清華大學Acta：快速加熱高強鋼
2020-12-21 來源：Goal Science
近日，清華大學材料學院陳浩副教授（通訊作者）聯合德國波鴻大學和寶鋼研究院，探索了快速加熱對初始組織為珠光體和鐵素體的Q&P鋼組織和性能的影響，并結合相場模擬，深入闡述了冷卻及后續QP過程中的組織演變和元素配分行為，相關成果以“On the role of chemical heterogeneity in phase transformations and mechanical behavior of flash annealed quenching & partitioning steels”為題發表在期刊Acta Materialia上。該文章重點關注了快速加熱Q&P工藝下非均質奧氏體的形成機理及其對TRIP效應和力學性能的影響。文章的第一作者為清華大學材料學院劉賡博士。
本研究中的Q&P鋼成分為Fe-0.2C-1.8Mn-1.4Si（wt.%），初始組織為冷軋鐵素體+珠光體，其中珠光體區域的滲碳體中存在強烈的Mn富集，如圖1所示。
圖1 Q&P鋼的初始組織以及珠光體中的Mn分布
快速加熱QP（FQP）和傳統QP（CQP）工藝的熱處理參數如表1所示，其主要區別在于QP工藝前的奧氏體化參數。CQP工藝奧氏體化加熱速率為5℃/s，奧氏體化時間為120s，FQP工藝奧氏體化加熱速率為300℃/s，奧氏體化時間為30s。不同的保溫時間保證了CQP和FQP樣品均能得到~80%的逆轉變奧氏體。
表1 樣品的熱處理參數
圖2 CQP, FQP1, FQP2, FQP3樣品的EBSD表征。FQP樣品的組織更細小且奧氏體的晶體學取向更混亂（奧氏體爆發式形核的結果）
圖3 FQP1（a-f）和FQP3（g-l）樣品中殘余奧氏體的成分不均勻性
QP980成分的鋼，在快速加熱的加持下，力學性能可以實現從QP980到QP1180級別的提升，體現了快速加熱的巨大優勢。
圖4 FQP和CQP樣品的力學性能
FQP3樣品中的塊狀殘余奧氏體存在Mn元素的不均勻性，在拉伸過程中逐步轉變為馬氏體，能夠提供持久的加工硬化能力，有利于在高的強度水平下保證可觀的延伸率。
圖5 FQP3樣品中的殘余奧氏體在拉伸過程中的轉變行為
圖6 傳統加熱和快速加熱過程中的組織演變示意圖
圖7 FQP和CQP樣品從奧氏體化溫度冷卻到淬火溫度過程中的組織演變和碳配分行為的相場模擬
圖8 FQP樣品配分過程中的組織演變和碳配分行為
圖9 FQP過程中的相變行為及殘余奧氏體的力學響應示意圖
本工作系統地研究了快速加熱對Q&P鋼相變和力學行為的影響，重點關注了快速加熱過程中非均質奧氏體的形成以及后續冷卻過程和QP過程中的組織演變和元素配分。由于組織的細化和非均質殘余奧氏體的存在，FQP樣品的力學性能遠超CQP樣品。本工作展示了快速加熱的巨大潛力和非均質奧氏體對力學性能的積極貢獻，對高強鋼的熱處理工藝和組織的優化設計有一定的指導意義。
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