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新型超高强韧中锰钢组织、力学性能及防弹性研究

沈国慧  
【摘要】:传统装甲钢为Cr-Ni-Mo系合金钢,组织由回火马氏体或回火马氏体加少量残余奥氏体组成,具有很高的强度和硬度。然而马氏体装甲钢的塑韧性较差,导致传统装甲钢在受到弹丸射击时容易产生冲塞或碎裂,降低装甲钢的使用寿命。同时Ni和Mo合金元素昂贵,提高了装甲钢的成本。本文在实验室团队大量关于中锰钢研究的前期研究积累基础上,首先开发了中锰钢关键组织特征-残余奥氏体分数以及密度等物性的相关定量计算模型,据此,以C-Si-Mn-Al为主要合金体系并结合少量V、Nb微合金设计,制备了 7-9%Mn含量的新型热轧超高强韧中锰钢,在低密度(p=7.39g/cm3)情况下获得了超高强度、高塑性和良好冲击韧性的热轧钢板,且7Mn钢经测试能够有效抵御53式7.62mm普通钢芯弹穿透,成功实现了该钢种的贵合金元素贫化和密度轻量化。通过深入细致地研究9Mn、7Mn钢在热轧和热处理中组织转变、力学性能以及防弹性能,分析了该类型钢的新型强韧化机理与防弹机理,主要结果如下。(1)中锰钢力学性能与组织中残余奥氏体密切相关,因此准确预判中锰钢中残余奥氏体数量对于成分设计和性能调控十分重要。本文首先通过实验获得的中锰钢实验数据修正和优化了中锰钢Ms转变温度预测模型,使得据此计算出的残余奥氏体分数与实测值之间误差由10%降低至5%以内;在此基础上,结合修正的马氏体和奥氏体晶格常数等经验模型,并考虑冷却过程中马氏体相变导致的体积膨胀,建立了钢的密度新计算模型,且计算值与实测值之间偏差小于±1%。(2)所设计和制备的9Mn钢,700℃长时退火5 h后得到47%Vol%的残奥,拉伸变形时约一半残奥发生转变,最终获得980MPa屈服强度、1100MPa抗拉强度和28%延伸率的力学性能。而700℃短时退火10min后,残奥分数类似但有72%残奥在变形时转变,最终获得1100 MPa屈服强度、1300 MPa抗拉强度和30%延伸率的力学性能。短时退火屈服强度增加主要是由于铁素体中位错无法在短时间内充分回复以及弥散分布的纳米碳化物对位错的钉扎作用,因此以位错强化为主并结合固溶和析出强化提高了屈服强度;而短时退火导致C/Mn向奥氏体配分不充分,稳定性下降,因此更多奥氏体形变时发生相变转变,加工硬化增强,导致抗拉强度和延伸率均增加。但5 mm厚该钢板不能有效抵御子弹穿透,说明强度为防弹性能的首位因素,而塑性贡献不大。(3)进一步改进设计并制备出约5 mm厚7Mn超高强韧热轧钢板,其组织由马氏体基体、沿轧向分层镶嵌在马氏体中的15 Vol%δ铁素体和弥散分布的16 Vol%残余奥氏体组成。经150℃-200℃回火后,在7.39 g/cm3的低密度下获得了 1300 MPa屈服强度、2120 MPa抗拉强度、13%延伸率的拉伸性能和16-24 J的室温和低温(-40℃)冲击韧性以及90°冷弯测试无裂纹的其他力学性能。结果表明其综合力学性能明显优于现有装甲钢,具备合金成本低、密度低的优势。(4)上述热轧7Mn钢由于降低密度而引入了约15 Vol%高温δ铁素体,在此情况下首次实现了高屈服强度(1300 MPa)和超高抗拉强度(2120 MPa)。因为其他含有δ铁素体低密度中锰钢的屈服强度多不超过850MPa,因此通过同步辐射原位拉伸实验深入研究了该钢在三相组织共存情况下的新型强化机制。发现奥氏体主要在屈服后开始逐渐相变转变,应力释放并转移至马氏体和δ铁素体中。三相的屈服顺序依次是马氏体、奥氏体和δ铁素体,也即在热轧时经动态再结晶细化至3 μm左右竹节状的δ铁素体晶粒沿轧向、孤岛状嵌在马氏体基体中,且δ铁素体由于热轧时内部析出的VC抑制了其在低温回火时的位错回复,导致δ铁素体自身被强化;这些特征导致δ铁素体与马氏体基体协同变形而不是优先变形屈服,因此该钢的屈服强度基本和马氏体钢一致;而后残余奥氏体在进一步变形中逐渐转变贡献了显著的加工硬化,导致超高抗拉强度。(5)7Mn超高强韧钢的新型韧化和防弹机理。经检测所开发的7Mn钢可有效抵御53式7.62 mm普通钢芯弹穿透,且无产生任何可见宏观裂纹,并在无缺口时其冲击韧性高达425J。深入分析该钢的弹坑和冲击断口附近组织,均发现该钢的δ铁素体分层组织有效改变了裂纹的传播方向,使得起裂后裂纹沿着原奥氏体晶界和被展长的层状δ铁素体/马氏体相界交替传播,这使得裂纹传播路径大大变长,而不是直接沿着钢板厚度方向传播导致穿透,同时在裂纹传播路径附近的残奥也基本转变;因此这两方面均大幅增加了裂纹传播所需的能量,改善了冲击韧性和防弹性能。因此,利用普遍认为是软相的δ铁素体来改善韧性和防弹性能是本研究的组织设计创新。


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