（实验材料与方法·）节约能源和限制一氧化碳的要求

“ - 【·介绍·】 - ”

节约能源和限制一氧化碳的要求正在推动制造商在车辆和建筑材料中使用更强的材料以减轻重量。

双相钢、复相钢和 TRIP 钢等牌号的使用越来越多，但为了获得更高的强度，需要转向贝氏体和最终马氏体结构。

目前已生产出成形性能和抗拉强度在1000-1600 MPa范围内的超高强度马氏体钢板。 除了强度和成型性要求外，这些材料还必须具有防腐能力。 目前普遍的做法是通过电解镀锌来实现防腐，但电解镀锌也存在一些问题。

它比传统的热浸镀锌更昂贵，而且可获得的涂层质量通常较低。 电解过程还往往会将氢引入钢中，这在较高强度等级中会增加延迟断裂的风险。

在许多应用中，锌合金比镀锌更受欢迎，从油漆附着力、外观和底漆耐腐蚀性的角度来看，锌合金具有优势。

«——[·实验材料与方法·]——»

本研究旨在探索适合现有生产线的超高强度钢的涂层替代品。 热金属化过程中出现的一个问题是马氏体会回火并损失大部分强度。 热浸镀锌所需的高温比典型的连续退火线回火温度明显更高，从而导致强度损失。

人们对抗回火和二次硬化的影响进行了广泛的合金元素研究，其中钒被证明是最有效的元素之一。 钒还起到稳定贝氏体带钢高温强度的作用。

实验将研究钒和氮含量对超高强度板材性能的影响，并观察通过调整碳含量可以在可接受的限度内实现哪些强度水平。

通过对硬化材料进行奥氏体化和淬火，然后进行退火来进行实验，以模拟热浸金属化过程中的热循环。 这些实验不涉及实际的镀锌层，仅关注钢本身的性能和结构。 虽然锌浴中的处理时间通常只有几秒钟，但板材需要在拉坯退火炉中预热几分钟。

大多数实验结果是通过 5°C 退火 460 分钟获得的，但也研究了较短时间快速退火（例如通过横向磁通感应加热）的效果。

一些样品在“镀锌”条件下进行研究，其他样品在15°C下进行额外热处理550秒以模拟“镀锌”条件，最后通过拉伸、弯曲测试和金相检查来评估材料性能。

实验计划分为两个阶段。 首先，研究人员选择了六种熔体。 这些熔体都是铝脱氧钢，但含有不同含量的固定碳和其他元素。 研究人员主要研究了改变钒和氮含量的影响。 对材料性能的影响。

在第二阶段，研究人员使用硅添加剂代替铝进行脱氧，并额外制备了三种不同碳含量的熔体。

研究人员将大约 2 公斤熔体倒入真空感应炉中，并将其浇铸在 40 x 40 毫米的方形截面模具中。

切断顶部的管子并切片底部进行化学分析后，所得主轴的长度约为150毫米。 研究人员将主轴热轧成约4毫米厚的板材，然后在约900°C的温度下进行空冷，去除氧化皮后，研究人员继续将板材冷轧至一定厚度1.1毫米。

由板材加工出自由长度为60mm的拉伸试件和40×60mm的弯曲试件。 拉伸试样长轴与轧制方向一致，弯曲试验按横向弯曲轴布置。 研究人员在 900°C 的温度下对钢材进行 3 分钟热处理，然后垂直放入水中淬火。

初步调查显示，样品在 90 秒内达到 890°C 的温度，然后研究人员使用盐浴模拟典型的镀锌线进行进一步热处理。

样品在 5°C 下保持 460 分钟，但由于感应加热过程可能更短，该时间缩短至仅 10 秒。

研究人员使用 Instron 万能机进行拉伸测试，以获得屈服应力和拉伸强度值，并基于 50 毫米标距引伸计通过均匀伸长率和总伸长率来评估材料的伸长率。 每个测试结果是两个或有时三个样本的平均值。

为了测量临界弯曲条件，研究人员采用了符合德国标准 VDA238 的三点加载方法。 在这种方法中，支撑点在轴承上旋转，以最大限度地减少摩擦效应，弯曲工具的锋利半径为 0.4 毫米，与这些 1 毫米厚的板材一起使用的支架间距为 32.5 毫米。

研究人员施加了 30N 的小预载荷来确定样本脱离初始夹紧后的起点。 通过冲头冲程长度 L（以毫米为单位）达到最大负载，研究人员可以测量弯曲度，并据此计算临界弯曲角 β。

研究人员可以使用 Zeiss Supra 场发射枪扫描电子显微镜和 Oxford HKL 软件中的 EBSD 图像进行金相检查，以测量板条边界和先前奥氏体晶粒的尺寸。 板条边界间距可以按不同的阈值定向。 评估误差，通常在 3° 到 15° 之间。

PAG尺寸是通过确定18-47°区间内无马氏体结构干扰的取向误差边界来计算的。 为了补偿超出此范围的“丢失”PAG 边界，使用基于随机方向的 Mackenzie 分布，添加交叉点的数量约为 59%。

在某些特定情况下，研究人员可以使用 Jeol JEM-2100F 场发射枪透射电子显微镜来获得更高分辨率的子结构和颗粒图像，但通常使用标准电解抛光技术制备薄箔样品，然后使用电子显微镜的组合进行观察成像和高分辨率 EDS X 射线映射。

«——[·实验结果与讨论·]——»

为了让钢在生产线上充分马氏体化，对钢锭的化学成分进行了调整。 表1列出了各种合金元素的含量，其中0V代表不含钒的参考钢，LV为低钒，HV为高钒，LN为低氮，HN为高氮。 除了有意改变钒和氮之外，其他合金元素也保持在非常均匀的水平。

钢1-6在不同热处理条件下的平均屈服强度、抗拉强度和总伸长率。 各种钢在淬火条件下的屈服强度和抗拉强度随成分的不同略有不同。

同样影响较小的是氮含量，可能是由于它作为碳的替代品，如果额外添加0.01% N相当于碳，拉伸强度将增加约40 MPa。

10°C 的短暂退火显着降低了拉伸强度，但显示的应力值几乎不变，更相关的 5 分钟退火不仅进一步降低了拉伸强度，而且还将显示的应力降低了约 100 MPa，额外处理 550 15°C 的温度导致屈服强度和拉伸强度进一步降低。

热处理后，可通过与钒、氮合金化来提高钢的强度。 经过模拟镀锌和镀锌处理后，抗拉强度值，尤其是屈服应力，随着合金含量的增加而增加，尽管在淬火条件下，除钢 1 之外的所有材料的总伸长率几乎保持相同。

这表明钒在要求高强度的镀锌钢中具有潜在的有用作用，并且钒和氮的协同作用对于提高强度也起着重要作用。

研究人员发现，增加钒和氮的含量可以显着提高钢的抗拉强度和屈服应力。 即使忽略6号钢较差的延展性，抗拉强度也增加了50-100 MPa，屈服应力增加了100 MPa以上。 。

对于某些要求抗拉强度超过 980 MPa 的钢材规格，可以可靠地实现这种 VN 微合金化。

LV/HN钢的断口表面有较多的韧窝，表明其含有较多的初始断裂点。 这些较大的韧窝中通常存在氧化铝和硫化锰颗粒，但也可能存在较小的氮化铝颗粒，而LV/NC钢的韧窝较少，断口上的颗粒主要是硅酸铝锰和一些硫化锰。

可以推断，两种钢的断裂差异至少部分是由于第二相含量不同造成的。

为了了解钒和氮如何共同抵抗这些钢在退火过程中的强度损失，研究人员使用了多种金相技术。

当钢在5℃退火460分钟时，出现典型的回火马氏体组织，包括针状板条状晶粒和分布在板条和PAG边界以及板条内部的渗碳体颗粒。 这些钢的渗碳体弥散相没有显着差异，或许超出了研究人员的预期。

EBSD 图像显示了板条状马氏体结构的典型特征，PAG 内部存在近似平行的板条块，并在结构的封装内对齐。

通过这些研究成果，研究人员可以更好地了解钒和氮在退火过程中共同抵抗钢的强度损失的机制，这可以帮助研究人员优化钢的合金设计，提高其强度和耐久性。

由于在图案分析中没有考虑小于3°的方向误差，因此从与图案质量图的比较可以看出，并非所有板条边界都被准确解析，并且显示出更密集的精细尺度结构。

显示的 PAG 边界的方向误差范围为 18° 到 47°。 需要注意的是，该网络是不完整的，因为它忽略了任何具有较小或较大取向的真实 PAG 边界，但它给出了先前结构的清晰印象，并且可以相当可靠地测量其晶粒尺寸。

根据表3所示计算的平均线性截距长度，奥氏体晶粒通常很小，并且是在淬火处理过程中由细小的铁素体晶粒和在900℃下由微合金化氮化物颗粒形成的。 稳定下来。

氮含量较高的钢通常比氮含量较低的钢具有更细的晶粒，而氮含量最高的钢显示出非常小的PAG，这可能有助于其更高的强度水平，即使在淬火条件下也是如此。 也是这样。

表中还给出了马氏体内边界的平均线性截距长度，并评估了两种不同的取向误差标准，即取向角大于3°和大于15°。

虽然钢种之间存在一些差异，但可以看出这些差异的增量相当恒定，表明差异主要与高角度结构的频率有关，这可能与PAG结构有关。

新鲜板条马氏体含有许多位错和内应力，在回火过程中会降低。 研究人员可以通过测量X射线衍射线的宽度来量化这些变化，并且该方法可以用来比较不同钢在淬火和退火条件下的性能。

从这些线非常接近原点的事实推断，研究人员可以得出结论，线变宽的原因是不均匀应变，并且晶粒尺寸效应可以忽略不计。

热处理后，内部应变松弛导致线条更窄，斜率更小。 不同钢的钒含量无论在淬火状态还是退火后都没有影响。

研究人员可以得出结论，在这些处理过程中，钒不会抑制马氏体细鳞片内部结构的恢复。 这意味着基于恢复机制的解释无法解释观察到的微合金化效应。

为了模拟镀锌过程，研究人员使用透射电子显微镜观察在 6°C 退火 5 分钟的 460 钢样品。 显微照片显示出典型的位错马氏体结构，条纹可能是板条边界，碳可能起到一定的装饰作用。

明场图像中很难识别第二相颗粒，但扫描EDS图像显示许多含钒颗粒，其直径约为25 nm。 这些局部钒浓度远高于基体中的钒浓度。

V微合金钢中最常见的析出物是氮化物VN，它与铁素体有特定的晶格取向关系，晶格失配率仅为2.1%。

尽管这些颗粒的对比度可能会受到影响，但确实存在一些小的含钒颗粒，这为解释钒微合金钢退火后强度的增加提供了线索。

采用APT技术研究了3种条件下6号钢中微量元素的生成和分布。 模拟镀锌5℃460分钟，真实镀锌550℃15秒。

研究人员使用APT技术观察到的淬火钢的结构与之前的发现相似。 碳主要集中在板条边界和位错区域，而其他元素均匀地分散在整个钢中。 淬火钢的组织中，其中一些其他元素在板条边界显着富集。

这些富集现象实际上是离子局部密度增加引起的人为现象，而不是真正的浓度增加。 研究人员还检查了几个退火钢样品，但由于探针尖端在短时间内断裂，检查体积较小。

这可能是由于回火组织中存在许多渗碳体颗粒的弱点。 研究人员没有发现在TEM中观察到的富钒颗粒，这可能是由于研究人员检查的体积有限。

为了测试钒存在时是否存在可能的聚类效应，研究人员计算了钒和氮原子的第五最近邻距离的分布，并将其与随机固溶体中预期的分布进行了比较。

实验和模型分布在淬火和退火条件下非常接近，表明在这两种条件下钒和氮原子之间没有可测量的聚集。

研究人员在单独分析钒原子时得出了类似的结论。 退火状态下基体中的碳含量较低，这可以通过其重新分布成相对粗大的渗碳体颗粒来解释。 除此之外，退火处理后没有观察到显着差异。

研究人员获得了有关钢基体表面固溶体中合金元素含量的一些进一步信息，与大规模分析相比，淬火结果与更高的统计基础吻合良好。

退火后除了碳含量显着降低外几乎没有明显的差异，但碳含量明显高于热计算的预测。

“ - 【·总结·】 - ”

钒微合金化是一种在热浸镀金属过程中应用于超高强度钢板的技术。 该技术通过添加微量钒可以提高钢的强度和硬度，满足高强度钢的要求。 材料需要，钒微合金化可以显着提高钢的强度。

钒是一种强化元素，当以适当含量添加到钢中时，可以在钢的晶界和晶粒内形成钒酸盐沉淀物。 这些析出物可以阻碍位错运动，从而提高钢的抗拉强度。 和屈服强度。

此外，钒还可以提高钢的冲击韧性和耐磨性，使其适合各种恶劣环境和高强度要求的应用。

钒微合金化是一种可应用于热浸镀金属化超高强钢板的有效技术。 通过添加微量的钒，可以显着提高钢的强度、硬度和耐久性，并改善其热处理特性和焊接性能。 钒微合金化成为制备高性能超高强钢板的重要方法。

“ - 【·参考·】 - ”

1. D. Bhattacharya：“先进高强度钢的发展”，Proc。 联合国际。 会议。 HSLA 钢材，2005 年，70–73。 [谷歌学术]

2.Y。 Miyoshi：“日本汽车车身材料用预涂钢板的最新技术”，ISIJ Int.，1991，31，1-10。 doi: 10.2355/isijinternational.31.1 [交叉引用]、[Web of Science®]、[Google 学术搜索]

3.HH Lee 和 D. Hiam：“合金化镀锌钢的耐腐蚀性”，《腐蚀》，1989 年，45，852–856。 doi: 10.5006/1.3584993 [交叉引用], [Web of Science®], [谷歌学术]

4.RA Grange、CR Hribal 和 LF Porter：“碳钢和低合金钢中回火马氏体的硬度”，Met。 译，1977 年，8，1775–1785。 doi: 10.1007/BF02646882 [交叉引用], [Web of Science®], [谷歌学术]

5. T. Siwecki、J. Eliasson、R. Lagneborg 和 B. Hutchinson：“钒微合金化贝氏体热轧带钢”，ISIJ Int.，2010, 50, 760–767。 doi: 10.2355/isijinternational.50.760 [交叉引用]、[Web of Science®]、[Google 学术搜索]