热处理工艺对Q＆P钢微观组织及力学性能的影响.pdf

第3】卷第4期 2 0 0 9年7月 上 海 金属 SHANGHAI ME I'AI5 Vo1．31．No．4 1 July，2 0 0 9 热处理工艺对Q＆P钢微观组织及力学性能的影响 董辰 江海涛 陈雨来唐荻 程知松 (北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083) 【摘要】 Q&P(Quenching and Partitioning)超高强先进汽车用钢，具有优异的综合机械 性能。采用井式盐浴炉模拟Q&P钢的热处理工艺，并对其组织性能进行分析研究。结果表 明，Q&P热处理工艺决定Q&P钢的组织和力学性能，Q&P钢强塑积可以达到32016 MPa％。 其微观组织主要由板条马氏体和残留奥氏体组成，残留奥氏体呈膜状分布。 【关键词】 Q&P钢 热处理板条马氏体残留奥氏体力学性能 EFFECT oF HEAT TREATMENT oN MICRoSTRUCTURE ANDⅣ【ECHAMCAL PRoPERTIES oF QUENCHING AND PARTITIoNING STEEL Dong Chen Jiang Haitao Chen Yulai Tang Di Chen Zhisong (National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology， University of Science and Technology Beijing) 【Abstract】 Quenching and Partitioning(Q&P)steel is a kind of advanced super-high strength steel with excellent synthetic mechanical properties．The micmstructure and properties were studied by the heat treatment processes of Q&P steel simulated in salt bath furnace．The results showed that the mi— crostructure and mechanical properties of Q&P steel were determined by the quenching and partitioning processes，its strength and ductility could reach 32016MPa％．The main microstructure of Q&P steel was lath martensite and retained film austenite． 【Key Words】 Q&P Steel，Heat Treatment，Lath Martensite，Retained Austenite，Mechanical Property 世界上发达国家汽车工业的发展，尤其是轿 车生产的迅速发展，产生了两个主要问题：一是 汽车数量增多，车祸增多。因此要求有汽车安全 性保证，重要措施之一是汽车构件要显著增强； 二是能源紧张，因此要求汽车降低油耗、节约能 源。汽车安全、节能和环保的要求不断提高，车 身减重和改善碰撞性是当今汽车工业的两个主要 目标。资料表明，汽车自身质量每减小10％， 可节省燃油3％～7％…。 国内外钢铁企业都将高强度钢和超高强度钢 作为重点研究目标，这些先进汽车用钢是汽车减 重的重要途径，对节能、改善环境的意义是十分 巨大的。先后开发出如双相钢(DP钢，Dual Phase)、复相钢(CP钢，Complex Phase)、相变 诱导塑性钢(TRIP钢，Transformation Induced Plasticity Stee1)等，其强度约为500～1000MPa， 在汽车工业得到了广泛的应用 。近几年， J．G．Speer等b 提出了一种新工艺：淬火配分 (Quenching and partitioning)。此工艺可用来生产 具有TRIP效应的、高强度和高塑(韧)性的马 氏体钢，即Q&P钢，其室温组织是贫碳的板条 马氏体和富碳残留奥氏体，马氏体组织保证了钢 的强度，残留奥氏体由于在形变过程中发生相变 诱发塑性而提高了钢的塑性，钢的强度最高可以 基金项目：国家自然科学基金项目(50405015) 作者简介：董辰。男，北京科技大学，主要从事高强度汽车板Q&P钢的开发研究，E-mail：dc—ustb@yahoo．cn 2 上 海金属 第3l卷 达到1400MPa，而对应塑性仍可达l5％ J。 因Q&P钢是近年来才发展的超高强钢，国 内外相关研究报道较少。本文详细研究了不同热 处理工艺对Q&P钢组织性能的影响，旨在为 Q&P钢的工业生产提供可靠理论依据。 1 实验材料和方法 1．1 Q&P热处理工艺 Q&P热处理工艺示意如图1所示。图中rr^、 T0、TP、PT分别表示奥氏体化温度、淬火终点 温度、配分温度和配分时间。首先将试样加热到 奥氏体化温度T ，保温一段时问后，淬冷到Ms 和M，问的淬火终点温度Tn，在此等温一定时 间，产生适量的马氏体后，升温到配分温度rrp 并等温一段时间PT，让马氏体中的碳扩散到残 留奥氏体中去，使得残留奥氏体中的碳富集，在 室温下保持稳定。 时间／s 图1 Q&P工艺原理图 1．2实验材料 采用7．5 kg真空感应炉冶炼试验用钢，试 验用Q&P钢的主要化学成分(质量百分数)为： C 0．17、Si 1．40、Mn 1．48、A1 0．25、P 0．016。 热锻成20mm厚的板坯后在350四辊／二辊热轧实 验机上进行模拟轧制，得到厚度为3．5mm的热 轧板坯，最后经过七道次冷轧得到厚度为1．2mm 实验用冷轧钢板。 1．3热处理工艺 用盐浴法进行Q&P钢的热处理工艺研究， 工艺参数如表1所示，在910~c奥氏体化温度保 温120s后，以不同淬火终点温度、配分温度及 配分时间，研究热处理工艺参数对组织性能的影 响规律，具体试验方案见表1。将经过Q&P热处 理工艺后的试样按GB／T228—2002在MTS万能 试验机上做室温拉伸试验进行力学性能测试。 表1 热处理工艺参数 2试验结果分析及讨论 2．1 力学性能 按GB／T228—2002在MTS万能试验机上对经 过不同Q&P热处理的试验钢进行室温拉伸试验 测定力学性能。在淬火终点温度保温20s、配分 温度350℃、配分时间120s相同条件下，不同淬 火终点温度对力学性能的影响见图2，从图2可 见，随着淬火终点温度的提高，试验钢的抗拉强 度呈现逐渐下降的趋势，而延伸率却逐渐升高。 分析其原因是，随着淬火终点温度不同，试验钢 配分前的初始组织发生变化，并影响到最终得到 的马氏体和残留奥氏体的比例，从而影响了Q&P 钢的最终力学性能。 在相同淬火终点温度(245 oC)、相同保温时 to ＼ 鳗 鼎 硪 害 酋 ＼ 图2淬火温度对抗拉强度和延伸率的影响 第4期 董辰等：热处理工艺对Q&P钢微观组织及力学性能的影响 3 间(20s)、相同配分时间(120s)下，改变配分 温度试验的图3中可以看出，随着配分温度的升 高，Q&P钢的抗拉强度呈现逐渐下降的趋势， 延伸率起初是逐渐升高，在达到一定温度后呈下 降趋势。分析原因是随配分温度升高，碳原子的 扩散速度会增大，所以在等温120s的相同情况 下，配分温度为400~c时的残留奥氏体中的碳含 量要高于配分温度为300℃和350oC的，残留奥 氏体在室温下更稳定，所以配分温度从300℃至 400℃区间，随配分温度提高，延伸率呈现上升 的趋势。在400oC时强塑积达到最大值32 016 MPa·％。配分温度升至450℃时，由于温度过高， 可能有碳化物的生成，总碳含量不变情况下，这 就意味着减少了残留奥氏体中的碳含量，降低其 稳定性，则部分残留奥氏体就不能保留到室温， 在其后的冷却过程中发生转变，成为其它组织， 这样就减弱了最终Q&P钢变形情况下的TRIP效 应，从而降低了Q&P钢的延伸率。 憩 嘲 ＼ 图3 配分温度对抗拉强度和延伸率的影响 从图4可以看出，在245℃淬火终点温度和 350℃的配分温度下，随配分时间的增加，抗拉 强度呈现逐渐下降的趋势，而延伸率呈逐渐升高 的趋势。随配分时间的延长，碳原子会更好地从 马氏体中扩散到残留奥氏体中，残留奥氏体就更 易于保留下来，使其塑韧性增强。 m ＼ {趟 疆 害 餐 ＼ 图4配分时间对抗拉强度和延伸率的影响 2．2微观组织分析 针对工艺l2的试验钢采用光学显微镜 NEOPHPT一2100及CAMBRIDGE S一360型扫描电 镜进行微观组织观察，如图5。观察照片可以发 现，所得组织基体主要为马氏体。由于在扫描电 镜下不能清楚地分辨残留奥氏体，采用TEM一 2000FX型电镜进行精细结构观察，其精细结构 如图6所示。图6(a) 6(b)为试验钢经Q&P 工艺处理后典型的板条马氏体组织，且板条的亚 结构为高密度位错。试验钢组织主要是由交替排 图5 Q&P钢的典型组织 4 上 海 金 属 第3l卷 图6 Q&P钢的精细组织结构(透射电镜照片) (a)马氏体的位错结构，(b)马氏体及板条问残留奥氏体，(c)晶界处的块粒状残留奥氏体 列的两相组成，选区电子衍射花样证明分布其间 呈膜状组织的为A (残奥)，观察同一透射样品 还可发现少量的粒状残留奥氏体存在，见图6 (c)。这样的组织使得Q&P钢在具有更高强度的 同时也保持了较高的塑性和韧性。 3分析与讨论 3．1淬火温度对性能影响 试样在奥氏体化温度910℃保温120s，350oC 配分120s的条件下，随着淬火终点温度的提高， 试验钢的马氏体和奥氏体的比例与淬火终点温度 T。相关，淬火终点温度的高低决定初始奥氏体 百分含量的多少。不同的Tn下，马氏体形成分 数f与淬火终点温度T之间的关系可用Koistinen— Marburger…公式描述： 厂=1一exp[a( 一 )] (1) 经过分析发现，淬火终点温度越低，得到的 马氏体含量就越多，残留奥氏体含量就越少，所 以Q&P钢的强度就随着淬火终点温度的降低而 增高，但是由于残留奥氏体量低，塑性不高。随 着淬火终点温度提高，马氏体含量减少，残留奥 氏体含量增多，强度降低，但塑性趋好。过高的 T0使淬火后马氏体体量较少，Q&P热处理后， 残留奥氏体含碳量可能较低，在室温下分解成珠 光体和铁素体，最终马氏体和残留奥氏体量都不 高，所以，Q&P钢力学性能的变化是由于淬火 温度的变化改变了试验钢配分前的初始组织，进 而影响了Q&P钢的最终力学性能。 3．2配分温度对性能的影响 在其他处理参数一样的情况下，随着配分温 度的升高，Q&P钢的抗拉强度呈现逐渐下降的 趋势，而延伸率开始是逐渐升高，在达到一定配 分温度后又呈下降趋势。在配分温度为300~c、 350℃和400oC时，120s的时间可能不足以使马氏 体的碳原子充分扩散到残留奥氏体中。随配分温 度升高，碳原子的扩散速度会增大，所以配分温 度为400oC时比配分温度为300oC和350oC时马氏 体中的碳原子更容易扩散到残留奥氏体中，同时 都等温120s的情况下，配分温度为400~c时的残 留奥氏体中的碳含量要高于配分温度为300~c和 350 oC时的残留奥氏体中的碳含量，所以配分温 度为400oc的Q&P钢中马氏体少于配分温度为 300oC和350oC时的Q&P钢，而残留奥氏体含量 则相反。由此可以解释在300c《二到400℃的配分 温度内，随配分温度的升高，由于马氏体含量减 少，残留奥氏体量增加，所以抗拉强度呈现下降 的趋势，而延伸率则呈现上升的趋势。但在配分 温度达到450％时，由于温度过高，即使在有si 的情况下也有可能发生碳化物的生成，这样就减 少了残留奥氏体中的碳含量，降低其稳定性，则 残留奥氏体就不能完全保留到室温，而转变成其 它组织，也因此减弱了TRIP效应；在450oC的高 温下甚至还会发生其它组织转变，如贝氏体转 变，同样也使配分后的奥氏体含量减少。所以， 在配分温度过高的情况下，反而减少了最终残留 奥氏体的含量，从而使Q&P钢的延伸率出现下 降。 3．3配分时间对性能的影响 从图4中可以看出，在350℃的配分温度下， 随配分时间的增加，抗拉强度呈现逐渐下降的趋 势，而延伸率呈逐渐升高的趋势。在120s到 300s的配分时间内，性能的变化趋势比较大，在 第4期 董辰等：热处理工艺对Q&P钢微观组织及力学性能的影响 5 其它配分时间范围内，性能相对来说变化不大。 在350℃的配分温度下，不足以发生其它相变或 碳化物的析出，因此随配分时间的延长，从马氏 体中扩散到残留奥氏体中的碳原子更多，也更均 匀分布于残留奥氏体中，则残留奥氏体就更容易 保留下来。这也是Q&P钢的抗拉强度随配分时 间增加而减小，延伸率随配分时间增加而增大的 原因。本试验中配分时间对强塑积的影响规律是 随配分时间延长，强塑积增大，即在配分时间分 布为60s、120s、300s和600s时，其强塑积分别 为18105 MPa％、21000 MPa％、25760 MPa％和 30227 MPa％。配分时间为600s时的强塑积明显 高于其它配分时间下的强塑积。 4结论 (1)Q&P钢具有高强度和高塑性，成分(质 量百分数)为0．17C，1．48Mn，1．41Si，0．25A1 的Q&P钢，经适当工艺处理，其强塑积可以达 到32016 MPa％。 (2)通过实验验证了淬火终点温度低时，残 留奥氏体含量较少，钢的塑性不好；淬火终点温 度过高时，马氏体含量减少，奥氏体含量增多， 但由于奥氏体中碳含量较低，在室温下不稳定。 (3)配分温度过低不能保证马氏体中的c较 好地扩散到奥氏体中去，配分温度过高的情况， 会发生部分相变，也会影响最终残留奥氏体的含 量，从而降低Q&P钢的延伸率。 间有利于碳的扩散，能保证碳原子由马氏体向残 留奥氏体的富集，从而使试验钢拥有良好的强塑 积。 参考文献 [1]Senuma T．Ph ysjca}metallurgy of modern high strength steel sheets [J]．ISIJ 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