浅析钢板超微粒细化组织控制技术

据中国报告大厅了解到，强度、延性和韧性全部高位平衡的钢板很难实现，其主要原因是上述性能呈相反关系。例如各种钢板的抗拉强度（TS）上升的同时，延伸率（TE）则下降。过去实用钢TS×TE值的一般极限为2万GPa%水平，该值超过3万GPa%成为钢板开发的长远任务。作为强度、延性平衡优良的钢板，以大加工硬化性能为主要特点的是在铁素体矩阵中使马氏体均匀分布的DP钢（双相钢），进一步使之含有残余奥氏体的为TRIP钢板以及利用高Mn钢特有的双晶型TWIP钢。同时，以优良韧性和局部延性为特点的超微细粒钢板也在研发中。

一旦打破材料性能的相反关系，就可以实现创新型结构材料的开发。基于这样的想法，日本有学者开发了0.1%C-2%Si-5%Mn系的铁素体+残余奥氏体钢。该钢种通过利用超微粒细化技术的杂型组织控制，打破了上述相反关系的力学性能极限。其基础组织之一为马氏体组织，通过对马氏体钢的微细化，使其在TS=1400MPa级下，同时实现了钢板的高延性和高韧性。对于该钢种中的铁素体+奥氏体组织，则通过固相和分散相的微细化，使其与TS=1200MPa级相当的延伸率和局部延伸率并接，并进一步拥有较高的上平台能量（UpperShelfEnergy，USE），从而实现TS×TE×USE值超过1万GPa%J的钢板的成功开发。

优良力学性能的空冷马氏体

加Mn的意义。淬火状态的马氏体硬而脆，因而需要回火处理。若在淬火状态下可得到具有充分韧性的马氏体相时，则可省去回火处理的过程。若进一步对马氏体组织在空冷条件下进行研究，则可在不同的冷却条件下得到特定的马氏体组织，即可得到组织变动和残留应力均较小的好处。但是为了在空冷条件下得到马氏体，必须为提高淬火性而多加入Cr、Mo、Cu和Ni等元素。在低碳钢中仅加入Mn系即可在空冷条件下得到马氏体相，且具有充分的强度、延性和韧性。因此，从元素战略的观点看意义重大。

加Mn量、相变点和微观组织三者的关系。将碳含量固定为0.1%下，将加Mn量按0、1.5%、3%、4%、5%和6%变化，取得了实验的CCT曲线和TTT曲线。对连续冷却时的相变温度和加Mn量的关系对比如下：1.5%Mn时为多边形铁素体；3%Mn时相变开始温度明显偏低，铁素体未生成，而生成贝氏体和马氏体；当5%Mn时，则和冷却速度无关，均生成马氏体。从而可知，空冷下可得到马氏体的加Mn量为5%以上。

相变前奥氏体组织和相变后马氏体组织的关系把握。一般奥氏体组织粒径愈小则淬火性愈低，可得到马氏体单相组织。为此，通过γ粒径的变化可使马氏体的组织结构发生重大变化，但其机理尚不够明确。0.1%C-5%Mn时，奥氏体极为稳定，故相变前奥氏体微细下也不会生成铁素体。因此，可以控制奥氏体和相变后马氏体组织的关系。于是通过调整加热温度，制成粒径在200um~20um的奥氏体组织，进一步用后述的加工模拟器制成γ粒径微细化钢，然后对从微细化后γ粒相变后的马氏体组织（桶状、板条）和就γ粒的方位关系用EBSD（ElecEronBackscatterDiffraction）进行解析。

将晶粒尺寸相差10倍的不同奥氏体所得到的相变组织的粒界照片对比可发现，实验结果有明显区别，两者的抗拉实验对比亦明显不同：20um微细组织的TS、TE等指标均远优于200um粒径组织。同时，组织的微细化也使局部延性大为改善，故未经回火的马氏体组织延伸率仍达17%，TS×TE值也达到了24000MPa%。而强度大体相同的0.25%C钢的淬火马氏体组织，其延性和其他指标都比较差。

恰贝冲击实验所反映的延性、脆性迁移变化也呈现出明显不同的结果。过去的马氏体钢的冲击吸收能非常低，USE仅为20J水平；而0.1%C-5%Mn钢的USE值高达150J。即后者在保持高强度的同时，其冲击回收能也很高，即使不用回火其韧性也比较好。

超微细等轴马氏体。加Mn的主要目的在于使奥氏体稳定化，其目的是使过冷奥氏体能够加工，如用加工模拟器试验中，在600℃下强加工后的奥氏体成为1um级的微细组织，由此相变生成的马氏体组织也非常微细。通过对马氏体组织的微细化而把握其力学性能，使高Ys的支配因子、加工硬化能的变化、局部延性支配因子和高韧性等形成的机制等进一步明确化。

检测组织性能

Mn可使奥氏体稳定化，故对残余奥氏体的生成也是有效的。残余奥氏体可导致TRIP现象，并使强度和延性的平衡性进一步提高。将上述空冷马氏体在A1相变点值上的两相温度区（675℃）退火，便可得到超微细组织。由相图看出，超微细残余奥氏体的体积率达到20%以上。经冷轧、γ→α两相区退火和等温淬火工艺所生产的TRIP钢中并不会得到此类超微细复相组织。将此组织的抗拉性能和空冷马氏体的抗拉性能比较结果发现，前者比后者的强度较低，主要是通过TRIP现象使加工硬化性能得到飞跃提高。

进一步进行恰贝冲击试验表明，该组织钢种的USE达到250J，一般铁素体+马氏体两相组织的USE较低。因此，该钢种的TS×TE×USE值达到8000GPa%J，并有望达到1万GPa%J。

探究真应力-真应变曲线

在挑战强度、延性平衡的极限基础上，对均匀延伸率和局部延伸率的本质，通过真应力-真应变曲线来理解甚为重要。在单轴抗拉试验中，在最高载荷点以后产生了局部缩颈，故真应力-真应变曲线到最高载荷点为界限。

研究学者用200万像素CCD镜头和载荷感应器对2种抗拉性能完全不同的SS400钢和0.1%C-2%Si-5%Mn钢进行了真应力-真应变曲线的测定，前者为铁素体+珠光体组织，后者为马氏体组织。

实验取得了缩颈发生的开始点及其形状变化等高精度数据，并掌握了直到破断时的真应变变化。以缩颈附近的半径数据为基础可以算出曲率半径，加上载重数据便可得出平均应力-真应变曲线和真应力-真应变曲线。SS400钢和0.1%C-2%Si-5%Mn钢均是在缩颈开始后到破断时仍在持续加工硬化；平均应力在缩颈开始后仍是直线增加，而真应力虽在增加，但增加率在变小。通过取得到破断时的真应力-真应变曲线，对缩颈发生后的加工硬化变化、破断形变和破断应力等，可得到公算应力-公算应变曲线中难以得到的材料根本性质。这一通过影像计算测量抗拉试验法所得到的新见解对塑性材料变形的终极现象，即对到破断时有实用性的几个指标提供了有用的信息。这一方法对0.1%C-2%Si-5%Mn钢所持有的强度、延性、韧性平衡的本质理解甚为有效。

未来研究发展方向

从研究比较得知，马氏体组织具有较高的破坏应力倾向性。一般马氏体组织虽具有高强度，但韧性低，其破坏应力和流动应力交点的延性、脆性迁移温度（DBTT）使破坏应力上升以适应低温化，即结晶粒径微细化时破坏应力便可上升，故马氏体组织在这方面的潜力很大并具有巨大优势，期待开发出实用化技术。但在有效结晶粒径为桶状晶粒径时，马氏体组织的微细化究竟以何种组织单位作为有效结晶粒径还不明确，今后在力学性质的发现机理方面，应该从组织的定量化和破坏断裂的观点进行深入细致的探讨。

另外，铁素体+奥氏体组织具有25%以上的较大延伸率，而过去仅研究了奥氏体相的延性特征，马氏体组织是否具有大幅超过过去组织性能的优势，这一点尚不明确。为了解决这个问题，也需要采用创新型结构材料创制的指导原理。5%Mn钢便是从奥氏体区经空冷而引发马氏体相变，在两相区实施低温退火时便可不需等温淬火而得到残余奥氏体组织。该项研究作为获得高强度组织的一种工艺已开始在实践中应用，有望尽快实用化以便被广泛推广。