楊艷萍，高永強(qiáng)，劉 偉，高 陽(yáng)

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和制造產(chǎn)業(yè)的更新升級(jí)，我國(guó)適時(shí)提出了“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱要以推動(dòng)我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。為了使制造的產(chǎn)品在各個(gè)方面有更突出的表現(xiàn)，以高強(qiáng)鋼為代表的大量新型材料用于航空、航天、汽車零部件、兵器及化工等工業(yè)領(lǐng)域，是由于這些材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨損等優(yōu)異性能，但在實(shí)際加工和應(yīng)用中也存在難以切削和成形困難等問題[1,2]。以馬氏體為基的多相高強(qiáng)鋼的研究應(yīng)用得到學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注，因其具有良好的強(qiáng)塑性匹配及冷成形與焊接性能；另一方面，通過高強(qiáng)減重使其在航空航天和汽車等交通領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件制造中取得了較大發(fā)展。

采用超快冷技術(shù)（UFC）和控扎控冷技術(shù)（TMCP）結(jié)合可以在熱軋后得到具有大量形變亞結(jié)構(gòu)的過冷奧氏體，通過控制后續(xù)冷卻過程的相變，使鋼在合金元素減量化與低碳化條件下獲得高性能。本文以航空高強(qiáng)度鋼18Mn2CrMoBA為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種低碳低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，研究在此UFC-TMCP技術(shù)工藝下的組織形態(tài)及其對(duì)力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步研究開發(fā)新鋼種及其應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼原料采用鈣處理工藝，其N、P和S含量偏下限控制和真空脫氣處理，化學(xué)成分見表1。從成分上看試驗(yàn)鋼為低碳鋼，使其具有較好的成形加工性能和良好的焊接性能；一定量的Mn起到固溶強(qiáng)化和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的作用；極微量的B提高了淬透性。

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將鍛成38 mm×70 mm×120 mm的坯料加熱到1250℃保溫1 h，接著在二輥試驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行5道次大壓下軋制，開軋溫度為1160℃，終軋溫度為820～850℃，軋后得到4.0 mm厚的試驗(yàn)鋼板，超快冷至680℃并等溫8 s析出先共析鐵素體，最后水淬至300℃卷取得到馬氏體。沿軋板縱向切割制備得到標(biāo)準(zhǔn)的金相樣品，用4%硝酸酒精溶液侵蝕以觀察組織，同時(shí)用lepera溶液侵蝕，并利用ZEISS(蔡氏)Axioplan2型萬能顯微鏡 (OM)對(duì)各組成相進(jìn)行金相觀察，接著采用Nova nano 400型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)高強(qiáng)鋼組織進(jìn)行電鏡觀察與定量分析。之后，在JEM-2100F型透射電鏡（TEM）下觀察各組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。試樣的機(jī)械性能按GB/T 228.1-2010沿板軋向切取板狀拉伸試樣，寬度為12.5 mm，標(biāo)距為50 mm，在液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測(cè)量得到拉伸力學(xué)性能和n值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)鋼的顯微組織觀察

試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖1所示，均由鐵素體軟相+馬氏體硬相組成，馬氏體基體連成片，呈深褐色，說明試驗(yàn)鋼卷取后馬氏體有一定的自回火，得到回火馬氏體；鐵素體在馬氏體基體上呈細(xì)小的多邊形和等軸狀，呈白亮色，采用IPP圖像分析軟件測(cè)得其鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為30%，中部的鐵素體（圖1a）晶粒尺寸較邊部（圖1b）略粗大，是由于邊部等溫時(shí)的冷速大，鐵素體形核多，得到的鐵素體大多組織細(xì)小。

圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織圖

圖2 試驗(yàn)鋼的SEM組織圖

2.2 試驗(yàn)鋼的掃描觀察與分析

為了觀察馬氏體板條內(nèi)的組織，得到試驗(yàn)鋼的SEM組織（圖2），馬氏體為擴(kuò)散型相變，相變后組織較硬凸出，鐵素體是由過冷奧氏體冷卻析出，相變后組織較軟凹下去。試驗(yàn)鋼熱軋后超快冷，使過冷奧氏體中保留了大量的形變亞結(jié)構(gòu)，這些形變亞結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)鐵素體和馬氏體的形成均有促進(jìn)作用，并細(xì)化了相變組織[3,4]。得到的鐵素體晶粒細(xì)小，約為2-3 um，內(nèi)部有較多的碳化物析出相。得到的馬氏體內(nèi)部有較多細(xì)的板條，邊部有部分為鋸齒狀，是由于板條馬氏體在鐵素體和奧氏體邊界形核并向晶內(nèi)長(zhǎng)大，馬氏體相變使體積膨脹，切邊出現(xiàn)的浮凸使界面不平。

2.3 力學(xué)性能結(jié)果及機(jī)理分析

試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖可知，該試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到1261 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到770 MPa，伸長(zhǎng)率較高為12.5%，屈強(qiáng)比較小為0.61，應(yīng)變硬化率n值有0.12，低的屈強(qiáng)比和高的n值可使材料在低于斷裂應(yīng)力時(shí)有較大應(yīng)變的塑性變形，減小了應(yīng)力集中，提高了材料的均勻變形與抗斷裂能力，說明試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能和沖壓成形性能較好。圖中顯示曲線為連續(xù)屈服，是由于熱軋后的奧氏體經(jīng)超快冷后有先共析鐵素體析出，碳由鐵素體向過冷奧氏體擴(kuò)散進(jìn)一步降低了鐵素體中碳的含量，而試樣拉伸時(shí)主要由鐵素體承擔(dān)塑性變形，這樣就減小了碳原子在塑性變形過程中對(duì)位錯(cuò)的釘扎，且后續(xù)馬氏體相變膨脹擠壓周圍鐵素體產(chǎn)生大量可動(dòng)位錯(cuò)，故曲線平滑為連續(xù)屈服。

圖3 試驗(yàn)鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線

試驗(yàn)鋼中馬氏體的精細(xì)組織如圖4所示，板條馬氏體內(nèi)部有較多細(xì)的長(zhǎng)條馬氏體，條寬約0.3 um，是由于熱軋后超快冷保留的形變亞結(jié)構(gòu)細(xì)化了原奧氏體組織，細(xì)的馬氏體長(zhǎng)條提高了材料的協(xié)調(diào)變形能力，得到的n值較高為0.12。馬氏體條上也觀察到較多的析出相，尺寸約為50-100 nm，呈圓片狀，經(jīng)能譜分析為含Nb和Ti的碳化物，這些彌散分布的析出相有效的細(xì)化了晶粒和提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。因此，試驗(yàn)鋼通過馬氏體+鐵素體+析出相的多相復(fù)合表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)韌性，適用于交通結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度材料。

3 結(jié)論

1）試驗(yàn)鋼通過UFC+TMCP工藝可以制備得到1200MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼，得到馬氏體+鐵素體+析出相的多相復(fù)合組織，表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)韌性。

2）高強(qiáng)鋼具有加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化與亞晶結(jié)構(gòu)等強(qiáng)韌化機(jī)制。

3）鐵素體承擔(dān)塑性變形，馬氏體和析出相有高強(qiáng)度，可使熱軋高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1261MPa，伸長(zhǎng)率較高為12.5%，屈強(qiáng)比較小為0.61，n值有0.12。

4）試驗(yàn)鋼可考慮納入航空航天的結(jié)構(gòu)件鋼制產(chǎn)品選材范圍，并為進(jìn)一步研究開發(fā)新鋼種及其應(yīng)用提供依據(jù)。