1 前言

近幾十年來，兼具超高強(qiáng)度以及良好的韌性和焊接性的高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）被廣泛應(yīng)用于汽車和結(jié)構(gòu)部件。且隨著市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)靈活性、可循環(huán)性以及經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性要求的提高，對(duì)低碳超高強(qiáng)鋼的發(fā)展要求也相應(yīng)提高。有很多促進(jìn)高強(qiáng)鋼發(fā)展的技術(shù)。第一，低成本且簡(jiǎn)單的工藝是提高HSLA鋼中的碳含量，通過提高淬透性和固溶強(qiáng)化來滿足上述要求，但缺點(diǎn)是碳化物的析出會(huì)降低鋼的塑性和焊接性。第二，通過添加Cu、Ni、Mn、Cr和Mo等微合金元素來提高塑性和焊接性的同時(shí)增加強(qiáng)度。第三，通過多種熱處理手段提高HSLA鋼的機(jī)械性能，如亞溫貝氏體處理（IBT）、淬火和回火（QT）以及淬火和配分（QP）處理等。第四，熱機(jī)械控制工藝（TMCP）。

近幾十年來，QT是典型的用于獲得綜合性能極好機(jī)械部件的熱處理方法，如將超高強(qiáng)度和優(yōu)良韌性的含Mn、Mo和Cr等微合金的中低碳鋼，廣泛應(yīng)用于齒輪、螺栓、連桿、軸承、起重機(jī)和推土機(jī)等。然而，要獲得與QT熱處理低碳微合金超高強(qiáng)鋼相當(dāng)?shù)木C合性能，恰當(dāng)?shù)暮辖疬x擇和TMCP工藝是最基本的方法。

因此，本研究通過兩種途徑開發(fā)了一種具有滿意的強(qiáng)度和塑性的低碳微合金鋼。首先一種是采用TMCP工藝后進(jìn)行空冷（AC）和水淬（WQ）。另一種是采用傳統(tǒng)的熱軋（HR）工藝，然后實(shí)施QT工藝。研究人員深入地研究了TMCP和HR-QT工藝下鋼的微觀組織和機(jī)械性能，并進(jìn)行了對(duì)比。

2 材料和方法

采用空氣感應(yīng)熔煉、鍛造工藝制備了低碳微合金鋼。試樣化學(xué)成分見表1。將試樣分成兩組，分別進(jìn)行TMCP-AC-WQ工藝和HR-QT工藝。兩種工藝的實(shí)施情況見圖1。在未再結(jié)晶溫度（TNR）下施加較高的變形量（>50%），以確保較高的奧氏體形變量。所有TMCP和熱處理樣品都通過光學(xué)顯微鏡（OM）和透射電鏡（TEM）進(jìn)行分析，硬度和拉伸試驗(yàn)分別采用通用硬度計(jì)（Innovatest Verzus-750CCD）和Instron 8801試驗(yàn)機(jī)（室溫）進(jìn)行，載荷為30kg，停留時(shí)間為20s。

3 結(jié)果與分析

3.1顯微組織演變

從光學(xué)顯微鏡下觀察TMCP-AC、TMCP-WQ以及HR-QT-AC試樣的顯微組織發(fā)現(xiàn)。TMCP-AC試樣顯示了更高的貝氏體數(shù)量，原因是貝氏體的淬透性高，這是通過合金設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。TMCP-WQ試樣顯示了更低的貝氏體數(shù)量和更高的馬氏體數(shù)量，因?yàn)樵谳^高的WQ速度下馬氏體數(shù)量會(huì)增加。HR-QT-AC工藝處理的試樣顯示了淬火馬氏體和回火馬氏體。顯然，兩種TMCP鋼的顯微組織演變幾乎相似。但HR-QT-AC鋼顯示的只有馬氏體。平均晶粒尺寸的減小依次為TMCP-AC、TMCP-WQ和HR-QT-AC試樣。

利用透射電鏡對(duì)三種工藝試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)明場(chǎng)電子圖像進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，TMCP-AC工藝處理的試樣主要顯示了低貝氏體和板條狀馬氏體，貝氏體通常表現(xiàn)為富含位錯(cuò)的滲碳體和板條鐵素體的集合體。TMCP-WQ工藝處理試樣顯示的主要為馬氏體和低貝氏體，位錯(cuò)密度高。HR-QT-AC工藝處理試樣顯示了板條馬氏體和回火板條馬氏體，相鄰的板條限制了馬氏體的生長(zhǎng)。這種應(yīng)變調(diào)整增加了殘余應(yīng)力同時(shí)提高了強(qiáng)度。事實(shí)證明，TMCP-WQ工藝得到的板條組織尺寸更精細(xì)，相對(duì)于其他兩種工藝途徑能獲得更高的強(qiáng)度。

3.2機(jī)械性能

表2和圖2顯示了鋼板試樣的機(jī)械性能和拉伸曲線。所有曲線都具有連續(xù)屈服特性，原因是無(wú)珠光體結(jié)構(gòu)，這與顯微組織的演變相一致，曲線的性質(zhì)也符合表2中的均勻延伸率（UEL）。證明了TMCP-AC工藝下的試樣具有最佳機(jī)械性能組合，雖然TMCP-WQ試樣具有高達(dá)1430MPa的屈服強(qiáng)度、1740MPa的極限抗拉強(qiáng)度以及501HV的硬度，但是AC條件的屈強(qiáng)比低于WQ條件。同樣值得注意的是，TMCP-AC試樣的均勻延伸率5.62%和總延伸率（TEL）15.03%高于另外兩種試樣。由于水淬過程中馬氏體的形成量較大，WQ試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于AC試樣。然而，HR-QT-AC試樣由于淬火馬氏體和回火馬氏體的混合組織，并沒有獲得最高的屈服強(qiáng)度（為1122MPa）、極限抗拉強(qiáng)度（為1200MPa）和硬度（為452HV），但顯示出比TMCP-WQ試樣更高的UEL和TEL。WQ試樣具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，原因是板條馬氏體、高位錯(cuò)密度和位錯(cuò)沉淀的相互作用。用TMCP-AC處理的試樣顯示出更高的強(qiáng)度和延展性組合，這與在TMCP過程中實(shí)現(xiàn)的晶粒/板條細(xì)化有關(guān)。

4 總結(jié)

本文為使新型低碳微合金超高強(qiáng)度鋼獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，采用兩種不同的冷卻方式（AC和WQ）進(jìn)行TMCP處理，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。

1）不同工藝生產(chǎn)的試樣幾乎都顯示出相似的光學(xué)顯微照片，包括TMCP加工試樣的貝氏體和馬氏體以及HR-QT-AC加工試樣的淬火馬氏體和回火馬氏體。

2）TMCP-AC試樣比TMCP-WQ試樣出現(xiàn)更多貝氏體組織，而且相對(duì)于TMCP-WQ和HR-QT-AC試樣的板條尺寸更小。

3）TMCP-WQ試樣組織板條間存在細(xì)小的馬氏體，證實(shí)了與其他試樣相比，其極限抗拉強(qiáng)度最高。

4）與HR-QT-AC工藝相比，TMCP工藝方案的選擇使鋼板在力學(xué)性能方面獲得了更優(yōu)越的組合。