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新型Q-P-T钢的高强塑性及工程实施的探索

周澍

  在徐祖耀院士提出的淬火-分配-回火(Q-P-T)热处理思想的指导下,本文设计了成分为0.256C-1.2Si-1.48Mn-1.5Ni-0.05Nb (wt.%)的低碳Q-P-T钢及其热处理工艺。同时,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、热模拟实验和力学性能测试等方法,研究了Q-P-T工艺中回火参数的选择对钢件力学性能和显微组织的影响,并着重探讨了Q-P-T钢在室温拉伸过程中加工硬化行为的特点;观察了Q-P-T钢在不同拉伸温度下力学性能和显微组织的演变规律,并对残余奥氏体的稳定性进行了重点分析;最后,分析了Q-P-T工艺在工业生产中应用的可能性,并在此基础上,尝试设计了12 mm和20 mm的高强度热轧中厚板的热处理工艺。本文主要研究成果如下: 首先,设计了低碳Q-P-T钢,其化学成分为:0.256C-1.2Si-1.48Mn-1.5Ni-0.05Nb(wt.%),同时参考了Speer等人提出的CCE热力学模型,理论预测了Q-P-T工艺的初始淬火温度,并采用热模拟实验的方法设计了相应的热处理工艺:奥氏体化温度为930℃,初始淬火温度为290℃,回火温度为350~450℃,回火时间为15~3600 s。结果表明,350℃短时(30 s)回火的Q-P-T工艺处理得到的钢件具有较高的抗拉强度,其抗拉强度值接近1500 MPa,同时断后延伸率仍能保持在14%,强塑积为21000 MPa%;而经425℃短时(30 s)回火的Q-P-T工艺处理的钢件具有较好的塑性,其断后延伸率可达17%以上,同时其抗拉强度仍能达到1265 MPa,强塑积为22000 MPa%。两种Q-P-T钢的微观组织均为位错型板条马氏体和薄片状残余奥氏体,且细小的碳化物弥散分布在马氏体基体上,起到了一定的析出强化作用。其中,350℃短时回火Q-P-T钢的碳化物主要为HCP型ε过渡型碳化物,而425℃短时回火Q-P-T钢的碳化物则主要为FCC型(B1型)NbC微合金碳化物。然而,在经历425℃长时(3600 s)回火的Q-P-T工艺处理后,钢件中残余奥氏体的含量减少,生成了渗碳体(Fe3C)颗粒,钢件的力学性能也发生了下降。此外,分析了Q-P-T钢在室温拉伸过程中的加工硬化行为的特点。Q-P-T钢的加工硬化速率随应变的增加而下降,且在高应变时,加工硬化速率的下降趋势变缓,并出现较长的平台区。加工硬化指数则呈现三阶段变化,三个阶段分别为快速下降阶段,平台阶段和二次下降阶段。而残余奥氏体在拉伸过程中发生的马氏体相变及产生的TRIP效应则可能是Q-P-T钢在拉伸过程中加工硬化行为呈现上述变化的原因。 其次,重点研究了经Q-P-T工艺(初始淬火温度为290℃,回火工艺为425℃/30 s)处理后的试样在不同拉伸温度下的力学性能和显微组织的变化规律。结果表明,在-85~25℃拉伸时,试样展现了良好的低温稳定性,整个温度区间内,具有不亚于室温的力学性能;在25~300℃拉伸时,试样呈现了优异的强塑性,且在200℃时各项力学性能值达到峰值,抗拉强度为1300 MPa,屈服强度为940 MPa,断后延伸率和强塑积则分别为22%和28600 MPa%;当拉伸温度在300℃以上时,试样的力学性能开始发生恶化。对比室温显微组织可知,-85℃时,试样中各相均未发生显著变化,这也是Q-P-T钢在-85℃拉伸时仍具有良好强塑性的一个主要原因;200℃时,残余奥氏体含量略有减少,且在马氏体板条上析出了大量的ε过渡碳化物,残余奥氏体显著的TRIP效应和ε过渡碳化物的析出强化作用共同提高了Q-P-T钢的强度和塑性;400℃时,板条马氏体发生回火软化,板条变宽,部分残余奥氏体发生分解,含量下降,渗碳体在马氏体板条上和条间形成,三者共同导致了Q-P-T钢力学性能的恶化。此外,本文还着重分析了试样中残余奥氏体在不同拉伸温度下稳定性的变化特点,并依靠实验数据结合理论分析,得到了表征其稳定性的四个特征温度值,即,低温马氏体转变温度Ms<-85℃,残余奥氏体分解温度MT = 300℃,应力状态下残余奥氏体开始向马氏体转变的温度Msσ= 0℃,残余奥氏体在应力作用下不发生马氏体相变仅发生塑性变形的温度Md = 473℃。 最后,对Q-P-T工艺在工程中实施的可能性进行了探讨,从理论上说明了在连续冷却过程中也存在着碳分配效应,即连续冷却过程也可以稳定一定量的残余奥氏体,并结合“预冷+水淬+空冷自回火”的热处理方法为两种不同尺寸的热轧中厚板设计了相应的热处理工艺。其中,为模拟热轧中厚板的在线连续冷却过程,在实现20 mm热轧中厚板的热处理过程时采用了上海交通大学设计的穿水淬火冷却设备。显微组织表征结果显示,热轧中厚板经热处理后,其显微组织主要为马氏体、残余奥氏体和NbC,且随着钢件尺寸的增大,靠近心部的区域开始出现贝氏体。拉伸结果表明,两种中厚板的屈服强度均达到900 MPa以上,抗拉强度在1200 MPa以上,同时具有15%以上的延伸率,展现了良好的强塑性,达到设计的性能。可以说,常用的“预冷+水淬+空冷自回火”的热处理过程中在一定程度上也存在Q-P-T效应,这在设计高强热轧中厚板热处理工艺时显示了一定的潜力,而这也为Q-P-T工艺设计思想在工业生产中的推广提供了参考依据。……   
[关键词]:淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺;马氏体;残余奥氏体;碳化物;相变诱发塑性
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:上海交通大学2012年