CBE概念新應用|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，亞穩相殘余奧氏體對綜合力學性能的提升有著至關重要的作用。變形過程中，殘余奧氏體在應力/應變作用下發生馬氏體轉變，為材料提供良好的加工硬化能力，即TRIP（TRansformation Induced Plasticity）效應。TRIP效應對力學性能的貢獻與殘余奧氏體含量和機械穩定性有著密切的關系。因此，通過熱處理工藝，在盡量減少合金元素添加（材料素化）的情況下優化殘余奧氏體的特性，對于工業生產和科學研究具有重大意義。
淬火-配分（Quenching-Partitioning，QP）工藝自提出以來就受到了工業界和科研人員的高度重視。為了使材料在較高的應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定性。然而，傳統的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定性呢？
近日，韓國浦項科技大學的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定性，力學性能也得到了大幅度的提升，相關成果發表在期刊Materialia上，題目為“Quenching and partitioning (Q&P) processed medium Mn steel starting from heterogeneous microstructure”。傳統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進行超短時間奧氏體化（900℃/1s），保留奧氏體中的化學界面（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。此工作和清華大學提出的化學界面工程（Chemical Boundary Engineering, CBE）理念和工藝有異曲同工之妙（清華大學最新研究：金屬強化新突破——揭秘CBE強化機理）。研究發現，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數的傳統QP樣品（淬火溫度80℃）相比，屈服強度提高了~300MPa，抗拉強度相當，延伸率提高了~6%。
傳統QP工藝淬火溫度為80℃時得到的殘余奧氏體體積分數和新型QP工藝淬火溫度20℃時相當（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出兩次馬氏體轉變，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。貧Mn的奧氏體先發生馬氏體轉變（245℃），隨后富Mn的奧氏體發生馬氏體轉變（118℃）。新型QP工藝得到的殘余奧氏體的體積分數遠遠高于傳統QP工藝處理的樣品。
圖1 （a）傳統QP工藝 (Conv Q&P) 和新型QP工藝 (Hetero Q&P) 示意圖；（b）傳統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實驗數據，虛線為計算結果。（b）和（c）兩種工藝得到的殘余奧氏體體積分數相似（0.22~0.23），插圖為第一次淬火過程中樣品長度變化關于溫度的一階導。
傳統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QP鋼組織示意圖
在奧氏體體積分數相似的情況下，新型QP鋼中的奧氏體機械穩定性更高，屈服強度和延伸率得到了較大幅度的提升。
圖3 （a）傳統QP鋼（淬火溫度80℃）和新型QP鋼（淬火溫度25℃）的力學性能曲線和奧氏體體積分數的演化；（b）兩種鋼的加工硬化行為
通過對變形組織的TEM表征發現，新型QP鋼中的奧氏體在變形過程中表現出TRIP和TWIP效應的雙重強化，對材料的力學性能有極大貢獻。
圖4 新型QP鋼（淬火溫度25℃）的變形組織，應變為8%。（a）奧氏體暗場像；（b）變形孿晶暗場像；（c）應變誘導馬氏體相的暗場像；（d）對應的衍射斑
本文利用快速加熱技術，在奧氏體中引入化學界面，影響后續的馬氏體相變行為。不均勻Mn元素分布優化了QP中錳鋼組織，極大地提升了殘余奧氏體體積分數及其機械穩定性。同時，變形過程中奧氏體相表現出來的TRIP和TWIP效應的雙重強化，有益于力學性能的進一步提升！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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