導(dǎo)讀：本文提出一種基于碳化物析出的新型馬氏體時(shí)效鋼。并設(shè)計(jì)了兩種合金，即Fe-10Mn-0.25C-2Cr-1Mo wt％（2CrMo）和Fe-10Mn-0.25C-1Cr-2Mo wt％（Cr2Mo）以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和高延伸率。合金是通過(guò)一般熔煉，鑄造和熱加工工藝制造的。兩種合金通過(guò)富鉻和富鉬的碳化物和富錳的回復(fù)奧氏體的同時(shí)析出而改善性能。觀察到的微觀結(jié)構(gòu)主要由微米級(jí)和納米級(jí)Mn偏析主導(dǎo)，這些偏析決定了局部的Ac3溫度。兩種合金均發(fā)生奧氏體回復(fù)，兩種情況均在16h達(dá)到峰值。時(shí)效16小時(shí)后獲得的復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)使強(qiáng)度達(dá)到了1.3GPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到了18％。高強(qiáng)度高延伸率主要是由于略微過(guò)時(shí)效但仍然較強(qiáng)的馬氏體和30％的奧氏體相結(jié)合提高了加工硬化和延伸率。

在汽車(chē)領(lǐng)域，特別是對(duì)于輕量化而言，開(kāi)發(fā)具有1GPa以上的極限拉伸強(qiáng)度和15-20％的拉伸伸長(zhǎng)率的廉價(jià)鋼是至關(guān)重要的要求。最初的高強(qiáng)度鋼是1950年代后期開(kāi)發(fā)的鎳馬氏體時(shí)效鋼，其基本原理是使用替代元素在低碳鐵鎳馬氏體基體中進(jìn)行時(shí)效硬化，并在時(shí)效過(guò)程中形成大量的細(xì)金屬間析出物。為了降低成本，Goldstein等人在1960年使用Mn作為替代奧氏體穩(wěn)定劑，并報(bào)道了通過(guò)奧氏體向馬氏體的相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）機(jī)理獲得的優(yōu)異韌性。這導(dǎo)致對(duì)提高性能的含錳TRIP鋼的大量研究。最近，Raabe及其同事報(bào)道了無(wú)碳和9-15％Mn的馬氏體時(shí)效鋼表現(xiàn)出1-1.5 GPa的極好拉伸強(qiáng)度，總拉伸伸長(zhǎng)率為15-20％。這些性質(zhì)歸因于在時(shí)效熱處理過(guò)程中非常細(xì)的納米級(jí)金屬間化合物的析出。

大量學(xué)者對(duì)TRIP鋼進(jìn)行了廣泛的研究，其顯微組織由至少5％的殘留奧氏體嵌入貝氏體，馬氏體和鐵素體基體。在TRIP鋼的塑性變形過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而顯著增強(qiáng)了材料性能并導(dǎo)致硬化。TRIP鋼的初始加工硬化率低于雙相（DP）鋼，但是在較高的應(yīng)變下，DP鋼的加工硬化開(kāi)始減少時(shí)，硬化率仍然存在。

基于此，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)、伯明翰大學(xué)、劍橋大學(xué)聯(lián)合報(bào)告了一種低成本，高延展性，高強(qiáng)度的含碳奧氏體-馬氏體鋼的新穎設(shè)計(jì)方法。其極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)1.3 GPa，拉伸伸長(zhǎng)率達(dá)到15-18％，這歸功于熱處理過(guò)程中的碳化物沉淀以及奧氏體的TRIP效應(yīng)。兩種鋼均基于10％的Mn，并少量添加C，Cr和Mo形成納米析出。合金之間的主要區(qū)別是Cr和Mo含量。這將使它們所含的奧氏體含量有所不同（Cr含量的增加和Mo含量的降低會(huì)導(dǎo)致鐵素體和奧氏體之間的平衡轉(zhuǎn)變溫度升高）以及相沉淀動(dòng)力學(xué)的變化。相關(guān)研究結(jié)果以題“Effect of ageing on the microstructural evolution in a new design of maraging steels with carbon”發(fā)表在Acta Materialia上。

這種新的合金設(shè)計(jì)理念表明可以掩蓋無(wú)碳馬氏體時(shí)效鋼和超高強(qiáng)度鋼中存在的一個(gè)主要矛盾問(wèn)題：促進(jìn)納米級(jí)同時(shí)析出，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度；并還原至少30％的奧氏體以提高延展性。這些性能是通過(guò)添加Mn，Cr，Mo和C的最佳組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這使得相變行為相互依存，最佳的顯微組織包括具有大量碳化物析出的馬氏體和奧氏體，該回復(fù)奧氏體表現(xiàn)出廣泛的TRIP效應(yīng)，這對(duì)于獲得高強(qiáng)度和延展性的組合是非常重要的。

圖2 應(yīng)用于合金的形變熱處理示意圖。

圖3 合金510℃時(shí)效不同時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，（a）2CrMo的拉伸曲線(xiàn)；（b）Cr2Mo的拉伸曲線(xiàn)；（c）2CrMo的加工硬化率曲線(xiàn)；（d）Cr2Mo的加工硬化率曲線(xiàn)。

圖4 （a）2CrMo合金；在870°C下奧氏體化處理1h的兩種鋼的光學(xué)顯微照片和XRD相分析。（b）Cr2Mo合金；（c）兩種鋼的XRD。

兩種合金中均發(fā)生Mn偏析，這導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域在Ac3之上時(shí)效，而其他區(qū)域在Ac 3之下時(shí)效。事實(shí)證明，這對(duì)提高機(jī)械性能很有幫助。2CrMo合金中富錳區(qū)域的時(shí)效遠(yuǎn)高于Ac3溫度，導(dǎo)致形成球狀?yuàn)W氏體。

圖5 時(shí)效2CrMo鋼的顯微照片

圖6 Cr2Mo鋼的顯微照片

在2CrMo鋼中，加熱至?xí)r效溫度時(shí)發(fā)生碳化物析出（M3C和M7C3）。碳化物的沉淀似乎阻止了Mn偏析到馬氏體板條邊界。碳化物在時(shí)效過(guò)程中逐漸溶解，直到在510°C下48h后都消失了。時(shí)效過(guò)程中碳化物的溶解促進(jìn)了局部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。碳化物對(duì)合金的強(qiáng)度沒(méi)有很大的貢獻(xiàn)。

圖7 2CrMo的EBSD圖顯示了從（ac）510°C持續(xù)5h時(shí)效后的顯微組織演變；（df）510°C持續(xù)8h; （gi）510°C持續(xù)16h；（jl）510°C持續(xù)48h。反極圖（IPF）映射（a，d，g，j）顯示了相對(duì)于RD（軋制方向）的晶粒取向；（b，e，h，k）相圖，F(xiàn)CC還原奧氏體為藍(lán)色，馬氏體為紅色；（c，f，i，l）能帶對(duì)比圖，顯示了兩個(gè)相的形態(tài)。

圖8 Cr2Mo（a-c） 510℃5h時(shí)的EBSD圖；（d-f） 510℃8小時(shí)；（g-i） 510℃16h;（j-l） 510℃48小時(shí)

圖9 2CrMo時(shí)效5小時(shí)后TEM和STEM顯微照片

圖10 時(shí)效8h（ad）和16h（ad）的樣品 拉伸試驗(yàn)后的EBSD圖：（a，b）2CrMo在拉伸試驗(yàn)后顯示出一些奧氏體保留；（c，d）拉伸試驗(yàn)后，Cr2Mo幾乎沒(méi)有顯示奧氏體；（e，f）2CrMo在拉伸試驗(yàn)后幾乎沒(méi)有顯示出奧氏體；（g，h）Cr2Mo在拉伸試驗(yàn)后幾乎沒(méi)有顯示出奧氏體。（a，c）是IPF圖，（b，c）是相位圖。（IPF：反極圖；相圖：藍(lán)變奧氏體，紅馬氏體）。

圖11 顯微組織演變示意圖，顯示了兩種鋼的碳化物沉淀，Mn偏析以及還原奧氏體的位置和形態(tài)。

研究表明：時(shí)效16h的合金具有最大的強(qiáng)度和延展性。這與包括馬氏體，碳化物在馬氏體板條邊界和回復(fù)奧氏體中的沉淀以及最大含量回復(fù)奧氏體的顯微組織有關(guān)。回復(fù)奧氏體在拉伸試驗(yàn)中完全轉(zhuǎn)變，因此TRIP效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度和延展性起了主要作用。