中斷淬火的溫度對淬火-配分低鉻鐵素體不銹鋼組織和性能的影響

羅 剛 梁祥祥 張劍橋 衛爭艷 李 筱 李 俊 李國平

（太原鋼鐵（集團）有限公司先進不銹鋼材料國家重點實驗室，山西太原 030003）

因具有高的強度和良好的成形性能，先進高強鋼（advanced high strength steels，AHSS）被廣泛應用于汽車結構件［1-2］。為了提高材料的耐蝕性、延長使用壽命，需對鋼板進行鍍鋅或電泳處理。這些工藝可在鋼板表面形成一定厚度的防腐層，改善材料的耐蝕性，但也存在一些問題，如過度消耗鋅資源、廢鋼難回收和環境污染等［3-6］。由于不銹鋼具有自防腐性能和良好的力學性能，國外已采用不銹鋼制作汽車結構件，主要是304（0Cr18Ni8）奧氏體不銹鋼［7-10］。但奧氏體不銹鋼含有大量的鎳，價格昂貴，不能大量使用。Cr13型鐵素體不銹鋼合金化程度低，不含或含少量Ni，具有顯著的成本優勢，被認為是替代涂層鋼的理想材料。然而采用傳統工藝生產的這類不銹鋼的強度偏低，不能滿足汽車用鋼的高強度需求，必須對其進行強化處理。

筆者曾采用一種新的熱處理工藝，即淬火-配分（quenching and partitioning，Q＆P）工藝［11-12］對Cr13型不銹鋼進行強化處理，使其強度得到了顯著提高［13］。采用傳統的淬火-回火工藝處理的材料存在強度高、塑性差的缺點，但Q＆P工藝能使材料在獲得高強度的同時，還能通過殘留奧氏體的TRIP（相變誘導塑性）效應改善塑性［14］。根據Q＆P工藝原理，中斷淬火過程的溫度是非常重要的參數，將直接影響馬氏體的生成及殘留奧氏體的含量，進而影響材料的組織和性能，因此很有必要對其進行研究。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為典型的低鉻鐵素體不銹鋼冷軋板，厚度1.5 mm，經800℃ ×10 min退火處理，其化學成分見表1。

表1 試驗用鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the investigated steel（mass fraction）%

采用德國STA 449 CXC型綜合熱分析儀測得試驗用鋼的馬氏體轉變開始溫度Ms約為325℃。Q＆P工藝過程為：首先將試樣加熱至930℃保溫3 min奧氏體化，然后置于不同溫度的鹽浴中淬火10～15 s，再快速置于500℃鹽浴中保溫1 min進行配分處理，水冷至室溫。中斷淬火的溫度分別為20、150、200、225、250、275和300℃。

熱處理后制備金相試樣，采用質量分數為15%的FeCl3溶液侵蝕。采用Nova NanoSEM 430型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）觀察顯微組織；采用X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀（XRD，X-ray diffractometer）進行物相分析；采用MDI Jade 5.0分析軟件統計殘留奧氏體的體積分數；按GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，在Zwick／Roell Z100型萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm／s，橫向試樣，標距為50 mm。

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織

圖1為試驗鋼退火態的顯微組織。圖2為淬火至不同溫度隨后500℃配分處理和水冷的鋼的SEM照片。圖2表明：不同熱處理狀態的鋼具有相似的組織特征，即塊狀晶粒周圍鑲嵌有針片狀組織，塊狀晶粒為鐵素體，針片狀組織為馬氏體，馬氏體呈“島嶼”狀，尺寸為數微米至數十微米。這些馬氏體形成于鐵素體邊界，并向鐵素體晶內生長，使許多鐵素體晶界具有內凹的特征。

圖1 試驗鋼的退火態顯微組織Fig.1 Microstructure of the investigated steel after annealing

整體上看，淬火冷卻至不同溫度隨后配分處理的鋼的組織差別不大。例如，與其他熱處理狀態相比，在20℃中斷淬火的鋼，其“馬氏體島”的數量較多，分布較密集，如圖2（a）所示；隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，組織變化趨勢相反，“馬氏體島”數量減少，尺寸增大，分布疏散，如圖2（b，c）所示；當中斷淬火冷卻溫度進一步升高至300℃時，“馬氏體島”數量增加，尺寸減小，分布趨于密集，如圖2（d）所示。

馬氏體為奧氏體轉變產物。由熱力學可知，等溫等壓下馬氏體轉變驅動力源于馬氏體與奧氏體的體積吉布斯自由能之差。中斷淬火冷卻的溫度越低，馬氏體轉變的驅動力越大，所以當中斷淬火冷卻的溫度為20℃時，馬氏體轉變的驅動力最大，許多部位可以同時發生馬氏體轉變，因此圖2（a）的“馬氏體島”數量較多，分布也較密集。此外，中斷淬火冷卻的溫度為20℃時，由于溫度較低，不利于“馬氏體島”進一步長大，所以尺寸稍小。

隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，一方面，馬氏體轉變的驅動力減小，能發生馬氏體轉變的位置減少，所以圖2（b，c）的“馬氏體島”數量較少，分布疏散；另一方面，中斷淬火冷卻的溫度升高有利于馬氏體長大，所以“馬氏體島”尺寸增大。

中斷淬火冷卻的溫度提高至300℃，已接近馬氏體轉變開始溫度Ms（325℃），相變驅動力顯著減小，理論上生成的“馬氏體島”數量減少，尺寸增大，分布疏散，但圖2（d）所示的結果卻是“馬氏體島”數量增加，尺寸減小，分布趨于密集。這是因為試驗材料為不銹鋼，奧氏體穩定性好，淬火過程中易轉變為馬氏體，所以當中斷淬火冷卻的溫度為300℃時，雖然馬氏體相變驅動力較小，只有小部分高溫奧氏體轉變為馬氏體（“一次馬氏體”）。但由于鋼的淬透性好，在隨后的冷卻過程中剩余奧氏體會繼續轉變為馬氏體（“二次馬氏體”），二者在掃描電鏡下難以分辨，在組織中顯示為“馬氏體島”數量增加，尺寸減小，分布趨于密集。

圖2 淬火至20（a）、150（b）、250（c）和300℃（d）隨后500℃配分處理和水冷的試驗鋼的SEM照片Fig.2 SEM micrographs of the investigated steel quenched to 20（a），150（b），250（c），and 300℃（d），then partitioned at 500℃and cooled in water

2.2 殘留奧氏體

圖3為Q＆P處理鋼中殘留奧氏體含量隨中斷淬火冷卻溫度的變化。

圖3 中斷淬火的溫度對Q＆P處理的試驗鋼中殘留奧氏體含量的影響Fig.3 Effect of temperature at the time of quenching interruption on retained austenite content in the investigated steel quenched and partitioned

由圖3可見，隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，鋼中殘留奧氏體含量先增加后減少。當中斷淬火溫度為20℃時，鋼中殘留奧氏體含量非常少（＜1%，體積分數，下同）；隨著中斷淬火溫度的升高，殘留奧氏體含量逐漸增加；在200～250℃中斷淬火的鋼的殘留奧氏體含量最高（4.5%～5.5%），之后隨著中斷淬火溫度的升高，殘留奧氏體含量減少。

這是由于當中斷淬火冷卻的溫度較低時，多數奧氏體轉變為馬氏體（“一次馬氏體”），馬氏體數量多，雖然馬氏體能為周圍未轉變的奧氏體提供足夠的碳、氮，使其保留至室溫，但由于未轉變的奧氏體數量不多，最終組織中的殘留奧氏體含量不高。

相反，當中斷淬火冷卻的溫度過高時，雖然未轉變奧氏體很多，但由于生成的馬氏體量少，向周圍未轉變奧氏體提供穩定化元素的數量有限，在冷卻至室溫時，這些未轉變的奧氏體多數轉變為馬氏體（“二次馬氏體”），所以殘留奧氏體含量不高，只有在某一溫度中斷淬火的鋼具有適量的馬氏體和未轉變奧氏體。

2.3 力學性能

圖4為Q＆P處理的鋼的強度和塑性隨中斷淬火冷卻溫度的變化。可以看出，經過Q＆P處理，鋼的抗拉強度提高到了780 MPa以上（常規退火態鋼的抗拉強度一般不超過500 MPa），顯然這是馬氏體相變強化的結果。

此外，隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，鋼的強度先降低后升高，而斷后伸長率則是先升高后降低。這是因為當中斷淬火冷卻的溫度較低或較高時，材料狀態近似傳統的淬火-回火態，表現為高強度和低塑性；隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，Q＆P工藝的優勢顯現出來，即在略微犧牲強度的同時顯著改善塑性［15］。如圖4所示，中斷淬火冷卻溫度為20℃時（相當于傳統的淬火-回火），鋼的斷后伸長率約為16%，隨著中斷淬火冷卻溫度的升高，鋼的斷后伸長率可提高至20%以上。對比圖4和圖3可以發現，斷后伸長率最高的鋼，其中斷淬火冷卻的溫度恰好與殘留奧氏體含量最高的鋼的中斷淬火溫度一致，說明塑性的改善與殘留奧氏體含量有關。研究表明［16-18］：殘留奧氏體具有TRIP效應，在較高的應力應變狀態下會轉變為馬氏體，有效緩解局部應力集中，推遲裂紋的形成和縮頸的發生，改善變形性能。

圖4 中斷淬火的溫度對Q＆P處理的試驗鋼力學性能的影響Fig.4 Effect of temperature at the time of quenching interruption on mechanical properties of the investigated steel quenched and partitioned

3 結論

（1）經淬火-配分處理的低鉻鐵素體不銹鋼組織由鐵素體、馬氏體和少量殘留奧氏體組成，強度顯著提高。

（2）在20～300℃中斷淬火冷卻的低鉻鐵素體不銹鋼，Q＆P處理后的組織相似，但殘留奧氏體含量不同。中斷淬火冷卻的溫度較低或較高的鋼殘留奧氏體含量均較少（＜1%）；而在200～250℃中斷淬火的鋼殘留奧氏體含量最高（約5%）。

（3）隨著殘留奧氏體含量的增加，鋼的塑性改善，因此低鉻鐵素體不銹鋼Q＆P處理的最佳中斷淬火冷卻溫度為200～250℃，斷后伸長率可從16%提高至20%以上。