超快冷条件下铁素体相变与协同相间析出的控制机理

Aiming at the microstructure control goal of interphase-precipitation hardening type hot rolled automobile steel with tensile strength higher than 780MPa, the chemical composition design of composite addition of Cu, Mo and Ti is adopted, and ultra fast cooling(UFC) is introduced for refining ferrite grain size and precipitated particles. Investigations are to be carried out involving the ferrite transformation and interphase precipitation behavior under UFC condition. Especially, the mechanism of the co-interphase-precipitation of Cu and Mo-Ti is introduced. The effect of alloying elements and UFC parameters on ferrite transformation and precipitation behavior will be clarified through thermo-mechanical simulation, hot rolling and cooling experiment. Especially, the thermodynamics, kinetics of ferrite transformation, precipitation kinetics of ε-Cu and (Mo, Ti)C, and the co-precipitation principle between Cu and Mo-Ti will be illustrated, basing on which the coupling control mechanisms of ferrite transformation and interphase precipitation are to be explored and the processing windows for optimal matching between grain refinement and interphase precipitation is expected to be found out. The effect of ferrite grain refinement, morphology, etc on strength, ductility and stretch-flange property will be revealed. Eventually, the nanosized interphase precipitation hardened type steel with high strength and ductility as well as favorable formability is to be obtained.

本项目针对780MPa以上级别相间析出型高强度热轧汽车用钢的组织控制目标，采用Cu与Mo、Ti复合添加的成分设计思路，将超快冷作为细化铁素体晶粒和析出粒子的重要手段，引入Cu与Mo、Ti的协同相间析出机制，围绕超快冷工艺下的铁素体相变、相间析出行为等控制问题开展研究。通过热模拟、热轧和不同冷却路径冷却等实验，弄清合金元素和超快冷工艺参数对铁素体相变行为、纳米级沉淀析出行为的影响规律。阐明超快冷条件下铁素体相变热力学、动力学以及ε-Cu、(Mo, Ti)C的析出动力学以及Cu与Mo、Ti的协同相间析出规律，据此研究铁素体相变和相间析出的耦合控制机制，找到铁素体晶粒细化和相间析出相匹配的最佳工艺窗口。揭示铁素体晶粒尺寸、析出粒子形态学等对强度、塑性和凸缘性能的影响规律，获得高强度、塑性和成形性能匹配的纳米级相间析出型高强钢的原型钢。

采用高强度汽车用钢是降低汽车油耗和提高其安全性的有效手段，但目前传统的780MPa以上级别汽车用钢无法同时满足高强度、塑性和成形性能匹配的要求，以高冷速为代表的超快冷技术方兴未艾，但以超快冷为核心的相变规律、析出机理及强韧化等物理冶金学机制还未建立。在这一市场和技术背景下，我们在本项目计划书中提出了基于超快冷技术研发以“铁素体基体+相间析出”型强度超过780MPa高强钢这一研究目标。经过3年的努力，这一研究目标已成功实现，取得如下重要研究成果：.1）采用低成本V-Ti成分成功开发了相间析出型高强钢，抗拉强度可达800MPa以上，延伸率达24%，析出强化增量超过300MPa；2）相变前超快冷增大奥氏体→铁素体相变驱动力，降低铁素体相变温度；3）高冷速、低超快冷出口温度可大幅细化纳米析出物，提出了超快冷条件下纳米级析出物的细化机理；4）明确了超快冷条件下了(V, Ti)C与（Mo, Ti）C和ε-Cu相间析出温度区间，分析了相间析出物的结构与组成，确定了超快冷条件下相变与相间析出耦合控制的工艺窗口；5）观测到ε-Cu与（Mo，Ti）C复合析出物，EDX能谱和TEM衍射分析初步表明，二者并未组成复合型析出物，均与铁素体基体存在独立的晶体学位相关系；6）比较研究了传统层流冷却与超快冷工艺工艺下的组织性能规律，明确了超快冷对细晶强化和析出强化均有贡献，且随超快冷出口温度降低，析出强化增量比重越大；7）揭示了显微组织对成形性能的影响规律，结果表明，组织间的变形协调能力降低导致扩孔率等成形性能下降；8）申报发明专利6项，获得2014年湖南省科技进步一等奖（总排名第7，校内排名第4）和2015年辽宁省科技进步一等奖（项目负责人总排名第4，校内排名第2）。.以上研究成果不仅为汽车工业开发了一个性能优异的高强度汽车用钢新品种，而且还大大丰富了现有物理冶金学知识，为钢铁材料组织性能控制，特别是为超快冷为核心的新一代TMCP理论提供了新思路和新方法，并成功进行了工业推广应用，具有重要科学意义和应用价值。