随着生产技术的发展和政府法规的日益严格,汽车工业对安全、低排放、低成本及燃料经济型的要求日益提高。汽车轻量化是提高燃油效率并降低排放量的有效手段,而高强韧钢是既能保证汽车轻量化,又能保证和提升汽车安全的性价比高的现代汽车制造材料。近年来,非调质钢由于性能优良、降低成本、节能减排和绿色环保的突出优点,已逐步应用于汽车发动机曲轴、连杆和转向节等零部件上,取代相当数量的高强调质钢。传统的铁素体-珠光体型非调质钢的强度上限较低且提升成本较大,已难满足更高强度的需求,而贝氏体钢可在保证韧性的同时具有更高的强度,尤其是近年来无碳贝氏体组织的研究,使得贝氏体钢的强韧性进一步提升成为可能。因此,本文将无碳贝氏体组织与非调质钢的生产方式相结合,设计了五种不同钼、铌含量的无碳贝氏体非调质钢,围绕合金成分与显微组织演变、强韧性匹配提升开展了一系列控制轧制参数优化的研究。本文利用Thermo-Calc软件对实验钢的平衡析出相种类及各组元成分含量随温度变化的关系进行了计算。结果表明,实验钢中的平衡相种类较多,主要有奥氏体、铁素体、Fe3C、Ti(C,N)和(Nb,Ti)C相、以及其他合金元素的硼化物和碳化物相,如B2M、M3B2、M6C和M7C3等。随着钼含量的增加,Fe3C的析出温度区间缩窄,析出受到抑制,其他含钼相的析出情况略受影响。随着铌含量的增加,(Nb,Ti)C的最大析出量显著增加,Ti(C,N)相的最大析出量略有减少。利用JMatPro、MUCG83软件和等温盐浴实验对等温相变规律进行计算及研究的结果表明,当等温温度为350℃～450℃时,实验钢的室温组织以板条状无碳贝氏体为主,当等温温度为500℃时,实验钢的室温组织中出现粗大的粒状贝氏体,当等温温度达550℃时,实验钢为典型的粒状贝氏体组织,板条状无碳贝氏体不可见。同时,随着等温时间的增加和等温温度的降低,贝氏体转变量增加,贝氏体转变的不完全程度降低,且贝氏体铁素体的板条细化,残余奥氏体含量增加。钼、铌含量的增加使在同一等温条件下的贝氏体转变量减少,且随着等温温度的升高,贝氏体转变的不完全程度进一步增加。等温温度为400℃,等温时间为30min时,呈现最优的强韧性匹配,为后续轧后热处理制度的建立提供依据。利用Gleeble热模拟机对实验钢过冷奥氏体动态连续冷却转变规律进行研究的结果表明,合金元素含量和轧后冷速的选择对得到理想含量的薄膜状残余奥氏体有显著影响。为了保证实验钢的强度和韧性,轧后冷却速率应保持在0.3℃/s～1℃/s范围内,尤其是0.5℃/s时,各实验钢组织中板条状无碳贝氏体组织含量较多,同时含有较多的薄膜状残余奥氏体,大角度晶界占比较大,是具有较为理想的强韧性匹配的组织。随着轧后冷速的增加,具有高密度位错的块状贝氏体铁素体和其上分布的M/A岛构成的粒状贝氏体和极少量的块状先共析铁素体组成的组织,逐渐转变成具有高密度位错的相互平行的贝氏体铁素体板条和板条间均匀分布的残余奥氏体薄膜构成的板条状无碳贝氏体和马氏体组成的组织,且位错密度增加,析出相粒子平均粒径减少,残余奥氏体含量减少。同时,钼、铌含量的增加,均不同程度地推迟了高温扩散型转变,促进了贝氏体转变,提高了显微硬度,但导致残余奥氏体含量有不同程度的减少。显微组织亚结构的细晶强化、固溶强化、位错强化和第二相粒子的沉淀强化使得实验钢硬度提高。利用Gleeble热模拟机对实验钢在不同终轧条件下进行双道次热模拟实验,结果表明,随着终轧变形量的增加和终轧温度的降低,实验钢显微组织中板条状无碳贝氏体和马氏体的占比增加,贝氏体铁素体板条明显细化,位错密度显著提高,析出相粒子明显细化,大角度晶界占比增加,有利于得到强韧性的良好匹配。细晶强化、位错强化、析出强化以及在轧制过程中钢中残余奥氏体向马氏体的转变的协同作用使抗拉强度由1235MPa增加到1490MPa。综合来看,在轧后冷速控制在0.5℃/s左右,终轧温度为850℃、终轧变形量为30%时,能够得到预期的板条状无碳贝氏体较多的、薄膜状残余奥氏体含量较佳的、析出相粒子较为细小的具有良好强韧性匹配的贝氏体钢。中试条件下,不同终轧条件下各钼、铌含量实验钢的力学性能均能达到甚至优于国标中对非调质钢的性能要求。随着终轧温度的降低、终轧变形量的提高和钼、铌含量的增加,实验钢的强度和韧性均有所提高,通过合理的成分设计和控轧控冷工艺得到轧后高强高韧的无碳贝氏体非调质钢是可行的。当钼含量为0.51wt%、铌含量为0.032wt%时,仅通过当前控轧控冷工艺便可达到较佳的强韧性匹配,其抗拉强度高达1328MPa,屈服强度达873MPa,夏比冲击功(V型缺口)为42J。对于强韧性匹配不佳的实验钢,通过轧后400℃回火30min,可在保证强度的基础上显著提高韧性,这在较少地增加生产工序的条件下拓宽了本合金体系中添加元素的含量范围,有利于实际生产应用。