摘要
超细高强贝氏体钢兼具高强度和良好韧性，是新一代先进高强钢的典型代表。钢铁材料超高强度的发展趋势对贝氏体钢组织细化和性能优化等提出了更高的要求。近年来，为了获得超细甚至是纳米级贝氏体板条尺寸和优异机械性能，添加合金元素、多步热处理工艺、变形和表面涂覆等各种处理手段，对贝氏体钢组织和性能的影响机理受到广泛关注。如何采用低合金化的成分设计和有效的工艺路线，制备出兼具超高强度和良好塑韧性的钢铁材料，是一项具有重要意义的工作。本文从组织和性能调控的角度出发，以Fe-C-Mn-Si系超细贝氏体钢为研究对象，采用热模拟试验机、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和拉伸试验机等，系统深入地研究了合金元素Si和热处理工艺(等温淬火时间和先形成铁素体)对高强贝氏体钢相变动力学和力学性能的影响;揭示了预变形和外加应力对贝氏体钢组织演变和力学行为的影响规律;探讨了等温淬火与Q&P复合(AustemperingandQ&P，AQ&P)新型热处理工艺细化组织和改善贝氏体钢性能的影响规律;阐明了渗硼表面处理与等温贝氏体相变一体化工艺提高贝氏体钢表面性能的强化机理。本研究得到以下主要结论: (1)不同于以往文献观点，本研究发现先形成铁素体对贝氏体相变的影响取决于界面处相变速率的增加和剩余奥氏体稳定性的竞争，铁素体的形成会加速初期贝氏体相变速率，但降低了贝氏体转变量，使得残余奥氏体增多。 (2)AQ&P工艺可有效细化组织，尤其是等温贝氏体相变处理中的块状M/A岛和Q&P工艺中的大尺寸回火马氏体。与单独等温贝氏体相变处理或Q&P工艺相比，AQ&P工艺可得到更多碳含量更高的残余奥氏体，从而优化超高强贝氏体钢综合性能。此外，通过调节AQ&P工艺中等温贝氏体相变时间，可进一步改善中碳贝氏体钢机械性能。 (3)采用渗硼和等温淬火一体化新工艺显著改善超细高强贝氏体钢表面性能。经一体化工艺处理后，钢表面硬度超过1500HV，且抗腐蚀性能和耐磨损性能显著提高，贝氏体基体与渗层基本互不影响，贝氏体基体与渗层表现出较好的附着强度。渗硼层贫Si、C原子，Fe2B和FeB相趋于(100)面生长。与贝氏体基体相比，一体化处理后钢的表面摩擦系数降低20％，滑动磨损性能提高2.2倍。 (4)低温奥氏体预变形不仅可以加速等温贝氏体相变，细化贝氏体组织，同时还能增加室温组织中残余奥氏体体积分数及其稳定性，从而优化超高强贝氏体钢综合性能，制备0.42C-2.00Si-2.80Mn超高强贝氏体钢强度达1733MPa，延伸率为15.7％。此外，高温奥氏体预变形促进连续冷却过程中铁素体相变，抑制贝氏体相变，但细化了马氏体板条;且随着形变量的增加，组织中残余奥氏体先降低后增加，但平均位错密度呈现先增加后下降的趋势。 (5)随Si含量增加，动力学参数b逐渐减小，而刀呈相反趋势逐渐增大，表明贝氏体相变量及相变速率均随Si含量的增加而降低。在较低相变温度下，增加Si含量推迟贝氏体相变，但对相变完成时间影响较小:在较高相变温度下，增加Si含量对贝氏体相变孕育期影响较小，但明显延长贝氏体相变完成时间。Si含量较高时，因相变温度不同造成的贝氏体相变孕育期的区别以及相变完成时间之间的差异变小。钢中Si含量的增加有利于提高材料强度和改善伸长率。 (6)延长贝氏体等温相变时间促进碳原子进一步重新分布，增加未转变奥氏体的化学稳定性，从而阻碍块状M/A岛形成，最终增加组织中残余奥氏体体积分数及其碳含量，有助于材料伸长率的改善。 (7)外加压应力对中碳贝氏体钢马氏体相变开始温度(Ms)的影响。施加70MPa外加应力最大提供了60.2J/mol的机械驱动力，提高版约10℃，且细化马氏体板条，使0.42C-2.00Si-2.80Mn实验钢的抗拉强度从1470MPa增加至2170MPa。
NETL