TMCP和QT对超高强钢组织和性能的影响
2020-02-20 14:12:48
作者：WORLD METALS 来源：世界金属导报
1 前言
近几十年来，兼具超高强度以及良好的韧性和焊接性的高强度低合金钢（HSLA）被广泛应用于汽车和结构部件。且随着市场对生产灵活性、可循环性以及经济和环保性要求的提高，对低碳超高强钢的发展要求也相应提高。有很多促进高强钢发展的技术。第一，低成本且简单的工艺是提高HSLA钢中的碳含量，通过提高淬透性和固溶强化来满足上述要求，但缺点是碳化物的析出会降低钢的塑性和焊接性。第二，通过添加Cu、Ni、Mn、Cr和Mo等微合金元素来提高塑性和焊接性的同时增加强度。第三，通过多种热处理手段提高HSLA钢的机械性能，如亚温贝氏体处理（IBT）、淬火和回火（QT）以及淬火和配分（QP）处理等。第四，热机械控制工艺（TMCP）。
近几十年来，QT是典型的用于获得综合性能极好机械部件的热处理方法，如将超高强度和优良韧性的含Mn、Mo和Cr等微合金的中低碳钢，广泛应用于齿轮、螺栓、连杆、轴承、起重机和推土机等。然而，要获得与QT热处理低碳微合金超高强钢相当的综合性能，恰当的合金选择和TMCP工艺是最基本的方法。
因此，本研究通过两种途径开发了一种具有满意的强度和塑性的低碳微合金钢。首先一种是采用TMCP工艺后进行空冷（AC）和水淬（WQ）。另一种是采用传统的热轧（HR）工艺，然后实施QT工艺。研究人员深入地研究了TMCP和HR-QT工艺下钢的微观组织和机械性能，并进行了对比。
2 材料和方法
采用空气感应熔炼、锻造工艺制备了低碳微合金钢。试样化学成分见表1。将试样分成两组，分别进行TMCP-AC-WQ工艺和HR-QT工艺。两种工艺的实施情况见图1。在未再结晶温度（TNR）下施加较高的变形量（>50%），以确保较高的奥氏体形变量。所有TMCP和热处理样品都通过光学显微镜（OM）和透射电镜（TEM）进行分析，硬度和拉伸试验分别采用通用硬度计（Innovatest Verzus-750CCD）和Instron 8801试验机（室温）进行，载荷为30kg，停留时间为20s。
3 结果与分析
3.1显微组织演变
从光学显微镜下观察TMCP-AC、TMCP-WQ以及HR-QT-AC试样的显微组织发现。TMCP-AC试样显示了更高的贝氏体数量，原因是贝氏体的淬透性高，这是通过合金设计来实现的。TMCP-WQ试样显示了更低的贝氏体数量和更高的马氏体数量，因为在较高的WQ速度下马氏体数量会增加。HR-QT-AC工艺处理的试样显示了淬火马氏体和回火马氏体。显然，两种TMCP钢的显微组织演变几乎相似。但HR-QT-AC钢显示的只有马氏体。平均晶粒尺寸的减小依次为TMCP-AC、TMCP-WQ和HR-QT-AC试样。
利用透射电镜对三种工艺试样的显微组织结构明场电子图像进行分析，结果显示，TMCP-AC工艺处理的试样主要显示了低贝氏体和板条状马氏体，贝氏体通常表现为富含位错的渗碳体和板条铁素体的集合体。TMCP-WQ工艺处理试样显示的主要为马氏体和低贝氏体，位错密度高。HR-QT-AC工艺处理试样显示了板条马氏体和回火板条马氏体，相邻的板条限制了马氏体的生长。这种应变调整增加了残余应力同时提高了强度。事实证明，TMCP-WQ工艺得到的板条组织尺寸更精细，相对于其他两种工艺途径能获得更高的强度。
3.2机械性能
表2和图2显示了钢板试样的机械性能和拉伸曲线。所有曲线都具有连续屈服特性，原因是无珠光体结构，这与显微组织的演变相一致，曲线的性质也符合表2中的均匀延伸率（UEL）。证明了TMCP-AC工艺下的试样具有最佳机械性能组合，虽然TMCP-WQ试样具有高达1430MPa的屈服强度、1740MPa的极限抗拉强度以及501HV的硬度，但是AC条件的屈强比低于WQ条件。同样值得注意的是，TMCP-AC试样的均匀延伸率5.62%和总延伸率（TEL）15.03%高于另外两种试样。由于水淬过程中马氏体的形成量较大，WQ试样的抗拉强度和延伸率均高于AC试样。然而，HR-QT-AC试样由于淬火马氏体和回火马氏体的混合组织，并没有获得最高的屈服强度（为1122MPa）、极限抗拉强度（为1200MPa）和硬度（为452HV），但显示出比TMCP-WQ试样更高的UEL和TEL。WQ试样具有较高的强度和良好的塑性，原因是板条马氏体、高位错密度和位错沉淀的相互作用。用TMCP-AC处理的试样显示出更高的强度和延展性组合，这与在TMCP过程中实现的晶粒/板条细化有关。
4 总结
本文为使新型低碳微合金超高强度钢获得优异的力学性能，采用两种不同的冷却方式（AC和WQ）进行TMCP处理，并进行调质热处理。
1）不同工艺生产的试样几乎都显示出相似的光学显微照片，包括TMCP加工试样的贝氏体和马氏体以及HR-QT-AC加工试样的淬火马氏体和回火马氏体。
2）TMCP-AC试样比TMCP-WQ试样出现更多贝氏体组织，而且相对于TMCP-WQ和HR-QT-AC试样的板条尺寸更小。
3）TMCP-WQ试样组织板条间存在细小的马氏体，证实了与其他试样相比，其极限抗拉强度最高。
4）与HR-QT-AC工艺相比，TMCP工艺方案的选择使钢板在力学性能方面获得了更优越的组合。
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