第 1 章   緒論 

1.1   研究背景 
在當(dāng)今全球變暖、能源緊缺的大環(huán)境中，環(huán)保與節(jié)能成為了汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。有報道指出，當(dāng)車身重量減輕 10%時，可節(jié)約 3%～7%的燃料[2]，因此汽車輕量化成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)。在汽車輕量化這一大前提下，鋁合金充分發(fā)揮了其重量輕這一優(yōu)勢，成為了汽車零部件的新寵，向傳統(tǒng)鋼鐵材料的地位發(fā)起了挑戰(zhàn)。但同時又有資料顯示，當(dāng)鋼的強度達到 780 MPa以上時，其表現(xiàn)出的綜合力學(xué)性能要比鋁合金更加優(yōu)異[3]。若想使鋼能夠滿足輕量化的要求，那么提高鋼強度勢在必行，因此大力推進先進高強鋼的研究進程刻不容緩[4]。 第一代先進高強鋼的研究是以提高強度為主要目的，但是它最大的問題是雖然使強度得到了大幅度的提高，但是卻忽略了塑性的問題，導(dǎo)致塑性隨著強度的升高而降低，所以表征材料綜合性能的強塑積數(shù)值不高。由此發(fā)展出的第二代先進高強鋼是在不影響高強度的前提下，以提高材料塑性為主要目的，為了達到這一目的，在鋼中添加了較多的合金元素，所以雖然具有極高的強塑積，但是其成本高、冶煉難、工藝性差，所以不適合大規(guī)模應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)�？紤]到前兩代[5]先進高強鋼的優(yōu)點和不足，現(xiàn)在人們提出了要把研究的重點朝向第三代先進高強鋼的研發(fā)，第三代先進高強鋼要求同時具有較高的強度和塑性，而又不能添加過多的合金元素，滿足低成本的經(jīng)濟條件[6-7]。本文也正是順應(yīng)這種潮流，設(shè)計開發(fā)一種成本低廉的低合金鑄鋼，并對其進行不同的熱處理以獲得高強韌的力學(xué)性能。
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1.2   先進高強鋼的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀
所謂馬氏體（M）鋼，是指主要組織為馬氏體和少量的鐵素體、貝氏體的鋼，其中馬氏體為基體，少量的鐵素體、貝氏體分布在馬氏體基體上。由于馬氏體為主要相，故該鋼種具有較高的強度，抗拉強度范圍一般在 900 MPa～1500 MPa，是目前強度級別最高的鋼種[8-9]。馬氏體鋼的生產(chǎn)工藝過程是將鋼加熱至完全奧氏體化后快速冷卻至室溫，使得絕大部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成馬氏體鋼。此時的馬氏體具有高位錯密度，因此所得鋼的強度有余而塑性不足，通常隨后都要進行回火處理�；鼗饻囟扰c鋼的強度和塑性密切相關(guān)，根據(jù)回火溫度的高低，可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火后組織為回火馬氏體，可以獲得較高的強度，而中高溫回火后組織為回火托氏體和回火索氏體，可以顯著提高塑性。此外，在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常通過在馬氏體鋼中加入微量合金元素（如錳、硅、鉬等）的途徑來提高淬透性和塑性，還可以提高抗腐蝕性和抗疲勞性。按照加入合金元素量的高低，可以將鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。低合金鋼由于其成本低而強度高等特點受到了廣泛的關(guān)注，也是目前研究最多的鋼種。
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第 2 章   實驗材料與方法 

2.1   實驗流程圖及設(shè)備

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2.2   實驗材料 
本實驗采用的實驗鋼為自主設(shè)計的一種新型的低合金高強韌非調(diào)質(zhì)鑄鋼ZG24Si Mn2Cr B，成分如表 2.2 所示。經(jīng)過對合金鋼成分的優(yōu)化之后，開始進行配料、冶煉以及澆注等操作，本實驗采用中頻感應(yīng)爐（YFL-50）對實驗鋼進行冶煉，最終澆注得到如圖 2.2 所示的Y型實驗鋼試樣。 亞溫淬火的影響因素在 1.4.3 中已經(jīng)進行了詳細(xì)的介紹，本文為了研究亞溫處理工藝參數(shù)對實驗鋼力學(xué)性能的影響，并進一步優(yōu)化出實驗鋼的最佳熱處理工藝參數(shù)，從三個方面設(shè)計了實驗。 1.  改變兩相區(qū)加熱溫度。使經(jīng)預(yù)處理后的實驗鋼分別在 770 °C、790 °C、810 °C、830  °C、850  °C共五個溫度進行保溫，回火后觀察所得室溫下組織的變化。同時為了起到對比作用，另設(shè)置了傳統(tǒng)熱處理實驗以及未進行預(yù)處理的兩相區(qū)保溫實驗。 2.  改變兩相區(qū)保溫后的冷卻方式。使經(jīng)預(yù)處理和兩相區(qū)保溫后的實驗鋼分別經(jīng)由空冷、風(fēng)冷、霧冷、NJ介質(zhì)冷卻等共四種冷卻方式冷卻至室溫，回火后觀察所得實驗鋼的室溫組織和力學(xué)性能的變化，研究冷卻方式對實驗鋼組織性能的影響規(guī)律。 3.  改變回火溫度。使經(jīng)由預(yù)處理以及兩相區(qū)保溫后的實驗鋼分別在 300  °C、340  °C、380  °C、420  °C共四個溫度回火，觀察其室溫下的組織和力學(xué)性能。另設(shè)置了未進行回火處理的實驗作為對比實驗。 
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第 3 章   實驗鋼的成分設(shè)計和制備 ......... 23 
3.1   主加合金元素及其在鋼中的作用 ...... 23 
3.2   實驗鋼的成分設(shè)計 .... 26 
3.3   實驗鋼的熔煉 ........ 27 
3.4   實驗鋼的臨界點計算 ......... 29 
3.5   本章小結(jié) ..... 30 
第 4 章   亞溫處理對實驗鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響 ..... 31 
4.1   加熱溫度的影響 ...... 31 
4.2   冷卻方式的影響 ...... 37 
4.2.1   熱處理工藝設(shè)計 .... 37 
4.2.2   微觀組織分析 ...... 39 
4.2.3   力學(xué)性能分析 ...... 41 
4.3   本章小結(jié) ..... 43 
第 5 章   回火溫度對實驗鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響 ..... 45 
5.1   熱處理工藝設(shè)計 ...... 45 
5.2   空冷后分別在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 46
5.3   風(fēng)冷后分別在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 50
5.4   霧冷后分別在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火 ...... 54
5.5   NJ 介質(zhì)冷卻后分別在 300 °C、340 °C、380 °C、420 °C 回火.......... 58
5.6   斷口分析 ..... 62 
5.7   本章小結(jié) ..... 63 

第 5 章   回火溫度對實驗鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響 

5.1   熱處理工藝設(shè)計 
本節(jié)擬研究兩相區(qū)保溫后的冷卻方式和回火溫度對實驗鋼微觀組織和力學(xué)性能的交叉影響，熱處理工藝示意圖如圖 5.1 所示。首先對實驗鋼進行 900 °C保溫 30 min風(fēng)冷的預(yù)處理，然后再在 810 °C保溫 30 min，以四種不同的冷卻方式冷卻至室溫，并在經(jīng)由每一種冷卻方式冷卻后都進行四種不同溫度的回火處理，最后風(fēng)冷至室溫。 通常，鋼經(jīng)淬火后都要進行回火熱處理，這是為了消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，提高其綜合力學(xué)性能。然而，對含有殘余奧氏體的鋼卻很少進行回火處理，因為在回火過程中可能導(dǎo)致殘余奧氏體的分解，使其塑性大大降低，不利于最終的力學(xué)性能。但是在本次實驗中，由于在兩相區(qū)保溫過程中發(fā)生了合金元素的重新配分，且在最初鋼的成分設(shè)計中添加了硅等抑制碳化物形成的元素，使得碳等元素在奧氏體中能夠充分富集，增加了其穩(wěn)定性，使其可以在室溫下穩(wěn)定存在。再者奧氏體分解會生成鐵素體和滲碳體，而硅等非碳化物形成元素的存在，抑制了滲碳體的析出，極大的降低了生成滲碳體的化學(xué)驅(qū)動力，不利于奧氏體的分解。本實驗中選擇的回火溫度較低，在 300 °C～420 °C之間，以 40 °C為間隔。 為了進行對比，不同冷卻方式冷卻后均設(shè)置一組不進行回火的實驗，并觀察其微觀組織。在冷卻方式和回火溫度這兩個因素中，本次實驗主要考慮的是回火溫度的影響，故而下述討論中將依次固定冷卻方式，討論在該種冷卻方式下，不同回火溫度的影響，并總結(jié)出兩相區(qū)保溫后的冷卻方式對實驗鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響。
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總結(jié)

本文是為了適應(yīng)當(dāng)今汽車市場的發(fā)展潮流，滿足汽車工業(yè)對鋼鐵材料的要求，并以第三代高強鋼為研究基礎(chǔ)，致力于研發(fā)出一種低合金、低成本、高強韌、非調(diào)質(zhì)的鑄造用鋼。依據(jù)主加合金元素在鋼中的作用，同時兼顧經(jīng)濟效益，選擇廉價、高效的合金元素作為添加元素，最終確定各合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳0.15wt.%～0.3wt.%，硅
1wt.%～2wt.%，錳
2wt.%～3wt.%，鉻
0.3wt.%～0.7wt.%，釩、鈦和稀土均在0.04wt.%～0.06wt.%區(qū)間內(nèi)，硼0.003wt.%～0.005wt.%，牌號定為ZG24Si Mn2Cr B。并從熱處理工藝角度對實驗鋼進行優(yōu)化。 
1.  在本實驗條件下，以900  °C×30  min風(fēng)冷預(yù)處理+810  °C×30  min風(fēng)冷+340  °C× 30 min回火為基礎(chǔ)熱處理工藝，改變兩相區(qū)保溫溫度，以20 °C為間隔，上下各設(shè)置兩組實驗，并通過對所得實驗鋼金相組織的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著兩相區(qū)保溫溫度的增加，實驗鋼室溫組織中鐵素體含量降低、貝氏體和馬氏體含量增加。因此可以通過調(diào)節(jié)兩相區(qū)保溫溫度改變各相在室溫下的比例，從而調(diào)整實驗鋼的綜合力學(xué)性能。 
2.  在本實驗條件下，改變亞溫處理冷卻方式及回火溫度，得出最優(yōu)的熱處理參數(shù)為900 °C×30 min風(fēng)冷預(yù)處理+810 °C×30 min風(fēng)冷+340 °C×30 min回火，得到的抗拉強度為1567.4 MPa，延伸率為16.3%，硬度為38.62 HRC，強塑積可達到25549 MPa·%。相比于其它兩種常規(guī)的冷卻方式，此時得到的室溫下的組織最為細(xì)小，具有更高的強度和硬度。當(dāng)然，每種冷卻方式都有最佳的回火溫度與其匹配。在空冷的冷卻方式下，最佳的回火溫度為380 °C；在霧冷的冷卻方式下，最佳的回火溫度有所下降，在340 °C。這也證明了隨著冷卻速度的加快，最佳的回火溫度有所下降，這對實際生產(chǎn)具有很重要的經(jīng)濟意義。 
3.  在本實驗條件下，自主設(shè)計了一種新型冷卻介質(zhì)NJ介質(zhì)，使其具有高溫快冷、中溫緩冷的特點。分析實驗鋼經(jīng)900 °C×30 min風(fēng)冷預(yù)處理+810 °C×30 min NJ介質(zhì)冷卻+340 °C×30 min回火后得到的室溫下的組織發(fā)現(xiàn)，相比于其他三種冷卻方式，此種冷卻方式能夠得到更多的貝氏體相，證明了NJ介質(zhì)確有高溫快冷、中溫緩冷的特點。當(dāng)實驗鋼經(jīng)兩相區(qū)保溫NJ介質(zhì)冷卻至室溫時，得出最優(yōu)的熱處理參數(shù)為900  °C×30  min風(fēng)冷預(yù)處理+810  °C×30  min  NJ介質(zhì)冷卻+340  °C×30  min回火，，得到的抗拉強度為1648.9 MPa，延伸率為14.9%，硬度為44.4 HRC，強塑積可達到24569 MPa·%。 
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參考文獻(略)

本文編號：169322