无碳化物贝氏体钢变形时微结构演变、成分和应变配分规律研究

Carbide-free bainitic steel, is kind of dual phase steel dominated by bainitic ferrite and supplemented by retained austenite. It has attracted extensive interest and attention as one of the representative of a new generation advanced material, which has been widely used in manufacturing automobile steel plate, railway track, wheel, shaft, gear and bearing. As well known, there exist different contents of carbon and some substitutional elements in bainite ferrite and retained austenite phase induced by the chemical composition partitioning during bainitic transformation. However, how do the chemical compositions redistribute in the two phases during the deformation? What is the evolution of microstructures? What are the strain partitioning pattern in the two phases? How do the afore-mentioned behaviors influence the macro-mechanical properties especially for the cyclic deformation behaviors? These materials science problems are not clear. Hence, to answer these questions, understand the controlling mechanism of the chemical composition and the microstructure of the carbide-free bainitic steels with high strength and good fatigue performance, a medium carbon carbide-free bainitic steel is studied and subjected to isothermal transformation at upper and lower bainitic transformation temperature region in this project. The tensile and cyclic deformation behaviors of the steel are analyzed through three-dimensional atom probe, nano-indentation, EBSD, confocal microscope, TEM, SEM and XRD.

无碳化物贝氏体钢是一类以贝氏体铁素体相为主残余奥氏体相为辅的双相钢，已被广泛的应用于制造汽车钢板、铁路轨道、车轮曲轴、齿轮和轴承等，成为新一代先进钢铁材料的代表之一。众所周知，贝氏体相变过程因成分配分使碳和一些合金元素在贝氏体铁素体和残余奥氏体两相中含量不同。然而，在变形过程中，两相中的化学成分如何再配分？两相的微结构如何变化？且应变在两相中配分规律如何？这种因变形造成的微结构变化以及成分配分和应变配分是如何相互作用的？其对钢的宏观力学行为，特别是循环变行行为影响规律如何？这些材料科学问题尚不清楚。本项目是以中碳无碳化物贝氏体钢为研究对象，在上、下贝氏体转变温度区间分别对其进行等温相变处理，通过拉伸和循环变形，利用三维原子探针、纳米压痕、EBSD、共聚焦显微镜以及TEM、XRD等研究手段，解答以上疑问，弄清高强度抗疲劳无碳化物贝氏体钢的化学成分和微结构调控机制。

本研究项目从成分设计出发，利用热处理工艺调控，通过拉伸变形和循环变形研究了无碳化物贝氏体组织的结构演变、成分和应变配分规律。优化和制备出适合重载铁路轨道使用的高强韧抗疲劳无碳化物贝氏体钢。1500MPa强度级别的无碳化物贝氏体钢铁路辙叉的平均使用寿命-累积过载量达到3.5亿吨。将理论基础研究延伸应用到制造高端耐磨衬板和轴承上。制造出超细贝氏体耐磨钢板，性能可与著名的Hardox 600耐磨钢板相媲美，而成本仅为其1/3。发明的渗碳和高碳纳米贝氏体轴承钢，其疲劳寿命分别比经典渗碳和高碳马氏体轴承钢提高2.5和1.2倍，引领了轴承行业的技术进步。本项研究成果为无碳化物贝氏体钢的推广奠定的重要的理论基础如下：.1.揭示合金成分设计对无碳化物贝氏体钢的组织性能影响规律。通过调控Mn、Si、Al等合金元素含量，获得组织较细、错配角分布大角度较多和相之间有较高协同变形能力的组织，有利于提高材料的抗疲劳性能。提出双相多尺度贝氏体结构概念，研究了它在拉伸变形过程中的微结构演变，为高强度高塑性材料的开发提供新思路。.2.揭示了无碳化物贝氏体组织在循环变形过程中的成分配分规律。循环变形过程中置换原子在贝氏体铁素体和残余奥氏体之间不存在配分。表明置换原子对无碳化物贝氏体钢的循环变形行为没有影响。.3.揭示了无碳化物贝氏体在变形过程中应力应变配分规律。以混合修正原则为基础，利用数学建模和EBSD检测两种手段定量计算得到了各相在拉伸变形过程中的应力应变配分规律。表明贝氏体铁素体承担了大部分应力和应变，残余奥氏体次之，马氏体最低。在单位体积分数下，残余奥氏体具有较强的变形能力，马氏体具有较强的承担应力的能力。通过对计算结果的讨论与推演，建立了三相协调变形的模型，揭示了各相间协同变形的规律和机理。.在本项目资助下获得国家技术发明二等奖1项，河北省技术发明一等奖1项，发表学术论文18篇，授权国家发明专利5项，培养研究生19人。