兩相區(qū)保溫及Q&P工藝對(duì)改善鋼組織性能的分析

陳輝，景財(cái)年，涂英明，張勇

(山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

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兩相區(qū)保溫及Q&P工藝對(duì)改善鋼組織性能的分析

陳輝，景財(cái)年*，涂英明，張勇

(山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

在普通的熱連軋?jiān)O(shè)備中，簡(jiǎn)化后的淬火—配分(Quenching & Partitioning-Q&P)工藝的應(yīng)用可以獲得性能更加優(yōu)異的高強(qiáng)度鋼，提高傳統(tǒng)Q&P工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的可操作性以及改善熱成形鋼的力學(xué)性能。文章基于鹽浴爐模擬了一步法Q&P工藝，研究了兩相區(qū)保溫，不同配分溫度及配分時(shí)間對(duì)0.24C-0.38Si-1.27Mn熱成形鋼組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)溫度為770 ℃保溫時(shí)間為120 s，并在300和340 ℃分別配分10～60 s后，顯微組織主要為鐵素體、板條馬氏體及殘余奧氏體，且該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時(shí)間為300 ℃和60 s；而經(jīng)300和340 ℃配分60 s后，斷后伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積均得到了大幅度的提升；強(qiáng)塑積與斷后伸長(zhǎng)率之間的變化規(guī)律高度相似，斷后伸長(zhǎng)率對(duì)于強(qiáng)塑積的影響比抗拉強(qiáng)度的影響要大，通過(guò)提高斷后伸長(zhǎng)率來(lái)提高鋼的強(qiáng)塑積更加有效。

兩相區(qū)保溫；Q&P工藝；顯微組織；力學(xué)性能

0　引言

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)中的應(yīng)用能夠大幅度提高汽車(chē)的輕量化，從而有效緩解能源、環(huán)境等危機(jī)[1-2]。其中，由淬火—配分Q&P(quenching and partitioning)工藝生產(chǎn)的Q&P鋼因兼具高強(qiáng)度和高塑性的特點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[3-5]； 該工藝由Speer于2003年提出，能夠生產(chǎn)一種以馬氏體+殘余奧氏體為基本組織，并具有相變誘導(dǎo)塑性TRIP(Transformation Induced Plasticity)效應(yīng)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(即Q&P鋼)[6]；TRIP效應(yīng)能夠顯著地吸收汽車(chē)受到碰撞時(shí)的沖擊能，從而提升汽車(chē)的安全等級(jí)[7]。由于馬氏體的強(qiáng)度很高，可在不降低甚至提高汽車(chē)安全性能的情況下，通過(guò)適當(dāng)減薄汽車(chē)部件的厚度而達(dá)到輕量化的目的；因此，Q&P工藝已經(jīng)成了典型的下一代汽車(chē)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝，其在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[8-9]。

傳統(tǒng)的 Q&P工藝是將鋼板在奧氏體區(qū)進(jìn)行全奧氏體化后進(jìn)行兩步法淬火—配分[10]，其在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)設(shè)備具有嚴(yán)苛的要求，而當(dāng)前企業(yè)的普通熱連軋?jiān)O(shè)備很難滿(mǎn)足傳統(tǒng)Q&P工藝所需的條件，為了簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的Q&P工藝，文章采用一步法Q&P工藝研究了配分溫度和配分時(shí)間對(duì)熱成形鋼組織和性能的影響，以期將Q&P工藝應(yīng)用于普通的熱連軋?jiān)O(shè)備；另外，文章采用了兩相區(qū)加熱保溫后再進(jìn)行淬火配分處理的方法，與傳統(tǒng)的Q&P工藝相比，加熱到兩相區(qū)后進(jìn)行保溫，一方面能夠降低能量的消耗，另一方面，兩相區(qū)保溫能夠得到部分鐵素體組織，其有助于獲得性能更加優(yōu)異的Q&P鋼以滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)工業(yè)對(duì)高性能鋼板的需求。

1　試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的熱成形鋼(0.24C-0.38Si-1.27Mn)的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用鹽浴爐模擬的Q&P工藝如圖1所示，試驗(yàn)鋼的Ac3(組織全部轉(zhuǎn)化為奧氏體的溫度)約為830 ℃，Ms(馬氏體相變開(kāi)始的溫度)約為390 ℃，具體試驗(yàn)步驟為：先將試樣在電阻爐中加熱到770 ℃的兩相區(qū)進(jìn)行保溫，然后將1～4#試樣在300 ℃的鹽浴爐中分別配分10、20、30和60 s，將5～8#試樣在340℃的鹽浴爐中分別配分10、20、30、60 s。

將經(jīng)過(guò)Q&P工藝處理后的鋼板切割后制成金相試樣，然后經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，并在Nikon 3000光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。拉伸試樣按照ASEME8標(biāo)準(zhǔn)制備，并在WDW-100E拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用D8 Advanced型X射線衍射儀(XRD)測(cè)試試樣中殘余奧氏體的含量。

表1　試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分

圖1　Q&P工藝路線圖

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1組織和物相分析

圖2 為不同配分溫度和時(shí)間下的顯微組織。從圖2中可以看出，經(jīng)兩相區(qū)保溫及Q&P工藝處理后，試驗(yàn)鋼的組織主要由鐵素體、馬氏體以及殘余奧氏體組成，鐵素體主要以粒狀的形式存在，且分布較為均勻，馬氏體主要分布在鐵素體周?chē)?，以板條束的形態(tài)存在，由于試驗(yàn)鋼是在兩相區(qū)加熱并保溫，所以得到的馬氏體含量較低。

比較圖2中(a)、(c)和 (b)、(d)可以看出，隨著配分溫度的升高，滲碳體的析出量逐漸增多，因?yàn)闈B碳體的析出與碳原子的擴(kuò)散有關(guān)，而碳原子的擴(kuò)散速率隨著配分溫度的上升以指數(shù)方式增加，因此配分溫度的上升以及較低的Si含量，導(dǎo)致滲碳體的含量隨配分溫度的上升而增大。另外,比較圖2中(a)、(b)和(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，隨著配分時(shí)間的增大，組織晶粒逐漸增大，鐵素體和馬氏體相界面處的殘余奧氏體逐漸減少，其主要原因是當(dāng)試驗(yàn)采用的熱成形鋼中抑制和延遲滲碳體析出的Si含量較低，僅為0.38%，導(dǎo)致滲碳體隨配分時(shí)間的增加而大量析出，消耗了用來(lái)穩(wěn)定奧氏體的碳元素，降低了奧氏體的穩(wěn)定性，當(dāng)淬火至室溫時(shí)，部分奧氏體再次轉(zhuǎn)換為二次馬氏體，導(dǎo)致殘余奧氏體含量降低[11-12]。

圖2　不同配分溫度和時(shí)間下的顯微組織圖(a)300 ℃配分10 s ；(b)300 ℃配分60 s；(c)340 ℃配分10 s；(d)340 ℃配分60 s

2.2抗拉強(qiáng)度分析

不同配分溫度和時(shí)間下抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)配分溫度為300 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度隨配分時(shí)間的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)配分時(shí)間為10 s時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，為506.9 MPa，其原因與馬氏體中的碳含量隨配分時(shí)間的增加而降低有關(guān)，Q&P工藝的碳配分是一個(gè)過(guò)飽和馬氏體中的碳原子逐漸脫溶，并擴(kuò)散到奧氏體中的過(guò)程，因此，隨著配分時(shí)間的增加，馬氏體中的碳含量就會(huì)逐漸降低，馬氏體發(fā)生脫碳軟化的現(xiàn)象，從而使抗拉強(qiáng)度降低[13-14]。

當(dāng)配分溫度為340 ℃時(shí)，隨著配分時(shí)間的增加，抗拉強(qiáng)度先上升后下降，在配分時(shí)間為20 s時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到503.11 MPa，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出這種變化規(guī)律主要有以下兩個(gè)方面的原因：(1)每個(gè)碳配分溫度都對(duì)應(yīng)著最佳的配分時(shí)間，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)對(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，因?yàn)樵诖慊饻囟纫欢ǖ那闆r下，最佳的配分時(shí)間能夠得到最大含量的殘余奧氏體，殘余奧氏體會(huì)在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生TRIP效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)馬氏體，誘導(dǎo)馬氏體是由碳含量很高的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)，其強(qiáng)度很高，能在一定程度上提高鋼的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)在340 ℃配分20 s時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，說(shuō)明該配分溫度下的最佳配分時(shí)間為20 s，從而得到了更多的誘導(dǎo)馬氏體，提高了抗拉強(qiáng)度[15]；(2)隨著配分時(shí)間的增加，馬氏體中會(huì)析出碳化物，盡管在試驗(yàn)采用的熱成形鋼中含有抑制碳化物析出的Si元素，但由于其含量較低，僅為0.38%，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間有效地抑制碳化物的析出，導(dǎo)致馬氏體的碳含量降低，從而馬氏體的強(qiáng)度降低[16-17]。因此，當(dāng)配分時(shí)間低于20 s時(shí)，抗拉強(qiáng)度的上升說(shuō)明馬氏體因碳含量降低而導(dǎo)致的抗拉強(qiáng)度的減小值小于因誘導(dǎo)馬氏體導(dǎo)致的抗拉強(qiáng)度的增大值，即誘導(dǎo)馬氏體導(dǎo)致的抗拉強(qiáng)度的增大起主導(dǎo)作用，當(dāng)配分時(shí)間大于20 s時(shí)，則恰好相反，即馬氏體因碳含量降低而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的減小其主導(dǎo)作用，從而使試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸減小。

圖3　不同配分溫度和時(shí)間下的抗拉強(qiáng)度圖

2.3斷后伸長(zhǎng)率分析

圖4為不同配分溫度和時(shí)間下斷后伸長(zhǎng)率的變化曲線。從圖4中可以看出，當(dāng)配分時(shí)間為300 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率隨配分時(shí)間的增加逐漸增大，當(dāng)配分時(shí)間為60 s時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率得到最大值37.95%，呈現(xiàn)出這種變化規(guī)律的原因主要與配分過(guò)程中馬氏體中碳含量不斷降低，使馬氏體被回火以及殘余奧氏體含量的變化有關(guān)，(1) 隨著配分時(shí)間的增加，馬氏體中碳含量會(huì)逐漸擴(kuò)散到殘余奧氏體中，但鑒于試驗(yàn)的熱成形鋼中Si含量較低，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間有效地抑制和延遲滲碳體的析出，因此，隨著配分時(shí)間的增加，碳更多地會(huì)以滲碳體的形式析出，從而導(dǎo)致馬氏體中碳含量降低，斷后伸長(zhǎng)率增加[18]；(2) 盡管殘余奧氏體含量會(huì)因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的配分時(shí)間而分解，導(dǎo)致斷后伸長(zhǎng)率降低[19]。但由于XRD的分析結(jié)果表明文中試驗(yàn)鋼中殘余奧氏體含量最大為5%，因此，部分殘余奧氏體分解帶來(lái)的斷后伸長(zhǎng)率的降低值要遠(yuǎn)低于馬氏體被回火軟化而導(dǎo)致的斷后伸長(zhǎng)率的升高值，最終使300 ℃配分時(shí)試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率曲線呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢(shì)。

當(dāng)配分溫度為340 ℃時(shí)，從圖4中可以看出，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率先上升后下降，在配分時(shí)間為30 s時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率得到最大值36.2%，呈現(xiàn)出這種變化規(guī)律的原因不僅與配分過(guò)程中馬氏體中碳含量不斷降低使馬氏體被回火以及殘余奧氏體含量的變化有關(guān)，還與過(guò)高的配分溫度及過(guò)長(zhǎng)的配分時(shí)間導(dǎo)致滲碳體大量析出并聚集長(zhǎng)大有關(guān)，雖然馬氏體的回火軟化能夠提高斷后伸長(zhǎng)率，但由于滲碳體是一種脆性相，其聚集長(zhǎng)大會(huì)顯著惡化試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能；因此，當(dāng)配分時(shí)間大于30 s時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)。

圖4　不同配分溫度和時(shí)間下的斷后伸長(zhǎng)率圖

2.4強(qiáng)塑積分析

強(qiáng)塑積即抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率的乘積，它是一個(gè)衡量材料成形性能和綜合力學(xué)性能的指標(biāo)，試驗(yàn)中不同配分溫度及時(shí)間下的強(qiáng)塑積變化曲線如圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，強(qiáng)塑積的變化與斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律相似，當(dāng)配分溫度為300 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積隨配分時(shí)間的增加呈增大趨勢(shì)，當(dāng)配分溫度為340 ℃時(shí)，強(qiáng)塑積隨配分時(shí)間的增加先增大后減??；強(qiáng)塑積的變化主要由抗拉強(qiáng)度和力學(xué)性能兩個(gè)因素決定，在保證抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合對(duì)材料力學(xué)性能要求指標(biāo)的情況下，強(qiáng)塑積越高說(shuō)明材料的成形性能以及綜合性能越好。文章實(shí)驗(yàn)當(dāng)配分溫度為300 ℃，配分時(shí)間為60 s時(shí)，強(qiáng)塑積得到了最大值18.6 GPa·%，這說(shuō)明該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時(shí)間為300 ℃和60 s，同時(shí)，該強(qiáng)塑積比熱成形鋼直接淬火的強(qiáng)塑積(一般在15 GPa·%以下[20])高了大約3600 MPa·%，因此，實(shí)驗(yàn)采用的一步法Q&P工藝能夠顯著改善試驗(yàn)鋼的成形性能和綜合力學(xué)性能。

圖5　不同配分溫度及時(shí)間下的強(qiáng)塑積圖

另外，不僅強(qiáng)塑積的變化規(guī)律與斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律相似，在其他的研究中也有這種現(xiàn)象出現(xiàn)[14, 20-21]，可以看出，斷后伸長(zhǎng)率對(duì)于強(qiáng)塑積的影響往往要大于抗拉強(qiáng)度的影響，因此，在抗拉強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的情況下，斷后伸長(zhǎng)率的提高更有助于獲得高的強(qiáng)塑積，從而改善熱成形鋼的成形性以及塑性。

3　結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

(1) 從不同溫度和時(shí)間下顯微組織的變化可知，經(jīng)770 ℃保溫120 s，并在300、340 ℃分別配分10～60 s后獲得的組織主要為鐵素體、板條馬氏體以及殘余奧氏體，該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時(shí)間為300 ℃和60 s。

(2) 經(jīng)兩相區(qū)保溫，并在300和340 ℃配分60 s后，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積相比于熱成形鋼直接淬火的斷后伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積均得到了大幅度的提高，分別達(dá)到了37.95%、18.6 GPa·%和36.2%、17.7 GPa·%，因此，兩相區(qū)保溫及一步Q&P工藝能夠有效提高熱成形鋼的塑性及成形性。

(3) 強(qiáng)塑積與斷后伸長(zhǎng)率兩者的變化規(guī)律具有高度的相似性，即斷后伸長(zhǎng)率對(duì)于強(qiáng)塑積的影響要大于抗拉強(qiáng)度的影響，因此，通過(guò)提高斷后伸長(zhǎng)率來(lái)提高鋼的強(qiáng)塑積會(huì)更加有效。

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(學(xué)科責(zé)編：吳芹)

Analysis of intercritical heat preservation and Q&P process of improvement of microstructure and properties

Chen Hui, Jing Cainian*, Tu Yingming,etal.

(School of Material Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The paper provides an important theoretical and guidance significance for the application of simplify quenching and partitioning (Q&P) process in hot continuous rolling equipment, which has contributed to obtain the high strength steel with more excellent performance. In order to improve the maneuverability of the traditional Q&P process in practical production and improve the mechanical properties of hot stamping steel, a hot stamping steel (0.24C-0.38Si-1.27Mn) was treatment by salt bath furnace to simulate the one-step Q&P process, and then the effects of intercritical heat preservation, partitioning temperature and partitioning time on the microstructure and mechanical properties of the hot stamping steel were studied. The results show that the main microstructure is ferrite, martensite and retained austenite when the hot stamping steel was heated preservation at 770 ℃for 120s, and partitioning10s-60s at 300℃ and 340℃, respectively, the optimum partitioning temperature and partitioning time of the hot stamping steel are 300℃ and 60s; the elongation, the product of strength and elongation have been greatly improved at 300℃ and 340℃ partitioning 60s, respectively; the highly similar change regulation between the product of strength and elongation and the elongation show that the effect of elongation on the product of strength and elongation is greater than the tensile strength.

intercritical heat preservation; quenching and partitioning process; microstructure; mechanical properties

2016-06-03

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (2013GGX10306)

陳輝(1990-), 男, 在讀碩士, 主要從事汽車(chē)鋼板的成形與熱處理等方面的研究. Email: chsdjzu@sina.com.

*：景財(cái)年(1973-), 男, 教授, 博士, 主要從事汽車(chē)高強(qiáng)度鋼等方面的研究. Email: jcn55@163.com.

1673-7644(2016)03-0244-05

TU996

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