低碳纳米贝氏体钢的组织细化机理及强韧性控制

本项目针对超高强度高碳纳米贝氏体钢韧性、焊接性能较差的问题，提出采用低碳含量、合理的合金成分设计和热处理工艺开发低碳纳米贝氏体钢的方法。围绕低碳纳米贝氏体钢相变过程中的热力学、动力学、形态学以及强韧性控制机理开展研究。通过提高残余奥氏体稳定性抑制贝氏体板条聚结，弄清合金元素和热处理工艺对低碳纳米贝氏体钢奥氏体稳定性的影响规律及机理，进而明确抑制低碳纳米贝氏体板条聚结行为的机理。阐明合金元素对相变热力学、动力学和形态学的影响规律，揭示残余奥氏体的稳定性及形态学因素对塑性和韧性的影响规律，据此建立低碳贝氏体钢组织细化及强韧性控制的关键技术要点，找到控制低碳纳米贝氏体钢组织性能的关键工艺窗口，获得抗拉强度高于1700MPa，延伸率高于20%，室温冲击吸收功高于100J的低碳纳米贝氏体钢的原型钢。

本项目针对高C纳米贝氏体钢冲击韧性和焊接性能差等问题，提出采用低C含量、Mn和Ni合金化成分设计思路，通过合理的热处理路径开发低碳纳米贝氏体钢的方法。研究了不同奥氏体晶粒尺寸及合金元素对贝氏体相变热力学和动力学的影响规律；研究了奥氏体化条件、等温淬火热处理路径对贝氏体聚结行为以及残余奥氏体的体积分数和稳定性的影响规律。阐明了奥氏体晶粒尺寸对聚结行为的控制机理以及对残余奥氏体和稳定性的影响规律；明确了残余奥氏体对强度、塑性和韧性的影响规律。.结果表明：（1）Mn含量的提高能够降低Ms温度，从而降低贝氏体相变温度区间，但同时使贝氏体相变动力学变慢；Ms温度及以下等温，仍可发生贝氏体相变。（2）奥氏体晶粒尺寸减小，使奥氏体热稳定性提高，从而使贝氏体相变动力学变慢。（3）奥氏体晶粒尺寸由54.5μm细化至10.5μm时，提供足够多能够抑制贝氏体板条长大的奥氏体晶界，缩小了贝氏体发生聚结的空间，从而有效抑制了贝氏体的聚结，获得了平均宽度为~120nm的板条贝氏体。（4）贝氏体聚结伴随着薄膜状残余奥氏体的消失以及碳化物的析出，聚结贝氏体内部晶体学取向均匀，聚结的发生使有效晶粒尺寸显著增大。（5）与两阶段热处理工艺相比，奥氏体晶粒细化能够更有效的抑制贝氏体的聚结，在奥氏体晶粒细化的基础上，采用两阶段热处理可以获得更加均匀的组织。（6）通过抑制贝氏体聚结，使分布于贝氏体板条之间的薄膜状残余奥氏体分数提高，同时由于消除了碳化物析出，残余奥氏体的稳定性和C浓度同时提高。（7）强塑积和延伸率与残余奥氏体的体积分数和C浓度的乘积呈正比。通过细化奥氏体晶粒尺寸有利于提高强塑性匹配。（8）聚结贝氏体无法阻碍裂纹的扩展，薄膜状残余奥氏体具有高的稳定性，可以有效抑制裂纹的扩展，增加裂纹弯折次数，从而有效提高冲击韧性。残余奥氏体体积分数和稳定性的提高有利于提高强度、塑性和韧性的匹配。