t h o d a n dt h eq u a n t i t yo f r e s i d u a la u s t e n i t ew a sm e n s u r a t e d q u a n t i f i c a t i o n a l l yu s i n gm 6 s s b a u e rm e t h o d t h e r e g u l a r i t i e sb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea n a l y s e du s i n gc h e m i c a l c o n s t i t u t i o na n dh o tr o l l i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，i no r d e rt os c r e e nt h eb e s tc h e m i c a l c o n s t i t u t i o na n dt h eb e s ts y s t e mo fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h ea r t i c l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n g m a i np a r t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fr e d u c i n ga l l o yc o n t e n t sa n dr e d u c i n gf i n a lc o s t ，t h e p r e f e r a b l ec h e m i c a l c o n s t i t u t i o nr a n g ew a sd e f i n e d ，c ：0 1 4 o 1 6 ，s i ：1 5 0 1 6 0 ， m n ：1 5 0 - 1 6 0 ，n b ：0 0 2 0 0 3 ，t i ：0 0 2 - 0 0 3 ( 2 ) s i m u l a t i n gt h ec o n d i t i o no fm e d i u mp l a t e ，t h ep r e f e r a b l ec r a f t so f6 0 k gl e v e ld i p h a s e s t e e lp l a t ew i t hh i 曲p l a s t i c i t yw e r e ：i nf i n i s hr o l l i n g ，o p e n i n gr o l l i n gt e m p e r a t u r ei s 8 8 0 0 c ；e n d i n gt e m p e r a t u r ei s8 2 0 。c ；w a t e rc o o l i n g ，a i rc o o l i n ga tf e r r i t es e c t i o nt h e n h e a tp r e s e r v a t i o na tb a i n i t es e c t i o nw e r ea d o p t e da f t e rr o l l i n g ；w h e nu s i n gc o o l i n gi n p i l e ，t h eh e a tp r e s e r v a t i o na tb a i n i t es e c t i o ni s4 5 0 。c ，w h i l eu s i n ga i rc o o l i n g ，t h eh e a t p r e s e r v a t i o na tb a i n i t es e c t i o ni s5 0 0 c ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o na n dc o n d i t i o no ft h ec r a f t s ，t h ep o t e n t i a la i m o f6 0 k gl e v e ld i p h a s es t e e lp l a t ew i t hh i 曲p l a s t i c i t yc o u l db er e a c h e d ：p l a s t i c i t y 2 7 ， i m p a c tw o r k 3 4 j ，y i e l ds t r e n g t l 砭4 6 0 m p a , t e n s i l es t r e n g t h _ 6 0 0 m p a ( 4 ) t h ef i n a lm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e so ft h et e s t e ds t e e l sw e r ef e r r i t e ，b a i n i t ea n dr e s i d u a l a u s t e n i t e a tt h ep r e s e n tt i m e t h em a x i m u mc o n t e n to f r e s i d u a la u s t e n i t ei s1 1 5 2 2 i i i 东北大学硕士学位论文hbstract ( 5 ) bs t e e l a n dds t e e lw e r es e l e c t e df o rf n r t h e rr e s e a r c h ，t m c pp a r a m e t e r sw i l lb e o p t i m i z e di no r d e rt om a k et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t t e r k e yw o r d s ：t r i ps t e e l r e s i d u a la u s t e n i t e h o tr o l l i n g l e p e r ar e a g e n t m 6 s s b a u e r s p e c t r u m i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 南屋殷 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 。1 引言 1 绪论 作为一种最典型的传统材料钢已经支撑人类文化长达2 0 0 0 年之久。它具有超 凡的强韧性能，特殊的电磁性能，良好的塑性和机械性能，并且具有较低的生产成本、 成熟的制造技术和其他实用价值，如容易循环利用和利于环保【1 】。这是其他材料不能和 它相提并论之处。 2 0 0 5 年，中国钢铁产量达到3 0 亿吨，表观消费量达到3 4 亿吨，遥居世界首位， 也是世界历史上钢铁材料生产和消费第一大国最高历史记录1 2 。中国钢铁业的发展基础 已经完全改观，进入“发展是常态，调整是动态，大起大落是例外”的产业运行状态。因 此，2 0 0 5 年中国钢铁业的发展将是稳定的。虽然其下游的房地产、汽车、机械等行业的 发展速度有不同程度的减慢，特别是汽车业库存激增问题引起普遍的担心，会对钢材需 求增长幅度产生影响，但这些行业对钢材的绝对需求量将进一步增大。据国际钢铁协会 预测，2 0 0 5 年中国钢铁消费增长幅度可能在6 5 至1 0 3 之间。这是中国经济和消费 高需求的反映，也是国家对基础设施投资力度加大的表现。据可靠信息，2 0 0 4 年前三季 度中国钢铁出口大幅增长，进口减少，但是从总体来看，钢铁进口还是远远大于出口， 中国仍然是钢铁净进口国。并且，现在有色冶金和高分子合成材料技术也是在迅猛发 展，钢铁的传统统治地位正在受到严厉的挑战。它要想在现代工业的发展舞台上继续保 持统治地位，就要在提高产品质量的基础上，进一步丰富品种，降低生产成本，提高竞 争力。 世界钢铁工业发展历程表明，中厚钢板生产水平是一个国家钢铁工业水平的重要标 志。就中厚板而言，我国中厚钢板的需求量仍保持旺盛增长，而且，在2 0 0 5 。年，这种稳 步增长的势头仍将继续。中厚板品种多、用途广，是船舰、桥梁、锅炉、容器、石油化 工、工程机械等方面的重要材料。可以看出，中厚板市场需求空间巨大，需求量持续走 高，但也应该看到国内中厚板供应还是存在着结构性不足，专用板比例只有2 0 3 0 ， 与国外4 0 一7 0 的比例有一定差距。因此，降低成本的同时提高钢板综合性能势在必行。 关于中厚钢板的品种扩展策略，一个重要的方向是机械及建筑用钢。机械及建筑用 钢所涉及的钢种是极其广泛的，目前厂家所关注的一个热点是怎样在保证强度的同时使 塑性提高。众所周知，一般情况下钢铁材料的强度指标和韧、塑性指标总是一对矛盾， 如何既提高强度，又保持高的韧塑性，始终是研究者们关注的重要课题。为此，一系列 高性能钢铁材料已被开发出来，并在汽车工业中获得良好应用，如铁素体一马氏体双相 钢和低合金的t m p 钢。 东北大学硕士学位论文1 绪论 近来，t r i p 钢受到相当的重视，因这类钢种的强塑积比通常的铁素体一马氏体双 相钢更高，且合金元素含量低、成分简单，是既保持很高的强度，又具有良好成形性的 理想材料p j 。低合金t r i p 钢板的生产方法通常有两类，即所谓的热轧t r i p 钢和冷轧 t r i p 钢，前者主要通过热轧控制冷却来获得多边形铁素体+ 片状( 或板条状) 贝氏体 + 残余奥氏体的多相组织【4 - 5 】：后者则通过冷轧后进行临界加热+ 贝氏体等温淬火的热 处理方法实现( 通常在连续退火炉中进行) 6 - 9 1 。由于前者在生产中更不易控制，因而 目前在商业化产品中以冷轧t r i p 钢板为主。 1 2t r i p 钢介绍 1 2 1t r i p 钢的生产和发展现状 t r i p ( t r a n s f o r m a t i o i li n d u c e dp l a s t i c i t y ) 钢属于相变诱发塑性钢，由v e z a c k a y 发现 并命名 1 1 1 , t r i p 效应是指钢中稳定存在的残余奥氏体在变形过程中向马氏体转变时引 入了相变强化和塑性增长【1 1 1 。早期的t r i p 钢因含有较多镍、铬等贵重合金元素，成本 高，使用受到限制，后来人们以硅、锰等廉价的合金元素代替镍、铬等贵重元素来研制 t r i p 钢板使其成本降低 1 2 】。t r i p 钢的组织是具有一定比例的铁素体、贝氏体和残余奥 氏体的复相组织，通常t r i p 钢中残余奥氏体体积约占5 1 5 ，贝氏体体积约占2 5 4 0 ，铁索体体积约占5 0 6 0 。t r i p 钢性能的变化范围：屈服强度3 4 0 8 6 0 m p a ， 抗拉强度6 1 0 1 0 8 0 m p a ，延伸率3 7 2 2 。残余奥氏体在加工制造条件下逐渐转变 成马氏体，因需要消耗能量使断裂韧性增加，从而得到超高强度和塑性的良好匹配 3 】。 1 2 1 1t r i p 钢的生产历史 t r i p 效应早在1 9 2 4 年就有所报道i l ，2 0 世纪6 0 年代z a c k e y 等人基于t r i p 效应 设计出一种成分约为o 3 c 一2 m n 一2 s i 9 c r - 8 5 n i 4 m o 的钢【”】，经形变热处理后 其强度达到1 5 0 0 m p a ，而延伸率仍保持在5 0 的极高水平。在六、七十年代研制的相 变塑性钢仅限于高合金钢，价格昂贵，且实现相变塑性所必须的中温形变热处理不能应 用于大件和焊接件，大大限制了其应用范围。然后8 0 年代由h a y a m i 研制出s i m n 系 t r i p 钢并投入生产。 1 2 2 2t r i p 钢的发展现状 近年来在低碳低合金的硅锰钢中，也发现了很好的相变塑性行为，兼具有高强度和 良好的塑性。由于价格低廉，而且不需要进行中温形变热处理，被一致认为是新一代最 佳高强度钢，各发达工业国竞相展开了研究。韩国浦项钢铁公司于2 0 0 1 年3 月成功开 发出屈服强度为8 0 0 m p a 级热轧钢材t r i p 钢。比利时的鲁汶大学已生产出含硅量0 4 的低硅t r i p 钢。在日本，神户制钢已开发出高延性9 8 0 m p a 级超高强度复合组织冷 轧钢板，其伸长率为2 0 ，能承受复杂冲压成形，用于出口车的车门防护杆，该部件原 2 东北大学硕士学位论文1 绪论 来是采用只能将中间的刚性肋部分进行弯曲成形加工的9 8 0 m p a 级钢板，在与两端的托 架部分分割成形后，通过焊接形成一体。采用高延性9 8 0 m p a 级复合组织钢板可将车门 防护杆一体成形，由此提高刚性和减轻重型1 0 i 。另外。t r i p 钢已用于制造汽车门撞击 横梁、保险杠加强体、桥臂等重要部件，而同本三菱汽车公司与新日铁、住友金属及神 户制钢等合作开发汽车底盘零件用t r i p 高强度钢板，在其新车型中已有8 0 余种底盘零 件采用t r i p 钢板制造。这种钢在汽车工业上有广泛的用途，可制造几乎所有的汽车结 构件，应用前景极佳。其最佳的应用前景是汽车车门防护杆、保险杠和底盘结构件等 1 4 1 。 目前，在我国惟有宝钢自行开发成功6 0 0 公斤级别的冷轧t r i p 钢，但对于热轧t r i p 钢则未有涉足。 1 2 2t r i p 效应的影响因素 t r i p 钢的高强度来自于马氏体、贝氏体和合金元素固溶强化的共同贡献，高塑性 依赖于残余奥氏体、贝氏体和铁素体三相组织的优势互补，优异的性能与马氏体和贝氏 体的联合作用有关。 f 1 ) 残余奥氏体的稳定化 残余奥氏体的含量、残余奥氏体的稳定性对t r i p 钢的组织、性能影响的研究广泛 而深入。t r i p 钢中的马氏体转变不仅与初始的残余奥氏体体积有关，而且取决于残余 奥氏体自身的稳定性。残余奥氏体自身稳定性不仅与钢的成分和各相体积分数的间接影 响有关，而且直接受到残余奥氏体自身成分、体积、形貌、大小、存在状态等因素的影 响。t r i p 钢中初始的残余奥氏体的体积分数应保持在一定范围内，并且随钢中含碳量 增加而增加，具体数值应视钢的成分和生产工艺条件而定。薄膜状残余奥氏体的稳定性 比块状的残余奥氏体好；残余奥氏体粒子平均尺寸越小，其稳定性越好；含碳量较高的 残余奥氏体稳定性较好。加v 钢的残余奥氏体稳定性较加c r 钢更佳，加n i 钢的残余奥 氏体体积大于s i m n 钢。此外，t r i p 钢深加工变形条件对于t r i p 效应也产生一定影响。 残余奥氏体必须有足够的稳定性，以实现渐进式转变，一方面强化基体j 另一方面 提高均匀的伸长率，达到强度和塑性同步增加的目标；体现在材料组织上首先是残余奥 氏体本身成分、大小、形貌和周围环境的影响；其次是与残余奥氏体共存的相( 如铁素 体、贝氏体) 的晶粒尺寸、质量分数、化学成分及形态的综合作用，只有实现显微组织中 各组成相的优化组合，刁能提高t r i p 钢的强度和塑性【1 6 1 。 表征奥氏体稳定化的主要参数是奥氏体向马氏体转变的开始温度( m s ) ，m s 越低 奥氏体越稳定。通常奥氏体的m s 温度受化学成分、晶粒大小、晶粒形态和周围相及外 界因素等的影响i l “。 研究表明l l7 ，”j ，奥氏体晶粒度越大，贝氏体转变区等温形成的贝氏体板条束越大， 在贝氏体板条束间残留的奥氏体晶粒增大，奥氏体稳定性下降并在随后的冷却过程中趋 向于转变成下贝氏体或马氏体，或者室温时处于亚稳态。但文献1 1 7 1 等研究含n b 和不 一1 东北大学硕士学位论文1 绪论 柬是采用只能将中间的刚性肋部分进行弯曲成形加工的9 8 0 m p a 级钢板，在与两端的托 架部分分割成形后，通过焊接形成一体。采用高延性9 8 0 m p a 级复合组织钢板可将车门 防护杆一体成形，由此提高刚性和减轻重量”“。另外。t r i p 钢已用于制造汽车门撞击 横梁、保险杠加强体、桥臂等重要部件，而开本三菱汽车公司与新日铁、住友金属及神 户制钢等合作开发汽车底盘零件用t r i p 高强度钢板，在其新车型巾已有8 0 余种底盘零 件采用t p d p 钢板制造。这种钢在汽车工业上有广泛的用途，可制造几乎所有的汽车结 构件，应用前景极佳。其最佳的应用前景足汽车车门防护杆、保险杠和底盘结构件等口q 。 目前，在我国惟有宝钢自行丌发成功6 0 0 公斤级别的冷轧t r i p 钢，但对于热轧t r i p 钢则未有涉足。 1 22t r i p 效应的影响因素 t r i p 钢的高强度来自于马氏体、贝氏体和合金元素崮溶强化的共同贡献，高塑性 依赖于残余奥氏体、贝氏体和铁索体三相组织的优势互补，优异的性能与马氏体和贝氏 体的联合作用有关。 n 1 残余奥氏体的稳定化 残余奥氏体的含量、残余奥氏体的稳定性对t r i p 钢的组织、性能影响的研究广泛 而深入。t r i p 钢中的马氏体转变不仅与初始的残余奥氏体体积有关，向且取决于残余 奥氏体自身的稳定性。残余奥氏体自身稳定性不仅与钢的成分和各相体积分数的间接影 响有关，而且直接受到残余奥氏体自身成分、体积、形貌、大小、存在状态等因素的影 响。t r i p 钢中初始的残余奥氏体的体积分数应保持在一定范围内，并且随钢中含碳量 增加而增加，具体数值应视钢的成分和生产工艺条件而定。薄膜状残余奥氏体的稳定性 比块状的残余奥氏体好；残余奥氏体粒子平均尺寸越小，其稳定性越好；含碳量较高的 残余奥氏体稳定性较好。加v 钢的残余奥氏体稳定性较加c r 钢更佳，加n i 钢的残余奥 【l 体体积大于s i m n 钢。此外，t r i p 钢深加工变形条件对于t r i p 效应也产生一定影响。 残余奥氏体必须有足够的稳定性，以实现渐进式转变，一方面强化基体，另一方面 提高均匀的伸长率，达到强度和塑性同步增加的目标；体现在材料组织上首先是残余奥 氏体本身成分、大小、形貌和周围环境的影响；其次是与残余奥氏体共存的相( 如铁索 体、贝氏体) 的晶粒尺寸、质量分数、化学成分及形态的综合作用，只有实现显微组织中 各组成相的优化组合，才能提高t r i p 钢的强度和塑性 1 6 。 袁征奥氏体稳定化的主要参数是奥氏体向马氏体转变的开始温度( m s ) ，m s 越低 奥氏体越稳定。通常奥氏体的m s 温度受化学成分、晶粒大小、晶粒形态和周围相及外 界因素等的影响i ”j 。 研究表明1 1 l ”j ，奥氏体晶粒度越大，贝氏体转变区等温形成的贝氏体板条束越大。 在贝氏体板条束问残留的奥氏体晶粒增大，奥氏体稳定性下降并在随后的冷却过程中趋 向于转变成下贝氏体或马l 瓦体，或者室温时处于亚稳态。但文献 1 7 1 等研究含n b 和不 向于转变成下贝氏体或马氏体，或者室温时处于亚稳态。但文献1 7 1 等研究含n b 和不 3 东北大学硕士学位论文1 绪论 含n b 的t r i p 钢晶粒度对残余奥氏体的影 响时却得出相反的结论，其原因可能是，含 n b 钢中的奥氏体晶粒越粗大，在形变热处 理时经受的变形越小，析出的h r o ( c ，n ) 量 巷 越少，固溶于奥氏体中的n b 越多，母相奥善 氏体越稳定，从而使最终组织中的残余奥氏 量 体量增加。 文献 1 9 】研究了8 0 0 7 3 0 临界区变 形对残余奥氏体的稳定性影响，图1 1 是临 界区变形率及平均晶粒尺寸与残余奥氏体 蓄 量的关系曲线，研究表明通过提高残余奥氏蔷 体的含碳量，细化晶粒尺寸，增加位错密度， 可以有效地提高残余奥氏体的稳定性。 t s u k a t a n ii 等【2 0 】研究了硅含量和锰含 量对残余奥氏体中的碳含量和稳定性以及 最终力学性能的影响。指出，随着钢中锰含 图1 1临界区变形率及平均晶粒尺 量由1 5 增加到2 o ，马氏体量增加，铁 寸对残余奥氏体量的影响 素体量降低，进而改变了显微组织结构，导 f i g 1 1 e f f e c t so f c r i t i c a l a r e a 致应变诱发相变特性和硬化率的变化。其结d e i b r m a t ”“r a t 。a l l da v e r a g 。 果是残余奥氏体中的碳含量降低，残余奥氏 g r a m $ 1 z et ot h 。q u a n t i t yo f 体的稳定性下降。同时，由于残余奥氏体周 r e s i d u a l “s t e “t e 围硬质相( 如马氏体) 的存在，在拉伸变形时，拉应力会直接通过马氏体传递给残余奥氏 体，从而使得残余奥氏体在应变早期发生转变。也就是说，t r i p 钢中大量马氏体的存 在恶化了t r i p 效应。某些研究人员认为，增加锰含量促进了交滑移，并在残余奥氏体 周围的铁素体中形成位错胞状组织，因而使残余奥氏体受到局部应力作用而快速转变成 马氏体。而硅含量的增加促进了平面滑移并造成位错在铁素体中的随机排列，使得残余 奥氏体产生渐变型应变诱发相变。s u g i m o t ok 等【”测定了不同硅含量、锰含量的低碳 t r i p 钢在两相区等温退火+ 贝氏体区等温处理后其残余奥氏体的初始参数( 残余奥氏体 量a r 、残余奥氏体中的碳含量c ，、m 及第二相( b + m + a r l 量) ，并通过不同温度的拉伸 试验，分析了残余奥氏体对塑性或延性的影响，得出了与t s u k a t a n ii 等【2 0 1 相近的结论， 给出了材料延性的最佳试验温度范围，以及抑制残余奥氏体转变的最高试验温度与m s 的关系，这有利于制订t r i p 钢深冲或温冲成形工艺。 h a n z a k i a z 等【5 川的研究认为，非再结晶区的形变改变了残余奥氏体量，为达到较 好的t r i p 效应，有一最佳形变量。对所研究的钢而言，2 0 的形变量可以达到材料所 要求的残余奥氏体量与强度和塑性的良好匹配。这主要是由于缺陷的引入增加了扩散型 4 东北大学硕士学位论文1 绪论 相变动力，并延迟了切变型相变。此外，他们对形变带和孪晶及非再结晶区温度对残余 奥氏体量、残余奥氏体稳定性及强度和塑性的影响也进行了系统研究。 s u g i m o t ok 等【2 1 基于残余奥氏体和第二相( 贝氏体、马氏体) 的形貌研究了残余奥氏 体的稳定性和变形特性，估算了残余奥氏体周围硬质点对其产生的静压力。认为第二相 硬质点周围的膜状残余奥氏体的稳定性高于孤岛状残余奥氏体的稳定性。同时他们将贝 氏体、马氏体和残余奥氏体作为第二相，通过对其强度的研究指出，膜状残余奥氏体比 孤岛状残余奥氏体的平均强度高，因而尽管流变应力较高，但塑性较低。这与t s u k a t a n i 1 1 2 0 l 等认为残余奥氏体周围硬质 ，1 0 0 相的应力传递导致残余奥氏体早 期转变的观点相矛盾。j a c q u e sp譬 9 0 0 等口2 1 认为：铁素体内的残余奥氏威 体晶粒与热轧组织中的珠光体晶謦7 0 n 粒有关，因此，其化学成分与铁辐；。 素体晶界处残余奥氏体的化学成 。 分不同。综合考虑残余奥氏体的 尺寸和成分等因素，铁素体晶内 采 3 0 的残余奥氏体应更稳定。蕊 ( 2 ) 铁素体的影响尝 2 0 铁素体比贝氏体软，延性较 好，易吸收残余奥氏体向马氏体 转变引起的体积膨胀，因而对 铁素体含量， t r i p 效应具有辅助作用。目前， 图1 2 力学性能随钢中铁素体含量的变化 研究铁素体对t r i p 钢力学性能 f 培1 2 c h a n g e s o f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t h t h e 影响的报道较少 1 4 2 3 , 2 4 】，仅限于双 q u a n t i t yo f f e r r i t e 相钢中。 1 , 2 ，3 ，4 一总伸长率：5 ，6 ，7 ，8 - - 平均伸长率 h a r z a k i a z 等 2 3 1 对铁素体形 1 , 6 - - w i c l 2 0 4 ；2 , 5 一w c l = o 3 ； 成特性进行了研究，探讨了母相 3 ，7 一w q 2 0 2 ；4 ，8 - - w c 。0 1 2 奥氏体晶粒度、铁素体量对残余 奥氏体的影响，认为铁素体量的 变化与奥氏体中碳含量和合金元素有直接的关系。为取得较好的t r i p 效应应优化铁素 体量，以便获得最大量稳定的残余奥氏体。图1 2 2 5 1 示出了钢的力学性能随铁素体量的 变化。可见钢的塑性不仅受残余奥氏体的影响，也受其它显微组织的影响。在文献 2 5 】 所研究的几种钢中，最重要的是协调铁素体量。 两相区变形不仅改善铁素体晶粒的细化效果，而且使残余奥氏体量增加【2 4 】。铁素体 晶粒细化增加了铁素体与奥氏体的界面面积，使组织中位错密度提高( 更细的亚晶) ，促 一5 东北大学硕士学位论文 1 绪论 进m n 的扩散，导致合金化元素的快速分配。但m i n o t et 2 6 对两相区等温转变后界面附 近锰含量变化的计算和实验结果与上述结论不符。s a k u m ay 等【2 5 】认为t r i p 钢的良好塑 性应是残余奥氏体的应变诱发相变和铁素体基体相共同作用的结果。因而合适的铁素体 量及大量的残余奥氏体是使钢获得良好塑性的前提条件。 两相区等温加热至珠光体出现前缓冷的研究表吲1 4 1 ，冷却速度大于5 0 s 可使铁素 体量增加、铁素体中碳含量降低、残余奥氏体量增加、残余奥氏体稳定性提高、屈服强 度降低、均匀伸长率和总伸长率增加，但基本不影响抗拉强度。因此当冷却速度大于5 0 。c s 后，可获得强度与塑性的良好匹配。对形变热处理而言，变形后冷却速度提高，除 残留缺陷外还可降低a r 3 温度，阻碍铁素体形核后的晶粒长大，提高铁素体的应变强化 率和残余奥氏体量，进而改善强度和塑性【5 j 。 s a k u m ay 掣2 7 1 观察出现连续屈服的试样时发现，连续屈服特性和奥氏体向马氏体 的转变与铁素体中产生的位错有关。在铁素体基体中引入高密度的位错有利于增加应变 硬化率【那j ，提高强度。 ( 3 ) 贝氏体的影响 高强低合金t r i p 钢中，铁素体和残余奥氏体主要对塑性有影响，而贝氏体主要对 强度有影响。尽管研究人员对贝氏体与奥氏体界面上合金元素是否存在再分配现象尚有 争议【2 8 1 ，但对t r i p 钢在贝氏体转变温度范围不存在置换型合金元素的再分配则是比较 肯定的。大量实验结果证实 7 , 1 4 , 1 7 2 0 , 2 2 , 2 7 1 ，在t r i p 钢的贝氏体转变区等温加热，碳仍会 向未转变的奥氏体中扩散，使奥氏体表层富碳，从而进一步提高奥氏体中的碳浓度，阻 碍贝氏体铁素体晶粒进一步长大。如果转变温度过高，碳向奥氏体中大量扩散，使得贝 氏体铁素体晶粒过度长大，残余奥氏体量减少，钢的强度降低；转变温度过低，尽管碳 大部分固溶于贝氏体铁素体中，贝氏体铁素体晶粒较小，钢的强度较高，但残余奥氏体 量降低，使钢的塑性不足。 非再结晶区的变形对贝氏体铁素体的晶粒尺寸有较大的影响 2 9 。奥氏体的变形不仅 影响贝氏体铁素体晶粒的形状和大小，而且对贝氏体铁素体板条束的晶体学取向有影 响。未变形时，形成的贝氏体铁素体有相同或相似的晶体学取向；施加一定变形量后增 加了贝氏体铁素体的形核点，减小了贝氏体铁素体的晶粒尺寸及具有相同取向的贝氏体 铁素体量，细化了贝氏体铁素体，有利于提高钢的强度并改善钢的韧性。此外，细化母 相奥氏体晶粒，亦可减小贝氏体铁素体晶粒尺寸，细化残余奥氏体，在提高贝氏体铁素 体强度的同时，增加残余奥氏体的稳定性。 e d m o n d sdv 等【3 0 对影响贝氏体强度的因素进行了系统分析，包括：贝氏体铁素 体的晶粒尺寸；板条或片内位错亚结构；s i 、m n 等置换型元素和碳等间隙型元素 的固溶强化；碳化物的弥散强化。此外，还给出了一些定量的关系，如：位错密度达 到1 0 1 4 m 也时，强度大约可提高1 4 5 m p a ，贝氏体铁素体中过饱和的碳向其位错处迁移所 产生的作用与位错强化作用相当，对强度有贡献。 6 东北大学硕士学位论文1 绪论 但大量t r i p 钢的研究仍侧重于贝氏体转变区的温度和等温时间的影响，对贝氏体 与力学性能关系的直接研究还是空白，有待进一步深入。 1 2 3t r l p 钢的组织观察 在t r i p 钢的研究过程中，必须对钢的组织进行观察。传统硝酸酒精腐蚀是通过“黑白 衬度”来显示微观组织形貌特征的，t r i p 钢试样腐蚀后，难以区别铁素体和残余奥氏 体。在t r i p 钢彩色金相制作过程中，可通过改变腐蚀剂成分和腐蚀时间来控制所形成 化学薄膜的光学性质及其厚度，从而使多相组织形成不同的干涉色，可区分铁素体、贝 氏体及残余奥氏体，提高了多相显微组织显示的精确性和鉴别率【3 1 。同时，苦味酸可与 铁素体晶粒发生反应，使铁素体晶粒呈浅棕色。当偏重亚硫酸钠溶液浓度超过1 2 5 时， 其分解的h 2 s 对铁素体氧化能力才明显超过苦味酸( 2 5 ) ，从而使铁素体呈兰绿色。苦 味酸溶液的浓度不应低于2 5 ，否则无法显示贝氏体。同一成分的试样，随两相区加 热温度的降低，铁素体中含s i 量也随之减少，腐蚀剂中偏重亚硫酸钠溶液也须相应提 高。 实验室观察t r i p 钢组织的方法为：将 热处理后的试样在平行轧制方向截取金相 试样，将其垂直地镶嵌在丙烯酸树脂中、抛 光。腐蚀剂的配制根据试样化学成分，按表 1 1 配制偏重亚硫酸钠溶液和苦味酸溶液。 腐蚀时，将偏重亚硫酸钠溶液和苦味酸溶液 混合，搅拌均匀。然后将试样浸入腐蚀液中 侵蚀1 0 1 5s ，使腐蚀面泛出蓝橙般的光 泽。试样腐蚀后，如图1 3 所示，在光镜下 图1 i0 1 1 c 5 詈。1 5 3 m “刑p 钢 可清晰地观察到铁素体( 兰绿色) 、贝氏体 的彩色金相照片【3 4 ( 棕色) 和残余奥氏体( 白色) 3 2 。 f i g 1 - 3 c 。l 。“。t a l l o g r a p h0 f o r 1 1 c - 1 5 0 s i _ 1 5 3 缸 聊p 钢中的c ) 1s i 含量不同会影响铁n u p 啦。1 素体的颜色，c 及s i 含量相对低时铁素体呈棕色，如图1 4 所示【3 2 】。 表1 1t r i p 钢彩色金相腐蚀剂配方0 4 】 旦! 堡! ：! ! ! ! ! ! 尘! 堡! ! ! 望兰2 11 1 1 翌i ! 垡堡! ! 匹! ! ! 垦堡墨望堡 试剂溶质溶剂 1 i g n a 2 s 2 0 3 1 0 0 m l 蒸馏水 !塑董堕堕! ! ! 坐! 圣醒 7 东北大学硕士学位论文1 绪论 图1 4t r i p 钢的彩色金相照片 f i g 1 4c o l o rm e t a l l o g r a p ho f t r i ps t e e l s ( a ) 0 1 2 c - 0 7 8 s i - 1 5 1 m n ( b ) 0 1 8 c - 0 3 9 s i 一1 3 0 m n 图1 5 是典型t r i p 钢的三相组织形貌1 3 4 l ，图中黑色凹陷的多边形区域为铁素体， 铁素体晶界上的白色突起部分为残余奥氏体，贝氏体以粒状或板条状分布在铁素体基体 上。 大量文献研究了残余奥氏体和贝氏体的亚 结构。文献 2 1 观察到残余奥氏体的形貌与第二 相的分布有关，当第二相为网状分布时，残余奥 氏体呈独立的小岛形貌；当第二相分布相对孤立 时，残余奥氏体的形貌为厚度o 1 - - 0 2 9 m 的薄 膜；当第二相为细小针状时，残余奥氏体呈独立 图1 5t r i p 钢的典型组织” 的细小针状分布于铁素体基体上。 f i g l - 5t y p i 。a 18 t x u 。t u r 。0 f t r l p 吼。l 在0 4 c 一1 5 s i 一1 2 m nt r i p 钢中观察到残余奥氏体大多数以小于2 - 3 9 m 的多边形晶 图1 6t r i p 钢中残余奥氏体的t e m 照片 ( a ) 残余奥氏体内的高位错密度”1 ( b ) 部分分解的残余奥氏体9 9 1 f i g 1 6 t e m p h o t o so f r e s i d u a la u s t e n i t ei nt r i ps t e e l ( a ) d i s l o e a t i o nd e n s i t yi nr e s i d u a la u s t e n i t e ( b ) p a r tc r a c k e dr e s i d u a la u s t c n i t e 8 东北大学硕士学位论文1 绪论 粒存在，而贝氏体的尺寸约为1 u m ，未观察到薄膜状的残余奥氏体【3 7 】。在透射电镜下可 以观察到残余奥氏体内部分布着高密度的位错，如图1 6 ( a ) 所示【36 j ；热轧后在4 0 0 l h 卷取的t r i p 钢薄膜试样中，由于碳元素的扩散，导致了残余奥氏体开始部分分解( 如 图1 6 f b l 所示) p “。 将0 1 1 c 一1 5 0 s i 1 5 3 m n 冷轧t r i p 钢在( + y ) 两相区退火后，快冷至3 7 5 - 4 5 0 等温处理，淬水到室温，在透射电镜下观察到贝氏体单元是由平行的铁素体板条组合而 成，而残余奥氏体己部分转化为贝氏体【3 8 】。 1 2 4 合金元素对t r i p 钢组织性能的影响 近2 0 年来，t r i p 效应的研究集中于高强度低合金钢，成分( 质量分数) 主要是在 c0 1 0 4 ，s i1 o 2 o ，m n l 0 2 o 范围内加入微量n b 、v 或t i 等元素的 弥散强化或固溶强化的低碳s i m n 钢。 碳在奥氏体中溶解度很大，而在铁素体中的溶解度却很小。它能减慢奥氏体中原子 的扩散速度，延长奥氏体转变前的孕育期，减慢转变速度，从而增加了奥氏体的稳定性。 若含碳量高，残余奥氏体数量增多，有利于t r i p 效应产生，然而焊接性能恶化，轧制 过程中产生晶体缺陷的几率增大，并且固溶强化作用增强导致强度增加而塑性降低。含 碳量低，产生的影响恰好相反。因此，选取的含碳量一般为o 1 o 2 。 s i 是铁素体形成元素，主要以固溶方式存在于t r i p 钢中，在贝氏体形成过程中能 抑制碳化物的形成，使贝氏体周围的奥氏体富碳，这部分奥氏体容易保留至室温成为残 余奥氏体。所阱，较高的s i 含量有利于获得较多的残余奥氏体量。m n 是奥氏体稳定元 素，奥氏体中m n 含量的提高，也有利于获得较多的残余奥氏体。文献【9 认为，s i 与 m n 相比较，s i 对残余奥氏体量的影响是主要的，并且认为，随s i 、m n 比的增加，残 余奥氏体量增加。但是，较高的s i 含量会形成很厚的氧化铁皮层，热轧时易被压入带 钢表面。氧化铁皮也难以在酸洗时去除，直接影响热轧带钢的表面特性，恶化钢的热轧 性能和表面镀覆性能【3 9 1 。所以，目前各国研究人员正致力于低s i 的t r i p 钢和s i 替代 元素( 如a 1 ) 的研究 4 ，文献 4 0 1 发现铝代硅钢的残余奥氏体体积分数高于参比钢种， 应变后，c m n a 1 一s i 钢的残余奥氏体量高于c m n s i 钢，但退火温度和时间在不同组 合方式下没有太大的变化，c m n a 1 s it r i p 钢中残余奥氏体c 含量高于常规t r i p 钢。 铝降低奥氏体的稳定性，促进珠光体的转变，当铝含量超过0 5 以后增加至2 3