含铝低合金钢的纳米铜析出和残余奥氏体调控及力学行为研究

　　【摘要】：设计具有多相(Multi-phase)组织、亚稳(Meta-stable)奥氏体和多尺度(Multi-scale)纳米析出的“M3”组织对发展高性能工程用钢具有重要意义。本文从合金成分设计和工艺调整入手,对含Al低碳低锰钢中包含纳米富铜析出相和残余奥氏体的多相组织进行调控,通过铜析出和残余奥氏体的协同作用提高低碳低锰钢的强度和塑性。为了获得大量弥散分布的纳米BCCCu析出以达到最佳析出强化效果,本文研究Al元素对低碳低合金钢中Cu析出行为的影响,研究发现500℃回火1小时后,添加1wt%Al使Cu析出的数量密度从6.20.71023m-3提高到13.90.91023m-3,而晶界和位错上Cu析出的平均半径从2.40.5nm减小到1.90.5nm;回火2小时后,Al在Cu析出中明显富集。为了排除多元合金成分和Al的交互作用对Cu析出的影响,进一步探讨了加Al对Fe-Cu和Fe-Cu-Mn合金中Cu析出早期阶段的影响,在550℃回火5分钟后,1wt%Al的添加使Fe-Cu和Fe-Cu-Mn合金中Cu析出的数量密度分别提高了7倍和2倍,平均半径分别减小了57%和42%。结果表明Al可以大幅提高Cu析出的数量密度,减小析出尺寸,而Mn的存在会减弱这种效应。耦合铜析出的强化效果和残余奥氏体的相变诱导塑性效应获得高强高塑钢的关键是在析出纳米富Cu相时保留足够多且稳定的残余奥氏体。本文对含Al-Cu低碳低锰钢进行了淬火配分-回火(QP-T)处理,QP-T钢获得了数量密度为1.221024m-3的富Cu相纳米析出和20vol.%的富碳残余奥氏体。与QP钢相比,QP-T钢的抗拉强度和屈服强度分别升高了130MPa和297MPa,总延伸率和均匀延伸率分别提升了3%和4%。回火后,强度和塑性同时提高的原因是,QP样品由残余奥氏体、富碳的新生马氏体和回火马氏体组成,在回火过程中,新生马氏体和残余奥氏体之间发生碳配分,使奥氏体稳定性提高,导致塑性升高,同时纳米铜析出大幅提高强度。为了简化QP-T工艺流程,并获得C-Mn双稳定的残余奥氏体,本文对含Al-Cu低碳低锰钢进行了临界-回火热处理,对比了经过热轧和冷轧的初始组织对临界-回火工艺中组织演变和力学性能的影响。结果表明,在临界退火过程中,热轧样品中形成了板条状的逆转奥氏体并几乎全部保留至室温,而冷轧样品中形成了尺寸较大的球状逆转奥氏体,稳定性较低,在临界退火后冷却过程中形成较多的富碳新生马氏体。在随后的回火过程中,热轧样品中的板条状残余奥氏体大量分解,而冷轧样品中的富碳新生马氏体和残余奥氏体之间发生了碳配分,使残余奥氏体更加稳定,塑性明显升高。同时,回火过程中产生的铜析出使屈服强度提高了150-200MPa。