微合金化对Q_P钢组织性能影响的研究进展_曾金.pdf
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1、淬火配分(Q&P)钢属于汽车用第 3 代先进高强度钢,广泛应用在汽车和特种装备领域。合金元素可以改善 Q&P 钢中碳原子配分、晶粒尺寸、组织分布形态以及相变温度点等,从而提升 Q&P 钢的综合性能。本文综述了微合金元素对 Q&P 钢组织性能影响的研究进展,阐述 Q&P 钢的理论发展,重点介绍了 Q&P 钢的合金成分、显微组织和力学性能之间的关系,最后对 Q&P钢微合金化的未来发展趋势进行了展望。关键词:Q&P 钢;微合金化;显微组织;力学性能中图分类号:TG142.3 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-
2、0001-12收稿日期:2022-12-13 修订日期:2023-02-28作者简介:曾 金(1998),男,硕士研究生,主要研究方向为金属材料,E-mail:2022202162 。通信作者:栗克建(1988),男,高级工程师,博士,主要研究方向为先进钢铁材料,E-mail:likejiann 。引用格式:曾金,栗克建,高翔,等.微合金化对 Q&P 钢组织性能影响的研究进展J.材料热处理学报,2023,44(7):1-12.ZENG Jin,LI Ke-jian,GAO Xiang,et al.Research progress on effect of microalloying
3、on microstructure and properties of Q&P steelJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):1-12.Research progress on effect of microalloying on microstructure and properties of Q&P steelZENG Jin1,LI Ke-jian1,GAO Xiang2,LIU Bo3,CAO Peng-jun1,MA Ming-tu2,4(1.School of Metallurgy an
4、d Materials Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 411331,China;2.China Automotive Engineering Research Institute Co Ltd,Chongqing 401120,China;3.School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;4.Zhongxin(Chongqing)Ultr
5、a-High Strength Materials Research Institute Co Ltd,Chongqing 401326,China)Abstract:Quenching and partitioning(Q&P)steel belongs to the third generation of advanced high-strength steel for automobiles,and is widely used in the fields of automobiles and special equipment.Alloying elements can imp
6、rove the carbon atom partitioning,grain size,microstructure distribution and transformation temperature point of the Q&P steel,thus improving the comprehensive properties of the Q&P steel.This paper summarizes the research progress on the effect of microalloying elements on the microstructur
7、e and properties of the Q&P steel,decribes the theoretical development of the Q&P steel,and expounds the relationship between the alloy composition,microstructure and mechanical properties of the Q&P steel.Finally,the future development trend of microalloying of the Q&P steel is pros
8、pected.Keywords:Q&P steel;microalloying;microstructure;mechanical property 随着社会经济发展的要求,钢铁材料的发展逐步向绿色、轻量化等方向发展。同时随汽车和特种装备轻量化和安全性能要求的提高,促进了先进高强度钢的快速发展。淬火配分(Q&P)钢属于第三代高强度钢,其特征是以高强度的体心立方(BCC)结构为基体,同时具有高稳定性面心立方(FCC)结构的复合组织,其抗拉强度可以达到 1200 MPa,并且断后伸长率可以达到 15%以上,因此,Q&P 钢因其良好的强韧性,而广泛应用于汽车关键零部件。Q&a
9、mp;P 钢的热处理工艺过程为:首先将试验钢加热至约奥氏体温度(约 900)保温,得到完全奥氏体化组织,接着又迅速冷却至马氏体转变起始温度(Ms点)-转变结束温度(Mf点)中间的温度区间,获得马氏体与奥氏体混合组织,然后在配分温度(PT)进行保温,使得碳原子 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷从马氏体基体中向奥氏体迁移,从而在室温下获得贫碳马氏体组织和富碳的残留奥氏体组织。为了进一步提高室温下残留奥氏体稳定性与体积分数,研究发现微合金元素(如 Mn、Si、Al、Cu 等)可以有效地提高残留奥氏体的稳定性和体积分数,且具有生产成本较低,加工周期较短的优点。基于此,本文综述了 Q&P工
10、艺理论的发展,阐述了微合金化对 Q&P 钢组织性能的影响,并对 Q&P 钢的进一步升级和后续发展进行了展望。1 Q&P 工艺理论发展 1960 年,Matas 等1研究发现在回火热处理时,试验钢体积分数为 50%的马氏体的碳浓度要比体积分数为 90%的马氏体试验钢低,利用 X 射线首次在室温下检测到残留奥氏体基体中明显的 C 元素富集。随着材料显微表征技术的提高,Thomas 等2-3又利用原子探针和场离子显微镜等手段发现钢在淬火完成后,在残留奥氏体中会存在富碳现象,论证了碳原子可由马氏体向奥氏体扩散。后来,徐祖耀院士等4-5对其进行了计算,在配分全过程中碳原子扩散速度
11、与马氏体形成速度保持一致,计算发现残留奥氏体中富碳均匀化时间晚于马氏体成形时间一个数量级,表明低碳马氏体形成时可能存在碳的扩散。2003年,Matlock 等6结合前期理论,首次提出 Q&P 处理工艺,其热处理工艺及组织演变过程如图 1 所示。Matlock 对该工艺机理的热力学和动力学做出了相关假定,在整个配分全过程中有如下 3 个约束条件:1)碳从马氏体向奥氏体分配的驱动力是马氏体与奥氏体中不等的化学势所引起,当碳在马氏体和奥氏体中的化学势相等时,就是 C 由马氏体向奥氏体迁移结束的时候;2)在整个碳分配过程中,马氏体/残留奥氏体的相界面基本保持不变,即相界面上的铁原子或者其他原子
12、不发生短程迁移;3)在碳分配完成的全过程中,不存在碳化物的析出,即全部的碳原子都用于增强奥氏体的富集度与稳定性。满足以上 3 个假设状态时,就满足碳配分热力学模型为“约束条件准平衡”(Constrained paraequilibrium)态,简称 CPE模型。随后,Hillert 及 Agren 等7-8通过对定义及适用条件进行相关讨论后,Matlock 将 CPE 模型更改为Constrain carbon equilibrium(CCE)模型,进一步更正了约束条件准平衡理论。钟宁9通过试验发现试验钢在 Q&P 处理过后,在奥氏体/马氏体相界面发生异动,从理论计算的角度验证 Q&a
13、mp;P 工艺处理过后,界面上铁原子存在扩散的热力学条件,修正了 CCE 热力学模型的限制条件(奥氏体/马氏体相界面不发生异动)。近年来,Dai 等10又新提出了置换型合金元素平衡理论 Local equilibrium(LE)模型,可以更准确地预测 C 元素的分配行为在相界迁移现象。以上理论为 Q&P 工艺的发展和优化奠定了坚实基础。图 1 Q&P 热处理工艺及组织演变过程示意图6Fig.1 Schematic diagram of Q&P heat treatment process and microstructure evolution process6(注:A
14、T、PT 分别代表奥氏体化温度、碳分配温度。Note:AT and PT respectively represent austenitizing temperature and carbon partitioning temperature.)2微合金元素对 Q&P 钢组织性能的影响 Q&P 钢组织形态、力学性能等都与钢中的合金成分有着密切联系。合金元素会直接影响 Q&P 钢中马氏体与奥氏体相变温度,其次还直接影响钢中残留奥氏体的稳定性。研究学者在 Q&P 钢中加入 Si、Mn、Al、Cu、Nb、V、Ti 等元素,证实可以大幅优化 Q&P钢的显微组织与
15、力学性能,相关学者与企业试制出部分改进型的 Q&P 钢的化学成分见表 111-20。但是,过多合金元素含量不仅成本过高而且还会恶化钢的力学性能,容易导致脆断以及裂纹的萌生,严重影响Q&P 钢的韧性。2.1 碳、锰、硅元素对 Q&P 钢的影响 C、Mn、Si 三种合金元素是 Q&P 钢系列的基本合金成分,会对 Q&P 钢的物理化学性能产生重要影响。同时,C 和 Mn 又是典型的奥氏体稳定元素,在 Q&P热处理过程中与奥氏体稳定性有关的问题得到了广泛的研究。Q&P 钢配分过程,C 元素提高往往带来 C 配分效果提高,使之强塑积提高。合理的配分
16、时间与配分温度能使 C 元素不但可以强化马氏体组织,还能2第 7 期曾 金等:微合金化对 Q&P 钢组织性能影响的研究进展 表 1 部分改进型 Q&P 钢的化学成分11-20Table 1 Chemical compositions of some improved Q&P steels11-20CMnSiPSAlTiCrMoNiVNbFeEdmonds110.21.541.5-3-Moor120.171.650.38-1.11-Zhang130.241.881.47-0.03-Raami140.200.650.350.0210.001-13.27-Q&P118
17、0150.22.51.50.0150.005-Wang160.32.941.570.00360.0390.0039-0.004-Peng170.22.111.49-0.810.035-0.220.045Q&P980150.1881.260.0130.0020.0450.0450.0040.0190.0070.015-Zhong180.21.51.50.0060.0050.044-0.130.003-0.05Ren190.291.491.470.26-0.09-0.03Dong200.250.290.390.0050.001-0.970.850.0260.0890.012Bal.固溶在奥
18、氏体基体当中来扩大 区,以增强残留奥氏体的稳定性。但是,单纯 C 含量的提高会导致在连续冷却过程中出现大量孪晶马氏体以及 C、Mn 化合物导致无法获得大量残留奥氏体,使钢的韧性显著降低21。为此,在淬火-配分(Q&P)工艺中 Mn 元素的添加与 C 元素协同配合可扩大具有马氏体-奥氏体微观复合相结构,是生成具有超高强度钢的新途径22-23。Khknen 等24研究了 C、Mn 在 Q&P 钢中的作用,发现当 Mn 含 量 恒 定 时,C 含 量 由 0.2 mass%增 加 到0.4 mass%,通过单轴拉伸试验评估试验钢的力学性能,表明屈服强度(Rp0.2)是随 C 含量增加
19、而增强,结果见图224。Maheswari 等25研究了3 种 C、Mn、Si 不同含量的Q&P 钢,Mn 含量越高,在拉伸试验中钢就越可以保留更多的残留奥氏体。通过场发射扫描电镜(FESEM)分析断裂显微组织可以看到材料的断裂截面出现更密 图 2 不同 C 含量试验钢的屈服强度随分配时间的变化24Fig.2 Variation of tensile strength of the experimental steels with different C contents with partitioning time24集细小的韧窝(图 3),从断口形态判定合适的 Mn 元素添加具有提
20、高 Q&P 钢强度和韧性的双重作用。图 3 试验钢断裂表面 FESEM 显微组织25(a)Mn-1.22;(b)Mn-1.57;(c)Mn-1.852Fig.3 FESEM microstructure of fracture surface of the experimental steels25(a)Mn-1.22;(b)Mn-1.57;(c)Mn-1.852 Grajacr 等26研究发现,Mn 含量每增加 1%,Ms就会降低约 30.4,使得奥氏体相区扩大,促使相变诱导塑性(TRIP)效应更容易发生。同时,Seo 等27利用三维原子探针层析成像技术(3DAPT)为中锰钢在 Q&
21、amp;P 加工过程中间隙 C 和置换 Mn 和 Si 的配分提供了直接的原子尺度证据,如图 4 所示。通过元素扩散模拟试验证实 Mn 元素还可以有效地抑制珠光体转变,并且 Mn 元素的均匀化程度随时间和温度增加而增加,尤其是在配分时间为 1800 s 以上时均匀化程度明显提高,这表明在 Q&P 工艺的分配阶段,发生了短程替代合金元素分配,与试验结果良好吻合。吝章国28采用热膨胀的试验并结合相变引起体积变化3 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷图 4 中 Mn 钢的板条马氏体微观结构中 3D 原子探针数据27(a)Fe、C、Mn、Si 和 Cr 的 3D 原子探针数据;(b)Mn、
22、Cr、Si 和 C 沿 C 原子图中箭头方向的浓度分布Fig.4 3D atom probe data in lath martensite microstructure of medium Mn steel27(a)3D atom probe data for Fe,C,Mn,Si and Cr;(b)concentration distribution of Mn,Cr,Si and C along the direction of the arrow in the C atom figure的晶体学理论方法研究了 Mn 元素配分规律,发现中Mn 钢经 Q&P 工艺处理后,中锰 Q
23、&P 钢表现出超细晶粒和亚稳态的变形特征,还观测到 Mn 元素在残留奥氏体中发生富集现象,通过力学试验测试,其抗拉强度达到 1200 MPa,伸长率为 36.2%,得到了良好的强韧性匹配关系。后来,赵征志等29通过扫描电镜(SEM)与电子背散射衍射(EBSD)手段对试验钢经过 450 配分 60 s 后进行显微分析,发现试验钢沿轧向存在一定的微区偏析,导致富 Mn 区的残留奥氏体为连续存在,其形态为小块为主,但其抗拉强度达到 1518 MPa、伸长率为 15.2%、强塑积为 23 GPa%。但是过量的 Mn 元素,虽然使残留奥氏体过于稳定,但是不利于相变诱导塑性(TRIP)机制发生,且
24、冶炼、轧制过程中易出现白点,降低了钢的塑韧性和焊接性。总之,Mn 元素的添加量与 Q&P 热处理工艺是决定材料显微组织的主要因素,对 Q&P 钢的性能影响显著。当钢中同时存在 Si 和 Mn 元素时,Si 元素既可以加剧 Mn 元素的富集,还能对 C 原子起到拖曳作用,从而避免贝氏体的生成,促进残留奥氏体的形成,为C 原子的配分行为提供有利条件。Linke 等30研究了含 Si 元素的 22MnB5 热冲压钢通过 Q&P 工艺处理后的显微组织变化。发现 Si 含量在 0.50.8 mass%时,虽然有效减缓了马氏体板条间的渗碳体沉淀析出,但是并不能有效地使残留奥氏体稳定
25、保留下来,只有当 Si 含量体积分数为 1.5%时,钢中的残留奥氏体(RA)体积分数才会明显增加,且钢的断后伸长率也随 Si 含量增加而增加。Ghosh 等31利用 Gleeble热模拟机进行 DQ&P 模拟,设计出一种合适的 DQ&P工艺路线。通过扫描电镜观测含 Si 钢的显微结构,发现有明显的链岛状碳化物析出(如图 5)31,且随Si 含量增多而减少,说明 Si 元素可以阻止碳化物的长大。高鹏飞32也研究了 Si 对 Q&P 钢的影响,发现Si 含量的变化会直接影响相变温度的变化。高 Si 含量的钢在临界温度区时,铁素体比例占比较高,有利于临界区等温时 C 原子在残
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