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原文传递界面元素扩散对热冲压高强钢组织演变与强韧性的影响

论文题名：	界面元素扩散对热冲压高强钢组织演变与强韧性的影响
关键词：	汽车零部件制造;热冲压工艺;高强度钢;界面元素扩散;力学性能;残余奥氏体
摘要：	21世纪以来，随着人们对于美好生活的追求，安全、性能、美观开始逐渐成为汽车工业发展的方向，同时，随着汽车产量和保有量的持续增加，我国面临的能源消耗、环境污染、交通拥堵等问题也越来越突出，汽车轻量化的理念脱颖而出，发展成本低、性能高的先进高强度钢（AdvancedHighStrengthSteel，AHSS）是轻量化的重要手段之一。热冲压（HotStamping，HS）工艺自上世纪80年代出现以来，一直是汽车零部件制造的主要技术。热冲压钢虽然有着很高的强度，塑性却很低，一般不到10%。为了解决热冲压钢的塑性缺陷，将淬火配分（QuenchingandPartitioning，Qamp;P）工艺与热冲压工艺相结合，得到HS-Qamp;P一体化技术，该技术可以在少量降低热冲压钢强度的前提下，大幅度提高热冲压钢的塑性，进而获得更高综合力学性能的汽车钢，是第三代先进高强度钢未来的发展方向。　　通过前期的文献阅读、试验探究，借助JMatPro与Thermo-Calc等模拟软件设计了适合热冲压-淬火配分工艺的材料。通过OM、SEM、EBSD、万能电子试验机等表征手段分析了不同工艺下试验钢组织演变及力学性能的变化趋势。发现两相区热冲压-淬火配分工艺由于两相区的元素配分过程与热冲压过程细化晶粒过程，可以获得更好的组织分布。因此进一步研究了热冲压-淬火配分工艺下，不同两相区保温时间对试验钢各个组织的体积分数、组织取向、力学、硬度、残余奥氏体中的碳含量等的影响，从而探究热处理过程中两种元素扩散行为即两相区保温过程中Mn元素配分行为和淬火配分过程中C元素配分行为的有效性，得到如下结论：　　（1）通过JMatPro模拟，验证了在800℃下，试验钢的晶粒能保持一个相对较小的水平，这对试验钢的综合力学性能有利，并通过两相区淬火工艺，验证了在本试验中，存在着两种元素扩散行为即两相区保温过程中Mn元素的配分和淬火配分过程中C元素的配分，并且Mn配分行为发生在两相区保温过程中，随着保温时间的增加，Mn配分的效果增强，为四种工艺的热处理参数选择提供了依据。　　（2）对不同工艺下试验钢的显微组织和力学进行了表征。发现：除热冲压工艺以外，淬火配分工艺、两相区热冲压-淬火配分工艺和完全奥氏体区热冲压-淬火配分工艺中均出现了板条马氏体。板条宽度范围为6-10μm，且两相区热冲压-淬火配分试验钢要比完全奥氏体区试验钢的马氏体板条束宽度小。相对于淬火配分工艺，两相区热冲压-淬火配分工艺能够在保证塑性的前提下提高试验钢的强度。相对于完全奥氏体区热冲压-淬火配分工艺，两相区热冲压-淬火配分工艺能够在保证强度的前提下提高试验钢的塑性。　　（3）在两相区热冲压-淬火配分工艺下，试验钢的显微组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体，马氏体呈现板条状和块状。当两相区保温时间较短时，板条马氏体不标准，板条间距较大，而随着保温时间增加，马氏体晶粒变大，且马氏体板条变得规则，随着时间进一步增加，部分马氏体呈现扁平化，并形成了块状马氏体。铁素体则呈现块状或与板条马氏体契合的板条状。　　（4）通过图像处理软件对SEM组织进行处理计算，发现随着保温时间的增加，组织中马氏体的含量有少量的增加，由初始状态下的50%增加到60%左右。在EBSD表征中，发现残余奥氏体呈现点线状或链状分布于马氏体和铁素体的晶界处。通过保温时间为5、20min时试验钢的衬度图，进一步对马氏体和铁素体体积分数占比进行了验证，其结果与对SEM组织计算的结果相似。　　（5）两相区热冲压-淬火配分工艺下，随着保温时间的增加，试验钢抗拉强度呈现不断下降的趋势，保温时间超过20min时，抗拉强度出现了大幅度的下降；试验钢的断后延伸率和强塑积均呈现先升高再降低的趋势，保温时间为20min时，断后延伸率达到最大值13.72%，强塑积达到最大值18.93%。　　（6）试验钢中残余奥氏体的体积分数与残余奥氏体中的碳含量呈现正相关性，保温时间在20min以内时，残余奥氏体的体积分数随着保温时间的增加而增加，最大值为8.65%，此时奥氏体中的碳含量为1.16%。　　（7）保温时间为5min时，试验钢中铁素体组织的合金元素含量高，这对铁素体的塑性和变形协调性不利。随着保温时间的增加，由于两种元素扩散行为即两相区保温过程中Mn元素的配分和淬火配分过程中C元素的配分，造成了奥氏体的富合金元素化和铁素体的贫合金元素化。因此，虽然随着保温时间增加，试验钢中铁素体体积分数减少，但由于奥氏体和马氏体板条束的增塑作用，延伸率呈现增加的趋势。这说明了两相区热冲压-淬火配分工艺通过元素差异化的组织，以及不同组织之间的变形协调性，使得试验钢形成了更好的组织分布和更好的综合力学性能。
作者：	叶道珉
专业：	材料科学与工程
导师：	景财年
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2021