基于商品钢的淬火—分配组织结构演变与塑性变形行为

摘要

钢铁材料经淬火-分配(Q-P)处理可获得优异的综合力学性能。近年来，该工艺在基础理论和应用研究方面都取得了明显进展。目前应用研究主要集中于开发新一代先进高强度钢，对于传统钢的Q-P热处理强韧化研究比较匮乏。在理论研究方面，分配过程中奥氏体的富碳化机制、变形时残余奥氏体(RA)起作用的增塑机制等问题有待进一步深入和系统研究。本文选用商品化合金钢27SiMn，35CrMnSi，35CrMo，35CrMoSi，38CrMoAl，60Si2Mn，9SiCr为试验材料，进行Q-P热处理试验，优化其工艺参数，并与传统调质、等温淬火热处理工艺进行对比。通过深冷和回火试验，研究了Q-P处理钢的组织和力学性能稳定性。同时，采用声发射(AE)技术和分子动力学(MD)模拟方法，研究了RA提高钢塑性的机理。
　　对27SiMn，35CrMnSi，38CrMoAl，35CrMoSi钢分别进行不同淬火温度、分配温度和分配时间的Q-P处理。结果表明，仅35CrMoSi钢组织中RA含量与“限制条件碳”(CCE)模型预测的规律基本一致。相反，分配温度对RA含量的影响规律在所有试验钢中一致，即在350～420℃分配处理时，获得的RA含量最高;在低温或高温分配处理时，RA含量均较低。Q-P处理35CrMnSi和35CrMoSi钢中，RA含量在2～30min的分配时间内，RA量持续降低，但能保持在10vol.％左右。结合对工程应用中工件尺寸、操作规程等因素的考虑，认为淬火获得约75％的马氏体再在350～420℃温度范围内分配处理30min以内，可获得较理想的Q-P组织。
　　通过对Q-P处理35CrMnSi和35CrMoSi钢光学显微组织的分析，得出贝氏体转变是分配处理时奥氏体富碳化的重要机制，可以作为对碳原子分配CCE模型的补充，解释了分配温度和时间对RA含量的影响规律。分配温度和时间适中（350～420℃处理30min以内）时，贝氏体转变和碳原子分配同时进行，贝氏体转变过程中碳原子自贝氏体铁素体向奥氏体中扩散作用与CCE模型描述的碳原子分配行为共同起作用，获得最多的RA。分配温度较低时，仅CCE机制起作用;分配温度过高或时间过长时，贝氏体转变完成（获得贝氏体铁素体和Fe3C），二者均获得较少的RA。
　　根据Q-P原理，提出了“循环淬火-分配”(M-Q-P)工艺，可实现在更大范围内调控Q-P组织中RA的含量，并在35CrMnSi钢中成功应用。结果表明，五次M-Q-P处理35CrMnSi钢中RA的含量是单次Q-P处理组织中的2倍。随着RA量的提高，钢的抗拉强度降低，延伸率升高，强塑积基本不变。
　　与传统调质和等温淬火热处理相比，Q-P处理后35CrMnSi钢的综合性能最好，强塑积远高于另外两种热处理得到的性能。将Q-P处理后的试样再高温回火，得到的组织和力学性能与传统调质处理的试样相近。在Q-P和等温淬火处理的试样拉伸过程中，产生了部分具有较高能量和持续时间的特殊声发射信号，在Q-P处理后又高温回火的试样中没有这种信号。结合对断口和微观组织的分析，确定这部分信号是由组织中的RA在变形过程中发生马氏体相变产生的，为TRIP机制提高Q-P钢的塑性提供了证据。
　　MD模拟结果表明，采用M势函数对纯Fe双晶Bain模型进行准静态拉伸和压缩时，FCC晶体的应变诱发FCC→BCC相变行为导致拉伸过程中屈服的产生，相变以均匀形核、非均匀性长大的方式进行，新生相与母相之间具有K-S位向关系。压缩时导致相变产生的临界应力大于拉伸时的应力，且二者新生相的形态不同。
　　采用A势函数模拟纯Fe三晶体K-S模型准静态拉伸和压缩过程。拉伸时，FCC晶体内自相界面处的位错萌生和滑移导致拉伸过程中屈服的产生，随着形变量的增加，在滑移面的交界处产生BCC相形核并逐渐长大，快速完成相变。压缩时，FCC相在应变作用下也向BCC相转变，但转变是以相界面迁移的方式完成，且在屈服发生前已完成相变。采用不同应变率进行拉伸变形时，屈服强度随着应变率的升高而增加，FCC相在较高应变率下更稳定。
　　深冷和回火试验结果表明，Q-P组织中RA的含量在-80℃以上深冷和400℃以下回火时变化不大，表现了良好的热稳定性。经低温和中温回火后，Q-P处理钢的强度和塑性均下降，可能是由于回火改变了RA的力学稳定性;高温回火后，强度继续下降，塑性略有回升，综合力学性能与传统调质处理的力学性能相近。