预变形过冷奥氏体低温等温转变行为及纳米结构贝氏体组织形成机理

高碳（1.0 wt.%左右）高硅钢在稍高于Ms点的低温等温转变可形成由纳米厚度板条状贝氏体铁素体和薄膜状残余奥氏体组成的纳米结构贝氏体组织，具有超高强度和较高韧性（接近马氏体时效钢的水平）。但高碳钢的焊接性差，限制了其作为结构钢的使用。申请者及其他研究组的研究表明，降低碳含量，得到的贝氏体铁素体板条厚度显著增大，导致强韧性的降低。对此，本项目提出用过冷奥氏体的预塑性变形来提高过冷奥氏体内部的缺陷密度和强度，细化其等温分解形成的贝氏体组织，以期在中低碳高硅钢中获得纳米结构贝氏体组织。采用热-机械模拟试验机进行不同温度和变形量的过冷奥氏体预变形处理及随后的低温等温转变处理，结合X射线衍射、金相显微镜和透射电镜分析过冷奥氏体等温转变动力学及组织特征，并研究预变形过冷奥氏体强化方式和强度对等温转变行为及相组成和微观结构的影响规律，揭示纳米结构贝氏体组织的形成机理。

高C富Si合金钢低温等温转变得到具有优异力学性能的纳米结构贝氏体组织。但高C含量导致转变时间长、冲击韧性低和焊接性差，限制了纳米结构贝氏体的应用范围。本项目目的是在中碳合金钢中制备纳米结构贝氏体。为此，我们设计了一种中碳富Si-Al合金钢，用热机械模拟试验机研究其过冷奥氏体塑性变形对马氏体转变开始温度（Ms）的影响，依此确定变形奥氏体等温转变温度，并对等温转变行为、组织特征及硬度进行表征，研究奥氏体变形对等温转变行为与组织特征和硬度的影响规律，以及纳米结构贝氏体组织的形成机理。结果表明，奥氏体塑性变形可以显著降低Ms，且随变形温度降低和变形量增大Ms降低，而应变速率影响不大。奥氏体过冷到600–300 ºC以0.01–1 s-1的应变速率压缩变形30–50%，导致实验钢Ms由294 ºC降低到230–200 ºC，这使低温等温转变得以实现，且贝氏体板条明显细化。随变形温度降低和变形量增大，贝氏体转变孕育期缩短，板条厚度减小，硬度提高，而应变速率影响不大。在250–235 ºC等温转变得到厚度70–40 nm的贝氏体板条和其间分布薄膜状残余奥氏体的纳米结构贝氏体组织，硬度达到592–655 HV1.0，接近高碳纳米结构贝氏体超高强度钢的水平。奥氏体变形引入大量位错促进C原子扩散，提高贝氏体形核率，缩短转变孕育期；奥氏体变形强化使贝氏体切变长大抗力增大，低温等温贝氏体转变使过冷度增大，从而导致贝氏体板条细化。这些物理模拟结果可为奥氏体中低温控轧控冷制备中碳纳米结构贝氏体超高强度钢提供参考。与高碳纳米结构贝氏体超高强度钢相比，中碳纳米结构贝氏体超高强度钢由于C含量的大幅降低，必将使冲击韧性和焊接性得到改善。