超級貝氏體鋼的研發(fā)

在鋼鐵材料向超高強度發(fā)展的趨勢下，同時保持良好的塑性與韌性是研發(fā)工作面臨的一大難題。通常隨著鋼材強度水平的提高，其塑性、韌性會降低，表征材料安全性的強塑積(抗拉強度與延伸率的乘積)很難提高，甚至還會下降。在研發(fā)抗拉強度大于1500MPa超高強度鋼時，保證有足夠高的強塑積（大于30GPa%），是新一代鋼鐵材料研發(fā)工作的目標(biāo)。

超級貝氏體鋼就是在向這個目標(biāo)的努力中誕生的新型鋼種。超級貝氏體鋼具有優(yōu)異的強韌性匹配，抗拉強度為1.77~2.2GPa，甚至可高達2.5GPa，屈服強度高達1.5GPa，延伸率為5%~30%，斷裂韌性可達40MPa?m1/2。超級貝氏體鋼的耐磨性能遠高于淬火+低溫回火鋼，可以高出20%~50%。超級貝氏體鋼具有良好的接觸疲勞性能，疲勞極限可達1033~1156MPa，在高的疲勞循環(huán)周次下，具有良好的疲勞強度。研究還發(fā)現(xiàn)，低碳合金鋼經(jīng)過滲碳處理之后再低溫轉(zhuǎn)變，可在表面形成超級貝氏體組織，產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力(196~216MPa)，耐磨性能和滾動接觸疲勞性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的滲碳淬火齒輪鋼20CrMnTi，接觸疲勞壽命可以提高一倍以上。

超級貝氏體鋼的合金元素設(shè)計，首先是顯著推遲珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變，同時降低貝氏體和馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，而且使兩個轉(zhuǎn)變溫度之間的溫度差擴大，保證進行貝氏體轉(zhuǎn)變而不發(fā)生珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變，得到以貝氏體為主的組織。在超級貝氏體鋼的典型合金成分中，C含量較高（0.78%~0.98%），為的是降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，得到納米級貝氏體鐵素體板條組織；含足夠多的Si（1.5%左右）以阻礙滲碳體析出，加Mn、Cr以提高組織淬透性，加Mo以消除回火脆性，加微合金元素V以細化晶粒；另外，加Co和/或Al，以增加奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力，加速貝氏體相變。超級貝氏體鋼在125~300℃的低溫貝氏體區(qū)間長時間等溫(1~60天)，獲得的顯微組織為20~40nm的貝氏體鐵素體板條和板條間富C的薄膜狀殘留奧氏體所組成，殘留奧氏體體積含量一般不小于20%。由于超級貝氏體組織中貝氏體鐵素體為納米級，且處于碳過飽和狀態(tài)，故起著強烈的細晶強化和固溶強化作用；同時，貝氏體鐵素體中存在較高的位錯密度，故有一定的位錯強化作用。超級貝氏體組織具有良好的塑性和韌性，一方面與貝氏體鐵素體板條的位錯亞結(jié)構(gòu)有關(guān)，但最主要的原因是貝氏體鐵素體板條之間的薄膜狀殘留奧氏體，在高的應(yīng)力作用下會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變效應(yīng)，可以有效提高材料的塑韌性，其合理的形態(tài)分布又增強了對裂紋的吸收效應(yīng)。