超级贝氏体钢的研发

在钢铁材料向超高强度发展的趋势下，同时保持良好的塑性与韧性是研发工作面临的一大难题。通常随着钢材强度水平的提高，其塑性、韧性会降低，表征材料安全性的强塑积(抗拉强度与延伸率的乘积)很难提高，甚至还会下降。在研发抗拉强度大于1500MPa超高强度钢时，保证有足够高的强塑积（大于30GPa%），是新一代钢铁材料研发工作的目标。

超级贝氏体钢就是在向这个目标的努力中诞生的新型钢种。超级贝氏体钢具有优异的强韧性匹配，抗拉强度为1.77~2.2GPa，甚至可高达2.5GPa，屈服强度高达1.5GPa，延伸率为5%~30%，断裂韧性可达40MPa•m1/2。超级贝氏体钢的耐磨性能远高于淬火+低温回火钢，可以高出20%~50%。超级贝氏体钢具有良好的接触疲劳性能，疲劳极限可达1033~1156MPa，在高的疲劳循环周次下，具有良好的疲劳强度。研究还发现，低碳合金钢经过渗碳处理之后再低温转变，可在表面形成超级贝氏体组织，产生很大的残余压应力(196~216MPa)，耐磨性能和滚动接触疲劳性能均优于传统的渗碳淬火齿轮钢20CrMnTi，接触疲劳寿命可以提高一倍以上。

超级贝氏体钢的合金元素设计，首先是显著推迟珠光体和铁素体转变，同时降低贝氏体和马氏体开始转变温度，而且使两个转变温度之间的温度差扩大，保证进行贝氏体转变而不发生珠光体和马氏体转变，得到以贝氏体为主的组织。在超级贝氏体钢的典型合金成分中，C含量较高（0.78%~0.98%），为的是降低贝氏体转变温度，得到纳米级贝氏体铁素体板条组织；含足够多的Si（1.5%左右）以阻碍渗碳体析出，加Mn、Cr以提高组织淬透性，加Mo以消除回火脆性，加微合金元素V以细化晶粒；另外，加Co和/或Al，以增加奥氏体向贝氏体转变的驱动力，加速贝氏体相变。超级贝氏体钢在125~300℃的低温贝氏体区间长时间等温(1~60天)，获得的显微组织为20~40nm的贝氏体铁素体板条和板条间富C的薄膜状残留奥氏体所组成，残留奥氏体体积含量一般不小于20%。由于超级贝氏体组织中贝氏体铁素体为纳米级，且处于碳过饱和状态，故起着强烈的细晶强化和固溶强化作用；同时，贝氏体铁素体中存在较高的位错密度，故有一定的位错强化作用。超级贝氏体组织具有良好的塑性和韧性，一方面与贝氏体铁素体板条的位错亚结构有关，但最主要的原因是贝氏体铁素体板条之间的薄膜状残留奥氏体，在高的应力作用下会发生马氏体转变效应，可以有效提高材料的塑韧性，其合理的形态分布又增强了对裂纹的吸收效应。

针对超级贝氏体钢热处理时间很长因而阻碍其工业应用的问题，武汉科技大学国际钢铁研究院采用中C、高Si、高Mn的贝氏体钢设计，进行多步低温贝氏体转变，使未转变奥氏体不断减少和细化，同时形成了纳米结构的贝氏体和残留奥氏体，取得了很好的效果。