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超细晶Q&P钢的组织控制及其演变规律

丁然  
【摘要】:在不断发展的汽车轻量化以及钢铁工业产品结构优化的背景下,第三代汽车先进高强钢的开发成为了世界企业与科研人员研究的重点之一。在这其中,淬火-配分(QP)钢由于其新颖的热处理概念,是最具发展前景的第三代先进高强钢,受到人们的高度重视。本文从形变热处理设计及组织演变控制方面入手,将晶粒细化技术与QP热处理工艺相结合,开发一种新型超细晶QP钢,并围绕该种新型超细晶QP钢的工艺设计、碳配分机理以及组织演变规律展开系统研究,主要工作和结果如下。在传统QP钢的成分基础上,通过差别化的C、Mn元素含量设计了三种实验钢的成分体系,以研究不同元素对于相变规律的以及对后续热处理过程中超细晶组织的形成等的影响。通过动态连续冷却曲线的测定、Thermo-calc模拟以及修正后的超组元模型对实验钢的相变规律进行了研究。实验结果表明,Mn含量的增加明显降低了两相区温度区间,同时扩大了铁素体+奥氏体+渗碳体的三相区温度区间范围,同时增加强烈的抑制了铁素体和珠光体等扩散相变;而C含量的增加明显降低了Ae3点,碳化物完全溶解温度也明显上升,铁素体+奥氏体+渗碳体的三相区温度区间范围也得到了扩大,同时使得马氏体临界冷却速度减小。开发了一种通过冷轧回火态马氏体组织+随后的QP热处理的方法,制备出了铁素体基体平均尺寸为1μm左右的超细晶QP钢。其中回火过程使得淬火态马氏体组织硬度降低,并明显的降低了马氏体组织的变形抗力,有利于后续冷轧过程的顺利进行;回火温度对于后续晶粒尺寸的几乎没有影响,而退火温度、退火时间与加热速度等工艺参数对于超细晶组织的形成有着重要的影响,其影响着加热与退火过程中奥氏体的生成、碳化物的溶解以及基体的再结晶过程,进而对超细基体组织的形成产生影响;通过改进的CCE平衡模型确定了理论最佳淬火温度,并研究了不同淬火温度对于组织性能的影响,在最佳淬火温度进行QP热处理时,得到了最多的残余奥氏体以及最好的力学性能表现,但是研究结果也发现,在其他与最佳淬火温度相近的温度进行一次淬火时,对于钢的力学性能影响不大;对超细QP钢与传统粗晶QP钢的配分过程进行了比较,结果发现在基体组织细化的情况下,超细晶QP钢有着更快的残余奥氏体稳定化速度,在配分仅10s时就有着客观数量的残余奥氏体。利用C元素在FCC与BCC两相间相互分配时可能产生的系统体积变化现象,在假设相界面静止的状态下建立了C扩散的模型,并与实际膨胀仪观测结果进行比较。当配分过程进行到一定程度以后实际线膨胀量大于理论计算值,这说明在实际的配分过程中不仅仅只存在着C在两相之间的分配,还存在着其他的相变竞争过程;利用Dictra软件对配分过程进行了动力学模拟,并考虑了不同晶粒尺度下,Fe-C二元与Fe-C-Mn三元体系的动力学过程,模拟结果表明不论是马氏体中的C贫化速度还是奥氏体中的C富集速度,超细晶QP钢均快于粗晶QP钢,同时在配分过程中相界面呈现出一定的双向性:Mn的存在在一定程度上减慢了C的分配过程;而当考虑碳化物析出的影响作用时,模拟结果表明,碳化物的析出大大的降低了C元素向奥氏体中的富集,其作为C元素的“陷阱”,使得奥氏体难以获得足够的C富集程度。通过各种实验手段研究了超细晶组织的演变过程,在冷变形过程中,基体组织产生了大量的胞状结构,通过选区衍射得到了环状衍射花样,说明组织中存在大量的大角度晶界,为后续超细晶等轴晶粒的形成做了准备;而在加热过程中,碳化物的钉扎作用抑制了晶粒的长大,到达退火温度后,奥氏体的形成与碳化物的溶解同时进行,奥氏体岛的形成接替了溶解碳化物的钉扎作用,从而铁素体晶粒的长大被抑制,而未溶解的尺寸较大的碳化物则依然能够起到钉扎作用;建立了连续加热过程中再结晶-相变交互作用模型,发现加热速度的提高减少了形变态实验钢加热至奥氏体形成以前的再结晶分数,使得奥氏体的形成与基体的再结晶过程形成交互竞争关系,细化了两相区组织;研究了晶粒超细化对于QP钢组织性能的影响,组织的超细化使得屈服强度和抗拉强度明显升高,而塑性则没有下降。稍弱的瞬时加工硬化指数,但是明显的TRIP效应使得超细晶QP钢有着持续的加工硬化行为,所以有着与常规QP钢接近的塑性表现,并通过向超细晶组织中引入不同的第二相突出了残余奥氏体在超细晶钢中的作用;采用二维的代表性体积元模型的方法,建立简单的有限元模型,研究了不同的残余奥氏体尺寸以及不同的相分布对于变形过程中应力应变分布以及残余奥氏体转变行为的影响,结果表明残余奥氏体转变的马氏体对于附近奥氏体的进一步转变起着阻碍的作用,而在一次马氏体存在的情况下,超细晶QP钢的组织分布更有利于残余奥氏体最终转变量的提高。


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