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本文依托国家自然科学基金重点项目“超快冷条件下低碳微合金钢中纳米碳化物析出控制及综合强化机理”,通过一种微合金钢中厚板的热轧和热模拟实验重点研究了中厚板在厚度方向不同位置处的力学性能和微观组织结构。在此基础上,又通过单一变量的对照实验探究了冷却工艺和成分含量对微观组织及力学性能的影响,进而探讨了超快冷工艺下的低碳微合金钢中厚板的强韧化机理,为中厚板的成分设计和实际轧制中的冷却工艺制定提供了理论依据。经过热轧以及热模拟实验可知,低碳微合金钢中厚板经超快冷后,厚度方向不同位置处水冷阶段冷速不同,心部最慢而表面最快,除心部位置外均存在返温现象,越靠近表面返温时间越长且返温幅度越大。通常心部得到块状的多边形铁素体以及大的块状珠光体组织,视冷却工艺可能出现一定比例的粒状贝氏体。由心部到表面珠光体很快消失,多边形铁素体逐渐变为针状或粒状铁素体甚至完全消失,粒状贝氏体体积分数迅速上升,多在距表面1/4h处开始大量出现。表面处贝氏体体积分数最大,视冷却工艺可能出现板条状贝氏体甚至马氏体。贝氏体质硬而脆,铁素体与珠光体质软而韧,因此越靠近表面相变强化效果越强。同时越靠近表面晶粒尺寸越小,且析出物体积分数越小但析出物尺寸显著细化。析出物尺寸对析出强化的贡献最大,因此越靠近表面细晶强化和析出强化效果也越强。在多种强化机制的综合作用下,中厚板从心部至表面强度逐渐增大,屈服强度可从500MPa级别上升至650MPa级别。中厚板不同厚度位置的韧性由晶粒尺寸和各组织体积分数等因素共同决定,随冷却工艺的不同变化范围较大,0℃冲击功可在30J级别到140J级别间变化。终冷温度较高时,冷却速度过大将导致返温时间过长且返温幅度很大,使晶粒长大从而使冲击韧性大幅下降,1/4h处-40℃冲击功从138J降至80J;当终冷温度适中或较低时,冷却速度过大将导致多边形铁素体体积分数下降从而影响钢材的冲击韧性,1/4h处-40℃冲击功分别从149J降至130J、111J降至17J。因此为了获得更优异的综合力学性能,中厚板在轧后控制冷却阶段冷速不宜过大。冷却速度较为合适时,返红温度过高将导致晶粒尺寸很大,从而导致中厚板力学性能下降,1/4h处屈服强度仅535MPa,-40℃冲击功138J;返红温度过低会使各厚度处组织几乎全为粒状或板条状贝氏体,使中厚板冲击韧性大幅下降,1/4h处-40℃冲击功仅为111J。因此,为了获得好的冲击韧性,应尽可能提高返红温度,但应保持在一定范围内,可使1/4h处屈服强度达到550MPa级别,同时-40℃冲击功达到149J;如果想获得高的强度,应尽可能降低返红温度,但不应低于极限值,可使1/4h处屈服强度达到600Mpa级别,抗拉强度达到750MPa级别。微合金元素通过包含细晶强化、析出强化和相变强化等的综合强化机制使中厚板的强度提升,1/4h处屈服强度可由459MPa提升至629MPa,但大量析出物和铁素体体积分数下降会造成钢材塑韧性下降,1/4h处-40℃冲击功由144J降低至80J;降低含碳量可以提升钢材的塑韧性,但会降低强度;而镍在提高钢强度的同时,对钢塑韧性的损害较小,合理利用可以同时提高钢材的各项力学性能。