汽車用低合金鋼的索氏體化與組織性能研究

萬(wàn)雯

（上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 201415）

引言

為了滿足現(xiàn)代化汽車用鋼高強(qiáng)度和高塑性的要求，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)輕量化以及節(jié)能減排等，采用微合金化、熱處理和加工變形等方法成為了開(kāi)發(fā)兼具更高強(qiáng)度和良好塑性的新型汽車用鋼的重要手段[1]。雖然Nb、V和Ti等微量元素在鋼鐵制品中可以起到改善強(qiáng)塑性等一系列積極作用，但是價(jià)格較為昂貴，生產(chǎn)成本較高，無(wú)法滿足量大面廣的低成本汽車用鋼的生產(chǎn)要求[2]；淬火、回火和正火等熱處理工藝能夠?qū)Φ吞间摶蛘吆辖痄摰奈⒂^組織與性能進(jìn)行調(diào)控，但是不適于在高碳鋼中應(yīng)用[3]；加工變形的方法雖然能夠很大程度上提高高碳鋼的強(qiáng)度和硬度，但是塑性會(huì)有較大幅度犧牲[4]。將中碳鋼或高碳鋼奧氏體化后進(jìn)行中溫?zé)崽幚硪垣@得具有超細(xì)片層結(jié)構(gòu)的索氏體組織的索氏體化工藝有望在新型高強(qiáng)塑汽車用鋼的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，然而，目前這方面的工作還主要集中在彈簧鋼、鋼簾線等領(lǐng)域，且對(duì)于添加了Cu等微量元素的中高碳鋼的索氏體化工藝的研究較少[5]，索氏體化工藝參數(shù)和微量元素對(duì)中碳低合金鋼微觀組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律也不清楚。本文通過(guò)添加微量Cu的方法開(kāi)發(fā)出新型中碳低合金汽車用鋼，并考察了等溫溫度和等溫保溫時(shí)間對(duì)其微觀組織與力學(xué)性能的影響，結(jié)果有助于為更高強(qiáng)度和塑性的汽車用鋼的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用某公司生產(chǎn)的高強(qiáng)汽車用中碳低合金鋼為試驗(yàn)原料，化學(xué)成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得主要元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.57C、0.23Si、0.44Mn、0.03Cr、1.23Cu，余量為Fe。試驗(yàn)用鋼的熔煉在150 kg真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行，澆鑄成120 mm× 120 mm ×280 mm鑄坯后進(jìn)行鍛造和多道次熱軋，最終成品為2 mm厚熱軋板。

采用DIL 803型熱膨脹儀測(cè)得試驗(yàn)用鋼的Ac1和Ac3分別為710 ℃和765 ℃，因此，選取奧氏體化溫度為875 ℃以確保試驗(yàn)用鋼能夠完全奧氏體化。采用SIROLL cisPL型強(qiáng)力冷卻系統(tǒng)對(duì)熱軋薄板進(jìn)行等溫淬火處理，將120 mm×300 mm試樣以8 ℃/s速度升溫至875 ℃并保溫10 min后，分別以48 ℃/s速度冷卻至等溫溫度400~600 ℃，等溫處理時(shí)間介于100~3 000 s，等溫結(jié)束后以18 ℃/s速度冷卻至室溫。

線切割塊狀試樣并進(jìn)行鑲嵌、機(jī)械打磨、拋光和4 %硝酸酒精溶液腐蝕后，依次采用清水和酒精沖洗，在JSM-7200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上觀察顯微組織；透射電鏡試樣切割成1 mm薄片后手工打磨至70 μm左右，采用專業(yè)穿孔機(jī)截取Φ3 mm圓片后進(jìn)行電解雙噴減薄，在JEOL-2010型透射電鏡上觀察微觀組織；硬度測(cè)試采用MH-3型數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行，載荷500 g，保載時(shí)間5 s；拉伸試樣加工成圖1所示尺寸，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 228-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，設(shè)備為MCM-440型電子萬(wàn)能拉伸機(jī)，拉伸速率為1.5 mm/min，每組拉伸試樣取3根并以平均值為測(cè)試結(jié)果。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與分析

圖2為試驗(yàn)用鋼400 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮膾呙桦婄R顯微形貌，等溫保溫時(shí)間為100~3 000 s。當(dāng)?shù)葴乇貢r(shí)間為100 s和300 s時(shí)，試驗(yàn)用鋼的組織為片層狀珠光體（P）+馬氏體（M）；當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至1 000 s和3 000 s時(shí)，試樣用鋼中的馬氏體基本消失，組織為不規(guī)則形態(tài)的索氏體?？梢?jiàn)，400 ℃等溫?zé)崽幚肀貢r(shí)間在1 000 s及以上時(shí)過(guò)冷奧氏體可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w。

圖2 試驗(yàn)用鋼400 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮腟EM形貌

圖3~6分別為試驗(yàn)用鋼在450 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮膾呙桦婄R顯微形貌，等溫保溫時(shí)間為100~3 000 s。可見(jiàn)，在450 ℃及以上等溫等溫處理，即使等溫保溫時(shí)間很短（100 s），試驗(yàn)用鋼中也不會(huì)出現(xiàn)馬氏體；450~600 ℃等溫保溫100 s以上，試驗(yàn)用鋼的組織都為單一珠光體，而未見(jiàn)馬氏體組織存在，只是不同等溫?zé)崽幚碇贫认碌乃魇象w和滲碳體形態(tài)和尺寸存在一定差異，如等溫溫度500 ℃及以上時(shí)，試樣用鋼中的滲碳體才轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則片層狀，且隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)有逐漸球化特征。

圖3 試驗(yàn)用鋼450 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮腟EM形貌

圖4 試驗(yàn)用鋼500 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮腟EM形貌

圖5 試驗(yàn)用鋼550 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮腟EM形貌

圖6 試驗(yàn)用鋼600 ℃等溫?zé)崽幚砗蟮腟EM形貌

對(duì)圖3~6的等溫溫度450~600 ℃、等溫處理時(shí)間100~3 000 s的試驗(yàn)用鋼中的滲碳體和珠光體特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[6]，圖7為試驗(yàn)用鋼的滲碳體片層厚度和索氏體片層間距與等溫?zé)崽幚韰?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，其中，等溫溫度為400 ℃時(shí)試驗(yàn)用鋼中的珠光體和滲碳體形態(tài)不規(guī)則而未作統(tǒng)計(jì)。從等溫溫度/等溫時(shí)間與滲碳體片層厚度的關(guān)系曲線可知，如圖7（a），隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)或者等溫溫度升高，試驗(yàn)用鋼的滲碳體片層厚度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，等溫溫度為500 ℃和550 ℃時(shí)的滲碳體片層厚度與等溫保溫時(shí)間曲線較為相似，而等溫溫度為600 ℃時(shí)試驗(yàn)用鋼中滲碳體片層厚度明顯增加。從等溫溫度/等溫時(shí)間與索氏體片層間距的關(guān)系曲線可知，如圖7（b），等溫保持時(shí)間為100 s時(shí)，450、500、550和600 ℃時(shí)索氏體片層間距分別為78 nm、99 nm、102 nm和195 nm，且隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)或者等溫溫度升高，試驗(yàn)用鋼的索氏體片層間距有逐漸增加的特征；此外，當(dāng)?shù)葴販囟葹?50~550 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼中索氏體片層間距和滲碳體厚度在等溫時(shí)間達(dá)到300 s后不會(huì)隨著等溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)而明顯改變，但是等溫溫度600 ℃時(shí)的索氏體片層間距和滲碳體厚度卻仍然為明顯增加，且索氏體片層間距增加幅度要小于滲碳體厚度，這也就表明索氏體片層間距的增加與滲碳體厚度增大有關(guān)。

圖7 試驗(yàn)用鋼的滲碳體片層厚度和珠光體片層厚度、等溫?zé)崽幚韰?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8為試驗(yàn)用鋼的顯微硬度與等溫?zé)崽幚韰?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，其中，等溫溫度400~600 ℃、等溫處理時(shí)間100~3 000 s。當(dāng)?shù)葴販囟葹?00 ℃時(shí)，隨著等溫時(shí)間從100 s增加至3 000 s，試驗(yàn)用鋼的硬度呈現(xiàn)先快速降低而后增加的特征，其中，等溫保溫時(shí)間在100 s和300 s時(shí)的硬度明顯較大，這主要與此時(shí)的顯微組織中含有高硬度的馬氏體有關(guān)[7]，而當(dāng)?shù)葴乇貢r(shí)間延長(zhǎng)至1 000 s及以上時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微組織為硬度較低的索氏體；在等溫溫度為450 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度隨著等溫時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加；在等溫溫度為500 ℃和550 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在等溫保溫時(shí)間為1 000 s時(shí)取得最大值；在等溫溫度為600 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度隨著等溫時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，這與此時(shí)索氏體片層明顯增大以及滲碳體厚度明顯增加有關(guān)[8]。

圖8 試驗(yàn)用鋼的維氏硬度與等溫?zé)崽幚韰?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖9為試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)塑性與等溫溫度和等溫時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)?shù)葴販囟葹?00 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼在等溫保持時(shí)間為100 s和300 s時(shí)的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1 720 MPa和1 540 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率較低，分別約為1.8 %和2.7 %，這主要與此時(shí)基體組織中含有塑性較低的馬氏體有關(guān)[9]；當(dāng)?shù)葴乇貢r(shí)間延長(zhǎng)至1 000 s及以上時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所降低而斷后伸長(zhǎng)率升高。當(dāng)?shù)葴販囟葹?50 ℃時(shí)，隨著等溫保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)度和塑性并未發(fā)生顯著變化，抗拉強(qiáng)度介于1 050~1 210 MPa，斷后伸長(zhǎng)率介于8.2 %~9.1 %之間。當(dāng)?shù)葴販囟葹?00 ℃時(shí)，隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)，試驗(yàn)用鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)為先上升而后降低，在等溫時(shí)間為1 000 s時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率反而能降低。等溫溫度為550 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)塑性變化規(guī)律與等溫溫度500 ℃時(shí)相似，只是相應(yīng)保溫時(shí)間下的強(qiáng)度略低于等溫溫度500 ℃時(shí)的試樣。當(dāng)?shù)葴販囟葹?00 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，在等溫保溫時(shí)間為3 000 s時(shí)的抗拉強(qiáng)度僅為980 MPa，斷后伸長(zhǎng)率都保持在7.2 %以上。

圖9 試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)塑性與等溫溫度和等溫時(shí)間的關(guān)系曲線

試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)度和塑性會(huì)隨著等溫溫度和等溫保溫時(shí)間而發(fā)生明顯變化，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)用鋼在索氏體化過(guò)程中會(huì)發(fā)生微觀組織轉(zhuǎn)變，如過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體以及不同形態(tài)的索氏體和滲碳體等[10]，除此之外，由于低合金鋼中還含有Cu元素，等溫?zé)崽幚頃r(shí)從基體中彌散析出的納米級(jí)ε-Cu相的析出也是影響材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。圖10為試驗(yàn)用鋼在等溫溫度500 ℃等溫保溫時(shí)間1 000 s時(shí)的顯微形貌和能譜分析結(jié)果。從圖10（a）的掃描電鏡顯微形貌中可見(jiàn)，試驗(yàn)用鋼的索氏體片層和滲碳體表面彌散分布著納米級(jí)顆粒狀析出相；透射電鏡明場(chǎng)像和暗場(chǎng)相中可見(jiàn)，這種細(xì)小顆粒狀析出相的尺寸約為20 nm，能譜分析表明主要含有Cu和Fe元素，結(jié)合文獻(xiàn)可知[11]，這種納米級(jí)析出相為ε-Cu相，細(xì)小彌散ε-Cu相的存在可以對(duì)試驗(yàn)用鋼起到第二相強(qiáng)化的作用，索氏體化過(guò)程中ε-Cu相的存在形式、析出數(shù)量和尺寸等會(huì)對(duì)最終力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響[12]。從圖8的顯微硬度測(cè)試結(jié)果和圖9的拉伸性能測(cè)試結(jié)果可知，試驗(yàn)用鋼在等溫溫度為500 ℃、等溫保持時(shí)間1 000 s時(shí)達(dá)到最佳的強(qiáng)度和塑性結(jié)合，這與此時(shí)試驗(yàn)用鋼中ε-Cu相的析出強(qiáng)化效果最佳有關(guān)，而繼續(xù)延長(zhǎng)等溫保溫時(shí)間會(huì)造成滲碳體球化和索氏體片層間距增加，而造成力學(xué)性能有所降低[13]。在等溫溫度為600 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼力學(xué)性能的降低主要與此時(shí)索氏體片層間距明顯增大及其滲碳體發(fā)生粗化有關(guān)，并在很大程度上抵消了試驗(yàn)用鋼中ε-Cu相的析出強(qiáng)化效果[14]。綜合而言，試驗(yàn)用鋼在等溫溫度500 ℃、等溫保持時(shí)間1000 s時(shí)可以獲得良好的強(qiáng)塑性結(jié)合。

圖10 試驗(yàn)用鋼在等溫溫度為500 ℃保溫1 000 s時(shí)顯微形貌和能譜分析

3 結(jié)論

1）隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)或者等溫溫度升高，試驗(yàn)用鋼的滲碳體片層厚度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，等溫溫度為500 ℃和550 ℃時(shí)的滲碳體片層厚度與等溫保溫時(shí)間曲線較為相似，而等溫溫度為600 ℃時(shí)試驗(yàn)用鋼中滲碳體片層厚度明顯增加。隨著等溫保溫時(shí)間延長(zhǎng)或者等溫溫度升高，試驗(yàn)用鋼的索氏體片層間距有逐漸增加的特征，尤其是等溫溫度600 ℃時(shí)的索氏體片層間距和滲碳體厚度增加較為明顯。

2）當(dāng)?shù)葴販囟葹?00 ℃時(shí)，隨著等溫時(shí)間增加，試驗(yàn)用鋼的硬度呈現(xiàn)先快速降低而后增加的特征；在等溫溫度為450 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度隨著等溫時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加；在等溫溫度為500 ℃和550 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度呈現(xiàn)先增加而后減小的特征，在等溫保溫時(shí)間為1 000 s時(shí)取得最大值；在等溫溫度為600 ℃時(shí)，試驗(yàn)用鋼的顯微硬度隨著等溫時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低。

3）試驗(yàn)用鋼在等溫溫度500 ℃、等溫保持時(shí)間1 000 s時(shí)可以獲得良好的強(qiáng)塑性結(jié)合，這主要與此時(shí)索氏體片層和滲碳體厚度較小以及基體中析出了大量起彌散強(qiáng)化作用的納米級(jí)ε-Cu相有關(guān)。