熱處理工藝對汽車用含錳鋼性能的影響

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，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、韌脆轉變溫度、抗拉強度、沖擊功、疲勞壽命等力學性能為熱處理工藝，目前采用不同的熱處理工藝提高材料的力學性能的工藝方法，已廣泛應用于生產(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)退火更好的力學性能和微觀組織。中低錳鋼的力學性能強烈依賴于退火溫度。這種正相關性有利于通過改變中錳鋼不同的力學性能來適應不同的應用需求。文章介紹了三類中錳鋼的力學性能與退火熱處理的關系。

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，并且在隨后的逆轉變過程中促進馬氏體轉變?yōu)槌毦У蔫F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變的基礎上得到具有兩類晶粒尺寸分布的組織結構——超細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鐵素體轉變。高溫奧氏體部分轉變?yōu)轳R氏體，并在隨后的雙相區(qū)退火后逆轉變?yōu)閵W氏體，得到超細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成分(質(zhì)量分數(shù))

表2 第二類中錳鋼的化學成分(質(zhì)量分數(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成分 (質(zhì)量分數(shù))

退火溫度對于中錳鋼力學性能的影響

第一類中錳鋼的力學行為和微觀組織如圖1所示。實驗結果表明：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致的，因而這種變形行為限制了其實際應用。

圖1 中錳鋼(Fe-0.05%C-6%Mn-1.4%Si)退火溫度和應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)應變時效有關，并且缺乏諸如TRIP和TWIP效應的加工硬化機制。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行為如圖3所示，其組織結構特征為超細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性能。實驗結果表明：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，其力學性能與第二類中錳鋼的力學性能相近。另外，第三類中錳鋼較高的C含量會導致動態(tài)應變時效。

圖3 DP780、DP980 和第二類中錳鋼的力學性能比較

不同熱處理工藝對低錳鋼力學性能的影響

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?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。通常較細的晶粒尺寸會賦予更好的韌性(沖擊功)，但是事實上細的晶粒尺寸降低鋼的沖擊功，可能的原因是鋼的組織結構中存在上貝氏體。

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。

按照轉動軸實驗規(guī)范進行34CrNiMo6鋼力學實驗，性能結果見表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性能

表5 回火溫度對34CrNiMo6鋼力學性能的影響

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，馬氏體分數(shù)減少，導致試樣的強度降低，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

結束語

1) 第一類中錳鋼具有完全的超細晶組織，盡管其具有良好的強塑性，但是其變形特點難以適應汽車工業(yè)的應用。第二類中錳鋼具有細晶的鐵素體-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構和復雜的與工藝相關的力學性能，經(jīng)過兩相區(qū)退火有可能得到最佳的力學性能。

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.