摘要
中锰钢由于具备优良的强塑性，且生产成本低、工艺简单，作为第三代先进高强钢的发展方向之一，成为近年来的研究热点。该钢种通常在淬火获得马氏体后经α+γ两相区退火，通过奥氏体逆相变(ART)获得铁素体和残余奥氏体构成的复相组织。其中对性能起决定作用的残余奥氏体的体积分数、稳定性与钢的成分、热处理工艺都有关系。从资源成本、焊接性能的角度考虑，有必要设计开发低碳中锰钢以满足工程领域厚壁大变形工件的性能需求。本文设计制备了4组不同C、Mn含量的低碳中锰钢(0.2C-4.6Mn、0.16C-5.3Mn、0.15C-4Mn、0.11C-2.8Mn)。利用热力学软件Thermal-Cal计算了实验钢的高温相组成及相变点，借助热膨胀实验研究了实验钢在模拟退火过程中的相变行为，对热处理样品的显微组织和力学性能进行表征、检测，分析了实验钢的组织转变规律，建立了成分、工艺、组织、性能之间的关系，阐述了强韧化机理。主要结果如下: (1)为了获得理想的塑性和变形能力，将不同成分的中锰钢进行临界区处理，最后获得铁素体+残余奥氏体的混合组织。由于变形能力必须由足够体积分数的残余奥氏体来保证，0.2C-4.6Mn和0.16C-5.3Mn中锰钢可以通过一步法临界区处理获得需要的组织和性能，而0.15C-4.0Mn和0.11C-2.8Mn中锰钢必须经过上下临界区二步法获得需要的组织和性能。 (2)0.2C-4.6Mn中锰钢12mm厚热轧板空冷至室温的显微组织为马氏体，其Ms和Mf温度分别为340℃和150℃。实验钢在630～660℃退火2.0h,组织中残余奥氏体含量由7.9％升高到36.6％。随着退火温度的升高，屈服强度和冲击吸收功单调降低，抗拉强度单调增加，延伸率先增加后减小。实验钢在640～660℃退火2.0h，奥氏体含量达到25％以上，具有良好的塑性变形能力，屈服强度达到600MPa,抗拉强度达到900MPa,均匀变形能力优异，n值超过0.25。实验钢在650℃退火处理2.0h可获得最佳力学性能，组织中残余奥氏体体积分数27.1％,屈服强度为617MPa,抗拉强度为983MPa，断后延伸率为37.2％,n值为0.29。实验钢在650℃退火时，奥氏体含量随着时间的延长先慢后快地单调增长，含碳量先升高后降低。钢的塑性变形能力随着处理时间的延长而逐渐提高，退火1.5～2.5h都可以获得优良的力学性能。与650℃退火时相比，实验钢在660℃退火时奥氏体的形成速度明显加快，退火1.5～2.0h可获得预期的力学性能。 (3)0.16C-5.3Mn中锰钢12mm厚热轧板空冷后的显微组织为马氏体，其Ms和Mf温度分别为350℃和150℃。实验钢在630～660℃退火2.0h，组织中残余奥氏体含量由21.7％升高到38.8％,随着退火温度的升高，实验钢的屈服强度和冲击吸收功单调降低，抗拉强度单调增加，延伸率先增加后减小。0.16C-5.3Mn中锰钢在640～650℃退火2.0h,组织中残余奥氏体含量在25％以上，具有良好的塑性变形能力，屈服强度达到600MPa,抗拉强度超过900MPa，n值超过0.25。650℃退火处理2.0h可获得最佳力学性能，组织中残余奥氏体体积分数:27.1％,屈服强度:625MPa,抗拉强度:1029MPa,总延伸率:37.7％,n值高达0.28。 (4)0.15C-4.0Mn中锰钢的热轧态显微组织为自回火马氏体，其Ms和Mf温度分别为410℃和220℃。实验钢在640～650℃进行一步法退火处理，组织中奥氏体含量不足15％,均匀变形能力较差，n值小于0.2，塑性和变形能力不佳。确定730℃为上临界区处理温度，此时残余奥氏体组织体积分数大约30％～40％,有利于大量吸收周围铁素体中的Mn元素。实验钢在730℃保温0.5h后，在630～690℃进行1.0h的退火处理，随着处理温度的升高，奥氏体含量由630℃时的13％升高到660℃时的21％,再降低到690℃时的18.1％。实验钢在640～660℃区间退火处理时，组织中残余奥氏体含量在16％以上，可以获得良好的变形能力，屈服强度为500MPa,抗拉强度为800MPa,n值达0.25以上。在730℃×0.5h+650℃×1.0h处理后可获得最佳力学性能，此时组织中残余奥氏体体积分数:18.1％，屈服强度:588MPa,抗拉强度:811MPa,总延伸率:42.2％，均匀变形能力进一步提高，n值:0.28,冲击吸收功:173J。 (5)由于C、Mn含量进一步降低，0.11C-2.8Mn中锰钢的热轧板的显微组织为粒状贝氏体。对热轧态试样进行670℃×2.0h的临界区一步法退火处理，获得铁素体基体上分布颗粒状碳化物和层片状残余奥氏体的复相组织，奥氏体含量仅为6.7％,均匀变形能力不能满足大变形的要求。实验钢热轧态试样进行740℃×0.5h的预处理后再加热到660～680℃之间进行1.0h第二步退火处理，随着处理温度的升高，室温组织中残余奥氏体的体积分数增加，可获得12％～14％的残余奥氏体;屈服强度大于400MPa,抗拉强度超过600MPa,延伸率超过35％，n值大于0.2。740℃×0.5h+670℃×1.0h处理试样的综合力学性能最佳，此时屈服强度:466MPa,抗拉强度:685MPa,总延伸率:40.7％,n值:0.25，强塑积:27.92GPa·％,冲击吸收功:163J。
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