1、低碳鐵素體馬氏體型復(fù)相鋼 汽車用高強(qiáng)度鋼的性能要求： 高的強(qiáng)度 好的成形性 好的焊接性能 高的抗沖撞性能IntroductionElongation: e (%)MARTIFBHMildISIFTRIPDP,CPHSLACMn2004006008001000120010203040507060High StrengthSteelsAHSSUltra High StrengthSteelsLowStrengthSteelsConventional HSSLower Yield Strength: s (MPa)technicaleconomicalecologicalneeds ULSAB-AV

2、CClassification of steel grades 提高鋼板性能的方法位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與變形在純鐵中，由于位錯(cuò)的存在，很容易進(jìn)行變形，所以，鐵有好的成形性。提高鋼板性能的方法固溶強(qiáng)化一定量的碳、氮含量，加入價(jià)廉的硅、錳元素，強(qiáng)度水平為440MPa提高鋼板性能的方法沉淀硬化含有一定量的碳、氮，加入釩、鈦、鈮等微量元素，形成碳化物，強(qiáng)度水平為780980MPa高鋼板性能提的方法多相組織(雙相鋼)硬的馬氏體相和軟的鐵素體相共存，使雙相鋼具有高強(qiáng)度和好的成形性提高鋼板性能的方法多相組織（TRansformation-Induced Plasticity 鋼）鋼中存在一定量的殘余奧氏體，在變形時(shí)，殘

3、余奧氏體應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，使鋼具有高強(qiáng)度、好的成形性和抗沖撞性能提高鋼板強(qiáng)度的方法： 形變強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化（錳鋼、P鋼） 沉淀強(qiáng)化（含Ti、Nb、V） 組織強(qiáng)化： 提高碳量（增加珠光體） DP鋼（鐵素體+馬氏體） TRIP鋼(鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體) 馬氏體時(shí)效鋼（馬氏體）引 言 鋼材強(qiáng)韌性對(duì)立矛盾的變化關(guān)系給予人們調(diào)節(jié)構(gòu)件力學(xué)性能以很大困擾，因?yàn)樘岣邚?qiáng)度是以犧牲塑性作為代價(jià)的。無疑復(fù)相鋼的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用具有很大理論和實(shí)際意義。長期以來，汽車制造中的許多沖壓部件采用普通低碳鋼，為減輕汽車自重，要求以較薄的高強(qiáng)度低合金鋼板來代替較厚的低強(qiáng)度普通低碳鋼板，但采用高強(qiáng)度低合金鋼以后，雖然強(qiáng)度有了增高

4、，卻使塑性、冷塑性形變成型性變壞，例如15鋼，s=230 MNm2，b=380 MNm2，s不低于27，而16Mn鋼當(dāng)s=350 MNm2，b=520 MNm2，s低于21，未能很好的滿足沖壓成型要求。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，世界能源與環(huán)境問題顯示危機(jī)，造成探求高強(qiáng)度、高塑性鋼材的緊迫感，于是發(fā)展了在鐵素體基體上分布著馬氏體島的復(fù)相鋼，這種鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和冷形變成型性的配合，拿C01的SiMn鋼來說，s=305 MNm2，b=603 MNm2，s達(dá)到28，用于汽車制造，可以較好的解決高強(qiáng)度低合金鋼不易沖壓成型的矛盾。低碳鐵素體-馬氏體型復(fù)相鋼設(shè)計(jì)思路復(fù)相鋼性能要求 所要設(shè)計(jì)的鋼種主要

5、用以制造機(jī)動(dòng)車的形變成型件，如車門、車身外面板、擋泥板和輪圈等，要求具有以下的性能：(1)首要的是優(yōu)異的冷形變成型性，即要求具有低的屈服極限，高的抗拉強(qiáng)度，不出現(xiàn)明顯的屈服反應(yīng)(在應(yīng)力應(yīng)變曲線上不出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn))，高的均勻應(yīng)變量和斷裂應(yīng)變量，高的應(yīng)變硬化指數(shù)n值以及高的塑性應(yīng)變比值R；(2)高的形變加工硬化率d/d，從而可使板件厚度越小，而形變后的強(qiáng)度卻越高；，(3)好的可焊性。除此以外，鋼的生產(chǎn)成本應(yīng)盡可能低廉。(1)復(fù)相鋼主要由鐵素體和位錯(cuò)馬氏體所組成，并以鐵素體作為鋼的基本組成相，它約占8090體積分量；(2)為使鐵素體基體提供出高塑性、韌性和形變成型性的性能，鐵素體相應(yīng)盡可能的不為C

6、、N原予所沾染，使它形成一個(gè)實(shí)際上不間隙固溶C、N的凈化相；但又使其具有一定的承受外加載荷能力，允許采用置換固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制來改善其強(qiáng)度；(3)盡可能使基體處于細(xì)小的等軸狀晶粒狀態(tài)； (4)在鐵素體內(nèi)應(yīng)包含著較高密度的位錯(cuò)，且有高可動(dòng)性； (5)間隙固溶畢竟是一個(gè)強(qiáng)化效應(yīng)最為顯著的強(qiáng)化機(jī)制，為使位錯(cuò)馬氏體具有較高強(qiáng)度，因此讓位錯(cuò)馬氏體間隙固溶一定量的C；但要注意到，不能因此而使鋼的塑性、韌性和形變成型性受到很大的削弱，例如控制馬氏體C含量不超過0.30，微量的孿晶馬氏體還是可以接受的；馬氏體系以幾何形狀的孤島方式分布于基體上，其尺寸與島狀間距應(yīng)受到控制。(6)避免第二相化合物的沉淀，即避

7、免基體中位錯(cuò)的滑移受到阻擋；如果有第二相粒子，則一要它均勻分布，二耍防止偏聚于兩個(gè)組成相的間界面上。 用鋼成分的設(shè)計(jì) 由冷形變加工組織設(shè)計(jì)可知，基體相應(yīng)為不含間隙固溶C、N原子的凈化鐵素體相。另一個(gè)相為位錯(cuò)馬氏體，C集中于馬氏體內(nèi)。若要求具有這種復(fù)相組織的鋼的屈服強(qiáng)度接近于高強(qiáng)度低合金鋼，如450MNm2，。已知退火鐵素體的屈服強(qiáng)度為180MNm2：，鐵素體體積分量取80，馬氏體體積分量則為20，根據(jù)混合定則可以推知，鋼中馬氏體的屈服強(qiáng)度便應(yīng)達(dá)到1530MNm2，這相應(yīng)的要求馬氏體含有0.40的C量；因此這種復(fù)相鋼的C含量可定為0.08。若要求取得更高的屈服強(qiáng)度便可使鋼有更多些的C量，即將馬氏

8、體的固溶C量增多些，或者適當(dāng)?shù)脑龈唏R氏體體積分量。 0.2 M0.2Vm+F0.2VF 鋼的合金化選擇是從以下五個(gè)方面的需求來考慮的：置換固溶強(qiáng)化，主要為提高鐵素體基體的強(qiáng)度；掃除鐵素體基體中的間隙固溶原子，從而取得凈化C、N的鐵素體；提高鋼的馬氏體淬透能力；擴(kuò)大十的溫區(qū)以改善熱處理工藝性能，細(xì)晶粒的獲得。 成分設(shè)計(jì)表明，本復(fù)相鋼居于低碳量，即0.2的C，主加元素為Si、Mn和Mo;其中Si1.50，1.01.5Mn，0.25 0.6Mo；副加元素可有Cr，V，Al和P等。 鐵素體馬氏體復(fù)相鋼的幾種類型 (1)Si-Mn系；如0.07C，1.1Si，1.75Mn，0.045Al，外加稀土金屬；

9、熱軋后板卷連續(xù)退火，s330MNm2，b620MNm2，總伸長率33。 (2)Mn-Si-Mo系；屬于這種類型的鋼種比較多，C含量在0.05一0.10范圍內(nèi)，比較多的是0.050.06，Mn量為1.01.40，Mo量為0.250.60，現(xiàn)在已不用Cr。一般直接由熱帶鋼軋機(jī)軋制而成，不另外進(jìn)行熱處理。如0.09C，1.40Mn，1.40Si，0.70Cr，0.60Mo，0.02Al，熱軋制成復(fù)相鋼板卷，鋼板厚度約為2.0-5.0mm，s305MNm2，b603MNm2，28，R0.78，晶粒度為10級(jí)(ASTM)。 (3) Mn-Si-V系；如0.11C，1.5Mn，0.6Si，0.06V。(4

10、) Mn-Si-P系；如0.06C，1.0Si，0.7Mo，0.10P；于560卷?。贿M(jìn)行750800加熱，噴氣冷卻到500以下，水冷，經(jīng)200回火，s275533MNm2，b420700MNm2，2638，R1.041.25，n0.150.19。 一般的復(fù)相鋼P(yáng)、S量控制在0.010.07內(nèi)。 目前復(fù)相鋼是一個(gè)正在發(fā)展的鋼種，各國有自己鋼種系列，鋼的成分都在逐步地修正和補(bǔ)充。 F-M復(fù)相鋼制備工藝特點(diǎn)一、熱處理雙相鋼二、熱軋雙相鋼 (3) 間是高度粘合的，在其間沒有第二相粒子的偏聚，即沒有出現(xiàn)減聚現(xiàn)象，鐵素體可以將載荷作用安全地傳遞到馬氏體相。 (4)低碳的位錯(cuò)馬氏體與鐵素體有著相同的點(diǎn)陣構(gòu)

11、造，又具有相同的彈性模量，故在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)，不致發(fā)生局部的應(yīng)力集中。 實(shí)際上復(fù)相鋼的組織不止是雙相，除和外，還可能出現(xiàn)珠光體和殘余奧氏體，以及碳化物，所以它的組織還是比較復(fù)雜的，是由多個(gè)相組成的。 低碳鐵素體-馬氏體型復(fù)相鋼組織與性能變化規(guī)律F-M復(fù)相鋼強(qiáng)韌性變化特點(diǎn) 復(fù)相鋼的強(qiáng)韌性具有以下特點(diǎn)： (1)復(fù)相鋼的強(qiáng)度主要由馬氏體體積分量、鐵素體晶粒尺寸以及鐵素體本身的強(qiáng)度三者所決定，鐵素體本身的強(qiáng)度則依靠位錯(cuò)強(qiáng)化和置換固溶強(qiáng)化的作用。 (2)復(fù)相鋼的塑性、韌性和成型性主要取決于鐵素體的性質(zhì)，在很大程度上這是鐵素體凈化間隙固溶原子所導(dǎo)致的。 (3)各種相同強(qiáng)度的復(fù)相鋼之間，鐵素體強(qiáng)度高的鋼具有

12、較大的塑性。 (4)復(fù)相鋼的強(qiáng)度和塑性變化規(guī)律可近似地沿用纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的理論計(jì)算公式F-M復(fù)相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 鐵素體馬氏體復(fù)相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線包含以下的特性：(1)應(yīng)力與應(yīng)變的變化始終相互對(duì)應(yīng)，不顯示屈服效應(yīng)；(2)與相同抗拉強(qiáng)度的普通高強(qiáng)度低合金鋼相比較，它的屈服強(qiáng)度低，因而bs比值較高；(3)在抗拉強(qiáng)度相等時(shí)，復(fù)相鋼的延伸率比普通高強(qiáng)度低合金鋼為高；(4)在延伸率相接近時(shí)，復(fù)相鋼的抗拉強(qiáng)度高得多，有的可超出一倍以上；(5)復(fù)相鋼具有較高的形變硬化指數(shù)n值；(6)高的彈性模量E值。 強(qiáng)度與馬氏體體積分量的關(guān)系低碳鐵素體馬氏體復(fù)相鋼的強(qiáng)度主要取決于馬氏體休積分量，而與其C含量無關(guān)，強(qiáng)度與

13、馬氏體體積分量具有線性變化關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布還比較分散，這與沒有把鐵素體晶粒尺寸和鐵素體強(qiáng)度變化作用考慮進(jìn)去有關(guān)，無論如何強(qiáng)度與馬氏體體積分量問的線性變化趨勢(shì)是十分明顯的。因此復(fù)相鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可通過下示式子來估算，0.2與b都是正比于馬氏體量(M)的： 0.2 (MNm2)103十1.11M b (MNm2)365十16.3M (1)復(fù)相鋼在全部應(yīng)變中均表現(xiàn)出較高的應(yīng)變硬化；(2)成分有很大差異的復(fù)相鋼的應(yīng)變硬化性質(zhì)無甚差異；(3)通常的幾種鋼，包括高強(qiáng)度低合金鋼的應(yīng)變硬化在很寬的應(yīng)變范圍內(nèi)都低于復(fù)相鋼；(4)這些鋼種和復(fù)相鋼的應(yīng)變硬化與應(yīng)變間的關(guān)系都相類似，因此并不直接的與應(yīng)變硬化

14、機(jī)制有關(guān)。 復(fù)相鋼的高強(qiáng)度和高塑性在承受低周疲勞載荷時(shí)，顯然它的疲勞極限高于高強(qiáng)度低合金鋼 鐵素體基體晶粒細(xì)化的作用 前述結(jié)果表明，復(fù)相鋼(十)的抗拉強(qiáng)度給定時(shí)，提高鐵素體強(qiáng)度能改善鋼的塑性，即提高u或n值。除開馬氏體體積分量外，另一個(gè)影響復(fù)相鋼強(qiáng)度的因素是鐵素體晶粒尺寸。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）Nb可細(xì)化晶粒；（2）Mn和Nb同時(shí)加入鋼中，Mn量增至1.5%時(shí)，細(xì)化晶粒效果顯著；(3)Mo的細(xì)化晶粒作用不大；(4)Mn量從0.72增至1.48，鋼的馬氏體量隨著增多。 P和Si是有效的強(qiáng)化鐵素體元素。隨著鐵素體中P和Si量增多，強(qiáng)度提高，對(duì)塑性影響不大；復(fù)相鋼具有比普通的高強(qiáng)度低合金鋼更為良好的

15、強(qiáng)韌性配合。在鐵素體晶粒尺寸一定時(shí)，鐵素體的置換固溶強(qiáng)化能改善復(fù)相鋼的強(qiáng)韌性，以及成型性。 F-M復(fù)相鋼的斷裂行為與韌性復(fù)相鋼主要是由等軸狀鐵素體和20的條狀位錯(cuò)馬氏體島所組成的。復(fù)相鋼的這種組織特點(diǎn)有其自己的斷裂方式，在受到外加載荷時(shí)，復(fù)相鋼的形變首先發(fā)生于鐵素體，于一定形變量以后，鐵素體基體上的形變才越過相界面而傳遞到馬氏體中去，從而引起馬氏體島的形變。鐵素體與位錯(cuò)馬氏體均屬韌性相，有高的應(yīng)變能力，在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)，兩相的應(yīng)變與應(yīng)變強(qiáng)化之間能保持平衡，能延遲頸縮的產(chǎn)生，因此復(fù)相鋼在形變時(shí)應(yīng)變的分布是較均勻的。局部地區(qū)的應(yīng)力集中不會(huì)很高。當(dāng)形變量很大時(shí)，于是在氧化物間界面上，或者鐵素體與馬氏體島的間界面上萌生微孔，形成裂紋核心，在外力的繼續(xù)作用下，裂紋核心以解理方式向鐵素體內(nèi)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展而遇到馬氏體時(shí)，常改變裂紋擴(kuò)展走向，沿著鐵素體馬氏體界面在鐵素體一側(cè)擴(kuò)展，裂紋核心也可以以準(zhǔn)解理方式向馬氏體內(nèi)擴(kuò)展然后又以解理方式通過鐵素體；造成斷裂。 復(fù)相鋼理論研究的近期成就 復(fù)相鋼具有優(yōu)異的加工硬化性能近年來在眾多的復(fù)相鋼理論研究中，最為成功的是它的加工硬化性能的理論解釋現(xiàn)在以為M-A島是難以形變的，當(dāng)形變量1時(shí)，加工硬化主要是由于Orowan環(huán)對(duì)位錯(cuò)源的反作用力所引起