配分溫度對(duì)熱軋Q&P鋼組織性能的影響

吳 騰，陳夢(mèng)園，吳 潤(rùn)

(武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430080)

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，由于全球資源日益貧瘠及環(huán)境的不斷惡化，對(duì)汽車(chē)輕量化與安全性制造等方面提出了更高的要求。各國(guó)汽車(chē)制造企業(yè)都相繼研究并開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度的汽車(chē)用鋼[1-2]。其中以Speer提出的淬火-配分工藝(Quenching and Partitioning，Q&P)為代表的第三代先進(jìn)汽車(chē)用鋼研究的熱度最為高漲[3-5]。淬火-配分鋼是以馬氏體為基體的一種高強(qiáng)鋼[6]，強(qiáng)度性能優(yōu)異，同時(shí)馬氏體基體周?chē)植贾鴼堄鄪W氏體，而殘余奧氏體在拉伸變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變誘導(dǎo)塑性(TRIP效應(yīng))[7-8]，故而塑韌性表現(xiàn)可觀。Q&P鋼代表工藝是將鋼部分或完全奧氏體化后，通過(guò)改變不同的淬火溫度(Ms與Mf之間某一溫度)來(lái)控制基體奧氏體分?jǐn)?shù)，然后在大于Ms的某一溫度進(jìn)行等溫碳配分，使得富碳的殘余奧氏體穩(wěn)定至室溫[9]。

在淬火-配分鋼的研究中，提高殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)，平衡各組織含量、形態(tài)及性能一直都是重中之重，因此熱處理過(guò)程中的等溫溫度及時(shí)間的選擇尤為重要[10-11]。本文在簡(jiǎn)單成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用高溫高壓下細(xì)化晶粒，結(jié)合超快冷和Q&P工藝處理實(shí)現(xiàn)顯微組織的調(diào)控，制備得到硬相中夾入軟相的馬氏體和殘余奧氏體的復(fù)相組織。研究此技術(shù)在不同工藝條件下配分溫度的作用機(jī)理，為綜合性能優(yōu)良的熱軋Q&P鋼的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼采用0.2 wt%的低碳進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有一定的可焊性和可加工性，化學(xué)成分如表1所示。采用材料性能模擬軟件JMatPro模擬得到試驗(yàn)鋼Ms點(diǎn)為385 ℃、Mf點(diǎn)為270 ℃。試驗(yàn)鋼鍛造后將尺寸45 mm×80 mm×120 mm的坯料加熱至1220 ℃保溫50 min，接著在二輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行兩階段控軋，終軋溫度為840 ℃，軋后板坯厚度為3.8 mm。然后通過(guò)鹽浴超快冷至300、350 和400 ℃保溫30 s進(jìn)行配分熱處理，最后水淬至室溫得到熱軋Q&P鋼板。其工藝流程圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

將試驗(yàn)后的熱軋板沿軋向(按GB/T 228.1—2010)線切割加工成三個(gè)拉伸試樣，在WAW-500C型液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)量其力學(xué)性能，試樣標(biāo)距為50 mm，拉伸速率為2 mm/min。沿縱斷面切取金相試樣，經(jīng)磨樣拋光后用4%硝酸酒精侵蝕，分別采用ZEISS Axioplan2型萬(wàn)能顯微鏡和Nova nano 400型掃描電子顯微鏡觀察微觀組織。將試樣機(jī)械減薄到0.055 mm，由Tenupol-5型雙噴電解儀加工成透射試樣，在JEM-2100F型透射電鏡(TEM)下觀察板條馬氏體條寬和殘余奧氏體等精細(xì)結(jié)構(gòu)。Q&P鋼中的殘余奧氏體采用多晶衍射儀XRD按GB 8362—87 利用五峰法進(jìn)行測(cè)量得到。

圖1 試驗(yàn)鋼的工藝流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)鋼組織

試驗(yàn)鋼經(jīng)控軋和超快冷后分別淬火至300、350 和400 ℃配分30 s，其金相組織如圖2所示，主要包括板條馬氏體和一定量的殘余奧氏體。由圖2可知，隨著配分溫度增加，馬氏體含量減少，且組織中的馬氏體由塊狀向條狀轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)樵囼?yàn)工藝采用一次配分法即淬火溫度等于配分溫度，而淬火溫度越高，馬氏體形核的驅(qū)動(dòng)力越低，而試驗(yàn)鋼中加入了極微量的B大大地提高了淬透性，馬氏體板條束在生長(zhǎng)過(guò)程是形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程綜合作用的結(jié)果。此工藝條件下，低的配分溫度促進(jìn)了馬氏體相變，也增加了馬氏體長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從而易使馬氏體板條束粗化，甚至得到塊狀馬氏體，部分是試驗(yàn)鋼經(jīng)碳配分后水淬得到的二次淬火馬氏體[12]。

圖3為試驗(yàn)鋼不同配分溫度的SEM組織，試驗(yàn)鋼在300 ℃時(shí)有較多塊狀馬氏體，組織中白亮的殘余奧氏體較少。由XRD測(cè)量可知，300、350和400 ℃配分試樣得到的殘余奧氏體分別為7.6%、11.5%和12.7%。因此，隨著配分溫度的增加，殘余奧氏體含量也在增加，由于較高配分溫度促進(jìn)了淬火時(shí)所得到的馬氏體中的碳向殘余奧氏體中加速擴(kuò)散，使得較多的碳可保證殘余奧氏體穩(wěn)定至室溫。由圖3(b)可知，400 ℃配分的試驗(yàn)鋼中有較多的白色碳化物析出，會(huì)消耗一次馬氏體中的碳原子，高配分溫度增加了馬氏體的回火程度，形成了較多間斷的板條馬氏體，且使馬氏體板條邊界變得更模糊，最后的殘余奧氏體含量是由一次馬氏體中的碳擴(kuò)散能力和碳化物在此過(guò)程中析出的綜合作用的結(jié)果。因此，配分溫度對(duì)Q&P鋼組織形貌及含量的控制具有重要作用。

(a)300 ℃；(b) 350 ℃；(c) 400 ℃

(a)300 ℃；(b) 350 ℃；(c) 400 ℃

2.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)鋼的室溫力學(xué)性能如表2所示，配分溫度由300 ℃增加至400 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度由1196 MPa降至1012 MPa，屈服強(qiáng)度由756 MPa降至636 MPa，伸長(zhǎng)率由15.0%升至23.5%。試驗(yàn)鋼經(jīng)兩階段控軋后超快冷卻獲得大量形變亞結(jié)構(gòu)，在淬火和配分過(guò)程中獲得具有更強(qiáng)高硬的板條馬氏體和TRIP效應(yīng)的軟相殘余奧氏體，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度在1000 MPa以上，伸長(zhǎng)率最高達(dá)23.5%，強(qiáng)塑積也最高達(dá)23.78 GPa·%，表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性。試驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，曲線表現(xiàn)為連續(xù)屈服，350 ℃和400 ℃配分的試驗(yàn)鋼有較長(zhǎng)一段均勻變形區(qū)，說(shuō)明其加工硬化率較高。這是由于該配分溫度下有較多的殘余奧氏體在拉伸變形過(guò)程中發(fā)生TRIP效應(yīng)，提高了材料的均勻變形能力。試驗(yàn)鋼首先發(fā)生殘余奧氏體的塑性變形，再發(fā)生馬氏體的塑性變形，軟向和硬相的匹配使其具有較低的屈強(qiáng)比，試驗(yàn)鋼在400 ℃下配分得到的n值最高為0.15，屈強(qiáng)比最低為0.62，具有最優(yōu)的冷成形性能(如圖5所示)。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

圖4 試驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 不同配分溫度下的成形性能

在一定的配分時(shí)間下，300 ℃配分溫度最低，碳原子的擴(kuò)散速率也較低，超快冷后水淬得到的馬氏體中的碳原子不足以完全擴(kuò)散至殘余奧氏體中[13]。因此，水淬至室溫后有較多的未轉(zhuǎn)變奧氏體不能穩(wěn)定存在，通過(guò)馬氏體相變得到較多的馬氏體使試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度最高為1196 MPa，馬氏體板條間夾雜薄片狀的殘余奧氏體見(jiàn)圖6(a)，在拉伸變形過(guò)程中發(fā)生TRIP相應(yīng)使試驗(yàn)鋼仍具有一定的塑性，其伸長(zhǎng)率為15.0%。當(dāng)配分溫度增加至350 ℃，碳原子的擴(kuò)散系數(shù)也增加了，使得從馬氏體板條間擴(kuò)散至殘余奧氏體中的碳原子增加，也會(huì)有更多的殘余奧氏體穩(wěn)定至室溫，相應(yīng)的馬氏體中的碳含量減少，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度相應(yīng)降低為1093 MPa，伸長(zhǎng)率卻增加較多為21.5%。400 ℃配分溫度最高，碳原子的擴(kuò)散速率也最高，室溫下得到的殘余奧氏體最高為12.7%，同時(shí)較多的碳化物析出，見(jiàn)圖6(b)，降低了馬氏體中的碳含量，馬氏體回火使組織進(jìn)一步軟化，得到的強(qiáng)度最低為1012 MPa，伸長(zhǎng)率最高達(dá)23.5%。因此，試樣的伸長(zhǎng)率與殘余奧氏體含量的變化趨勢(shì)一致，這說(shuō)明試樣的塑性主要由殘余奧氏體含量決定。

(a)300 ℃配分溫度下殘余奧氏體特征；(b)400 ℃配分溫度下析出物特征

3 結(jié)論

1)通過(guò)熱軋+超快冷+一步配分工藝成功制備高強(qiáng)塑積的熱軋Q&P鋼，其微觀組織為馬氏體+殘余奧氏體；

2)配分溫度由300 ℃增加至400 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度由1196 MPa降至1012 MPa，屈服強(qiáng)度由756 MPa降至636 MPa，伸長(zhǎng)率由15.0%升至23.5%，屈強(qiáng)比由0.65降低到0.62，n值由0.12增加至0.15，強(qiáng)塑積由17.34 GPa·%增加至23.78 GPa·%，試驗(yàn)鋼表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性和冷加工成形性能；

3)Q&P鋼的力學(xué)性能與殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，因此通過(guò)控軋控冷工藝使Q&P鋼中得到較多的殘余奧氏體是獲得高強(qiáng)塑積Q&P 鋼的關(guān)鍵，400 ℃配分的試驗(yàn)鋼具有最優(yōu)的力學(xué)性能。