ZG24Si Mn2CrB钢的组织调控与性能研究

发布时间：2016-11-09 16:42

第 1 章   绪论 

1.1   研究背景 
在当今全球变暖、能源紧缺的大环境中，环保与节能成为了汽车产业发展的主要方向[1]。有报道指出，当车身重量减轻 10%时，可节约 3%～7%的燃料[2]，因此汽车轻量化成为汽车产业发展的首要目标。在汽车轻量化这一大前提下，铝合金充分发挥了其重量轻这一优势，成为了汽车零部件的新宠，向传统钢铁材料的地位发起了挑战。但同时又有资料显示，当钢的强度达到 780 MPa以上时，其表现出的综合力学性能要比铝合金更加优异[3]。若想使钢能够满足轻量化的要求，那么提高钢强度势在必行，因此大力推进先进高强钢的研究进程刻不容缓[4]。 第一代先进高强钢的研究是以提高强度为主要目的，但是它最大的问题是虽然使强度得到了大幅度的提高，但是却忽略了塑性的问题，导致塑性随着强度的升高而降低，所以表征材料综合性能的强塑积数值不高。由此发展出的第二代先进高强钢是在不影响高强度的前提下，以提高材料塑性为主要目的，为了达到这一目的，在钢中添加了较多的合金元素，所以虽然具有极高的强塑积，但是其成本高、冶炼难、工艺性差，所以不适合大规模应用于汽车产业。考虑到前两代[5]先进高强钢的优点和不足，现在人们提出了要把研究的重点朝向第三代先进高强钢的研发，第三代先进高强钢要求同时具有较高的强度和塑性，而又不能添加过多的合金元素，满足低成本的经济条件[6-7]。本文也正是顺应这种潮流，设计开发一种成本低廉的低合金铸钢，并对其进行不同的热处理以获得高强韧的力学性能。
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1.2   先进高强钢的发展历史和研究现状
所谓马氏体（M）钢，是指主要组织为马氏体和少量的铁素体、贝氏体的钢，其中马氏体为基体，少量的铁素体、贝氏体分布在马氏体基体上。由于马氏体为主要相，故该钢种具有较高的强度，抗拉强度范围一般在 900 MPa～1500 MPa，是目前强度级别最高的钢种[8-9]。马氏体钢的生产工艺过程是将钢加热至完全奥氏体化后快速冷却至室温，使得绝大部分奥氏体转变为马氏体，形成马氏体钢。此时的马氏体具有高位错密度，因此所得钢的强度有余而塑性不足，通常随后都要进行回火处理。回火温度与钢的强度和塑性密切相关，根据回火温度的高低，可以分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火后组织为回火马氏体，可以获得较高的强度，而中高温回火后组织为回火托氏体和回火索氏体，可以显著提高塑性。此外，在实际生产中，经常通过在马氏体钢中加入微量合金元素（如锰、硅、钼等）的途径来提高淬透性和塑性，还可以提高抗腐蚀性和抗疲劳性。按照加入合金元素量的高低，可以将钢分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。低合金钢由于其成本低而强度高等特点受到了广泛的关注，也是目前研究最多的钢种。
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第 2 章   实验材料与方法 

2.1   实验流程图及设备

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2.2   实验材料 
本实验采用的实验钢为自主设计的一种新型的低合金高强韧非调质铸钢ZG24Si Mn2Cr B，成分如表 2.2 所示。经过对合金钢成分的优化之后，开始进行配料、冶炼以及浇注等操作，本实验采用中频感应炉（YFL-50）对实验钢进行冶炼，最终浇注得到如图 2.2 所示的Y型实验钢试样。 亚温淬火的影响因素在 1.4.3 中已经进行了详细的介绍，本文为了研究亚温处理工艺参数对实验钢力学性能的影响，并进一步优化出实验钢的最佳热处理工艺参数，从三个方面设计了实验。 1.  改变两相区加热温度。使经预处理后的实验钢分别在 770 °C、790 °C、810 °C、830  °C、850  °C共五个温度进行保温，回火后观察所得室温下组织的变化。同时为了起到对比作用，另设置了传统热处理实验以及未进行预处理的两相区保温实验。 2.  改变两相区保温后的冷却方式。使经预处理和两相区保温后的实验钢分别经由空冷、风冷、雾冷、NJ介质冷却等共四种冷却方式冷却至室温，回火后观察所得实验钢的室温组织和力学性能的变化，研究冷却方式对实验钢组织性能的影响规律。 3.  改变回火温度。使经由预处理以及两相区保温后的实验钢分别在 300  °C、340  °C、380  °C、420  °C共四个温度回火，观察其室温下的组织和力学性能。另设置了未进行回火处理的实验作为对比实验。 
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第 3 章   实验钢的成分设计和制备 ......... 23 
3.1   主加合金元素及其在钢中的作用 ...... 23 
3.2   实验钢的成分设计 .... 26 
3.3   实验钢的熔炼 ........ 27 
3.4   实验钢的临界点计算 ......... 29 
3.5   本章小结 ..... 30 
第 4 章   亚温处理对实验钢微观组织及力学性能的影响 ..... 31 
4.1   加热温度的影响 ...... 31 
4.2   冷却方式的影响 ...... 37 
4.2.1   热处理工艺设计 .... 37 
4.2.2   微观组织分析 ...... 39 
4.2.3   力学性能分析 ...... 41 
4.3   本章小结 ..... 43 
第 5 章   回火温度对实验钢微观组织及力学性能的影响 ..... 45 
5.1   热处理工艺设计 ...... 45 
5.2   空冷后分别在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 46
5.3   风冷后分别在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 50
5.4   雾冷后分别在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 54
5.5   NJ 介质冷却后分别在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火.......... 58
5.6   断口分析 ..... 62 
5.7   本章小结 ..... 63 

第 5 章   回火温度对实验钢微观组织及力学性能的影响 

5.1   热处理工艺设计 
本节拟研究两相区保温后的冷却方式和回火温度对实验钢微观组织和力学性能的交叉影响，热处理工艺示意图如图 5.1 所示。首先对实验钢进行 900 °C保温 30 min风冷的预处理，然后再在 810 °C保温 30 min，以四种不同的冷却方式冷却至室温，并在经由每一种冷却方式冷却后都进行四种不同温度的回火处理，最后风冷至室温。 通常，钢经淬火后都要进行回火热处理，这是为了消除钢中的内应力，提高其综合力学性能。然而，对含有残余奥氏体的钢却很少进行回火处理，因为在回火过程中可能导致残余奥氏体的分解，使其塑性大大降低，不利于最终的力学性能。但是在本次实验中，由于在两相区保温过程中发生了合金元素的重新配分，且在最初钢的成分设计中添加了硅等抑制碳化物形成的元素，使得碳等元素在奥氏体中能够充分富集，增加了其稳定性，使其可以在室温下稳定存在。再者奥氏体分解会生成铁素体和渗碳体，而硅等非碳化物形成元素的存在，抑制了渗碳体的析出，极大的降低了生成渗碳体的化学驱动力，不利于奥氏体的分解。本实验中选择的回火温度较低，在 300 °C～420 °C之间，以 40 °C为间隔。 为了进行对比，不同冷却方式冷却后均设置一组不进行回火的实验，并观察其微观组织。在冷却方式和回火温度这两个因素中，本次实验主要考虑的是回火温度的影响，故而下述讨论中将依次固定冷却方式，讨论在该种冷却方式下，不同回火温度的影响，并总结出两相区保温后的冷却方式对实验钢微观组织和力学性能的影响。
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总结

本文是为了适应当今汽车市场的发展潮流，满足汽车工业对钢铁材料的要求，并以第三代高强钢为研究基础，致力于研发出一种低合金、低成本、高强韧、非调质的铸造用钢。依据主加合金元素在钢中的作用，同时兼顾经济效益，选择廉价、高效的合金元素作为添加元素，最终确定各合金元素的质量分数为碳0.15wt.%～0.3wt.%，硅
1wt.%～2wt.%，锰
2wt.%～3wt.%，铬
0.3wt.%～0.7wt.%，钒、钛和稀土均在0.04wt.%～0.06wt.%区间内，硼0.003wt.%～0.005wt.%，牌号定为ZG24Si Mn2Cr B。并从热处理工艺角度对实验钢进行优化。 
1.  在本实验条件下，以900  °C×30  min风冷预处理+810  °C×30  min风冷+340  °C× 30 min回火为基础热处理工艺，改变两相区保温温度，以20 °C为间隔，上下各设置两组实验，并通过对所得实验钢金相组织的观察，发现随着两相区保温温度的增加，实验钢室温组织中铁素体含量降低、贝氏体和马氏体含量增加。因此可以通过调节两相区保温温度改变各相在室温下的比例，从而调整实验钢的综合力学性能。 
2.  在本实验条件下，改变亚温处理冷却方式及回火温度，得出最优的热处理参数为900 °C×30 min风冷预处理+810 °C×30 min风冷+340 °C×30 min回火，得到的抗拉强度为1567.4 MPa，延伸率为16.3%，硬度为38.62 HRC，强塑积可达到25549 MPa·%。相比于其它两种常规的冷却方式，此时得到的室温下的组织最为细小，具有更高的强度和硬度。当然，每种冷却方式都有最佳的回火温度与其匹配。在空冷的冷却方式下，最佳的回火温度为380 °C；在雾冷的冷却方式下，最佳的回火温度有所下降，在340 °C。这也证明了随着冷却速度的加快，最佳的回火温度有所下降，这对实际生产具有很重要的经济意义。 
3.  在本实验条件下，自主设计了一种新型冷却介质NJ介质，使其具有高温快冷、中温缓冷的特点。分析实验钢经900 °C×30 min风冷预处理+810 °C×30 min NJ介质冷却+340 °C×30 min回火后得到的室温下的组织发现，相比于其他三种冷却方式，此种冷却方式能够得到更多的贝氏体相，证明了NJ介质确有高温快冷、中温缓冷的特点。当实验钢经两相区保温NJ介质冷却至室温时，得出最优的热处理参数为900  °C×30  min风冷预处理+810  °C×30  min  NJ介质冷却+340  °C×30  min回火，，得到的抗拉强度为1648.9 MPa，延伸率为14.9%，硬度为44.4 HRC，强塑积可达到24569 MPa·%。 
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参考文献(略)

本文编号：169322