【摘要】：設計具有多相(Multi-phase)組織、亞穩(Meta-stable)奧氏體和多尺度(Multi-scale)納米析出的“M3”組織對發展高性能工程用鋼具有重要意義。本文從合金成分設計和工藝調整入手,對含Al低碳低錳鋼中包含納米富銅析出相和殘余奧氏體的多相組織進行調控,通過銅析出和殘余奧氏體的協同作用提高低碳低錳鋼的強度和塑性。為了獲得大量彌散分布的納米BCCCu析出以達到最佳析出強化效果,本文研究Al元素對低碳低合金鋼中Cu析出行為的影響,研究發現500℃回火1小時后,添加1wt%Al使Cu析出的數量密度從6.20.71023m-3提高到13.90.91023m-3,而晶界和位錯上Cu析出的平均半徑從2.40.5nm減小到1.90.5nm;回火2小時后,Al在Cu析出中明顯富集。為了排除多元合金成分和Al的交互作用對Cu析出的影響,進一步探討了加Al對Fe-Cu和Fe-Cu-Mn合金中Cu析出早期階段的影響,在550℃回火5分鐘后,1wt%Al的添加使Fe-Cu和Fe-Cu-Mn合金中Cu析出的數量密度分別提高了7倍和2倍,平均半徑分別減小了57%和42%。結果表明Al可以大幅提高Cu析出的數量密度,減小析出尺寸,而Mn的存在會減弱這種效應。耦合銅析出的強化效果和殘余奧氏體的相變誘導塑性效應獲得高強高塑鋼的關鍵是在析出納米富Cu相時保留足夠多且穩定的殘余奧氏體。本文對含Al-Cu低碳低錳鋼進行了淬火配分-回火(QP-T)處理,QP-T鋼獲得了數量密度為1.221024m-3的富Cu相納米析出和20vol.%的富碳殘余奧氏體。與QP鋼相比,QP-T鋼的抗拉強度和屈服強度分別升高了130MPa和297MPa,總延伸率和均勻延伸率分別提升了3%和4%。回火后,強度和塑性同時提高的原因是,QP樣品由殘余奧氏體、富碳的新生馬氏體和回火馬氏體組成,在回火過程中,新生馬氏體和殘余奧氏體之間發生碳配分,使奧氏體穩定性提高,導致塑性升高,同時納米銅析出大幅提高強度。為了簡化QP-T工藝流程,并獲得C-Mn雙穩定的殘余奧氏體,本文對含Al-Cu低碳低錳鋼進行了臨界-回火熱處理,對比了經過熱軋和冷軋的初始組織對臨界-回火工藝中組織演變和力學性能的影響。結果表明,在臨界退火過程中,熱軋樣品中形成了板條狀的逆轉奧氏體并幾乎全部保留至室溫,而冷軋樣品中形成了尺寸較大的球狀逆轉奧氏體,穩定性較低,在臨界退火后冷卻過程中形成較多的富碳新生馬氏體。在隨后的回火過程中,熱軋樣品中的板條狀殘余奧氏體大量分解,而冷軋樣品中的富碳新生馬氏體和殘余奧氏體之間發生了碳配分,使殘余奧氏體更加穩定,塑性明顯升高。同時,回火過程中產生的銅析出使屈服強度提高了150-200MPa。