淺析鋼板超微粒細化組織控制技術

　　據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，其主要原因是上述性能呈相反關係。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%成為鋼板開發的長遠任務。作為強度、延性平衡優良的鋼板，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），進一步使之含有殘餘奧氏體的為TRIP鋼板以及利用高Mn鋼特有的雙晶型TWIP鋼。同時，以優良韌性和局部延性為特點的超微細粒鋼板也在研發中。

　　一旦打破材料性能的相反關係，就可以實現創新型結構材料的開發。基於這樣的想法，日本有學者開發了0.1%C-2%Si-5%Mn系的鐵素體+殘餘奧氏體鋼。該鋼種通過利用超微粒細化技術的雜型組織控制，打破了上述相反關係的力學性能極限。其基礎組織之一為馬氏體組織，通過對馬氏體鋼的微細化，使其在TS=1400MPa級下，同時實現了鋼板的高延性和高韌性。對於該鋼種中的鐵素體+奧氏體組織，則通過固相和分散相的微細化，使其與TS=1200MPa級相當的延伸率和局部延伸率並接，並進一步擁有較高的上平台能量（UpperShelfEnergy，USE），從而實現TS×TE×USE值超過1萬GPa%J的鋼板的成功開發。

　　優良力學性能的空冷馬氏體

　　加Mn的意義。淬火狀態的馬氏體硬而脆，因而需要回火處理。若在淬火狀態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。若進一步對馬氏體組織在空冷條件下進行研究，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，從元素戰略的觀點看意義重大。

　　加Mn量、相變點和微觀組織三者的關係。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。對連續冷卻時的相變溫度和加Mn量的關係對比如下：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5%Mn時，則和冷卻速度無關，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後馬氏體組織的關係把握。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構發生重大變化，但其機理尚不夠明確。0.1%C-5%Mn時，奧氏體極為穩定，故相變前奧氏體微細下也不會生成鐵素體。因此，可以控制奧氏體和相變後馬氏體組織的關係。於是通過調整加熱溫度，製成粒徑在200um~20um的奧氏體組織，進一步用後述的加工模擬器製成γ粒徑微細化鋼，然後對從微細化後γ粒相變後的馬氏體組織（桶狀、板條）和就γ粒的方位關係用EBSD（ElecEronBackscatterDiffraction）進行解析。

　　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現，實驗結果有明顯區別，兩者的抗拉實驗對比亦明顯不同：20um微細組織的TS、TE等指標均遠優於200um粒徑組織。同時，組織的微細化也使局部延性大為改善，故未經回火的馬氏體組織延伸率仍達17%，TS×TE值也達到了24000MPa%。而強度大體相同的0.25%C鋼的淬火馬氏體組織，其延性和其他指標都比較差。

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

　　超微細等軸馬氏體。加Mn的主要目的在於使奧氏體穩定化，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℃下強加工後的奧氏體成為1um級的微細組織，由此相變生成的馬氏體組織也非常微細。通過對馬氏體組織的微細化而把握其力學性能，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一步明確化。

　　檢測組織性能

　　Mn可使奧氏體穩定化，故對殘餘奧氏體的生成也是有效的。殘餘奧氏體可導致TRIP現象，並使強度和延性的平衡性進一步提高。將上述空冷馬氏體在A1相變點值上的兩相溫度區（675℃）退火，便可得到超微細組織。由相圖看出，超微細殘餘奧氏體的體積率達到20%以上。經冷軋、γ→α兩相區退火和等溫淬火工藝所生產的TRIP鋼中並不會得到此類超微細復相組織。將此組織的抗拉性能和空冷馬氏體的抗拉性能比較結果發現，前者比後者的強度較低，主要是通過TRIP現象使加工硬化性能得到飛躍提高。

　　進一步進行恰貝衝擊試驗表明，該組織鋼種的USE達到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值達到8000GPa%J，並有望達到1萬GPa%J。

　　探究真應力-真應變曲線

　　在挑戰強度、延性平衡的極限基礎上，對均勻延伸率和局部延伸率的本質，通過真應力-真應變曲線來理解甚為重要。在單軸抗拉試驗中，在最高載荷點以後產生了局部縮頸，故真應力-真應變曲線到最高載荷點為界限。

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

　　實驗取得了縮頸發生的開始點及其形狀變化等高精度數據，並掌握了直到破斷時的真應變變化。以縮頸附近的半徑數據為基礎可以算出曲率半徑，加上載重數據便可得出平均應力-真應變曲線和真應力-真應變曲線。SS400鋼和0.1%C-2%Si-5%Mn鋼均是在縮頸開始後到破斷時仍在持續加工硬化；平均應力在縮頸開始後仍是直線增加，而真應力雖在增加，但增加率在變小。通過取得到破斷時的真應力-真應變曲線，對縮頸發生後的加工硬化變化、破斷形變和破斷應力等，可得到公算應力-公算應變曲線中難以得到的材料根本性質。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象，即對到破斷時有實用性的幾個指標提供了有用的信息。這一方法對0.1%C-2%Si-5%Mn鋼所持有的強度、延性、韌性平衡的本質理解甚為有效。

　　未來研究發展方向

　　從研究比較得知，馬氏體組織具有較高的破壞應力傾向性。一般馬氏體組織雖具有高強度，但韌性低，其破壞應力和流動應力交點的延性、脆性遷移溫度（DBTT）使破壞應力上升以適應低溫化，即結晶粒徑微細化時破壞應力便可上升，故馬氏體組織在這方面的潛力很大並具有巨大優勢，期待開發出實用化技術。但在有效結晶粒徑為桶狀晶粒徑時，馬氏體組織的微細化究竟以何種組織單位作為有效結晶粒徑還不明確，今後在力學性質的發現機理方面，應該從組織的定量化和破壞斷裂的觀點進行深入細緻的探討。

　　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徵，馬氏體組織是否具有大幅超過過去組織性能的優勢，這一點尚不明確。為了解決這個問題，也需要採用創新型結構材料創製的指導原理。5%Mn鋼便是從奧氏體區經空冷而引發馬氏體相變，在兩相區實施低溫退火時便可不需等溫淬火而得到殘餘奧氏體組織。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用，有望儘快實用化以便被廣泛推廣。

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