汽车用低合金钢的索氏体化与组织性能研究

万雯

（上海城建职业学院，上海 201415）

引言

为了满足现代化汽车用钢高强度和高塑性的要求，从而实现整体结构轻量化以及节能减排等，采用微合金化、热处理和加工变形等方法成为了开发兼具更高强度和良好塑性的新型汽车用钢的重要手段[1]。虽然Nb、V和Ti等微量元素在钢铁制品中可以起到改善强塑性等一系列积极作用，但是价格较为昂贵，生产成本较高，无法满足量大面广的低成本汽车用钢的生产要求[2]；淬火、回火和正火等热处理工艺能够对低碳钢或者合金钢的微观组织与性能进行调控，但是不适于在高碳钢中应用[3]；加工变形的方法虽然能够很大程度上提高高碳钢的强度和硬度，但是塑性会有较大幅度牺牲[4]。将中碳钢或高碳钢奥氏体化后进行中温热处理以获得具有超细片层结构的索氏体组织的索氏体化工艺有望在新型高强塑汽车用钢的开发中应用，然而，目前这方面的工作还主要集中在弹簧钢、钢帘线等领域，且对于添加了Cu等微量元素的中高碳钢的索氏体化工艺的研究较少[5]，索氏体化工艺参数和微量元素对中碳低合金钢微观组织与力学性能的影响规律也不清楚。本文通过添加微量Cu的方法开发出新型中碳低合金汽车用钢，并考察了等温温度和等温保温时间对其微观组织与力学性能的影响，结果有助于为更高强度和塑性的汽车用钢的开发提供技术支撑。

1 试验材料与方法

采用某公司生产的高强汽车用中碳低合金钢为试验原料，化学成分采用电感耦合等离子发射光谱法测得主要元素含量（质量分数，%）为0.57C、0.23Si、0.44Mn、0.03Cr、1.23Cu，余量为Fe。试验用钢的熔炼在150 kg真空感应熔炼炉中进行，浇铸成120 mm× 120 mm ×280 mm铸坯后进行锻造和多道次热轧，最终成品为2 mm厚热轧板。

采用DIL 803型热膨胀仪测得试验用钢的Ac1和Ac3分别为710 ℃和765 ℃，因此，选取奥氏体化温度为875 ℃以确保试验用钢能够完全奥氏体化。采用SIROLL cisPL型强力冷却系统对热轧薄板进行等温淬火处理，将120 mm×300 mm试样以8 ℃/s速度升温至875 ℃并保温10 min后，分别以48 ℃/s速度冷却至等温温度400~600 ℃，等温处理时间介于100~3 000 s，等温结束后以18 ℃/s速度冷却至室温。

线切割块状试样并进行镶嵌、机械打磨、抛光和4 %硝酸酒精溶液腐蚀后，依次采用清水和酒精冲洗，在JSM-7200F型场发射扫描电镜上观察显微组织；透射电镜试样切割成1 mm薄片后手工打磨至70 μm左右，采用专业穿孔机截取Φ3 mm圆片后进行电解双喷减薄，在JEOL-2010型透射电镜上观察微观组织；硬度测试采用MH-3型数显硬度计进行，载荷500 g，保载时间5 s；拉伸试样加工成图1所示尺寸，根据国标GB/T 228-2010标准进行室温拉伸试验，设备为MCM-440型电子万能拉伸机，拉伸速率为1.5 mm/min，每组拉伸试样取3根并以平均值为测试结果。

图1 拉伸试样尺寸

2 结果与分析

图2为试验用钢400 ℃等温热处理后的扫描电镜显微形貌，等温保温时间为100~3 000 s。当等温保温时间为100 s和300 s时，试验用钢的组织为片层状珠光体（P）+马氏体（M）；当延长保温时间至1 000 s和3 000 s时，试样用钢中的马氏体基本消失，组织为不规则形态的索氏体。可见，400 ℃等温热处理保温时间在1 000 s及以上时过冷奥氏体可以全部转变为索氏体。

图2 试验用钢400 ℃等温热处理后的SEM形貌

图3~6分别为试验用钢在450 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃等温热处理后的扫描电镜显微形貌，等温保温时间为100~3 000 s。可见，在450 ℃及以上等温等温处理，即使等温保温时间很短（100 s），试验用钢中也不会出现马氏体；450~600 ℃等温保温100 s以上，试验用钢的组织都为单一珠光体，而未见马氏体组织存在，只是不同等温热处理制度下的索氏体和渗碳体形态和尺寸存在一定差异，如等温温度500 ℃及以上时，试样用钢中的渗碳体才转变为规则片层状，且随着等温保温时间延长有逐渐球化特征。

图3 试验用钢450 ℃等温热处理后的SEM形貌

图4 试验用钢500 ℃等温热处理后的SEM形貌

图5 试验用钢550 ℃等温热处理后的SEM形貌

图6 试验用钢600 ℃等温热处理后的SEM形貌

对图3~6的等温温度450~600 ℃、等温处理时间100~3 000 s的试验用钢中的渗碳体和珠光体特征参数进行统计分析[6]，图7为试验用钢的渗碳体片层厚度和索氏体片层间距与等温热处理参数的对应关系曲线，其中，等温温度为400 ℃时试验用钢中的珠光体和渗碳体形态不规则而未作统计。从等温温度/等温时间与渗碳体片层厚度的关系曲线可知，如图7（a），随着等温保温时间延长或者等温温度升高，试验用钢的渗碳体片层厚度呈现逐渐增加的趋势，等温温度为500 ℃和550 ℃时的渗碳体片层厚度与等温保温时间曲线较为相似，而等温温度为600 ℃时试验用钢中渗碳体片层厚度明显增加。从等温温度/等温时间与索氏体片层间距的关系曲线可知，如图7（b），等温保持时间为100 s时，450、500、550和600 ℃时索氏体片层间距分别为78 nm、99 nm、102 nm和195 nm，且随着等温保温时间延长或者等温温度升高，试验用钢的索氏体片层间距有逐渐增加的特征；此外，当等温温度为450~550 ℃时，试验用钢中索氏体片层间距和渗碳体厚度在等温时间达到300 s后不会随着等温时间继续延长而明显改变，但是等温温度600 ℃时的索氏体片层间距和渗碳体厚度却仍然为明显增加，且索氏体片层间距增加幅度要小于渗碳体厚度，这也就表明索氏体片层间距的增加与渗碳体厚度增大有关。

图7 试验用钢的渗碳体片层厚度和珠光体片层厚度、等温热处理参数的对应关系

图8为试验用钢的显微硬度与等温热处理参数的对应关系曲线，其中，等温温度400~600 ℃、等温处理时间100~3 000 s。当等温温度为400 ℃时，随着等温时间从100 s增加至3 000 s，试验用钢的硬度呈现先快速降低而后增加的特征，其中，等温保温时间在100 s和300 s时的硬度明显较大，这主要与此时的显微组织中含有高硬度的马氏体有关[7]，而当等温保温时间延长至1 000 s及以上时，试验用钢的显微组织为硬度较低的索氏体；在等温温度为450 ℃时，试验用钢的显微硬度随着等温时间延长而逐渐增加；在等温温度为500 ℃和550 ℃时，试验用钢的显微硬度呈现先增加而后减小的特征，在等温保温时间为1 000 s时取得最大值；在等温温度为600 ℃时，试验用钢的显微硬度随着等温时间延长逐渐降低，这与此时索氏体片层明显增大以及渗碳体厚度明显增加有关[8]。

图8 试验用钢的维氏硬度与等温热处理参数的对应关系

图9为试验用钢的强塑性与等温温度和等温时间的关系曲线。当等温温度为400 ℃时，试验用钢在等温保持时间为100 s和300 s时的抗拉强度分别达到1 720 MPa和1 540 MPa，而断后伸长率较低，分别约为1.8 %和2.7 %，这主要与此时基体组织中含有塑性较低的马氏体有关[9]；当等温保温时间延长至1 000 s及以上时，抗拉强度有所降低而断后伸长率升高。当等温温度为450 ℃时，随着等温保温时间的延长，试验用钢的强度和塑性并未发生显著变化，抗拉强度介于1 050~1 210 MPa，断后伸长率介于8.2 %~9.1 %之间。当等温温度为500 ℃时，随着等温保温时间延长，试验用钢的抗拉强度和断后伸长率都表现为先上升而后降低，在等温时间为1 000 s时达到最大值，继续延长保温时间抗拉强度和断后伸长率反而能降低。等温温度为550 ℃时，试验用钢的强塑性变化规律与等温温度500 ℃时相似，只是相应保温时间下的强度略低于等温温度500 ℃时的试样。当等温温度为600 ℃时，试验用钢的抗拉强度呈现逐渐降低的趋势，在等温保温时间为3 000 s时的抗拉强度仅为980 MPa，断后伸长率都保持在7.2 %以上。

图9 试验用钢的强塑性与等温温度和等温时间的关系曲线

试验用钢的强度和塑性会随着等温温度和等温保温时间而发生明显变化，这主要是因为试验用钢在索氏体化过程中会发生微观组织转变，如过冷奥氏体转变为马氏体以及不同形态的索氏体和渗碳体等[10]，除此之外，由于低合金钢中还含有Cu元素，等温热处理时从基体中弥散析出的纳米级ε-Cu相的析出也是影响材料力学性能的关键。图10为试验用钢在等温温度500 ℃等温保温时间1 000 s时的显微形貌和能谱分析结果。从图10（a）的扫描电镜显微形貌中可见，试验用钢的索氏体片层和渗碳体表面弥散分布着纳米级颗粒状析出相；透射电镜明场像和暗场相中可见，这种细小颗粒状析出相的尺寸约为20 nm，能谱分析表明主要含有Cu和Fe元素，结合文献可知[11]，这种纳米级析出相为ε-Cu相，细小弥散ε-Cu相的存在可以对试验用钢起到第二相强化的作用，索氏体化过程中ε-Cu相的存在形式、析出数量和尺寸等会对最终力学性能产生重大影响[12]。从图8的显微硬度测试结果和图9的拉伸性能测试结果可知，试验用钢在等温温度为500 ℃、等温保持时间1 000 s时达到最佳的强度和塑性结合，这与此时试验用钢中ε-Cu相的析出强化效果最佳有关，而继续延长等温保温时间会造成渗碳体球化和索氏体片层间距增加，而造成力学性能有所降低[13]。在等温温度为600 ℃时，试验用钢力学性能的降低主要与此时索氏体片层间距明显增大及其渗碳体发生粗化有关，并在很大程度上抵消了试验用钢中ε-Cu相的析出强化效果[14]。综合而言，试验用钢在等温温度500 ℃、等温保持时间1000 s时可以获得良好的强塑性结合。

图10 试验用钢在等温温度为500 ℃保温1 000 s时显微形貌和能谱分析

3 结论

1）随着等温保温时间延长或者等温温度升高，试验用钢的渗碳体片层厚度呈现逐渐增加的趋势，等温温度为500 ℃和550 ℃时的渗碳体片层厚度与等温保温时间曲线较为相似，而等温温度为600 ℃时试验用钢中渗碳体片层厚度明显增加。随着等温保温时间延长或者等温温度升高，试验用钢的索氏体片层间距有逐渐增加的特征，尤其是等温温度600 ℃时的索氏体片层间距和渗碳体厚度增加较为明显。

2）当等温温度为400 ℃时，随着等温时间增加，试验用钢的硬度呈现先快速降低而后增加的特征；在等温温度为450 ℃时，试验用钢的显微硬度随着等温时间延长而逐渐增加；在等温温度为500 ℃和550 ℃时，试验用钢的显微硬度呈现先增加而后减小的特征，在等温保温时间为1 000 s时取得最大值；在等温温度为600 ℃时，试验用钢的显微硬度随着等温时间延长而逐渐降低。

3）试验用钢在等温温度500 ℃、等温保持时间1 000 s时可以获得良好的强塑性结合，这主要与此时索氏体片层和渗碳体厚度较小以及基体中析出了大量起弥散强化作用的纳米级ε-Cu相有关。