碳錳含量對馬氏體鋼力學(xué)性能的影響

鄧照軍　林承江　趙　杰　洪夢慶　彭　周

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080； 2.神龍汽車有限公司技術(shù)中心　湖北　武漢：430056)

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碳錳含量對馬氏體鋼力學(xué)性能的影響

鄧照軍1林承江1趙杰2洪夢慶1彭周1

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080； 2.神龍汽車有限公司技術(shù)中心湖北武漢：430056)

摘要研究了4種以C、Mn元素為主的試驗鋼，在相同軋制及淬火工藝下的組織與力學(xué)性能，并利用金相與透射電鏡對淬火、回火后的試樣進行了組織分析。試驗結(jié)果表明：當(dāng)C含量為0.21%、Mn含量為1.5%～1.9%時，經(jīng)過860℃保溫600s后水冷，然后再加熱至350℃時效600s后空冷，試樣的屈服強度達(dá)到1145～1171MPa，抗拉強度達(dá)到1270～1304MPa，伸長率A80mm≥3.05%。微觀組織分別表現(xiàn)為：淬火后的試樣中板條馬氏體居多，而回火后的試樣中板條馬氏體內(nèi)有大量碳化物析出。

關(guān)鍵詞馬氏體鋼；淬火；時效

馬氏體鋼是目前商業(yè)化高強度鋼板中強度級別最高的鋼種，其生產(chǎn)工藝是通過完全奧氏體化后淬火+時效處理，得到回火馬氏體組織，主要用于成形要求不高的車門防撞桿等零件來取代以往的管狀零件，從而減少制造成本，隨著汽車輕量化的要求日益突出，高強鋼的應(yīng)用將會越來越廣泛[1,2]。

代曉莉等人[3]研究了一種熱軋態(tài)馬氏體鋼，其主要成分為C(0.15%～0.18%)、Si(0.21%～0.23%)、Mn(1.6%～1.8%)，并添加了適量的鈮、鈦等微合金化元素，通過控軋控冷最終得到6mm厚的熱軋馬氏體鋼，其屈服強度達(dá)到1050MPa，抗拉強度達(dá)到1397MPa，伸長率達(dá)到10.5%。Artem等人[4]研究了幾種C、Mn并添加Cr、Ti的冷軋淬火馬氏體鋼，當(dāng)C含量為0.1%～0.15%、Mn含量為4.7%時，淬火后得到的馬氏體鋼抗拉強度超過1387MPa；當(dāng)C含量為0.38%、Mn含量為1.2%，并添加適量Cr、Si、Ti后，抗拉強度達(dá)到1875MPa以上。

本文采用C含量為0.14%～0.21%、Mn含量為1.5%～2.4%的簡單成分試驗鋼，通過熱軋、冷軋至1.2mm，然后淬火水冷并時效處理，最終得到抗拉強度超過1200MPa的馬氏體鋼。

1試驗方法

1.1試樣制備

采用50kg真空感應(yīng)爐冶煉4個成分的試驗鋼鑄錠，成分見表1。將鑄錠于1250℃加熱2小時并用軋機開坯成40mm厚板坯，隨后再加熱保溫?zé)彳?，熱軋開軋溫度1100℃，終軋溫度860℃，熱軋最終厚度3.5mm，軋后堆垛空冷。熱軋板坯酸洗后，冷軋至1.2mm厚。

表1　試驗鋼的化學(xué)成分(wt%)

試樣的熱處理采用11kW的箱式加熱爐進行，冷軋試樣的尺寸剪切成100mm×220mm，先將箱式爐的溫度升高至860℃并保持恒溫，然后加入冷軋試樣，加熱600s后取出試樣水淬。

切取部分淬火試樣做組織觀察和力學(xué)性能測試，且部分試樣在350℃時效600s后取出空冷。

1.2檢驗方法

由于熱處理后試樣強度較高，直接采用線切割加工成80mm標(biāo)距，平行部寬度為12.5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用Z050萬能拉伸試驗機進行力學(xué)性能測試，余樣進行金相組織觀察。同時將試樣制備成透射電鏡薄膜樣品，采用型號為JEM-2100F透射電鏡進行組織觀察。

2試驗結(jié)果

2.1熱軋態(tài)試樣的金相組織與力學(xué)性能分析

采用Thermo-Calc軟件計算試驗鋼的AC3溫度，4種試驗鋼的AC3溫度點為793～802℃，熱軋的精軋出口溫度控制在860±30℃，即奧氏體單相區(qū)，在軋后的空冷中，奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體+珠光體。該鋼還需要冷軋至1.2mm，而熱軋厚度為3.5mm，冷軋的壓下量為65.7%，為了便于冷軋，熱軋精軋后采用了空冷并堆垛，降低冷卻速度，得到鐵素體+珠光體組織。

圖1為試樣的熱軋態(tài)組織，圖1(a)為碳含量適中，Mn含量較高的1號試樣金相組織，其珠光體含量較多，晶粒尺寸較小；在C含量較高的2號和3號試樣中，可見珠光體的數(shù)量也較多；而在Mn含量較高、C含量較低的4號試樣中，珠光體較少，而且組織細(xì)小。表2為熱軋態(tài)試樣的力學(xué)性能，比較1號、2號和3號試樣的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試樣C含量為0.17%～0.21%、Mn含量為1.5%～1.9%時，熱軋態(tài)試樣的力學(xué)性能差別不大，但當(dāng)Mn含量達(dá)到2.4%時，即使C含量達(dá)到0.14%，熱軋試樣的強度明顯偏高，這與圖1中所觀察到的金相組織中晶粒最小的特點相對應(yīng)。

圖1　熱軋態(tài)試樣的金相組織(a-1號，b-2號，c-3號，d-4號)

試樣號屈服強度Rp0.2(MPa)抗拉強度Rm(MPa)伸長率(A80mm%)136855520.0238655818.0335851323.5444469420.0

2.2冷軋淬火、時效處理后的組織與力學(xué)性能分析

分別對淬火及淬火+時效處理后的試樣進行了金相組織觀察，圖2為直接水淬后的金相組織，四個試樣的組織均為馬氏體。圖3為淬火+時效處理后的金相組織，試樣中的馬氏體板條內(nèi)都存在大量碳化物析出。

圖2　水淬態(tài)試樣的金相組織(a-1號，b-2號，c-3號，d-4號)

圖3　水淬+時效態(tài)試樣的金相組織(a-1號，b-2號，c-3號，d-4號)

表3為淬火態(tài)及淬火+時效處理后試樣的力學(xué)性能，直接水淬后試樣的抗拉強度較高，均超過1400MPa，屈服強度同樣較高達(dá)到1140～1360MPa，伸長率也較好，只有3號試樣為2.8%，其余達(dá)到3.4%～4.9%。

表3　淬火及時效處理后試樣的力學(xué)性能

時效處理后，各試樣的強度均下降，但1號、4號試樣的屈服和抗拉強度均偏低，2號、3號試樣的強度較好。

選取強度和伸長率性能都較好的2號試樣進行透射電鏡下的組織分析，圖4為該試樣的透射電鏡組織，淬火態(tài)組織為明顯的板條馬氏體，時效處理后，馬氏體板條內(nèi)、板條界面上析出大量的碳化物。

圖4　2號試樣的透射電鏡組織(a-淬火態(tài)，b-淬火+時效態(tài))

3分析與討論

在實驗室研究了一種主要元素僅為C、Mn的馬氏體鋼，當(dāng)C含量為0.21%、Mn含量從1.5%升高至1.9%時，淬火+時效處理后試驗鋼的屈服和抗拉強度均較高。而當(dāng)C含量為0.17%、Mn含量為1.9%時，淬火時效后試樣的屈服強度僅為915MPa，抗拉強度為1050MPa，伸長率為3.1%。當(dāng)C含量進一步降低至0.14%，同時增加Mn含量至2.4%，冷軋淬火后試驗鋼的強度也偏低，且伸長率也降為2.3%。這說明對于這種簡單成分的馬氏體鋼，C元素含量起著決定作用，當(dāng)C元素含量達(dá)到0.21%時，Mn的選擇范圍較寬，淬火+時效處理后，鋼的強度都能達(dá)到1200MPa級馬氏體鋼的要求。而當(dāng)C含量降低后，即使提高Mn元素含量，強度仍然偏低。

直接淬火態(tài)試樣的屈服和抗拉強度均偏高，伸長率也較差。經(jīng)過350℃時效處理后，試驗鋼的強度明顯降低，但伸長率幾乎沒有變化。對于抗拉強度要求1200MPa級別的馬氏體鋼，淬火+時效態(tài)的力學(xué)性能滿足要求。

4結(jié)論

(1) C含量約0.21%，Mn含量為1.5%～1.9%時，冷軋淬火態(tài)試驗鋼的抗拉強度均超過1200MPa，伸長率達(dá)到3%以上。

(2) 時效處理后，試驗馬氏體鋼的強度明顯下降，但伸長率基本不變。

參考文獻

[1]R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler. Advanced high strength steels for automotive industry[J], Archives of Civil and Mechanical Engineering,2008,(2):103-117.

[2]Y. S. Jin, Development of advanced high strength steels for automotive applications[J], La Metallurgia Italiana,2011,(6):43-48.

[3]代曉莉,郭佳,李飛,等.HR900/1200MS熱軋馬氏體鋼的研發(fā)[J].首鋼科技,2014,(6):25-28.

[4]張東升,劉青,高長益,譯.錳對碳素馬氏體鋼的強度和應(yīng)變硬化的影響[J].日本鋼鐵協(xié)會，2013,53(6):1076-1080.

(責(zé)任編輯：李文英)

Effect of C & Mn Contents on Mechanical Properties of Martensite Steel

Deng ZhaojunLin ChengjiangZhao JieHong MengqingPeng Zhou

(1.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;2.DONGFENG PEUGEOT CITROEN Automobile Co.Ltd.， Wuhan 430056， Hubei)

Abstract:Four types of C & Mn steels were researched, microstructure and mechanical properties were studied after the same rolling and quenching processes, and the microstructures were characterized by both optic microscopy and transmission electron microscopy. The result shows that when the C content is 0.21%, and the Mn content ranges from 1.5% to 1.9%, the yield strength of the tested steels is 1145 MPa to 1171 MPa, the tensile strength is 1270 MPa to 1304 MPa. And the elongation is greater than 3.05%, after heating to 860 ℃ and maintaining 600 s and then quenching in water, and tempering at 350 ℃ for 600 s. It is shown that the microstructures were lath martensite after quenching process, and a large number of carbides were precipitated inside the lath martensite and along the grain boundary.

Key words:martensite steel; quenching; temper

收稿日期：2016-05-10

作者簡介：鄧照軍(1975～)，男，博士，高級工程師.E-mail：dengzjun@sina.com

中圖分類號：TG142.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)02-0013-03