【經典回顧】利用奧氏體“化學圖案法”調控先進高強鋼微觀組織
2020-08-18 來源： Goal Science
第三代先進高強鋼設計的關鍵在于奧氏體穩定性的調控，通過優化應力/應變誘導奧氏體向馬氏體的轉變來實現優異的綜合力學性能。奧氏體的穩定性取決于晶粒尺寸、形狀以及周圍環境，但主要的影響因素是化學成分，特別是C和Mn的含量。中錳鋼，作為第三代先進高強鋼，目前的熱處理工藝主要是淬火配分工藝（QP工藝）和臨界退火工藝。QP工藝通常利用低溫下（250-500℃）C的配分來穩定奧氏體，置換Mn元素不發生長程配分。此過程中不可避免地伴隨著碳化物在馬氏體中析出，導致碳向奧氏體中的不完全配分。對于臨界退火工藝，在鐵素體/奧氏體兩相區（600-900℃），C和Mn元素從鐵素體向奧氏體中擴散來穩定奧氏體。此工藝下，最終的微觀組織和力學性能對臨界退火工藝和初始組織很敏感。
在本工作中，研究人員提出了一種新型熱處理工藝，調控亞穩奧氏體的穩定性和空間分布。此工藝以貧Mn鐵素體和富Mn滲碳體的片層狀珠光體為初始組織，將其快速加熱到奧氏體單相區；快速加熱以及極短時間的保溫抑制Mn元素的長程擴散，使高溫奧氏體保留原珠光體中Mn元素的成分“圖案”；具有成分“圖案”的高溫奧氏體冷卻后將“復刻”原珠光體的片層狀結構，得到超細鐵素體/馬氏體和富Mn亞穩奧氏體相間分布的組織。研究人員將此工藝應用到中碳中錳鋼Fe-0.51C-4.35Mn（wt.%）中，新型的多相組織使得其力學性能可以和超級貝氏體（super bainite）相媲美。此工作以“Advanced high strength steel (AHSS) development through chemical patterning of austenite”為題于2018年發表在期刊Scripta Materialia，通訊作者為莫納什大學教授C.R. Hutchinson，一作孫文文現為中南大學材料學院教授。
圖1 （a）工程應力應變曲線；（b）真應變硬化率隨真應力的變化曲線
圖2 STEM明場像和能譜成分線掃結果：（a, b）初始珠光體組織；（c, d）770℃/20s奧氏體化后空冷組織；（e, f）770℃/20s + 400℃/30s處理后的組織
圖3 不同熱處理階段和拉伸試驗后XRD測得的各相含量：（a）770℃/20s奧氏體化后空冷，奧氏體含量為~18.5%；（b）770℃/20s + 400℃/30s處理后，奧氏體含量~9.69%；（c）奧氏體在試樣變形過程中全部發生了轉變。
表1 XRD測得的不同熱處理工藝和拉伸試驗后的奧氏體體積分數
奧氏體化后的回火處理對組織和性能也有很大的影響。回火會軟化新生馬氏體，釋放內應力，降低基體的脆性。同時，較高溫度回火（400℃, 500℃）會造成奧氏體分解，降低奧氏體的含量。在本工作中，300℃回火既能軟化基體又能保持殘余奧氏體的穩定性。值得注意的是，本工作的奧氏體穩定性不僅取決于C和Mn的含量，奧氏體的幾何形貌也會強烈影響其穩定性。
本研究工作提出了利用“化學圖案法”開發第三代中錳先進高強鋼的理念，將珠光體組織快速奧氏體化+后續回火處理制造出了奧氏體+鐵素體的超細層狀結構，獲得了超高抗拉強度（1600-2000MPa）和良好的塑性（7-10%的延伸率）。
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