文摘

氢脆容易发生在高强度马氏体钢,展现自己是一个毫无预警地突然失败或断裂,而且极大地威胁着汽车的安全的应用程序。优化合金的成分可以通过匹配进行热处理加工方法和控制降水形成氢陷阱。在这一过程中,钢的氢脆敏感性可以有效地推迟,减少致延迟开裂的风险。在这项研究中,四种1500 MPa强度等级马氏体钢被选为测试和补充不同载荷的Nb和V,分别。过他们的谷物、阶段和降雨比较通过光学显微镜(OM)、电子背散射衍射(ESBD)和透射电子显微镜(TEM)分析。Nb和V后,显微组织细化,残余奥氏体含量增加,抗氢脆明显改善。

1。介绍

高强度马氏体钢表现出优良的力学性能,这使他们能够被广泛应用在汽车行业1]。超过50%的汽车工业中使用的材料包括钢、高性能材料的发展是提高安全性能和工业竞争力的关键。先进高强度钢具有高强度和良好的成形性,特别是高加工硬化指数,这有助于提高碰撞过程中的能量吸收,轻量级的工具,并确保安全。在材料强度1500 MPa, hot-formed或冷弯马氏体钢是最经济的选择2- - - - - -5]。然而,在使用这些类型的马氏体钢,一个主要挑战是致延迟断裂。提高马氏体钢的性能的传统方法包括碳含量的增加,合金元素,和循环淬火,使钢更昂贵,降低焊接能力。与合金化控制轧制和冷却可以有效改善材料的性能和经济学(6- - - - - -8]。

Nagao等人研究了马氏体钢的骨折致开裂,发现之前的奥氏体晶界的滑移带分割的(PAGB)和ML (ML)边界。氢被浓缩在上述两个接口位错的作用下传播,导致晶界和quasicleavage [9]。致延迟断裂的高敏感性hot-formed钢可以归因于两个方面。第一个方面是高的位错密度。更高的位错密度导致细胞大量位错缠结形成的矩阵,位错缠结的面积高缺陷区域,和位错缠结的密集网络区域可以成为氢扩散的通道10- - - - - -13]。第二个方面是高的形成和淬火后残余应力,这与外部压力,加剧氢扩散的促进作用。如果氢聚集向比别人压力大很多浓度区,它进一步增加致开裂的风险14- - - - - -16]。然而,位错在材料制备和压力难以避免。众所周知,添加微量合金化元素可以减少致延迟断裂改善残余奥氏体(RA)和材料微观结构和创造更多的氢陷阱。

控制C、N的降水nanocompounds形成一个良性的“氢陷阱”在高强度马氏体钢可以有效地降低hydrogen-delayed开裂的风险(17]。氢陷阱可引起各种显微结构的缺陷,如PAGB、板条边界,高密度的位错,第二相粒子和矩阵之间的接口。一般来说,所有钢缺陷可以用作氢陷阱。确定缺陷的氢捕获能力的关键是确定缺陷和氢之间的结合能。≥50焦每摩尔的结合能是一个强大的陷阱,虽然结合能≤30焦每摩尔是一个弱的陷阱18- - - - - -22]。所有缺陷的顺序根据结合能 (23]。大量的晶界能促进缺陷均化和应力分布,提高氢扩散路径距离,从而实现氢分布分散的矩阵。因此,高密度晶界的影响提高氢,防止一个过高的浓度(24- - - - - -26]。

碳化物有最强的氢捕获能力,和Nagao指出,纳米级(钛、钼)C在马氏体钢比大颗粒能够捕获氢(27- - - - - -31日]。碳化物的大小和数量的减少会导致钢中氢的扩散距离的增加,这是已知的方法减少hydrogen-delayed的易感性高强度钢的断裂。

近年来,制备了高强度马氏体钢的Nb, V,钛,铜元素和不同的热处理过程。最后,许多降水形式及其氢陷阱机制研究[23,32- - - - - -38]。然而,超高强度钢显微组织细化的报道。在这项研究中,Nb和V添加了高强度钢材,及其颗粒大小,边界,RA的内容进行比较。

2。材料和方法

2.1。材料

在这个实验中四种钢生产。的化学成分如表所示1。四个钢之间的主要区别是Nb的浓度和诉的生产和测试了钢的轧制过程如下:(1)前滚一个20毫米厚板钢板坯加热到1250°C 2 h,然后热轧3.4毫米,在最后的轧制温度约为900°C(2)冷却速率将约45°C / s,和热钢坯在炉在620°C 1 h,紧随其后的是空气冷却(3)氧化物层和脱碳层抛光(4)在冷轧过程中,钢板被加热到900°C, 100年代等温地绝缘,然后在水中淬火(5)最后,钢在200°C的100年代和空气冷却到室温

表1
四种试验钢的化学成分(wt %)。
2.2。测试方法

光学显微镜(OM)分析样品的沿轧制方向安装,研磨,抛光,金相用4%硝酸酒精腐蚀。微观结构表征利用高分辨率电子背散射衍射(EBSD)是使用一个EDAX-TSL-OIM系统执行的步长100海里。透射电子显微镜(TEM)分析JEOL 2100 f的工作电压200 kV,用能量色散x射线光谱仪(EDS)由牛津仪器。用TEM观察,薄箔标本是由电火花线切割,机械抛光,double-jet电解抛光(丹麦,Struers TenuPOL-5)。电解抛光的解决方案是混合90% CH准备的3羧基和10% HClO3。

3所示。结果与讨论

图1显示了实验钢的金相分析,OM。数据1(一)- - - - - -1 (d)对应于样品1到4。范围是 每个样本。图中可以看出,材料是均匀的马氏体结构。比较这些照片显示,每个钢的微观结构密度逐渐增加(A)示例1 (d)样例4。因此,由于额外的合金化元素Nb和V,微观结构细化现象是显而易见的。然而,很难提供准确和精确定量数据来验证PAGB或ML厚度。

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图1
OM的分析测试钢,(一)- (d),分别对应于样品1 - 4。

数据2- - - - - -5中的EBSD分析结果 样品图片。数据显示的结果矩阵结构、晶粒取向、晶界(GB)旋转角度,分别和相位分布。图2是EBSD图像质量(智商)映射的结果。PAGBs和极细马氏体结构可以清楚地观察到。两种典型PAGBs标记在图2(一个)。推测,材料的微观结构是精制后的Nb或v .然而,谷物在图2 (d)更清晰和相当小。图3显示了EBSD反极图的分析结果(IPF)。之间的明显差异可以看出晶粒取向和MLs的形态。大多数谷物表现出不规则的取向。大PAGBs是显而易见的人物3(一个)和3 (b)。很难证明PAGBs的位置数据3 (c)和3 (d),因为只有很好的谷物和马氏体板条结构可以找到。图4显示了晶界的旋转角度分析。一个低角度晶界(LAGB) 2 - 5°被标记为红色,虽然LAGB 5 - 15°绿色标记。15 - 180°旋转角度范围内的被定义为高角度晶界(HAGBs),标记为蓝色。仔细的比较数据3和4显示所有PAGBs HAGBs,而大多数的非常好的ML被认为是LAGBs边界。常见的马氏体板条的厚度大约是10 - 200纳米,而EBSD的最小扫描光束大小是100海里。这可能是毫升边界的主要原因不能明确确定。图5显示RA的分布于马氏体钢EBSD相映射。从图可以看出,RA(绿色)材料分散在材料矩阵。通过比较颗粒边界的位置,大多数RAs HAGBs附近。图像分析结果表明,RA样本中1和2的内容是0.7%左右,而在样本3和4是1.4%左右。

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图2
EBSD的智商分析样品1 - 4。
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图3
EBSD IPF的分析样品1 - 4。
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图4
EBSD 1 - 4 GB的分析样本。
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图5
EBSD阶段映射分析样品1 - 4。

图6显示了EBSD数据分析。EBSD EDAX-TSL-OIM系统分析给每个颗粒的粒径。清楚地表明颗粒直径分布,每个数微米尺寸范围。图6(一)表明,大多数的直径都小于1μ在四个样品。在1 - 6μ米范围内,四个钢的晶粒直径逐渐减小样本1到4。有很少的晶粒直径的实例展示大于6μ在这些样本。同时,材料的平均颗粒直径大小可以通过统计数据的可识别的谷物。图6 (b)显示了四个样品的平均粒径。因此,EBSD粒径统计清楚显示进步的晶粒细化从样本1到4。EBSD软件还可以提供晶粒取向角和阶段内容。图6 (c)显示了晶界的旋转角度的百分比。没有特定的变化模式的四个样品中找到。图6 (d)礼物的内容RA的四个样品。对样品1和2,内容是接近0.7%,在样本3和4,相同的值大约是1.4%。

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图6
EBSD数据分析(一)直径、平均直径(b), (c) GBs和风湿性关节炎(d)测量。

在图7,TEM分析nanoprecipitated阶段材料,和能量色散x射线谱(EDS)是用于分析元素成分合金析出相的材料。示例1是图7(一个1 - 3),样品4是图7(b1 - 3)。成分测试位置标记图,和成分表的测试结果在地图上(图所示7(一个2、3),7(b2、3))。Nb的浓度、V和Ti钢铁矩阵非常低的位置(图7(一个2))。析出相的组成与~ 50 nm直径测量位置(图7(一个3))。结果表明,粒子在Ti丰富,而少量的Nb和V也丰富。选择两个典型的粒子在图7(b1)。成分测试结果表明,钛粒子的大小~ 20 nm浓缩在Nb和V,而~ 10纳米粒子富集在Nb,稍微丰富Ti和V。


图7
TEM分析示例1 (a1)和示例4 (b1):2,一个3b2,b3)EDS分析各自的显著位置,嵌套表的每个测试的化学成分。

纳米粒子,如抽搐,可以独立成核和生长在马氏体钢18,20.),(24]。然而,由于其高边界能量,更大数量的抽搐不宜对财产的改进。由于Nb和V,这些元素也沉淀在抽搐降水,导致TiC颗粒在这个位置的缓慢增长。与数据的分析结果7(一个3),7(b3),Nb-V-Ti粒子(图的大小7(b3)小于正常TiC颗粒(图7(一个3))。然而,值得注意的是,尽管Nb和V的内容示例1中非常小,他们的网站的降水仍优先TiC颗粒附近。当一定数量的Nb和V补充说,他们可以通过抽搐有核(图7(b2))或独立成核(图7(b3))。

图8显示更紧密的观察一个沉淀在一个图的位置7(b3)。图8(一个)显示了高分辨率透射电镜图像,图8 (b)是衍射条纹的黄色虚线图吗8(一个),图8 (c)傅里叶反变换后的高分辨率图像,图吗8 (d)是原子间距离测量。原子之间的距离是0.23 nm,匹配Nb2C(110)面(39]。然而,分析了碳化物是混合型(钛、Nb、V) C的晶格参数不对应于那些纯粹的物种。

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图8
Nanoprecipitate分析(a)高分辨率透射电镜成像,(b)衍射图样的黄色虚线广场(a), (c)高分辨率图像傅里叶反变换后,和(d)测量原子间的距离。

图9显示了弯曲和浸泡试验设计来验证材料的抗氢脆。样品制备成薄片后,钻井,和弯曲竣工使用水压机的工具。所有样本被削减,同时接地。然后,螺栓固定,所有样本同时沉浸在足够多的0.5 mol / L盐酸将覆盖样品的解决方案。相机是用来记录打破时间的四个样品。发现的断裂时期四个样本2 h, 2.5 h, h, 7和9 h,分别。实验条件都是相同的,因此,可以推测的是差异的原因不是由于先前存在的裂纹试样边缘和腐蚀现象积极的解决方案。它可以表明,添加微量合金化元素Nb和V改进材料的微观结构,RA的内容变化,产生更多的nanoprecipitates,创造了许多氢陷阱。总之,额外的合金化元素Nb和V显著提高了材料的抗氢脆。

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图9
弯曲和浸泡实验图:弯曲(a)和(b)在0.5 mol / L盐酸溶液浸泡试验。(c)的图像测试样品弯曲是固定的和(d)浸泡试验后的测试样本与断裂附近的弯曲的位置。

相信氢可能组装PAGBs附近,沉淀,残留奥氏体。图10的示意图显示了高强度马氏体钢中的氢分布。这些有潜力提供抗氢脆的特性作为氢陷阱和限制的可用性,以便脆化。综合比较以上分析,添加合金元素V和Nb可以扮演一个角色在晶粒细化,Nb的细化效果更明显。同时,添加Nb(有或没有V)显然引起更大数量的RA。的V, Nb-V-Ti-CN粒子的复合小于Nb-Ti-CN粒子的复合,温度和降水是广泛的,这可以有效地防止奥氏体晶粒生长和再结晶过程,并最终提高材料的强度和韧性。因此,额外的合金化元素Nb和V显著提高高强度马氏体钢的氢脆的阻力。


图10
高强度马氏体钢中氢分布示意图。

4所示。总结

在这篇文章中,马氏体钢的不同数量的Nb和V相比,GBs附近的影响和沉淀,保留了奥氏体钢的特点分析了高强度马氏体钢抗氢脆。测试结果表明,添加微量合金化元素的Nb和V改进材料的微观结构。的Nb(有或没有V)显然引起更大数量的RA。大量的细Nb-V-Ti复合nanoprecipitates存在于材料矩阵,这创造了许多良性氢陷阱。总之,添加Nb和/或V可以提高高强度马氏体钢和为未来的应用是一个重要的方向。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者没有从属关系或参与任何组织或实体的任何经济利益主题或材料探讨了手稿。

确认

这项工作得到了车辆噪音和安全技术国家重点实验室(nvhskl - 202104),重庆大学的创新研究小组(CXQT21030),和创造性的研究小组计划在重庆大学(CXQT19031)。