1200MPa級熱軋高強鋼的顯微組織與力學性能研究

楊艷萍，高永強，劉 偉，高 陽

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著計算機技術的快速發展和制造產業的更新升級，我國適時提出了“中國制造2025”行動綱要以推動我國從制造業大國向制造強國邁進。為了使制造的產品在各個方面有更突出的表現，以高強鋼為代表的大量新型材料用于航空、航天、汽車零部件、兵器及化工等工業領域，是由于這些材料具有高強度、高韌性、耐高溫、耐磨損等優異性能，但在實際加工和應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鋼的研究應用得到學者和企業的關注，因其具有良好的強塑性匹配及冷成形與焊接性能；另一方面，通過高強減重使其在航空航天和汽車等交通領域的結構件制造中取得了較大發展。

采用超快冷技術（UFC）和控扎控冷技術（TMCP）結合可以在熱軋后得到具有大量形變亞結構的過冷奧氏體，通過控制后續冷卻過程的相變，使鋼在合金元素減量化與低碳化條件下獲得高性能。本文以航空高強度鋼18Mn2CrMoBA為基礎，設計一種低碳低合金高強結構鋼，研究在此UFC-TMCP技術工藝下的組織形態及其對力學性能的影響，為進一步研究開發新鋼種及其應用提供依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試驗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，化學成分見表1。從成分上看試驗鋼為低碳鋼，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起到固溶強化和擴大奧氏體相區的作用；極微量的B提高了淬透性。

表1 試驗鋼的主要化學成分

1.2 實驗方法

將鍛成38 mm×70 mm×120 mm的坯料加熱到1250℃保溫1 h，接著在二輥試驗軋機上進行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準的金相樣品，用4%硝酸酒精溶液侵蝕以觀察組織，同時用lepera溶液侵蝕，并利用ZEISS(蔡氏)Axioplan2型萬能顯微鏡 (OM)對各組成相進行金相觀察，接著采用Nova nano 400型掃描電子顯微鏡（SEM）對高強鋼組織進行電鏡觀察與定量分析。之后，在JEM-2100F型透射電鏡（TEM）下觀察各組織的內部結構。試樣的機械性能按GB/T 228.1-2010沿板軋向切取板狀拉伸試樣，寬度為12.5 mm，標距為50 mm，在液壓式萬能材料試驗機上進行了拉伸試驗，測量得到拉伸力學性能和n值。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗鋼的顯微組織觀察

試驗鋼的顯微組織如圖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小的多邊形和等軸狀，呈白亮色，采用IPP圖像分析軟件測得其鐵素體體積分數約為30%，中部的鐵素體（圖1a）晶粒尺寸較邊部（圖1b）略粗大，是由于邊部等溫時的冷速大，鐵素體形核多，得到的鐵素體大多組織細小。

圖1 試驗鋼的顯微組織圖

圖2 試驗鋼的SEM組織圖

2.2 試驗鋼的掃描觀察與分析

為了觀察馬氏體板條內的組織，得到試驗鋼的SEM組織（圖2），馬氏體為擴散型相變，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。試驗鋼熱軋后超快冷，使過冷奧氏體中保留了大量的形變亞結構，這些形變亞結構對后續鐵素體和馬氏體的形成均有促進作用，并細化了相變組織[3,4]。得到的鐵素體晶粒細小，約為2-3 um，內部有較多的碳化物析出相。得到的馬氏體內部有較多細的板條，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長大，馬氏體相變使體積膨脹，切邊出現的浮凸使界面不平。

2.3 力學性能結果及機理分析

試驗鋼的工程應力應變曲線如圖3所示。由圖可知，該試驗鋼抗拉強度達到1261 MPa，屈服強度達到770 MPa，伸長率較高為12.5%，屈強比較小為0.61，應變硬化率n值有0.12，低的屈強比和高的n值可使材料在低于斷裂應力時有較大應變的塑性變形，減小了應力集中，提高了材料的均勻變形與抗斷裂能力，說明試驗鋼的力學性能和沖壓成形性能較好。圖中顯示曲線為連續屈服，是由于熱軋后的奧氏體經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散進一步降低了鐵素體中碳的含量，而試樣拉伸時主要由鐵素體承擔塑性變形，這樣就減小了碳原子在塑性變形過程中對位錯的釘扎，且后續馬氏體相變膨脹擠壓周圍鐵素體產生大量可動位錯，故曲線平滑為連續屈服。

圖3 試驗鋼應力應變曲線

試驗鋼中馬氏體的精細組織如圖4所示，板條馬氏體內部有較多細的長條馬氏體，條寬約0.3 um，是由于熱軋后超快冷保留的形變亞結構細化了原奧氏體組織，細的馬氏體長條提高了材料的協調變形能力，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化了晶粒和提高了試驗鋼的強度。因此，試驗鋼通過馬氏體+鐵素體+析出相的多相復合表現出優良的強韌性，適用于交通結構高強度材料。

3 結論

1）試驗鋼通過UFC+TMCP工藝可以制備得到1200MPa級的高強鋼，得到馬氏體+鐵素體+析出相的多相復合組織，表現出優良的強韌性。

2）高強鋼具有加工硬化、細晶強化、第二相彌散強化與亞晶結構等強韌化機制。

3）鐵素體承擔塑性變形，馬氏體和析出相有高強度，可使熱軋高強鋼的抗拉強度達到1261MPa，伸長率較高為12.5%，屈強比較小為0.61，n值有0.12。

4）試驗鋼可考慮納入航空航天的結構件鋼制產品選材范圍，并為進一步研究開發新鋼種及其應用提供依據。