淺析鋼板超微粒細(xì)化組織控制技術(shù)

　　據(jù)中國報告大廳了解到，強度、延性和韌性全部高位平衡的鋼板很難實現(xiàn)，其主要原因是上述性能呈相反關(guān)系。例如各種鋼板的抗拉強度（TS）上升的同時，延伸率（TE）則下降。過去實用鋼TS×TE值的一般極限為2萬GPa%水平，該值超過3萬GPa%成為鋼板開發(fā)的長遠(yuǎn)任務(wù)。作為強度、延性平衡優(yōu)良的鋼板，以大加工硬化性能為主要特點的是在鐵素體矩陣中使馬氏體均勻分布的DP鋼（雙相鋼），進(jìn)一步使之含有殘余奧氏體的為TRIP鋼板以及利用高M(jìn)n鋼特有的雙晶型TWIP鋼。同時，以優(yōu)良韌性和局部延性為特點的超微細(xì)粒鋼板也在研發(fā)中。

　　一旦打破材料性能的相反關(guān)系，就可以實現(xiàn)創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)?；谶@樣的想法，日本有學(xué)者開發(fā)了0.1%C-2%Si-5%Mn系的鐵素體+殘余奧氏體鋼。該鋼種通過利用超微粒細(xì)化技術(shù)的雜型組織控制，打破了上述相反關(guān)系的力學(xué)性能極限。其基礎(chǔ)組織之一為馬氏體組織，通過對馬氏體鋼的微細(xì)化，使其在TS=1400MPa級下，同時實現(xiàn)了鋼板的高延性和高韌性。對于該鋼種中的鐵素體+奧氏體組織，則通過固相和分散相的微細(xì)化，使其與TS=1200MPa級相當(dāng)?shù)难由炻屎途植垦由炻什⒔?，并進(jìn)一步擁有較高的上平臺能量（UpperShelfEnergy，USE），從而實現(xiàn)TS×TE×USE值超過1萬GPa%J的鋼板的成功開發(fā)。

　　優(yōu)良力學(xué)性能的空冷馬氏體

　　加Mn的意義。淬火狀態(tài)的馬氏體硬而脆，因而需要回火處理。若在淬火狀態(tài)下可得到具有充分韌性的馬氏體相時，則可省去回火處理的過程。若進(jìn)一步對馬氏體組織在空冷條件下進(jìn)行研究，則可在不同的冷卻條件下得到特定的馬氏體組織，即可得到組織變動和殘留應(yīng)力均較小的好處。但是為了在空冷條件下得到馬氏體，必須為提高淬火性而多加入Cr、Mo、Cu和Ni等元素。在低碳鋼中僅加入Mn系即可在空冷條件下得到馬氏體相，且具有充分的強度、延性和韌性。因此，從元素戰(zhàn)略的觀點看意義重大。

　　加Mn量、相變點和微觀組織三者的關(guān)系。將碳含量固定為0.1%下，將加Mn量按0、1.5%、3%、4%、5%和6%變化，取得了實驗的CCT曲線和TTT曲線。對連續(xù)冷卻時的相變溫度和加Mn量的關(guān)系對比如下：1.5%Mn時為多邊形鐵素體；3%Mn時相變開始溫度明顯偏低，鐵素體未生成，而生成貝氏體和馬氏體；當(dāng)5%Mn時，則和冷卻速度無關(guān)，均生成馬氏體。從而可知，空冷下可得到馬氏體的加Mn量為5%以上。

　　相變前奧氏體組織和相變后馬氏體組織的關(guān)系把握。一般奧氏體組織粒徑愈小則淬火性愈低，可得到馬氏體單相組織。為此，通過γ粒徑的變化可使馬氏體的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，但其機理尚不夠明確。0.1%C-5%Mn時，奧氏體極為穩(wěn)定，故相變前奧氏體微細(xì)下也不會生成鐵素體。因此，可以控制奧氏體和相變后馬氏體組織的關(guān)系。于是通過調(diào)整加熱溫度，制成粒徑在200um~20um的奧氏體組織，進(jìn)一步用后述的加工模擬器制成γ粒徑微細(xì)化鋼，然后對從微細(xì)化后γ粒相變后的馬氏體組織（桶狀、板條）和就γ粒的方位關(guān)系用EBSD（ElecEronBackscatterDiffraction）進(jìn)行解析。

　　將晶粒尺寸相差10倍的不同奧氏體所得到的相變組織的粒界照片對比可發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果有明顯區(qū)別，兩者的抗拉實驗對比亦明顯不同：20um微細(xì)組織的TS、TE等指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于200um粒徑組織。同時，組織的微細(xì)化也使局部延性大為改善，故未經(jīng)回火的馬氏體組織延伸率仍達(dá)17%，TS×TE值也達(dá)到了24000MPa%。而強度大體相同的0.25%C鋼的淬火馬氏體組織，其延性和其他指標(biāo)都比較差。

　　恰貝沖擊實驗所反映的延性、脆性遷移變化也呈現(xiàn)出明顯不同的結(jié)果。過去的馬氏體鋼的沖擊吸收能非常低，USE僅為20J水平；而0.1%C-5%Mn鋼的USE值高達(dá)150J。即后者在保持高強度的同時，其沖擊回收能也很高，即使不用回火其韌性也比較好。

　　超微細(xì)等軸馬氏體。加Mn的主要目的在于使奧氏體穩(wěn)定化，其目的是使過冷奧氏體能夠加工，如用加工模擬器試驗中，在600℃下強加工后的奧氏體成為1um級的微細(xì)組織，由此相變生成的馬氏體組織也非常微細(xì)。通過對馬氏體組織的微細(xì)化而把握其力學(xué)性能，使高Ys的支配因子、加工硬化能的變化、局部延性支配因子和高韌性等形成的機制等進(jìn)一步明確化。

　　檢測組織性能

　　Mn可使奧氏體穩(wěn)定化，故對殘余奧氏體的生成也是有效的。殘余奧氏體可導(dǎo)致TRIP現(xiàn)象，并使強度和延性的平衡性進(jìn)一步提高。將上述空冷馬氏體在A1相變點值上的兩相溫度區(qū)（675℃）退火，便可得到超微細(xì)組織。由相圖看出，超微細(xì)殘余奧氏體的體積率達(dá)到20%以上。經(jīng)冷軋、γ→α兩相區(qū)退火和等溫淬火工藝所生產(chǎn)的TRIP鋼中并不會得到此類超微細(xì)復(fù)相組織。將此組織的抗拉性能和空冷馬氏體的抗拉性能比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前者比后者的強度較低，主要是通過TRIP現(xiàn)象使加工硬化性能得到飛躍提高。

　　進(jìn)一步進(jìn)行恰貝沖擊試驗表明，該組織鋼種的USE達(dá)到250J，一般鐵素體+馬氏體兩相組織的USE較低。因此，該鋼種的TS×TE×USE值達(dá)到8000GPa%J，并有望達(dá)到1萬GPa%J。

　　探究真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

　　在挑戰(zhàn)強度、延性平衡的極限基礎(chǔ)上，對均勻延伸率和局部延伸率的本質(zhì)，通過真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線來理解甚為重要。在單軸抗拉試驗中，在最高載荷點以后產(chǎn)生了局部縮頸，故真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線到最高載荷點為界限。

　　研究學(xué)者用200萬像素CCD鏡頭和載荷感應(yīng)器對2種抗拉性能完全不同的SS400鋼和0.1%C-2%Si-5%Mn鋼進(jìn)行了真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的測定，前者為鐵素體+珠光體組織，后者為馬氏體組織。

　　實驗取得了縮頸發(fā)生的開始點及其形狀變化等高精度數(shù)據(jù)，并掌握了直到破斷時的真應(yīng)變變化。以縮頸附近的半徑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以算出曲率半徑，加上載重數(shù)據(jù)便可得出平均應(yīng)力-真應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。SS400鋼和0.1%C-2%Si-5%Mn鋼均是在縮頸開始后到破斷時仍在持續(xù)加工硬化；平均應(yīng)力在縮頸開始后仍是直線增加，而真應(yīng)力雖在增加，但增加率在變小。通過取得到破斷時的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，對縮頸發(fā)生后的加工硬化變化、破斷形變和破斷應(yīng)力等，可得到公算應(yīng)力-公算應(yīng)變曲線中難以得到的材料根本性質(zhì)。這一通過影像計算測量抗拉試驗法所得到的新見解對塑性材料變形的終極現(xiàn)象，即對到破斷時有實用性的幾個指標(biāo)提供了有用的信息。這一方法對0.1%C-2%Si-5%Mn鋼所持有的強度、延性、韌性平衡的本質(zhì)理解甚為有效。

　　未來研究發(fā)展方向

　　從研究比較得知，馬氏體組織具有較高的破壞應(yīng)力傾向性。一般馬氏體組織雖具有高強度，但韌性低，其破壞應(yīng)力和流動應(yīng)力交點的延性、脆性遷移溫度（DBTT）使破壞應(yīng)力上升以適應(yīng)低溫化，即結(jié)晶粒徑微細(xì)化時破壞應(yīng)力便可上升，故馬氏體組織在這方面的潛力很大并具有巨大優(yōu)勢，期待開發(fā)出實用化技術(shù)。但在有效結(jié)晶粒徑為桶狀晶粒徑時，馬氏體組織的微細(xì)化究竟以何種組織單位作為有效結(jié)晶粒徑還不明確，今后在力學(xué)性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)機理方面，應(yīng)該從組織的定量化和破壞斷裂的觀點進(jìn)行深入細(xì)致的探討。

　　另外，鐵素體+奧氏體組織具有25%以上的較大延伸率，而過去僅研究了奧氏體相的延性特征，馬氏體組織是否具有大幅超過過去組織性能的優(yōu)勢，這一點尚不明確。為了解決這個問題，也需要采用創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)材料創(chuàng)制的指導(dǎo)原理。5%Mn鋼便是從奧氏體區(qū)經(jīng)空冷而引發(fā)馬氏體相變，在兩相區(qū)實施低溫退火時便可不需等溫淬火而得到殘余奧氏體組織。該項研究作為獲得高強度組織的一種工藝已開始在實踐中應(yīng)用，有望盡快實用化以便被廣泛推廣。