超高强度钢Q-P-T工艺

   日期:2017-06-28     来源:每天学点热处理    浏览:214    评论:0    
    为节约能源和原材料及环境保护,急须提高钢件强度、减轻钢制品重量,降低钢铁产量。根据高强度钢应具备的显微组织,作出超高强度钢的成分和热处理工艺设计。Speer等提出的淬火-碳分配(Q&P)工艺,使淬火钢中含有马氏体基体以提高强度,和适量的残余奥氏体为相当的塑性和韧性作出贡献。这在Fe-Mn-Si(Al)TRIP钢中获得证明。含Ni的中碳钢中也显示Q-P工艺的有效性。为使淬火钢具有更高的强度,引入复杂碳化物沉淀强化机制,改造Q-P工艺,发展出淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)热处理的新工艺。和Q-P工艺阻碍碳化物析出不同,在Q-P-T钢中加入碳化物形成元素,如Nb或(和)Mo,在Q-P-T处理中须使马氏体基体上析出复杂碳化物,以进一步增加钢的强度。

    Q-P-T钢的显微组织、成分和热处理设计
    为获得具有相当韧性、抗拉强度接近或超过2000MPa,且价格较低廉的超高强度钢,其显微组织宜为: 较薄纳米级的条状马氏体,包有相当厚度的残余奥氏体,以此为基体,析出细微的复杂碳化物,但不含渗碳体,并且其奥氏体晶粒应细化。由此其成分(wt%)设计为:含C﹤0.5%,1%~2%Mn或(和)Ni以降低Ms并呈固溶强化,1%~2%Si(或~1%Al)以阻碍渗碳体的析出;加入0.02%Nb或(和)0.2%Mo,使奥氏体化时晶粒细化,回火时弥散析出碳化物。设计的Q-P-T热处理工艺为:较低温度奥氏体化,淬火至一定温度(QT)以获得适量的马氏体。Magee-Koistinen-Marburger公式表示钢的Ms、淬火温度(Tq或本文的QT)和所得的马氏体分数f间的关系。

                                                               f=1-exp[-1.10×10-2(Ms-Tq)](1)

    对碳钢,淬火温度或马氏体量为决定钢最终强度的主要因素之一。条状马氏体形成时,碳可能由马氏体扩散(分配)至邻近奥氏体。在淬火温度,也可能自马氏体沉淀出ε(η)过渡碳化物。为使更多残余奥氏体富碳,并稳定至室温,常用较高(Ms以上)温度停留、进行碳分配。复杂碳化物的沉淀可在分配温度(PT)下进行,也可在PT较高或略低温度下(TT)进行。最后水淬至室温(RT)。热处理的示意图如图1所示。

    淬火温度(QT)、分配温度(PT)和在分配温度下停留的时间,以及回火(沉淀)温度(TT)和时间、决定马氏体量及其碳含量,以及残余奥氏体量及其含碳量,从而决定钢的强度、断后伸长率和韧性。

    Q-P-T工艺的热力学和动力学

    Rao和Thomas以高分辨电镜,及Thomas和Sarikaya以场离子显微镜原子探针揭示:低碳条状马氏体为富碳残余奥氏体所包围。本文作者等早在1983年就指出:由于碳在bcc马氏体和fcc奥氏体中溶解度的不同,低碳马氏体形成时,碳将由马氏体扩散到奥氏体,按一些文献中的数据,可将碳在两相中的分配如图2所示。

    在淬火-碳分配-回火处理中,除碳扩散和碳化物沉淀外,还可能发生其他相变,尤其在较长时间保温时,奥氏体还将转变为贝氏体铁素体(无碳化物贝氏体)。碳扩散到奥氏体(图2)的动力学,由Fick定律计算,或以DICTRA软件作计算。在Q-P-T过程中,碳扩散(分配)、碳化物沉淀和贝氏体相变的综合动力学需另辟蹊径,加以描述。如本文作者所指出:Speer等提出Q-P工艺热力学基础为限制条件准平衡(CPE),后改称限制条件碳平衡(CCE),其前提是:在分配过程中,(1)仅碳原子作长程扩散,(2)碳化物析出被完全抑制,(3)马氏体/残余奥氏体的相界面保持不变;这不为事实所支持。因此,由CCE模型计算所得结果与实验值存在较大差值。如经Q-P处理后残余奥氏体量的理论预测值比实验值高达一倍,如图3。可见,在Q-P工艺中,碳不能由马氏体“完全”分配至奥氏体。事实上,在Q-P过程中,不但有碳化物析出,而且近来实验证明,马氏体/残余奥氏体的相界面明显迁动。Speer等对此表示认可,认为这使状况更复杂化。
    Q-P-T工艺热力学是以稳态平衡为基准,计算碳化物沉淀和贝氏体相变的ΔG,以ΔG=0求得上述两个相变的临界温度。马氏体/残余奥氏体的数量及它们的含碳量都因发生上述两个相变而改变。Q-P-T动力学待以后进一步讨论。

    Q-P-T工艺的应用及其功效

    将上述设计的大致成分0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb(质量分数,%)钢进行如下的Q-P-T处理: 850℃奥氏体化300s,淬火至95℃盐浴保温10s,再经400℃盐浴分别保温10s,30s,60s,300s进行碳分配及碳化物沉淀后水淬至室温。经400℃保温10s分配后呈现抗拉强度达2160MPa和断后伸长率11%;这可能是含碳量小于0.5%、具相当塑性的最高强度级马氏体钢。保温小于60s的保持抗拉强度大于2000MPa。残余奥氏体量在淬火态为4.1%,经400℃分配10s后增至6.4%,足见碳分配的功效;随保温时间延长,因发生其他相变,残余奥氏体量将递减。实验揭示,因复杂碳化物的析出,钢的抗拉强度比淬火态的增高130MPa,显示回火沉淀强化的作用。此钢在Q-P-T处理中显微组织和性能变化的详情将另文发表。初步研究又显示:钢经Q-P-T处理后强度和塑性的综合性质优于双相钢、TRIP钢、一般马氏体型钢、Q-P钢和经Q-P处理的含Ni钢的性质;见图4(以[17]中Fig4为基础,加入Q-P-T钢)。Q-P-T钢的成分和热处理工艺还待进一步优选。

    结论

    设计含碳小于0.5%,1%~2%Si(或~1%Al)(质量分数)、低合金元素Mn(Ni)和碳化物形成元素Nb或(和)Mo钢,经淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)热处理,能获得抗拉强度达>2000MPa和断后伸长率>10%。Q-P-T工艺较Q-P工艺能使钢获得较高强度。详情需进一步研究。


 
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