摘要
随着汽车工业对降低能源消耗的要求越来越高，汽车轻量化已经成为了降低汽车工业能耗的首要方式。Fe-Mn-Al-C系低密度钢凭借其优越的力学性能和较低的密度得到了越来越多的关注。目前，大量文献对传统的高锰、铝系低密度钢进行了研究。这种钢中添加了大量的Al和Mn元素，使得冶炼和连铸变得困难，无法应用于工业生产。大部分Fe-Mn-Al-C系低密度钢的开发尚且停留在实验室研究阶段。本文从工业化生产的角度，进行了低锰、铝系低密度钢的开发和基础研究，在中试工厂试制了 Fe-0.15C-1.8Mn-1.0/2.0Al-0.38 ( Ti+Ni)成分的低密度钢，采用排水法测量了不同Al含量的密度、并进行了相关初始性能和显微组织检测。随后，低密度钢的通过热模拟实验绘制了实验钢的静态、动态连续冷却相变曲线(CCT曲线)，通过高温拉伸实验研究分析了温度和铝含量对实验钢高温热塑性的影响。系统分析阐述了淬火和回火热处理参数对实验钢组织和性能的影响规律。通过系列基础研究，为低密度钢的实际生产应用提供了理论参考依据，并得出如下结论: (1)实验钢的锻后组织均有大量的铁素体和珠光体，此外，1Al钢还有少量贝氏体，2Al钢则有少量的马氏体。实验钢的初始强度低，塑性好，1Al钢的屈服强度和延伸率分别为366 MPa和26.35％,其密度为7.774 g/cm3,比普通碳素钢降低了 0.97％;2Al钢的屈服强度较高塑性略差，分别为441 MPa和25.63％,其密度为7.712 g/cm3,比普通碳素钢降低了 1.76％。 (2) CCT实验各冷速下，1Al试样的室温组织均有铁素体、贝氏体和马氏体，珠光体在冷却速度大于5℃/s后消失。动态CCT实验的铁素体相变开始温度比静态CCT实验的铁素体相变开始温度略有降低，动态CCT曲线的贝氏体相变区域增大。相同冷速下动态CCT试样发生的铁素体相变更多，剩余的奥氏体稳定性增强使贝氏体和马氏体开始转变温度略有降低。此外，由于变形增大了组织中的残余应力，使相同冷速下动态CCT试样的组织硬度更高。 (3)低锰、铝低密度钢的热塑性实验表明，在790℃左右，1Al钢的奥氏体晶界处生成了较软的铁素体，并出现了第三塑性低谷。样品的断面收缩率小于60％。850℃以上实验钢的断面收缩率均超过60％,热塑性良好。铝可以促进铁素体相变，提高冷却过程中的铁素体转变温度，从而使2Al钢的第三塑性低谷温度提高到了 900℃,并使塑性低谷区的断面收缩率从1Al的54.45％增加到了 2Al的81.23％。Al还可以改善试样的晶粒尺寸，并略微增加高温下的断面收缩率。 (4) 1Al钢经淬火—回火处理后，室温组织为回火马氏体。奥氏体化温度和奥氏体化时间可以通过影响原始奥氏体晶粒尺寸和溶质元素分布的均匀性影响回火马氏体的板条宽度和碳化物的析出，进而影响试样的力学性能。回火温度和回火时间可以影响回火马氏体的残余应力、位错密度、碳化钛析出的大小和数量、铁素体含量，从而影响试样力学性能。综合热处理实验结果，本钢种的最优热处理工艺为:在1000℃奥氏体化30～40 min后水淬，然后在500℃回火30～40 min。该工艺条件下的试样的屈服强度显著增大到892 MPa,为原始试样的2.44倍，抗拉强度为972 MPa,总延伸率为13.21％。
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