ML08Al钢的回火形变处理研究.docx

    ML08Al钢的回火形变处理研究    何珺 梁萌 彭会芬 冯建航 姜延飞 宋开红 王荣伟 王井会摘要 以ML08Al冷镦钢为研究对象，研究了不同回火形变处理条件下，材料组织和力学性能的变化研究发现，经过1 150 ℃热轧后直接淬火，并于470～530 ℃进行回火形变处理，随回火温度降低，材料的强度略有增加，但塑性和韧性有所下降回火后的显微组织由细小纤维状回火屈氏体和铁素体组成，且经过500 ℃回火形变处理的ML08Al钢具有最佳的力学性能（室温条件下，屈服强度为796 MPa，拉伸强度为812 MPa，延伸率为13.8%，断面收缩率为43.2%，冲击能量为186 J）与热轧态的相比，延伸率和断面收缩率分别降低了55%和31%，抗拉强度与屈服强度分别提高了78%与124%，冲击能量提高了约8倍即使在-60 ℃时，屈服强度为863 MPa，拉伸强度为880 MPa，延伸率为12.7%，断面收缩率为39.4%，冲击能量为147 J理论计算结果表明：位错强化和细晶强化是导致ML08Al钢回火形变处理后强度提升的两个主要因素关 键 词 ML08Al钢;回火形变处理;强韧化;显微组织;热轧TG142.1     文献标志码 AAbstract Effect of tempforming on microstructure and mechanical properties of the steel was studied. It was found that this steel was composed of fine fibrous tempered troostite and ferrite through water quenching after 1 150 ℃ hot rolling and then tempforming between 470 ℃ to 530 ℃.With the Temperature decrease， the strength increase while the toughness and plasticity decrease. The sample tempformed at 500 ℃presented optimum mechanical properties， while yielding strength and tensile strength were about 796 MPa and 812 MPa， elongation and percentage reduction of area were about 13.8% and 43.2%， respectively， together with high impact energy of 186 J with V-type notch， at room temperature. The yielding strength and tensile strength were about 124% and 78% higher， and the impact energy was about 8 times higher， concomitant with elongation and percentage reduction of area about 55% and 31% lower than those of the hot rolled one. Even so， the steel exhibited yielding strength and tensile strength were about 863 MPa and 880 MPa， elongation and percentage reduction of area were about 12.7% and 39.4%， respectively， together with high impact energy of 147 J with V-type notch at low temperature of -60 ℃. Furthermore， theoretical analysis indicated that dislocation strengthening and refinement strengthening were mainly responsible for the increase in strength of the material.Key words ML08Al cold forging steel; tempforming; strengthening and toughening; microstructure; hot rolled0 引言我國钢材产能和消费量已连续20多年保持世界第一，是名副其实的钢铁大国。

但我们并非钢铁强国，大量高端产品仍需进口[1]近年来，现代工业技术的发展对工程材料提出了越来越高的要求，且各种恶劣气候条件对材料也提出了极高的服役性能要求因此，实现高强度与良好韧性的配合是金属材料领域一个永恒的主题[2-5]目前，常用的金属材料强韧化方法是采用复杂的合金化及微合金化手段，再辅以适当的热处理实现较好的强韧性配合毫无疑问，这会导致材料生产制造成本的增加如何在保持较低成本的前提下，使材料拥有较高的强度和良好的韧性（特别是低温韧性）成为本领域亟待解决的关键技术问题[6-7]回火形变处理（Tempforming）是一种新型的高强韧钢制备技术，它是在一定温度（回复温度以上，再结晶温度以下）下回火的同时进行塑性变形，故能使钢的组织获得极大程度地细化，从而显著改善其综合力学性能[8-10]与传统的塑性变形（Plastic Deformations）技术相比，采用Tempforming技术不仅获得纳米级晶粒（包括纤维织构、纳米级析出碳化物及超细纤维晶（Ultrafine Elongated Grain， UFEG）），而且避免了单纯晶粒细化导致的材料韧性降低的问题值得注意的是，UFEG钢在低温条件下表现出良好的冲击韧性，大大提高了材料的低温服役能力[2，7]。

ML08Al属低碳冷镦钢，广泛用于螺栓、螺母、铆钉等紧固件的制造[11-12]近年来，我国汽车、建筑、电力、石油等行业发展很快，对于高性能冷镦钢材的需求量不断增加[13-14]为此，本文通过对ML08Al试验钢进行回火形变处理，研究了不同回火形变温度下材料的组织变化规律，以期提高其力学性能，拓展此类钢材的应用范围1 试验材料与方法试验用原材料为宣化钢铁集团生产的ML08Al钢165 mm×165 mm连铸坯，化学成分见表1首先将铸坯在1 150 ℃加热后，置于Φ350 mm×250 mm二辊热轧机上轧制成厚度38 mm的板材，然后将板材切成38 mm×38 mm×180 mm的棒料，再将棒料加热至1 150 ℃，置于Φ350 mm×850 mm二辊槽轧机轧制成截面尺寸30.8 mm×30.8 mm的方棒料热轧完成后，迅速将方棒料进行淬水处理，随后将材料分别于470 ℃、500 ℃及530 ℃保温1 h后，在二辊槽轧机上经过10道次轧制（总变形量为82%），空冷得到本研究的试样（截面尺寸变为13 mm×13 mm）将试验钢表面进行机械研磨、抛光处理后，用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，在Axio Vert.A1光学显微镜上进行组织观察。

采用70%乙酸+20%高氯酸+10%无水乙醇的电解液进行电解抛光，工作电压为60 V，电流为0.5～2 A然后，在安装TSL OIM软件的JSM-7100F扫描电镜上进行EBSD测试观测轧制面将样品机械减薄至30 μm以下，再利用德国莱卡EM RES101多功能离子束研磨仪将样品的厚度减至符合要求为止，然后利用FEI公司的Tecnai F30透射电子显微镜进行微观组织观察，加速电压为200 kV试样进行电解抛光（具体参数与EBSD试样相同），以去除材料表面应力层和变形层对测试结果的影响，采用日本理学的DMax2500型X射線衍射仪对试样进行检测以CuKα作为辐射源，扫描速度为1.5°/min，步长为0.02°，每步停留2 s微观应变[ε250]由式（1）Williamson-Hall公式进行估算[15]：拉伸试样的截取沿轧制方向，并按照GB/T228.1—2010《金属材料  拉伸试验第1部分：室温试验方法》的要求加工成试样然后，在日本岛津AGS-X-50KN万能试验机进行室温力学性能测试，拉伸速率为1 mm/min屈服强度是以应力-应变曲线的下屈服点作为参考而定的低温拉伸性能测试是在吉林冠腾WDW-300G高低温电子万能试验机上进行的，测试温度为-20 ℃和-60 ℃，冷却介质为液氮，拉伸速率为1 mm/min。

同时，根据国标GB/T229—2007《金属材料  夏比摆锤冲击试验方法》，将试验材料加工成10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样，并在深圳万测公司的PIT452G-4型摆锤冲击试验机上进行测试，测试温度为室温～ -150 ℃2 实验结果分析2.1 组织变化图1为ML08Al钢热轧态与淬火态的金相组织其中，图1a）为热轧态试样为典型的铁素体（91.2%）和珠光体组织（8.8%），晶粒粗大（晶粒尺寸约32 μm）图1b）为热轧后直接淬火的组织为马氏体（62%）和块状铁素体（38%）与热轧态相比，钢的组织变得相对细小均匀由于该钢的含碳量及合金元素含量都很低，淬透性都很差即使从终轧较高的温度（约1 000 ℃）快速水冷，也难以避免大量先共析铁素体析出图2为在不同温度回火形变处理EBSD晶粒取向图图2a）为原始热轧试样EBSD晶粒取向图，虽然晶粒尺寸较为粗大，但热轧变形过程中在材料内部产生的加工硬化，会由于动态回复再结晶而迅速消失，故观察到的晶粒基本呈等轴状，看不到明显的方向性图2b）、图2c）和图2d）为不同温度回火形变处理的样品EBSD晶粒取向图轧制后的晶粒形状发生明显变化，晶粒由原来等轴状变为纤维状，即晶粒沿着轴向变形方向被拉长。

由于材料未能发生再结晶，故变形引起的加工硬化难以消除，以至于材料在变形过程中，沿轧制方向被拉长的晶粒得以保留下来，且材料的晶粒尺寸也明显变得细小，晶粒取向也变得相对集中说明材料在变形过程中发生了晶粒的转动随着回火形变温度的升高，样品内部晶粒的取向明显变多这应归咎于变形温度升高，原子活动能力加强，致使变形晶粒发生回复的程度增加2.2 力学性能变化图3为不同处理状态试验材料的应力-应变曲线热轧态样品为典型的低碳钢应力-应变曲线，大约在350 MPa产生明显的屈服平台之后，随着变形量的增加，由于加工硬化导致其强度不断提高但由于该钢主要由铁素体组成，故拉伸强度很低[（Rm]= 456 MPa）回火形变处理尽管使材料的强度提高了一倍多，但是应力应变曲线上仍能观察到明显的屈服现象值得注意的是，经过回火形变处理的样品，在塑性变形阶段，材料的加工硬化程度很小，几乎看不到明显的“山包状”曲线，说明拉伸变形过程中材料内部的位错增殖不明显表2是根据图3的应力-应变曲线计算的ML08Al钢在不同处理条件下的力学性能与热轧态相比，回火形变处理后，虽然材料的塑性指标明显下降，但强度却有大幅度的提升，且在500 ℃回火形变处理后，材料的强度存在极大值，相应的塑性则存在极小值。

尽管如此，材料的力学性能变化不大（尤其是延伸率基本都保持在14%左右）其中，500 ℃回火形变处理的材料获得最佳的综合力学性能（屈服强度Rel为796 MPa，拉伸强度Rm为812 MPa，延伸率A为13.8%，断面收缩率Z为43.2%）与热轧态的样品相比，在延伸率下降约55%的情况下，屈服强度与抗拉。