700L高强钢作为经济建设所必不可少的重要基础材料,广泛应用于汽车、桥梁、能源、工程机械等领域。残余应力是制约高强钢应用的重要基础问题,严重影响产品的板形、强度以及抗应力腐蚀的能力。在工业生产中广泛采用回火热处理法来调节高强钢内部的残余应力。即便如此,目前,人们对高强度钢回火过程中残余应力的演变规律和调节机制尚不明确,实际应用中仍存在以下三个问题:1)现有残余应力测试方法主要集中于表面应力测试,对热处理过程残余应力演变规律的分析集中于表面应力,对材料整体残余应力的演变规律缺乏认识;2)现有残余应力演变机制分析主要从材料的力学性能出发,认为低温阶段残余应力松弛的主要原因是由于材料的屈服强度以及弹性模量降低;高温阶段导致残余应力松弛的主要原因是材料产生高温蠕变,对于残余应力演变的微观机理并不明确;3)尚未建立起材料组织结构转变与残余应力演变间的对应关系。本文以700L低碳微合金高强钢为研究对象,围绕回火过程中残余应力演变规律及其调控机制这一关键、共性问题,采用等温回火实验、非等温双回火实验、裂纹柔度法(CCM)残余应力测试以及SEM、TEM、XRD组织分析等实验方法,从回火前后残余应力的测试、回火过程中微观组织的演变、以及组织转变对残余应力演变的影响等方面展开系统地研究。主要结论如下:(1)700L回火过程包括五个阶段:渗碳体I析出(50-200℃);残余奥氏体的分解(300-350℃);渗碳体II析出(250-350℃);合金碳化物析出(500-600℃);Mn分配(580-650℃),其中碳化物析出是700L回火过程中的主要反应。(2)700L在回火过程中存在两个明显的残余应力调整阶段,这与微观结构的转变有关。第一阶段为渗碳体II析出阶段(250-350℃),残余应力的绝对值从702MPa降低到256MPa,但弹性应变能基本保持不变;第二阶段为合金碳化物析出阶段(450-650℃),残余应力的绝对值由256MPa降至235MPa,弹性应变能从1695MPa·mm减少到441MPa·mm,减少了73.98%。(3)碳化物析出诱导位错密度增加。在回火过程中,位错密度并非随着回火温度的升高而持续减小,而是与回火过程中碳化物的析出有着紧密的联系。在低碳微合金钢700L合金碳化物析出阶段,组织中的位错密度由7.44x1013m-2迅速升高至3.69x1014m-2,出现碳化物析出诱导位错密度增殖现象。(4)低温回火阶段残余应力的调控机制为析出诱导塑性机制。回火过程中析出塑性产生的驱动力为材料内的初始残余应力,因此,析出塑性应变的方向与初始残余应力的方向一致。析出塑性的作用效果是将材料中由于残余应力作用所产生的弹性应变转换为析出塑性应变,从而降低了材料内的残余应力水平。由于回火过程中材料芯部温度滞后于表层温度,所以析出塑性对材料表层残余应力的调控效果更为显著。(5)高温回火阶段残余应力的调控机制为析出诱导蠕变机制。合金碳化物析出阶段,溶质原子与空位分离,大量空位聚集成空位盘,空位盘坍塌后形成位错环,导致位错增值,诱发蠕变应变,进而诱导组织内的残余应力松弛。(6)回火残余应力调控的同时,材料的力学性能得到进一步改善。在100-300℃、450-600℃回火阶段,材料的屈服强度、抗拉强度以及延伸率得到进一步改善。与回火前相比,300℃回火后高强钢屈服强度从584MPa上升至707MPa、抗拉强度从700MPa上升至792MPa、延伸率20.5%上升至22.68%;600℃回火后屈服强度从584MPa上升至719MPa、抗拉强度从700MPa上升至786MPa、延伸率20.5%上升至23.95%。本文通过裂纹柔度法残余应力测试得到了低碳微合金钢回火过程前后残余应力的演变规律,为工业生产提供了试验数据。在此基础上,将应力演变与组织转变相关联,通过组织分析,揭示了基于碳化物析出的回火过程中高强钢残余应力演变的驱动机制,为热处理过程中残余应力研究提供了理论依据。