碳元素配分行為對高強韌Q&P鋼組織性能的影響

趙星宇 王山生 龐啟航 李維娟 張俊凱 張大征

關鍵詞：Q&P鋼；熱處理；配分時間；殘余奧氏體；力學性能

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，“一家一車”的時代已經到來，這也給大氣環境造成了更嚴重的污染。為了減少汽車尾氣的排放，降低車身重量是最有效的途徑之一；眾多研究已表明，使用先進高強鋼是汽車輕量化最高效和最安全的方法，其中Q&P鋼是第3代先進高強鋼具有代表性的鋼種。Q&P是一種熱處理工藝，是由Speer J等在2003年提出的，經熱處理后，試驗鋼的顯微組織主要由馬氏體和富碳的殘余奧氏體構成，同時含有少量碳化物和鐵素體，其利用馬氏體組織實現強化（相變強化），利用奧氏體組織實現TRIP效應（增塑機制）來獲得高強度和高塑韌性。決定殘余奧氏體穩定性的關鍵在于元素配分，研究人員發現，除碳元素外，錳、鎳等元素也會向奧氏體一側富集，并對奧氏體穩定性起到一定的作用。Yuki Toji等采用3D原子探針對在400 ℃配分300 s的Fe-0.59C-2Si-3Mn試驗鋼進行觀察，發現了錳元素從馬氏體向奧氏體中配分的現象。Arun D等將試驗鋼經400 ℃配分50 s處理后，發現錳元素會從馬氏體富集到奧氏體邊界處，并且錳元素富集的奧氏體穩定性更高。但是XU H F等發現，錳元素超過一定含量，容易引發殘余奧氏體出現帶狀偏析，常溫下變形的過程中難以誘發TRIP效應，從而降低了鋼的力學性能。Q&P鋼能否在室溫下具有優異的綜合力學性能，在于殘余奧氏體是否具有足夠的穩定性，碳元素的配分相較于其他合金元素，對提高Q&P鋼中亞穩態奧氏體的穩定性的作用更大。近年來，眾多學者通過探索奧氏體的穩定性來揭示碳元素配分機制，為精準把控以及提高奧氏體的穩定性提供了比較新穎的思路，如：劉偉杰等提出了動態C配分的概念，對提高碳元素的擴散效率提供一種新的方法；PANG Q H等通過內耗實驗對碳元素的內耗峰進行表征，揭示了固溶碳原子的擴散系數、擴散激活能等，對奧氏體穩定性的精準把控提供了新的思路。

本文對0.22C-1.5Si-2.0Mn系試驗鋼進行Q&P熱處理，研究了不同配分時間處理后試驗鋼板的顯微組織演變和力學性能特征，重點分析了殘余奧氏體體積分數，以及殘奧中的碳含量和鋼板力學性能之間的關系，以揭示碳元素配分機理。

1 試驗材料及方法

試驗鋼的化學成分：

w（C）=0.22%，w（Si）=1.5%，w（Mn）=2.0%，w（Al）=0.035%，w（P）=0.02%，w（S）=0.005%，w（N）=0.0046%，Fe余量。采用80 kg的頻感應爐冶煉，將鑄坯鍛造成尺寸為80 mm×90 mm×60 mm的鋼坯，依據標準YB/T 5127-1993，在鋼坯上切取尺寸為?4 mm× 10 mm的試樣，通過熱膨脹法得出試驗鋼的基本相變點為：Ac1=745℃、Ac3=864℃，Ms=396℃、Mf=215℃。將鋼坯放入加熱爐中加熱至1200 ℃、保溫2 h， 隨后在?350 mm熱軋機上進行軋制，開軋溫度為1100 ℃，終軋溫度為850 ℃，經過6道次軋成厚度為4 mm鋼板，隨后層流冷卻至550 ℃放入電阻爐中保溫1.5 h， 隨爐冷至室溫模擬卷取過程，鋼板獲得塊狀鐵素體和珠光體的顯微組織，如圖1所示。

采用電火花線切割，從熱軋板中心部位切取尺寸為20 mm×110 mm× 4 mm的鋼板，并在兩端鉆出直徑為?7 mm的圓孔，將熱電偶焊在模擬試樣的中心，并將模擬試樣放入THERMECMASTOR 100 kN熱模擬試驗機中模擬Q&P熱處理工藝。從圖1可以看出：試驗鋼以20 ℃/s的速率加熱到900 ℃（Ac3溫度以上）并保溫180 s， 隨后以40 ℃/s的冷卻速率淬火至280 ℃，并以20 ℃/s的速率加熱到400 ℃，保溫時間分別設定為30、60、90、120、300、600 s進行碳元素配分。

根據GB/T 228-2002，將熱處理后的試驗鋼板制成3個非標準尺寸的拉伸樣品，其標距為17.5 mm， 寬度為10 mm； 在UTM5305拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度設置為1 mm/min。切取尺寸為7 mm×7 mm的顯微組織試樣（經砂紙打磨）和PG-2B金相試樣拋光機拋光后用4%硝酸酒精侵蝕，利用JSM-6480LV型掃描電鏡分析其顯微組織。將試驗鋼板切割成尺寸為10 mm×10 mm 的方形小塊，隨后將厚度打磨至50 μm， 并用沖孔器把減薄后的試樣沖成直徑為3 mm的小圓片，然后進行電解雙噴減薄，電解液為7%的高氯酸酒精溶液，溫度保持在-20 ℃以下，電壓為18～25 V，隨后在JEM-2100型透射電鏡（TEM）中觀察試驗鋼板的精細結構。使用X`PERT PRO X射線衍射儀對殘余奧氏體含量進行檢測，采取Co靶、管電壓為35 kV、管電流為40 mA。利用式（1）計算殘余奧氏體的體積分數fγ：

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能及殘余奧氏體

表1和圖2為經不同配分時間處理后試驗鋼板的力學性能，以及其殘余奧氏體的體積分數。從表1可以看出：當配分時間為30 s時，試驗鋼板的抗拉強度最大（1297 MPa）；當配分時間為600 s時，試驗鋼板的抗拉強度最小（1233 MPa）。圖2為試驗鋼板抗拉強度和斷后伸長率隨配分時間的變化規律。從圖2可以看出：試驗鋼板的抗拉強度整體上呈現先降低后升高再降低的變化趨勢。在配分的開始階段，鋼板中殘余奧氏體的體積分數會隨著配分時間的增加而增大，當配分時間為60 s時，達到峰值；在此過程中，鋼板中板條馬氏體的體積分數在減少，所以其宏觀力學性能表現為斷后伸長率增大，而抗拉強度有所下降。當配分時間達到90 s時，鋼板中殘余奧氏體的體積分數降低，而板條馬氏體的體積分數相對增多，所以抗拉強度有所增加。隨著配分時間延長至120 s， 殘余奧氏體的體積分數持續降低，但鋼板的抗拉強度沒有回升，這是因為承擔抗拉強度的板條馬氏體主要依賴于間隙碳原子的固溶強化和位錯亞結構強化，若配分時間過長，富碳的板條馬氏體隨著碳元素的配分轉變為貧碳的板條馬氏體，其強度降低；同時部分馬氏體開始發生分解，生成了針狀鐵素體和碳化物的機械混合組織（回火屈氏體），從而降低了抗拉強度。當配分時間為120 s時，鋼板的抗拉強度下降幅度相較于之前有所減緩，主要是因為配分時間延長時馬氏體板條中會形成碳化物，碳化物在競爭碳原子的同時，也能起到增強馬氏體抗拉強度的作用。

圖3為試驗鋼板殘余奧氏體體積分數和斷后伸長率及其強塑積隨配分時間的變化規律。從圖3可以看出：試驗鋼板斷后伸長率和殘余奧氏體的體積分數，以及強塑積均呈現先升高再降低的變化趨勢。配分60 s時，鋼板的斷后伸長率達到最大值16.7%，且其強塑積也達到最大值（21.2 GPa·%）。隨著配分時間的延長，殘余奧氏體的體積分數逐漸減少，鋼板塑性也有逐漸所降低，當配分120 s時下降趨勢有所減緩，但下降趨勢不變。在配分600 s時，鋼板的強塑積最小，為18.9 GPa·%，這表明試驗鋼板在抗拉強度相差不大的情況下，斷后伸長率最大時可獲得最佳力學性能。

2.2 顯微組織演變

圖4為不同配分時間條件下的試驗鋼板的SEM形貌。從圖4可以看出：試驗鋼板的顯微組織主要由馬氏體（M）、殘余奧氏體二次馬氏體（M2）及回火屈氏體（TT）構成。在配分開始階段（0～60 s），試驗鋼板中馬氏體組織主要呈現板條狀，且板條束較為整齊，同時帶有少量塊狀或條狀的二次淬火馬氏體。這是因為當馬氏體組織中碳原子過飽和時，會向殘余奧氏體擴散，造成殘余奧氏體晶界處碳濃度分布不均[17]，隨后當配分完成，淬火至室溫的過程中，部分穩定性較低的殘余奧氏體會生成二次淬火馬氏體。隨著配分時間的延長，馬氏體發生分解，形成針狀鐵素體和碳化物，隨著碳化物不斷積聚長大，最終形成了回火屈氏體，且隨著配分時間的延長，回火屈氏體組織也逐漸增多。

圖5為不同配分時間條件下試驗鋼板的TEM形貌。當配分時間為60 s時，試驗鋼板中馬氏體組織的板條寬度不一致，殘余奧氏體分布在馬氏體板條之間，如圖5（a）所示；同時，可以觀察到在馬氏體內部存在大量的孿晶（圖5（b）），只有富碳的奧氏體才會形成孿晶馬氏體，由此可以推斷碳原子是從由馬氏體向奧氏體中擴散，在隨后二次淬火時，富碳的奧氏體轉變為孿晶馬氏體。當配分時間為600 s時，可觀察到在原始奧氏體晶界內，由于奧氏體晶粒內部碳濃度的不均勻分布，造成碳含量較低的奧氏體轉變為馬氏體組織，也就是二次淬火馬氏體，而碳含量較高的奧氏體則保留了下來，說明碳含量高能夠提高奧氏體的穩定性，如圖5（c）所示。圖5（d）中有部分黑色塊狀組織，這是由于配分時間延長，析出了大量黑色碳化物所致。

2.3 碳元素的配分機制

Q&P鋼性能的優異取決于在室溫下能否保留更多的殘余奧氏體，以至于后續變形的過程中可以最大程度的發揮出TRIP效應[18]，因此精準表征殘余奧氏體的體積分數隨配分時間的變化規律，對于實現Q&P鋼性能的量化調控有著十分重要的意義。

圖6為殘余奧氏體的體積分數和殘余奧氏體中碳含量隨配分時間的變化規律。在配分時間為30～60 s區間，殘余奧氏體的含量為升高的趨勢，隨著配分時間的延長，殘余奧氏體的含量不斷降低。這主要是因為在配分30 s時，碳原子不能充分擴散，導致富碳的殘余奧氏體較少，并且在第2次淬火時就會有部分殘余奧氏體轉變為馬氏體，隨著配分時間的延長，碳元素開始不斷富集到殘余奧氏體中。當配分時間為60 s時，殘余奧氏體中的碳元素達到飽和，此時室溫下殘余奧氏體的含量達到峰值。配分時間大于60 s， 馬氏體分解為鐵素體和碳化物，此時奧氏體內的碳含量降低，同時碳化物的析出降低了碳在馬氏體的過飽和程度。研究[19，20]表明：碳化物的形成與碳從馬氏體配分到奧氏體可視為競爭關系，并進行了相關的熱動力學研究。這種競爭過程也會導致碳在馬氏體與殘余奧氏體內化學勢梯度有所降低，從而降低碳的擴散驅動力，導致殘余奧氏體不會富集到足夠的碳，在二次淬火的過程中大量的殘余奧氏體轉變為馬氏體，因此在室溫下殘余奧氏體的含量大幅度降低。隨著配分時間的繼續延長，殘余奧氏體也將發生分解，通過等溫轉變，形成貝氏體或馬氏體。

利用線掃描（EDS）測定馬氏體中碳含量的變化，以分析碳原子的配分行為。圖7（a）為配分60 s時試驗鋼板的SEM形貌，線條的左右兩端為一次淬火馬氏體，中間部位為二次淬火形成有碳化物析出的條塊狀馬氏體。圖7（b）為半定量的計算碳元素在一次淬火馬氏體和二次淬火馬氏體之間含量的變化曲線。一次淬火馬氏體由于發生了碳原子向殘余奧氏體的配分，所以平均碳含量低于原始碳含量的0.22%（質量分數），而中間部位的二次淬火馬氏體是由配分完成后的殘余奧氏體轉變而成，因此其平均碳含量高于原始碳含量的0.22%（質量分數）。

3 結論

（1）經不同配分時間處理后，試驗鋼板的顯微組織主要為板條馬氏體、回火屈氏體和殘余奧氏體，以及少量二次馬氏體。當配分時間為30～60 s時，顯微組織主要由板條馬氏體和殘余奧氏體構成；隨著配分時間的延長，部分一次淬火馬氏體在配分過程中分解為鐵素體和碳化物，形成回火屈氏體組織。

（2）試驗鋼板的抗拉強度主要取決于馬氏體的體積分數和馬氏體相中的碳含量，其斷后伸長率與殘余奧氏體含量變化的規律保持一致。在淬火溫度為280 ℃+配分溫度400 ℃的條件下，隨著配分時間的增加，殘余奧氏體呈先升高后降低的趨勢，并且配分60 s時殘余奧氏體體積分數達到峰值6.4%，此時抗拉強度為1 269 MPa， 伸長率為16.7%，強塑積達到最大值21.2 GPa·%，此時試驗鋼板的綜合力學性能最好。

（3）試驗鋼中碳配分是由富碳的馬氏體向貧碳的殘余奧氏體中擴散，并且碳化物的形成與碳原子的擴散為競爭的關系，雖然碳化物對于馬氏體組織的強度有所提升，但強度遠達不到配分時間為60 s試樣的強度級別，因此在Q&P工藝的過程中應避免二次馬氏體的生成。

本文摘自《軋鋼》2023年第5期