CBE概念新應(yīng)用|快速加熱助力中錳鋼QP新工藝!
2020-07-09 來源：Goal Science
在先進高強鋼(Advanced High Strength Steel, AHSS)中，亞穩(wěn)相殘余奧氏體對綜合力學(xué)性能的提升有著至關(guān)重要的作用。變形過程中，殘余奧氏體在應(yīng)力/應(yīng)變作用下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，為材料提供良好的加工硬化能力，即TRIP（TRansformation Induced Plasticity）效應(yīng)。TRIP效應(yīng)對力學(xué)性能的貢獻(xiàn)與殘余奧氏體含量和機械穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。因此，通過熱處理工藝，在盡量減少合金元素添加（材料素化）的情況下優(yōu)化殘余奧氏體的特性，對于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重大意義。
淬火-配分（Quenching-Partitioning，QP）工藝自提出以來就受到了工業(yè)界和科研人員的高度重視。為了使材料在較高的應(yīng)變下仍具有高加工硬化率，從而獲得高塑性，研究人員不斷創(chuàng)新熱處理工藝，希望能進一步提高殘余奧氏體含量及其機械穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)的QP工藝，Mn元素很難配分到奧氏體中，這“白白浪費”了其作為奧氏體穩(wěn)定化元素的角色。
那如何能充分利用Mn元素的作用，進一步提高材料中殘余奧氏體的含量和機械穩(wěn)定性呢？
近日，韓國浦項科技大學(xué)的Dong-Woo Suh教授團隊在中錳鋼體系（Fe-0.28C-5.7Mn-1.5Si）中提出了一種新型的QP工藝（heterogeneous Q&P），在保持基體成分不變的情況下，同時提高了殘余奧氏體的含量和機械穩(wěn)定性，力學(xué)性能也得到了大幅度的提升，相關(guān)成果發(fā)表在期刊Materialia上，題目為“Quenching and partitioning (Q&P) processed medium Mn steel starting from heterogeneous microstructure”。傳統(tǒng)QP工藝的前處理為完全奧氏體化（900℃/10min），Mn元素在基體中為均勻分布。在新型QP工藝中，研究人員先將材料在兩相區(qū)退火（670℃/30min），形成貧Mn鐵素體+富Mn奧氏體的雙相組織，然后快速加熱到單相區(qū)進行超短時間奧氏體化（900℃/1s），保留奧氏體中的化學(xué)界面（元素的不均勻分布），最后進行淬火配分處理。淬火溫度（TQ）為25℃~140℃，配分工藝為450℃/10min。此工作和清華大學(xué)提出的化學(xué)界面工程（Chemical Boundary Engineering, CBE）理念和工藝有異曲同工之妙（清華大學(xué)最新研究：金屬強化新突破——揭秘CBE強化機理）。研究發(fā)現(xiàn)，以Mn不均勻分布的奧氏體作為初始組織，QP處理后的樣品，即使淬火到室溫，最終也能得到~20%殘余奧氏體。和相似奧氏體體積分?jǐn)?shù)的傳統(tǒng)QP樣品（淬火溫度80℃）相比，屈服強度提高了~300MPa，抗拉強度相當(dāng)，延伸率提高了~6%。
傳統(tǒng)QP工藝淬火溫度為80℃時得到的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)和新型QP工藝淬火溫度20℃時相當(dāng)（0.22~0.23），如圖1（b）和（c）所示。第一次淬火過程中，新型QP工藝處理的樣品表現(xiàn)出兩次馬氏體轉(zhuǎn)變，如圖1（c）所示，這和淬火之前奧氏體中Mn的不均勻分布有關(guān)。貧Mn的奧氏體先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（245℃），隨后富Mn的奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（118℃）。新型QP工藝得到的殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)QP工藝處理的樣品。
圖1 （a）傳統(tǒng)QP工藝 (Conv Q&P) 和新型QP工藝 (Hetero Q&P) 示意圖；（b）傳統(tǒng)QP工藝膨脹儀曲線（淬火溫度為80℃）；（c）新型QP工藝膨脹儀曲線；（淬火溫度為25℃）（d）殘余奧氏體含量隨淬火溫度（TQ）的變化，實線為XRD實驗數(shù)據(jù)，虛線為計算結(jié)果。（b）和（c）兩種工藝得到的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)相似（0.22~0.23），插圖為第一次淬火過程中樣品長度變化關(guān)于溫度的一階導(dǎo)。
傳統(tǒng)QP鋼中，奧氏體和馬氏體之間Mn元素均勻分布；而新型QP鋼中，奧氏體和馬氏體之間存在Mn元素的“配分”。
圖2 （a）傳統(tǒng)QP鋼的EBSD相分布圖：淬火溫度為80℃；（b）沿（a）中紅線的Mn元素分布；（c）新型QP鋼的EBSD相分布圖：淬火溫度為25℃；（d）沿（b）中紅線的Mn元素分布；（e）新型QP鋼中奧氏體和馬氏體的STEM表征；（f）沿（e）中紅線的Mn元素分布；（g）新型QP鋼組織示意圖；（h）傳統(tǒng)QP鋼組織示意圖
在奧氏體體積分?jǐn)?shù)相似的情況下，新型QP鋼中的奧氏體機械穩(wěn)定性更高，屈服強度和延伸率得到了較大幅度的提升。
圖3 （a）傳統(tǒng)QP鋼（淬火溫度80℃）和新型QP鋼（淬火溫度25℃）的力學(xué)性能曲線和奧氏體體積分?jǐn)?shù)的演化；（b）兩種鋼的加工硬化行為
通過對變形組織的TEM表征發(fā)現(xiàn)，新型QP鋼中的奧氏體在變形過程中表現(xiàn)出TRIP和TWIP效應(yīng)的雙重強化，對材料的力學(xué)性能有極大貢獻(xiàn)。
圖4 新型QP鋼（淬火溫度25℃）的變形組織，應(yīng)變?yōu)?%。（a）奧氏體暗場像；（b）變形孿晶暗場像；（c）應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相的暗場像；（d）對應(yīng)的衍射斑
本文利用快速加熱技術(shù)，在奧氏體中引入化學(xué)界面，影響后續(xù)的馬氏體相變行為。不均勻Mn元素分布優(yōu)化了QP中錳鋼組織，極大地提升了殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)及其機械穩(wěn)定性。同時，變形過程中奧氏體相表現(xiàn)出來的TRIP和TWIP效應(yīng)的雙重強化，有益于力學(xué)性能的進一步提升！快速加熱能“魔力”般地改變材料的組織，相信在未來大有可為！
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589152920301745
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