供稿|趙欣，劉芳 / ZHAO Xin, LIU Fang

汽車工業(yè)為了同時實現(xiàn)汽車的輕量化和安全性的目標(biāo)，需要開發(fā)一種抗拉強度超過1 GPa的可成形的超高強度鋼。因此，正在開發(fā)的第三代汽車用鋼要求同時具備高的強度和高的成形性能。主要影響材料的硬度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、抗拉強度、沖擊功、疲勞壽命等力學(xué)性能為熱處理工藝，目前采用不同的熱處理工藝提高材料的力學(xué)性能的工藝方法，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實際中[1]。

中錳鋼的雙相區(qū)退火可以得到比奧氏體單相區(qū)退火更好的力學(xué)性能和微觀組織。中低錳鋼的力學(xué)性能強烈依賴于退火溫度。這種正相關(guān)性有利于通過改變中錳鋼不同的力學(xué)性能來適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。文章介紹了三類中錳鋼的力學(xué)性能與退火熱處理的關(guān)系。

低錳鋼具有較好的淬透性、合適的延展性、高強度、高疲勞強度和抗蠕變性。這種鋼主要用于大功率傳動軸，在汽車工業(yè)和電力行業(yè)的應(yīng)用正逐步增加。Mn-Cr-Ni-Mo鋼是低錳鋼典型的代表，是一種超高強度低合金馬氏體鋼。文章介紹了不同的熱處理工藝對Mn-Cr-Ni-Mo低錳鋼的組織和性能的影響。

中錳鋼的不同分類及熱處理工藝

第一類中錳鋼

第一類中錳鋼合金體系中錳元素的強化作用是通過獲得馬氏體組織，并且在隨后的逆轉(zhuǎn)變過程中促進馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)晶的鐵素體和奧氏體組織，如表1所示。

第二類中錳鋼

第二類中錳鋼在馬氏體逆轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上得到具有兩類晶粒尺寸分布的組織結(jié)構(gòu)——超細(xì)晶的鐵素體和奧氏體組織與粗大的d鐵素體。 Al元素的作用主要是防止d鐵素體轉(zhuǎn)變。高溫奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并在隨后的雙相區(qū)退火后逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，得到超細(xì)晶的鐵素體和奧氏體組織，如表2所示。

表1 第一類中錳鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 第二類中錳鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

第三類中錳鋼

第三類中錳鋼的特征為碳化物的再溶解和雙晶粒尺寸分布，即超細(xì)晶的鐵素體和奧氏體以及粗大的d鐵素體，如表3所示。由于該合金體系含有大量的Al，因此鋼板的密度較低。相對高的C含量會在加工過程中出現(xiàn)碳化物，例如，工業(yè)生產(chǎn)過程中的熱軋和卷曲階段。

表3 第三類中錳鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

退火溫度對于中錳鋼力學(xué)性能的影響

第一類中錳鋼的力學(xué)行為和微觀組織如圖1所示。實驗結(jié)果表明：盡管經(jīng)過640℃退火，鋼板的強塑積接近20000 MPa·%，但是由于大部分的變形量是由局部變形導(dǎo)致的，因而這種變形行為限制了其實際應(yīng)用。

圖1 中錳鋼(Fe-0.05%C-6%Mn-1.4%Si)退火溫度和應(yīng)力曲線以及微觀組織照片

變形過程中出現(xiàn)長的屈服平臺，這種現(xiàn)象與鐵素體的靜態(tài)應(yīng)變時效有關(guān)，并且缺乏諸如TRIP和TWIP效應(yīng)的加工硬化機制。圖2所示為鐵素體晶粒通過位錯滑移變形，而奧氏體通過不全位錯的滑移來變形。奧氏體選區(qū)衍射結(jié)果表明奧氏體中沒有產(chǎn)生孿晶和發(fā)生相變。

圖2 第一類中錳鋼(Fe-0.1%C-7.1% Mn 0.05% C-1.4% Si(層錯能<10 mJ/m2))的透射電鏡照片

含V的第二類中錳鋼的力學(xué)行為如圖3所示，其組織結(jié)構(gòu)特征為超細(xì)晶的鐵素體和奧氏體加上粗大的d鐵素體。圖3比較了DP780、DP980和兩種第二類中錳鋼的力學(xué)性能。實驗結(jié)果表明：第二類中錳鋼具有連續(xù)屈服變形特征，并且退火溫度與當(dāng)前鋼廠中連續(xù)退火生產(chǎn)線的溫度相一致。

第三類中錳鋼的抗拉強度較低，其力學(xué)性能與第二類中錳鋼的力學(xué)性能相近。另外，第三類中錳鋼較高的C含量會導(dǎo)致動態(tài)應(yīng)變時效。

圖3 DP780、DP980 和第二類中錳鋼的力學(xué)性能比較

不同熱處理工藝對低錳鋼力學(xué)性能的影響

淬火和回火工藝的改變有助于生產(chǎn)強度和韌性匹配優(yōu)良的大截面低錳鋼零件，這種性能的獲得是基于淬火時產(chǎn)生的馬氏體組織和隨后細(xì)小彌散的合金碳化物的析出。因為早期使用的馬氏體鋼不經(jīng)過回火處理，淬火時會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以回火步驟就變得非常重要。由于低錳鋼易受馬氏體回火脆性的影響，因此在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)以適當(dāng)?shù)睦鋮s速率回火非常必要。目前的研究集中在淬火過程中不同淬火介質(zhì)下的冷卻速率和回火參數(shù)兩個方面。

表4給出了在不同的熱處理溫度下，冷卻速率對34CrNiMo6鋼極限抗拉強度、屈服強度、沖擊功、硬度和晶粒尺寸的影響。隨著冷卻速率增加，晶粒尺寸減小。通常較細(xì)的晶粒尺寸會賦予更好的韌性(沖擊功)，但是事實上細(xì)的晶粒尺寸降低鋼的沖擊功，可能的原因是鋼的組織結(jié)構(gòu)中存在上貝氏體。

不同冷卻速率下熱處理鋼的顯微組織顯示：隨著冷卻速率從4℃/min增加到12℃/min，貝氏體數(shù)量增加。速率為4℃/min時，貝氏體含量是30.4%；速率為8℃/min時，貝氏體含量是51.2%；速率為12℃/min時，貝氏體含量是75.4%。顯微照片表明試驗鋼分別在聚合物、油和水介質(zhì)下淬火的組織中含有回火馬氏體。

按照轉(zhuǎn)動軸實驗規(guī)范進行34CrNiMo6鋼力學(xué)實驗，性能結(jié)果見表5。不同回火下的強度和塑性變化分別見圖4。從圖4(a)可以看出，隨著回火溫度的增加，屈服強度和極限抗拉強度相應(yīng)降低。另外，圖4(b)表明，斷面收縮率隨著回火溫度的增加而增加。

表4 34CrNiMo6鋼不同熱處理工藝下的力學(xué)性能

表5 回火溫度對34CrNiMo6鋼力學(xué)性能的影響

從圖5(a)可以看出，隨著回火溫度的增加硬度逐漸降低。圖5(b)給出了回火溫度對耐沖擊強度的變化情況，隨著回火溫度的增加，耐沖擊強度呈上升趨勢。

試樣在正火+淬火+回火處理(回火溫度分別為400、500、600、700℃)下的光學(xué)顯微組織照片表明：組織中包括回火馬氏體和貝氏體；由于回火溫度增加，馬氏體分?jǐn)?shù)減少，導(dǎo)致試樣的強度降低，而塑性和韌性增加，即韌塑性隨回火溫度的增加而增加。

圖4 回火溫度對屈服強度和極限抗拉強度(a)及斷面收縮率(b)的影響

圖5 回火溫度與對硬度(a)和沖擊功(b)的影響

結(jié)束語

1) 第一類中錳鋼具有完全的超細(xì)晶組織，盡管其具有良好的強塑性，但是其變形特點難以適應(yīng)汽車工業(yè)的應(yīng)用。第二類中錳鋼具有細(xì)晶的鐵素體-奧氏體組織和粗大的d鐵素體組織，具有能夠滿足汽車工業(yè)的變形行為。因而中錳鋼能夠提供一種成本較低的可以替代TWIP鋼的鋼種。

2) 中錳鋼具有多種微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的與工藝相關(guān)的力學(xué)性能，經(jīng)過兩相區(qū)退火有可能得到最佳的力學(xué)性能。

3) 淬火和回火工藝的改變有助于生產(chǎn)強度和韌性匹配優(yōu)良的大截面低錳鋼零件，這種性能的獲得是基于淬火時產(chǎn)生的馬氏體組織和隨后細(xì)小彌散的合金碳化物的析出。

[1] Weng Y Q, Dong H, Gan Y. The recent development of advanced automobile steel sheets and long products// 2009 International Symposium on Automobile Steel. Dalian, 2009.