低合金高強(qiáng)度高塑性復(fù)相鋼材的成分設(shè)計(jì).pdf

1、就全世界而論，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的鋼鐵工業(yè)，已經(jīng)過(guò)了它的鼎盛時(shí)期。但鋼鐵材料的固有優(yōu)勢(shì)(使用和加工性能優(yōu)異，回收率高，價(jià)格低等)導(dǎo)致世界鋼鐵工業(yè)仍然存在發(fā)展空間，鋼產(chǎn)量仍在持續(xù)增加。盡管我國(guó)已經(jīng)成世界上鋼產(chǎn)量最多的國(guó)家，但是，在資源、能源和環(huán)境等人類可持續(xù)發(fā)展的總體水平要求下，鋼鐵材料還面臨諸多的挑戰(zhàn)，如生產(chǎn)成本增高(原料成本和人工工資增高等)和鋼材價(jià)格降低(鋼制品價(jià)格下降，從而要求鋼材降價(jià)等)的壓力，面臨挑戰(zhàn)和機(jī)遇，其對(duì)策是獲得市場(chǎng)比較優(yōu)勢(shì)

2、。 提高結(jié)構(gòu)材料的性能是獲得比較優(yōu)勢(shì)的永恒課題。以信息技術(shù)快速、節(jié)約、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)高性能結(jié)構(gòu)材料是獲得比較優(yōu)勢(shì)的重要途徑，也是鋼鐵企業(yè)生存發(fā)展的必由之路。高性能結(jié)構(gòu)材料是指高比強(qiáng)度、高比剛度、高比強(qiáng)延積、耐高溫、耐腐蝕和抗磨損的新結(jié)構(gòu)材料，與目前已廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料相區(qū)別，也稱為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料或先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。這類材料的使用數(shù)量將逐漸增多，取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的比率也將逐漸增大。低碳低合金鋼通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得最佳的成分、組織和性能的配合

3、，達(dá)到高的強(qiáng)塑積(σ×δ)和性能價(jià)格比，作為高性能結(jié)構(gòu)材料有良好的發(fā)展應(yīng)用空間。 應(yīng)用信息技術(shù)的目的就是在明確材料使用性能要求的前提下，搜集滿足該性能的材料的組分，組織結(jié)構(gòu)，合成方法等數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)(包括秘方等)公式等信息，將其進(jìn)行綜合處理，分析得出最佳結(jié)果(或理論公式)從而免去“大海撈針”式的反復(fù)實(shí)驗(yàn)的做法，快速、簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出新材料，盡早投產(chǎn)應(yīng)用。 通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的低碳低合金高強(qiáng)度鋼的現(xiàn)狀分析，可以看出：低碳

4、、低合金通過(guò)合金化、微合金化，并且與先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)工藝相結(jié)合起來(lái)生產(chǎn)制造，可獲得多種類、多相組織的結(jié)合，如鐵素體＋珠光體、鐵素體＋馬氏體、空冷貝氏體、板條馬氏體、鐵素體＋貝氏體＋馬氏體＋殘余奧氏體、貝氏體＋馬氏體＋殘余奧氏體等，從而賦予該類鋼高強(qiáng)度、高塑性和高的韌性。即具有復(fù)相組織的低碳低合金鋼，可以具有高強(qiáng)度和高的塑韌性配合。 在歸納總結(jié)低碳低合金復(fù)相鋼{貝氏體＋[殘余奧氏體＋馬氏體(或回火馬氏體)＋鐵素體]少量}相變臨界點(diǎn)和

5、轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)有關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算復(fù)相鋼中臨界點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)即相變動(dòng)力學(xué)中轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)的計(jì)算公式；運(yùn)用已有的研究成果和低碳低合金高強(qiáng)度鋼的相變強(qiáng)化理論，提出了按性能要求設(shè)計(jì)先進(jìn)低碳低合金復(fù)相鋼的成分和組織的計(jì)算公式。并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證：試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算得到的該鋼的TTT圖和CCT圖相比較，基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。鋼的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，即鋼的鍛后實(shí)際冷卻速度Vr有：VB＞V1≥VF＞Vp；合金元素引起的Bs下降值與Ms下降值

6、的比值(即ΔBs/ΔMs值)盡量取高值，可以獲得良好的強(qiáng)韌性配合。 針對(duì)調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前梁出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，運(yùn)用所提出的低碳低合金高強(qiáng)度高塑性鋼成分設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)了一種鍛后空冷可獲得以貝氏體為主的非調(diào)質(zhì)復(fù)相鋼20Mn2SiVB，其抗拉強(qiáng)度σb≥900MPa。經(jīng)工業(yè)冶煉軋制，鍛造生產(chǎn)，制成汽車前梁，其主要化學(xué)成分為(wt％)：0.18C，2.05Mn，0.84Si，0.12V，0.0043B，0.057S；顯微組織和主要力學(xué)性能(

7、1250℃鍛后空冷)：貝氏體＋(殘余奧氏體＋鐵素體＋馬氏體)少量；σb=963.4MPa，σs=635.4MPa，δ=13.9％，Ψ=43％，HB=290，ak=67J/cm2，Nf=200x104次，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 采用TEM、SEM、XRD和EDS等現(xiàn)代檢測(cè)手段和方法，對(duì)20Mn2SiVB鋼的顯微組織及斷口進(jìn)行了分析；并對(duì)鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞極限等力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試；對(duì)鋼的化學(xué)成分、顯微組織與其力學(xué)性能和加

8、工成型工藝之間的依賴關(guān)系，進(jìn)行了分析和討論。 設(shè)計(jì)鋼種顯微組織中的貝氏體為粒狀貝氏體(由鐵素體基體和馬氏體-奧氏體小島組成)，其中(M-A)小島尺寸愈細(xì)小，數(shù)量愈多，鐵素體中亞結(jié)構(gòu)愈多，鋼的強(qiáng)韌性愈高；復(fù)相組織中殘余奧氏體以薄膜狀存在于貝氏體板條間或在貝氏體板條上以一定角度分布，將板條大量分隔成更小的塊，削減了裂紋尖端的應(yīng)力峰，使其得到鈍化，加之其形變強(qiáng)化作用，降低了裂紋擴(kuò)展速率，提高了材料的變形抗力，從而改善了鋼的韌性；復(fù)相組

9、織中仿晶界型鐵素體對(duì)鋼的塑性和韌性也有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)合金元素的有效利用，前梁制造工藝的方便控制也是有利的，還可以改善鋼的切削加工性能。 對(duì)20Mn2SiVB鋼的疲勞斷口裂紋源分析表明：當(dāng)鋼中存在變形較困難的Al、Si、Ca等氧化物夾雜，且尺寸大于10μm時(shí)，顯著降低鋼的疲勞極限值，而尺寸小于10μm的夾雜物，若分布均勻，對(duì)鋼的疲勞極限值不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。 20Mn2SiVB鋼的加熱冷卻工藝對(duì)鋼的組織和性能也有明顯

10、影響。當(dāng)奧氏體化溫度高，冷卻速度快，固溶奧氏體中的合金元素量多且均勻，鋼中殘余奧氏體量增多，鋼的綜合力學(xué)性能得到提高。反之，殘余奧氏體量減少，力學(xué)性能下降。 綜合分析結(jié)果，利用20Mn2SiVB鋼代替調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前梁，始鍛溫度1250℃，鍛后空冷，當(dāng)復(fù)相組織中各相的相對(duì)含量為：9％殘余奧氏體＋6％鐵素體，其余為貝氏體和少量馬氏體(或?yàn)榛鼗瘃R氏體)時(shí)，能夠滿足汽車前梁的生產(chǎn)制造和使用要求。由于以廉價(jià)合金元素代替較貴重合金元素，以