Q-P钢处理工艺及合金元素的影响

1、热处理工艺对Q-P钢微观组织和力学性能的影响王兆华摘要：传统淬火-回火工艺不能满足高强度钢对韧性的要求，Speer提出的淬火-分配(Q-P)工艺，使得在淬火钢内稳定存在一定量的残余奥氏体，实现了钢强度和韧性的优异配合。本文对Q-P钢的形成机制作了介绍，总结了国内学者对Q-P钢组织和力学性能的研究，提出Q-P钢目前发展所遇到的问题。关键词：Q-P钢；热处理；显微组织；力学性能近年来，汽车工业的快速发展对汽车用钢板提出了更高的性能要求，各种先进高强度钢(ASHH)、如双相钢(DP)、应变诱发塑性钢(TRIP)得到了迅速发展1。在生产高强度钢的热处理工艺中，淬火-回火工艺得到广泛应用，但是传统热处理

2、工艺因马氏体和残余奥氏体在回火过程中发生分解而未能充分利用到其组织的优越性能2-3。研究表明：合金钢在淬火过程中发生马氏体相变的同时碳原子会扩散到奥氏体中使其富碳，从而降低马氏体转变终了温度并使奥氏体稳定。经 Q- P处理后，钢的强韧性比TRIP钢 、双相钢 (DP)和一般淬火后的马氏体型钢优越4。1 Q-P钢的显微组织和形成机制1.1 Q-P钢的显微组织典型的Q-P钢的显微组织为马氏体+残余奥氏体。马氏体形貌随含碳量的不同，呈现出低碳马氏体和中碳马氏体的特征；残余奥氏体以两种形态分布在不同的位置，一种是以薄膜状分布在马氏体板条之间，另一种是以块状分布在原奥氏体晶界上2,5。残余奥氏体的量随着

3、Q-P处理中的保温温度和时间而改变：保温温度较低时，马氏体中会析出渗碳体，使奥氏体的量减少；在较高温度下，奥氏体会发生分解，形成无碳化物贝氏体。出现第一个峰后，随分配时间的延长，由于析出渗碳体或奥氏体分解，奥氏体量减少后，经奥氏体富碳，奥氏体量又出现第二个峰值，随后又减小直至零值4,6。图1 分配时间和分配温度对残余奥氏体量的影响1.2 Q-P钢的形成机制基于碳原子在较低温度下可在奥氏体和马氏体重新分配的原理，Speer提出了淬火-分配(Quenching&Partitioning )处理工艺。首先将钢板加热到高于A3点的某一温度TA，并保温一段时间；然后快冷至Ms和Mf之间的某一温度TQ并短

4、时间保温，使其产生一定量的马氏体；再继续冷却(一步处理)或加热至Tp并保温(两步处理)，最后快冷至室温3-4,7。在分配处理过程中，马氏体作为碳的过饱和固溶体，势必会降低含碳量以趋于稳定。马氏体降低含碳量的方式有两种：形成碳化物析出或以碳原子的形式扩散到未转变的奥氏体中。若钢中含有抑制碳化物形成元素如Si和Al，则马氏体只能通过碳原子向周围奥氏体中的扩散即“分配”来降低自身碳含量。奥氏体中含碳量增加，导致奥氏体的热稳定化，在冷却过程中不发生转变而稳定至室温。图2 Q-P处理工艺过程2 热处理工艺对Q-P钢性能的影响国内Q-P钢热处理工艺的研究还处于起步阶段，目前仍停留在实验室阶段，未能实现商业

5、化生产。国内研究单位主要有上海交大材料科学工程学院、北京科技大学高效轧制国家工程研究中心、钢铁研究总院等，主要研究方向是淬火温度、分配温度和分配时间。2.1淬火温度的影响对淬火温度的研究中，董辰等人8认为淬火温度较高或较低都不利于Q-P钢的性能。淬火温度低时，残留奥氏体含量较低，低碳钢塑性不好；淬火温度较高时，马氏体含量较低，奥氏体含量较高，但由于奥氏体中含碳量较低，在室温下不稳定。任康康9对Fe-0.29C-1.5Mn-1.45Al钢淬火温度研究表明：随着淬火温度提高，Q-P钢力学性能呈抗拉强度降低、伸长率提高的趋势，拉伸断口具有明显的韧性特征，这主要因为随淬火温度升高，残余奥氏体含量上升。

6、杨海峰10研究了C-Si-Mn系Q-P钢淬火温度对强度的影响发现：该钢种抗拉强度对淬火温度不敏感，而屈服强度随淬火温度的降低而升高。这是因为随淬火温度的降低，淬火过程中生成的马氏体含量越高，且低温下生成的马氏体组织更细密、位错密度更大、强度更高，从而使Q-P钢的屈服强度提高；而抗拉强度不但受淬火后初始马氏体组织的影响，还受到残余奥氏体加工硬化的影响。2.2分配温度和分配时间的影响对分配温度和分配时间的问题上，王建军等人11在研究了C-Si-Mn钢时发现存在最佳分配温度(350)和分配时间(300s)：在低于最佳分配时间时，强塑积随分配时间的增加而增加，达到300s之后强塑积随着时间增加而下降；

7、在达到最佳分配温度之前，强塑积随分配温度的提高而提高。董辰12-13对Fe-0.17C-1.40Si-1.48Mn-0.25Al钢的研究表明：随着分配温度的升高，Q-P钢的抗拉强度呈现逐渐下降的趋势，伸长率一开始是逐渐升高，在达到一定温度后呈下降趋势（如图3所示），这是因为随分配温度的升高，碳原子扩散速度增大，残余奥氏体中碳含量高于低温分配，而高于某一温度后，奥氏体中的碳化物会生成碳化物，使奥氏体中含碳量减少；随着分配时间的延长，抗拉强度逐渐下降，而伸长率逐渐上升，主要是由于随分配时间的延长，碳原子会从马氏体中扩散至残余奥氏体中，残余奥氏体更易于保留下来，从而其韧性增强。蒯鹏14在研究不同分配

8、时间对Fe-0.26C-1.40Si-1.70Mn钢时也发现：抗拉强度随分配时间的延长逐渐下降，伸长率随分配时间的延长逐渐上升，但是不同于文献12，其认为是试验钢淬火后的内应力逐渐消除，碳原子从马氏体中扩散出来，部分马氏体发生了分解，并且板条马氏体的板条内和板条界上的位错通过合并和重新排列，使位错密度显著降低所致。朱帅15在研究Fe-0.29C-1.47Si-1.49Mn-0.26Al Q-P钢的屈服强度时发现：该钢种的屈服强度随分配温度的提高而呈上升趋势，这是因为经过一段时间的分配（5min）,碳元素已经在残余奥氏体内均匀分布，并且在奥氏体中出现了少量贝氏体组织，贝氏体产生可以同时提高屈服强

9、度和抗拉强度。图3 分配温度和分配时间对伸长率和抗拉强度的影响最近，王存宇等16-17以CrNi3Si2MoV 钢为研究对象，在热变形的基础上进行Q-P处理，研究结果表明：(1)与传统两步Q-P工艺相比，热变形（30%变形量）+Q-P工艺复合作用下，试样显微组织细化，包括细化的马氏体板条和薄膜状的残余奥氏体，组织细化随着变形温度的降低而更明显，并且马氏体板条显示出典型的弯曲形貌特征。(2)热变形温度升高促使马氏体相变开始温度Ms升高，一定的塑性应变将提高晶内奥氏体的稳定性，促进残余奥氏体量增加而是马氏体含量降低。可见，与传统Q-P工艺相比，热变形+Q-P工艺处理的试样不但强度有所提高，而且延生

10、率也明显增加。变形产生的大量位错在淬火过程中被马氏体继承，以及变形导致的组织细化是导致强度提高的重要原因。徐祖耀18在Q-P工艺的基础上提出淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺。即在含一定Si量的钢中有意识地加入少量复杂碳化物形成元素(Ni、Mo)，使经碳分配处理外，再在一定温度下保温析出共格、弥散的复杂碳化物，呈现沉淀硬化。进一步提高了钢的强度，同时保证了钢的韧性。图4所示为Q-P-T工艺示意图。图4 Q-P-T工艺示意图3 Q-P工艺仍待解决的问题钢经过Q-P热处理后一定量的残余奥氏体，部分缓解了高强度钢的低韧性问题。但是Q-P钢的生产和发展还存在以下问题： 1)Q-P钢目前仅处在实验室研

11、究阶段，尚无法实验商业生产，主要是因为高强钢的加工和热处理设备、工艺和运行的问题尚未解决。 2)国内多数钢厂技术水平和设备仍无法满足高强钢对成分纯洁、均质的要求。 3) 钢的成分有一定的局限性，合金元素单一。对Q-P工艺的研究多数局限于改善TRIP钢或者硅含量较高的中碳钢的性能。钢中的合金元素主要为Si、Al。关于合金元素对碳化物尤其是过度碳化物析出的影响机理还不清楚。4 总结Speer提出“淬火-碳分配(Q-P)”工艺代替传统钢热处理的“淬火-回火(Q-T)”工艺，使得热处理后钢内保留了一定量的残留奥氏体，在不损失高强钢强度的同时，增加了钢的韧性。Q-P工艺无疑对解决国内高强钢发展困境提供了

12、可循之路。而目前国内外对于Q-P工艺的研究仍处于起步阶段，此时加大开发力度，实现Q-P钢的商业化生产，定能成为钢铁产业转型升级的突破口。参考文献1江海涛,唐荻,米振莉. 汽车用先进高强度钢的开发及应用进展J. 钢铁研究学报,2007,08:1-6.2赵才,江海涛,唐荻,赵松山,李辉. Q&P钢的显微组织及力学性能J. 机械工程材料,2009,07:91-94.3李阳,吕宇鹏,李士同,陈鹭滨,胡晓霞,王冲. 钢的淬火-分配(Q-P)处理研究现状与进展J. 金属热处理,2010,04:65-68.4徐祖耀. 钢热处理的新工艺J. 热处理,2007,01:1-11.5D. K. Matlock, V

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