Q-P鋼處理工藝及合金元素的影響

1、熱處理工藝對Q-P鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響王兆華摘要：傳統(tǒng)淬火-回火工藝不能滿足高強度鋼對韌性的要求，Speer提出的淬火-分配(Q-P)工藝，使得在淬火鋼內(nèi)穩(wěn)定存在一定量的殘余奧氏體，實現(xiàn)了鋼強度和韌性的優(yōu)異配合。本文對Q-P鋼的形成機(jī)制作了介紹，總結(jié)了國內(nèi)學(xué)者對Q-P鋼組織和力學(xué)性能的研究，提出Q-P鋼目前發(fā)展所遇到的問題。關(guān)鍵詞：Q-P鋼；熱處理；顯微組織；力學(xué)性能近年來，汽車工業(yè)的快速發(fā)展對汽車用鋼板提出了更高的性能要求，各種先進(jìn)高強度鋼(ASHH)、如雙相鋼(DP)、應(yīng)變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)得到了迅速發(fā)展1。在生產(chǎn)高強度鋼的熱處理工藝中，淬火-回火工藝得到廣泛應(yīng)用，但是傳統(tǒng)熱處理

2、工藝因馬氏體和殘余奧氏體在回火過程中發(fā)生分解而未能充分利用到其組織的優(yōu)越性能2-3。研究表明：合金鋼在淬火過程中發(fā)生馬氏體相變的同時碳原子會擴(kuò)散到奧氏體中使其富碳，從而降低馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度并使奧氏體穩(wěn)定。經(jīng) Q- P處理后，鋼的強韌性比TRIP鋼 、雙相鋼 (DP)和一般淬火后的馬氏體型鋼優(yōu)越4。1 Q-P鋼的顯微組織和形成機(jī)制1.1 Q-P鋼的顯微組織典型的Q-P鋼的顯微組織為馬氏體+殘余奧氏體。馬氏體形貌隨含碳量的不同，呈現(xiàn)出低碳馬氏體和中碳馬氏體的特征；殘余奧氏體以兩種形態(tài)分布在不同的位置，一種是以薄膜狀分布在馬氏體板條之間，另一種是以塊狀分布在原奧氏體晶界上2,5。殘余奧氏體的量隨著

3、Q-P處理中的保溫溫度和時間而改變：保溫溫度較低時，馬氏體中會析出滲碳體，使奧氏體的量減少；在較高溫度下，奧氏體會發(fā)生分解，形成無碳化物貝氏體。出現(xiàn)第一個峰后，隨分配時間的延長，由于析出滲碳體或奧氏體分解，奧氏體量減少后，經(jīng)奧氏體富碳，奧氏體量又出現(xiàn)第二個峰值，隨后又減小直至零值4,6。圖1 分配時間和分配溫度對殘余奧氏體量的影響1.2 Q-P鋼的形成機(jī)制基于碳原子在較低溫度下可在奧氏體和馬氏體重新分配的原理，Speer提出了淬火-分配(Quenching&Partitioning )處理工藝。首先將鋼板加熱到高于A3點的某一溫度TA，并保溫一段時間；然后快冷至Ms和Mf之間的某一溫度

4、TQ并短時間保溫，使其產(chǎn)生一定量的馬氏體；再繼續(xù)冷卻(一步處理)或加熱至Tp并保溫(兩步處理)，最后快冷至室溫3-4,7。在分配處理過程中，馬氏體作為碳的過飽和固溶體，勢必會降低含碳量以趨于穩(wěn)定。馬氏體降低含碳量的方式有兩種：形成碳化物析出或以碳原子的形式擴(kuò)散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中。若鋼中含有抑制碳化物形成元素如Si和Al，則馬氏體只能通過碳原子向周圍奧氏體中的擴(kuò)散即“分配”來降低自身碳含量。奧氏體中含碳量增加，導(dǎo)致奧氏體的熱穩(wěn)定化，在冷卻過程中不發(fā)生轉(zhuǎn)變而穩(wěn)定至室溫。圖2 Q-P處理工藝過程2 熱處理工藝對Q-P鋼性能的影響國內(nèi)Q-P鋼熱處理工藝的研究還處于起步階段，目前仍停留在實驗室階段，未能

5、實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)研究單位主要有上海交大材料科學(xué)工程學(xué)院、北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心、鋼鐵研究總院等，主要研究方向是淬火溫度、分配溫度和分配時間。2.1淬火溫度的影響對淬火溫度的研究中，董辰等人8認(rèn)為淬火溫度較高或較低都不利于Q-P鋼的性能。淬火溫度低時，殘留奧氏體含量較低，低碳鋼塑性不好；淬火溫度較高時，馬氏體含量較低，奧氏體含量較高，但由于奧氏體中含碳量較低，在室溫下不穩(wěn)定。任康康9對Fe-0.29C-1.5Mn-1.45Al鋼淬火溫度研究表明：隨著淬火溫度提高，Q-P鋼力學(xué)性能呈抗拉強度降低、伸長率提高的趨勢，拉伸斷口具有明顯的韌性特征，這主要因為隨淬火溫度升高，殘余奧氏體含

6、量上升。楊海峰10研究了C-Si-Mn系Q-P鋼淬火溫度對強度的影響發(fā)現(xiàn)：該鋼種抗拉強度對淬火溫度不敏感，而屈服強度隨淬火溫度的降低而升高。這是因為隨淬火溫度的降低，淬火過程中生成的馬氏體含量越高，且低溫下生成的馬氏體組織更細(xì)密、位錯密度更大、強度更高，從而使Q-P鋼的屈服強度提高；而抗拉強度不但受淬火后初始馬氏體組織的影響，還受到殘余奧氏體加工硬化的影響。2.2分配溫度和分配時間的影響對分配溫度和分配時間的問題上，王建軍等人11在研究了C-Si-Mn鋼時發(fā)現(xiàn)存在最佳分配溫度(350)和分配時間(300s)：在低于最佳分配時間時，強塑積隨分配時間的增加而增加，達(dá)到300s之后強塑積隨著時間增加

7、而下降；在達(dá)到最佳分配溫度之前，強塑積隨分配溫度的提高而提高。董辰12-13對Fe-0.17C-1.40Si-1.48Mn-0.25Al鋼的研究表明：隨著分配溫度的升高，Q-P鋼的抗拉強度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，伸長率一開始是逐漸升高，在達(dá)到一定溫度后呈下降趨勢（如圖3所示），這是因為隨分配溫度的升高，碳原子擴(kuò)散速度增大，殘余奧氏體中碳含量高于低溫分配，而高于某一溫度后，奧氏體中的碳化物會生成碳化物，使奧氏體中含碳量減少；隨著分配時間的延長，抗拉強度逐漸下降，而伸長率逐漸上升，主要是由于隨分配時間的延長，碳原子會從馬氏體中擴(kuò)散至殘余奧氏體中，殘余奧氏體更易于保留下來，從而其韌性增強。蒯鵬14在研究

8、不同分配時間對Fe-0.26C-1.40Si-1.70Mn鋼時也發(fā)現(xiàn)：抗拉強度隨分配時間的延長逐漸下降，伸長率隨分配時間的延長逐漸上升，但是不同于文獻(xiàn)12，其認(rèn)為是試驗鋼淬火后的內(nèi)應(yīng)力逐漸消除，碳原子從馬氏體中擴(kuò)散出來，部分馬氏體發(fā)生了分解，并且板條馬氏體的板條內(nèi)和板條界上的位錯通過合并和重新排列，使位錯密度顯著降低所致。朱帥15在研究Fe-0.29C-1.47Si-1.49Mn-0.26Al Q-P鋼的屈服強度時發(fā)現(xiàn)：該鋼種的屈服強度隨分配溫度的提高而呈上升趨勢，這是因為經(jīng)過一段時間的分配（5min）,碳元素已經(jīng)在殘余奧氏體內(nèi)均勻分布，并且在奧氏體中出現(xiàn)了少量貝氏體組織，貝氏體產(chǎn)生可以同時提

9、高屈服強度和抗拉強度。圖3 分配溫度和分配時間對伸長率和抗拉強度的影響最近，王存宇等16-17以CrNi3Si2MoV 鋼為研究對象，在熱變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行Q-P處理，研究結(jié)果表明：(1)與傳統(tǒng)兩步Q-P工藝相比，熱變形（30%變形量）+Q-P工藝復(fù)合作用下，試樣顯微組織細(xì)化，包括細(xì)化的馬氏體板條和薄膜狀的殘余奧氏體，組織細(xì)化隨著變形溫度的降低而更明顯，并且馬氏體板條顯示出典型的彎曲形貌特征。(2)熱變形溫度升高促使馬氏體相變開始溫度Ms升高，一定的塑性應(yīng)變將提高晶內(nèi)奧氏體的穩(wěn)定性，促進(jìn)殘余奧氏體量增加而是馬氏體含量降低?？梢?，與傳統(tǒng)Q-P工藝相比，熱變形+Q-P工藝處理的試樣不但強度有所提高，

10、而且延生率也明顯增加。變形產(chǎn)生的大量位錯在淬火過程中被馬氏體繼承，以及變形導(dǎo)致的組織細(xì)化是導(dǎo)致強度提高的重要原因。徐祖耀18在Q-P工藝的基礎(chǔ)上提出淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝。即在含一定Si量的鋼中有意識地加入少量復(fù)雜碳化物形成元素(Ni、Mo)，使經(jīng)碳分配處理外，再在一定溫度下保溫析出共格、彌散的復(fù)雜碳化物，呈現(xiàn)沉淀硬化。進(jìn)一步提高了鋼的強度，同時保證了鋼的韌性。圖4所示為Q-P-T工藝示意圖。圖4 Q-P-T工藝示意圖3 Q-P工藝仍待解決的問題鋼經(jīng)過Q-P熱處理后一定量的殘余奧氏體，部分緩解了高強度鋼的低韌性問題。但是Q-P鋼的生產(chǎn)和發(fā)展還存在以下問題： 1)Q-P鋼目前僅處在

11、實驗室研究階段，尚無法實驗商業(yè)生產(chǎn)，主要是因為高強鋼的加工和熱處理設(shè)備、工藝和運行的問題尚未解決。 2)國內(nèi)多數(shù)鋼廠技術(shù)水平和設(shè)備仍無法滿足高強鋼對成分純潔、均質(zhì)的要求。 3) 鋼的成分有一定的局限性，合金元素單一。對Q-P工藝的研究多數(shù)局限于改善TRIP鋼或者硅含量較高的中碳鋼的性能。鋼中的合金元素主要為Si、Al。關(guān)于合金元素對碳化物尤其是過度碳化物析出的影響機(jī)理還不清楚。4 總結(jié)Speer提出“淬火-碳分配(Q-P)”工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼熱處理的“淬火-回火(Q-T)”工藝，使得熱處理后鋼內(nèi)保留了一定量的殘留奧氏體，在不損失高強鋼強度的同時，增加了鋼的韌性。Q-P工藝無疑對解決國內(nèi)高強鋼發(fā)展困

12、境提供了可循之路。而目前國內(nèi)外對于Q-P工藝的研究仍處于起步階段，此時加大開發(fā)力度，實現(xiàn)Q-P鋼的商業(yè)化生產(chǎn)，定能成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的突破口。參考文獻(xiàn)1江海濤,唐荻,米振莉. 汽車用先進(jìn)高強度鋼的開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展J. 鋼鐵研究學(xué)報,2007,08:1-6.2趙才,江海濤,唐荻,趙松山,李輝. Q&P鋼的顯微組織及力學(xué)性能J. 機(jī)械工程材料,2009,07:91-94.3李陽,呂宇鵬,李士同,陳鷺濱,胡曉霞,王沖. 鋼的淬火-分配(Q-P)處理研究現(xiàn)狀與進(jìn)展J. 金屬熱處理,2010,04:65-68.4徐祖耀. 鋼熱處理的新工藝J. 熱處理,2007,01:1-11.5D. K. Ma

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