科学|《ACTA》开发出低成本、高强度、高延伸率含碳奥氏体-马氏体时效钢
_本文原题：《ACTA》开发出低成本、高强度、高延伸率含碳奥氏体-马氏体时效钢
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江苏激光联盟导读：本文提出一种基于碳化物析出的新型马氏体时效钢 。 并设计了两种合金 ， 即Fe-10Mn-0.25C-2Cr-1Mo wt％（2CrMo）和Fe-10Mn-0.25C-1Cr-2Mo wt％（Cr2Mo）以实现超高强度和高延伸率 。 合金是通过一般熔炼 ， 铸造和热加工工艺制造的 。 两种合金通过富铬和富钼的碳化物和富锰的回复奥氏体的同时析出而改善性能 。 观察到的微观结构主要由微米级和纳米级Mn偏析主导 ， 这些偏析决定了局部的Ac3温度 。 两种合金均发生奥氏体回复 ， 两种情况均在16h达到峰值 。 时效16小时后获得的复杂的微观结构使强度达到了1.3GPa ， 伸长率达到了18％ 。 高强度高延伸率主要是由于略微过时效但仍然较强的马氏体和30％的奥氏体相结合提高了加工硬化和延伸率 。
在汽车领域 ， 特别是对于轻量化而言 ， 开发具有1GPa以上的极限拉伸强度和15-20％的拉伸伸长率的廉价钢是至关重要的要求 。 最初的高强度钢是1950年代后期开发的镍马氏体时效钢 ， 其基本原理是使用替代元素在低碳铁镍马氏体基体中进行时效硬化 ， 并在时效过程中形成大量的细金属间析出物 。 为了降低成本 ， Goldstein等人在1960年使用Mn作为替代奥氏体稳定剂 ， 并报道了通过奥氏体向马氏体的相变诱导塑性（TRIP）机理获得的优异韧性 。 这导致对提高性能的含锰TRIP钢的大量研究 。 最近 ， Raabe及其同事报道了无碳和9-15％Mn的马氏体时效钢表现出1-1.5 GPa的极好拉伸强度 ， 总拉伸伸长率为15-20％ 。 这些性质归因于在时效热处理过程中非常细的纳米级金属间化合物的析出 。
大量学者对TRIP钢进行了广泛的研究 ， 其显微组织由至少5％的残留奥氏体嵌入贝氏体 ， 马氏体和铁素体基体 。 在TRIP钢的塑性变形过程中 ， 奥氏体转变为马氏体 ， 从而显着增强了材料性能并导致硬化 。 TRIP钢的初始加工硬化率低于双相（DP）钢 ， 但是在较高的应变下 ， DP钢的加工硬化开始减少时 ， 硬化率仍然存在 。
基于此 ， 英国谢菲尔德大学、伯明翰大学、剑桥大学联合报告了一种低成本 ， 高延展性 ， 高强度的含碳奥氏体-马氏体钢的新颖设计方法 。 其极限抗拉强度高达1.3 GPa ， 拉伸伸长率达到15-18％ ， 这归功于热处理过程中的碳化物沉淀以及奥氏体的TRIP效应 。 两种钢均基于10％的Mn ， 并少量添加C ， Cr和Mo形成纳米析出 。 合金之间的主要区别是Cr和Mo含量 。 这将使它们所含的奥氏体含量有所不同（Cr含量的增加和Mo含量的降低会导致铁素体和奥氏体之间的平衡转变温度升高）以及相沉淀动力学的变化 。 相关研究结果以题“Effect of ageing on the microstructural evolution in a new design of maraging steels with carbon”发表在Acta Materialia上 。
这种新的合金设计理念表明可以掩盖无碳马氏体时效钢和超高强度钢中存在的一个主要矛盾问题：促进纳米级同时析出 ， 以实现高强度；并还原至少30％的奥氏体以提高延展性 。 这些性能是通过添加Mn ， Cr ， Mo和C的最佳组合来实现的 ， 这使得相变行为相互依存 ， 最佳的显微组织包括具有大量碳化物析出的马氏体和奥氏体 ， 该回复奥氏体表现出广泛的TRIP效应 ， 这对于获得高强度和延展性的组合是非常重要的 。
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图2 应用于合金的形变热处理示意图 。
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图3 合金510℃时效不同时间的应力应变曲线 ， （a）2CrMo的拉伸曲线；（b）Cr2Mo的拉伸曲线；（c）2CrMo的加工硬化率曲线；（d）Cr2Mo的加工硬化率曲线 。
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图4 （a）2CrMo合金；在870°C下奥氏体化处理1h的两种钢的光学显微照片和XRD相分析 。 （b）Cr2Mo合金；（c）两种钢的XRD 。
两种合金中均发生Mn偏析 ， 这导致微观结构的某些区域在Ac3之上时效 ， 而其他区域在Ac 3之下时效 。 事实证明 ， 这对提高机械性能很有帮助 。 2CrMo合金中富锰区域的时效远高于Ac3温度 ， 导致形成球状奥氏体 。
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图5 时效2CrMo钢的显微照片
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图6 Cr2Mo钢的显微照片
在2CrMo钢中 ， 加热至时效温度时发生碳化物析出（M3C和M7C3） 。 碳化物的沉淀似乎阻止了Mn偏析到马氏体板条边界 。 碳化物在时效过程中逐渐溶解 ， 直到在510°C下48h后都消失了 。 时效过程中碳化物的溶解促进了局部转变为奥氏体 。 碳化物对合金的强度没有很大的贡献 。
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图7 2CrMo的EBSD图显示了从（ac）510°C持续5h时效后的显微组织演变；（df）510°C持续8h; （gi）510°C持续16h；（jl）510°C持续48h 。 反极图（IPF）映射（a ， d ， g ， j）显示了相对于RD（轧制方向）的晶粒取向；（b ， e ， h ， k）相图 ， FCC还原奥氏体为蓝色 ， 马氏体为红色；（c ， f ， i ， l）能带对比图 ， 显示了两个相的形态 。
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图8 Cr2Mo(a-c) 510℃5h时的EBSD图;(d-f) 510℃8小时;(g-i) 510℃16h;(j-l) 510℃48小时
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图9 2CrMo时效5小时后TEM和STEM显微照片
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图10 时效8h（ad）和16h（ad）的样品 拉伸试验后的EBSD图：（a ， b）2CrMo在拉伸试验后显示出一些奥氏体保留；（c ， d）拉伸试验后 ， Cr2Mo几乎没有显示奥氏体；（e ， f）2CrMo在拉伸试验后几乎没有显示出奥氏体；（g ， h）Cr2Mo在拉伸试验后几乎没有显示出奥氏体 。 （a ， c）是IPF图 ， （b ， c）是相位图 。 （IPF：反极图；相图：蓝变奥氏体 ， 红马氏体） 。
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图11 显微组织演变示意图 ， 显示了两种钢的碳化物沉淀 ， Mn偏析以及还原奥氏体的位置和形态 。
【科学|《ACTA》开发出低成本、高强度、高延伸率含碳奥氏体-马氏体时效钢】研究表明：时效16h的合金具有最大的强度和延展性 。 这与包括马氏体 ， 碳化物在马氏体板条边界和回复奥氏体中的沉淀以及最大含量回复奥氏体的显微组织有关 。 回复奥氏体在拉伸试验中完全转变 ， 因此TRIP效应对强度和延展性起了主要作用 。
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