隨著汽車(chē)制造業(yè)發(fā)展以及鋼鐵冶金技術(shù)的不斷提升, 超輕型高強(qiáng)度汽車(chē)用鋼的開(kāi)發(fā)與研究已歷經(jīng)了3個(gè)階段的發(fā)展. 從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始無(wú)間隙原子(IF)鋼的廣泛研究, 隨后發(fā)展了低合金高強(qiáng)度(HSLA)鋼、雙相(DP)鋼[
當(dāng)前在Q&P鋼的生產(chǎn)中, 為保證獲得超高強(qiáng)度以及較多的殘余奧氏體, 采取的是提高鋼中C的添加量的方法, 一般C含量都要在0.3%~0.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))[
因此, 本工作以C-Si-Mn系高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象, 圍繞提高殘余奧氏體含量及其機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)題, 開(kāi)展合金元素配分工藝及微觀組織控制的研究. 采用在雙相區(qū)保溫+奧氏體化淬火+低溫退火的熱處理工藝, 就Mn元素雙相區(qū)配分行為對(duì)組織演變及力學(xué)性能的影響進(jìn)行了表征. 對(duì)探索合金元素配分的理論和機(jī)制有重要意義, 為當(dāng)前開(kāi)發(fā)適用于汽車(chē)輕量化發(fā)展需求的先進(jìn)高強(qiáng)鋼提供實(shí)踐基礎(chǔ).
1 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)用鋼采用50 kg真空熔煉爐冶煉, 其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)為: C 0.20, Si 0.37, Mn 1.28, P 0.0032, S 0.0014, B 0.0018, 余量為Fe. 實(shí)驗(yàn)鋼的Ac3=844 ℃, Ac1=718 ℃, Ms=345 ℃(Ac3為加熱時(shí)先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的終了溫度, Ac1為加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度, Ms為冷卻時(shí)馬氏體初始轉(zhuǎn)變溫度). 將冶煉后鋼錠鍛造并剪切成50 mm×50 mm×100 mm方坯, 在二輥熱軋實(shí)驗(yàn)機(jī)上軋制得到厚度為3.5 mm的熱軋板坯, 經(jīng)5道次冷軋得到厚度為1.5 mm鋼板.
圖1a為雙相區(qū)保溫后直接淬火(I&Q)的工藝流程圖, 采用雙相區(qū)760 ℃進(jìn)行保溫加熱, 保溫時(shí)間為600, 1000, 1300和1500 s, 使之生成一定比例的鐵素體和奧氏體, 通過(guò)保溫使Mn元素由鐵素體向奧氏體中進(jìn)行擴(kuò)散, 之后水淬到室溫, 通過(guò)觀測(cè)室溫下Mn元素在鐵素體和馬氏體兩相中的元素分布, 驗(yàn)證雙相區(qū)的元素配分行為. 圖1b為傳統(tǒng)淬火+低溫退火(Q&P)處理工藝流程圖, 將實(shí)驗(yàn)用鋼加熱到奧氏體化溫度(AT=930 ℃)并保溫120 s, 使之完全奧氏體化, 然后采用鹽浴淬火使其快速冷卻到Ms~Mf (Mf為冷卻時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度)之間的某一溫度(奧氏體化后冷卻時(shí)淬火溫度QT=220 ℃, 由馬氏體含量計(jì)算公式Krauss-Koistinen-Marburger公式[

圖1
Fig.1 不同熱處理工藝流程圖
將試樣經(jīng)不同工藝處理, 經(jīng)過(guò)研磨、拋光和4%硝酸酒精(體積分?jǐn)?shù))浸濕后, 采用Axiovert200MAT光學(xué)顯微鏡(OM)和S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)進(jìn)行顯微組織觀察及分析; 采用線(xiàn)切割按照GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)制取拉伸實(shí)驗(yàn)樣品, 在WBW-600B液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn); 利用D/MAX2500PC X射線(xiàn)衍射儀(XRD)分析實(shí)驗(yàn)用鋼中的殘余奧氏體, 實(shí)驗(yàn)參數(shù)為: Cu靶, 步寬0.02°, 功率40 V, 電流150 mA, 實(shí)驗(yàn)角度范圍60°~100°, 速度10 °/min, 測(cè)定精確的衍射角2θ和積分強(qiáng)度I, 按國(guó)標(biāo)GB8362-87對(duì)殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析, 利用奧氏體(220)γ, (200)γ, (311)γ和馬氏體(211)α′, (220)α′晶面的積分強(qiáng)度通過(guò)直接比較法[
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 I&Q工藝Mn元素配分行為
圖2為雙相區(qū)760 ℃保溫并淬火后鋼的SEM像. 由圖可知, 試樣的原始組織為鐵素體(F)和珠光體(P)組織, 經(jīng)雙相區(qū)保溫并淬火后, 試樣的室溫組織主要由鐵素體(F)和板條馬氏體(M)組成, 隨著雙相區(qū)保溫時(shí)間的延長(zhǎng), 室溫馬氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增多, 當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到1000 s時(shí), 室溫馬氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值55%, 如圖2d所示. 當(dāng)保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí), 馬氏體和鐵素體兩相趨于平衡, 室溫馬氏體體積分?jǐn)?shù)隨不同保溫時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示, 說(shuō)明在雙相區(qū)進(jìn)行保溫時(shí), 雙相區(qū)中奧氏體體積分?jǐn)?shù)會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增多直至達(dá)到飽和, 之后隨著保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng), 奧氏體和鐵素體兩相趨于平衡.

圖2
Fig.2 760 ℃保溫不同時(shí)間并淬火后鋼的SEM像
圖4和5為雙相區(qū)760 ℃保溫并直接淬火后鋼的EBSD像及Mn元素分布的EMPA像. 由圖可知, 在原始組織中(圖4a), Mn分布均勻, 鐵素體與珠光體中Mn含量基本相等, 當(dāng)加熱到760 ℃保溫300 s并淬火后, 室溫組織中出現(xiàn)少量馬氏體組織, Mn開(kāi)始出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象, 馬氏體中Mn含量稍高于鐵素體, 說(shuō)明此時(shí)雙相區(qū)中Mn已經(jīng)發(fā)生了從鐵素體向奧氏體中的擴(kuò)散. 當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到600 s時(shí), 試樣的室溫組織已呈現(xiàn)出典型的馬氏體和鐵素體兩相組織, 由EMPA像中能明顯看到馬氏體中的Mn含量高于鐵素體中的Mn含量. 隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng), 向奧氏體中擴(kuò)散的Mn含量逐漸增多, 當(dāng)保溫時(shí)間增至1300 s時(shí), Mn在鐵素體與奧氏體兩相中化學(xué)勢(shì)達(dá)到平衡, 不再進(jìn)行兩相間的擴(kuò)散, 并且當(dāng)保溫時(shí)間為1300 s時(shí)雙相區(qū)奧氏體中Mn含量達(dá)到最大值2.51%, 而隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng), 奧氏體和鐵素體兩相雖趨于平衡, 但雙相區(qū)組織仍呈現(xiàn)長(zhǎng)大趨勢(shì), 使得Mn在奧氏體中含量相對(duì)減少, 鋼中馬氏體的Mn含量變化趨勢(shì)如圖6所示.

圖3
Fig.3 不同保溫時(shí)間對(duì)馬氏體體積分?jǐn)?shù)的影響
2.2 Q&P和I&Q&P工藝處理后鋼的微觀組織
圖7為經(jīng)不同工藝處理后鋼的SEM像. 由圖7a可知, 經(jīng)Q&P工藝處理后, 室溫組織主要由少量板條狀馬氏體、少量板條間彌散分布的碳化物顆粒和極少量的殘余奧氏體組成, 還存在較多的塊狀組織, 這是經(jīng)最終淬火時(shí)未轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變, 形成的二次淬火馬氏體(M2)或殘余奧氏體(RA), 呈規(guī)則幾何形狀, 無(wú)明顯析出物. 在傳統(tǒng)Q&P工藝奧氏體化鹽浴淬火過(guò)程中, 將得到一定量的板條狀一次淬火馬氏體(M1), 此時(shí)C元素由一次淬火馬氏體向未轉(zhuǎn)變的奧氏體擴(kuò)散使之趨于穩(wěn)定, 由于鹽浴淬火冷卻速度較低, 配分過(guò)程中一次淬火馬氏體會(huì)發(fā)生自回火分解, 馬氏體板條邊界較模糊, 產(chǎn)生顆粒狀白色碳化物析出, 而較低的Si含量對(duì)碳化物抑制作用較小, 致使最終室溫下鋼的延展性能變差; 之后經(jīng)水淬至室溫時(shí), 由于冷速較快且C配分對(duì)奧氏體的穩(wěn)定性影響較小, 一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變, 室溫組織中出現(xiàn)部分二次淬火馬氏體或殘余奧氏體. 由圖7b可知, 經(jīng)I&Q&P工藝處理后, 室溫組織主要由大量板條狀馬氏體、少量板條間彌散分布的碳化物顆粒和殘余奧氏體組成, 存在少量的塊狀組織. 經(jīng)雙相區(qū)加熱保溫時(shí), 鐵素體中Mn元素隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)向奧氏體中逐漸擴(kuò)散直至達(dá)到化學(xué)勢(shì)平衡, 之后加熱至奧氏體化溫度, 此時(shí)由鐵素體轉(zhuǎn)變成的奧氏體組織中Mn元素的含量大大降低, 再經(jīng)鹽浴淬火時(shí), 此部分奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮未慊瘃R氏體, 而未轉(zhuǎn)變的奧氏體由于其Mn元素含量較高, 能穩(wěn)定到室溫, 而之后經(jīng)水淬至室溫時(shí), 只有少量Mn元素含量較少的未轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變, 其余則保留至室溫, 而雙相區(qū)保溫時(shí), 鐵素體中的C元素由于較高的自由能, 使得其在較短的時(shí)間已經(jīng)完成了向奧氏體的擴(kuò)散, 而QT階段得到的一次淬火馬氏體由于其C元素含量較低, 致使自回火產(chǎn)生的白色碳化物顆粒較少, 從而室溫組織中板條馬氏體量較多.

圖4
Fig.4 760 ℃保溫不同時(shí)間并淬火后鋼的EBSD像
圖8為經(jīng)I&Q&P處理后鋼的室溫組織中馬氏體和殘余奧氏體的Mn元素分布情況. 由圖可見(jiàn), 實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)I&Q&P處理后通過(guò)EMPA能觀察到Mn元素在室溫組織的馬氏體和殘余奧氏體中較為明顯的不均勻分布情況, 薄膜狀殘余奧氏體在室溫中存在于馬氏體板條間. 從圖8中A和B位置可以看出, 位于馬氏體板條間的殘余奧氏體中Mn元素含量明顯高于馬氏體基體, 這是由于當(dāng)Mn元素在雙相區(qū)達(dá)到化學(xué)勢(shì)平衡時(shí), 雙相區(qū)奧氏體中Mn元素含量達(dá)到最大值, 又經(jīng)淬火+低溫退火處理后, 這部分富Mn的奧氏體經(jīng)鹽浴淬火時(shí)可以穩(wěn)定下來(lái), 該部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體由于較高的Mn元素含量使得大部分能夠保留到室溫形成殘余奧氏體, 只有少量會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變. 可見(jiàn), I&Q&P工藝對(duì)穩(wěn)定鋼中殘余奧氏體以及提高室溫殘余奧氏體含量起到了良好的作用, 而這種軟硬搭配的多相組織結(jié)構(gòu)也可為實(shí)驗(yàn)鋼提供更高的強(qiáng)度和塑性.

圖5
Fig.5 760 ℃保溫不同時(shí)間并淬火后鋼中Mn元素分布的EMPA像

圖6
Fig.6 760 ℃保溫不同時(shí)間并淬火后鋼中馬氏體的Mn含量變化趨勢(shì)
2.3 Q&P和I&Q&P工藝處理后鋼中殘余奧氏體含量和力學(xué)性能
圖9為實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)Q&P工藝和I&Q&P工藝處理后殘余奧氏體的XRD譜. 由圖可知, 直接經(jīng)Q&P處理的試樣中有2個(gè)奧氏體峰, 且峰值強(qiáng)度偏低, 而經(jīng)I&Q&P處理后的試樣的XRD譜中明顯觀測(cè)到在60°~100°間又出現(xiàn)了2個(gè)晶面的奧氏體衍射峰, 分別是(311)γ和(220)γ, 說(shuō)明雙相區(qū)Mn元素的擴(kuò)散對(duì)奧氏體起到良好的穩(wěn)定作用, 從而使室溫下保留了更多的殘余奧氏體, 提高了鋼的塑性.
經(jīng)Q&P和I&Q&P工藝處理后鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表1. 由表可知, 實(shí)驗(yàn)鋼的原始力學(xué)性能中, 抗拉強(qiáng)度為640 MPa, 延伸率為26.0%, 其原始組織為鐵素體和珠光體組織. Q&P工藝處理后, 其抗拉強(qiáng)度為1560 MPa, 延伸率為8.3%, 強(qiáng)塑積為12948 MPa·%, 而經(jīng)I&Q&P處理后, 與Q&P工藝相比, 鋼的抗拉強(qiáng)度略有降低為1310 MPa, 延伸率有顯著提高為12.0%, 強(qiáng)塑積為15720 MPa·%, 強(qiáng)塑積比Q&P工藝下提高了約20%.

圖7
Fig.7 不同工藝處理后鋼的SEM像

圖8
Fig.8 I&Q&P處理后鋼中馬氏體和殘余奧氏體的Mn元素分布
3 I&Q&P工藝各階段組織演變分析討論
圖10為I&Q&P工藝各階段鋼的組織演變模型. γI為雙相區(qū)奧氏體,γA表示雙相區(qū)鐵素體在AT階段轉(zhuǎn)變而成的奧氏體, γ′表示為雙相區(qū)奧氏體在AT階段轉(zhuǎn)變而成的奧氏體, γ″表示為穩(wěn)定到室溫的殘余奧氏體, M1表示為鹽浴淬火階段先形成的一次淬火馬氏體, M2表示為最終水淬階段形成的二次淬火馬氏體. 由圖可知, 實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)冷軋后室溫組織主要為鐵素體和珠光體, 其中各相Mn元素含量相同. 加熱到雙相區(qū)進(jìn)行保溫時(shí), 珠光體首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體γI, 隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng), 雙相區(qū)奧氏體逐漸增多直至達(dá)到兩相平衡, 而鐵素體中Mn元素也會(huì)伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)向奧氏體中發(fā)生擴(kuò)散, 直至達(dá)到化學(xué)勢(shì)平衡, 此時(shí)鋼的組織為鐵素體和奧氏體, 且?jiàn)W氏體中Mn元素含量明顯高于鐵素體. 隨后升溫至奧氏體化(AT)進(jìn)行保溫時(shí), 雙相區(qū)的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)镸n元素含量較少的奧氏體γA, 而雙相區(qū)的奧氏體γI轉(zhuǎn)變?yōu)楦籑n的奧氏體γ′, 之后鹽浴淬火至QT階段時(shí), 奧氏體γA由于其穩(wěn)定性元素Mn含量較少使得其在淬火時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮未慊瘃R氏體M1, 而富Mn的奧氏體γ′在此階段則大部分可以保留下來(lái), 只有少量發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變, 且未轉(zhuǎn)變的奧氏體γ′中Mn元素含量高于一次淬火馬氏體. 最后經(jīng)水淬至室溫的過(guò)程中, 奧氏體γ′由于較高M(jìn)n元素含量最終能夠穩(wěn)定到室溫, 得到殘余奧氏體γ″, 只有少量發(fā)生二次馬氏體轉(zhuǎn)變, 而殘余奧氏體γ″中Mn元素含量也明顯高于鋼中馬氏體的Mn元素含量.

圖9
Fig.9 不同工藝下鋼的XRD譜

圖10
I&Q&P工藝各階段組織演變過(guò)程模型
值得指出的是, 經(jīng)Q&P工藝處理的試樣只含有少量由C配分作用穩(wěn)定的殘余奧氏體, 而I&Q&P工藝處理后的試樣其室溫殘余奧氏體由富Mn的殘余奧氏體和經(jīng)C配分作用穩(wěn)定的殘余奧氏體共同組成, 富Mn的殘余奧氏體其尺寸往往很小, 且Mn元素含量較高, 從而使高強(qiáng)鋼具備了更優(yōu)異的塑性.
4 結(jié)論
(1) 實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)雙相區(qū)保溫時(shí), 隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng), 奧氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增多, 保溫時(shí)間為1000 s時(shí), 室溫馬氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值55%; 而鐵素體中向奧氏體擴(kuò)散的Mn元素含量也逐漸增多直至其在兩相間達(dá)到化學(xué)勢(shì)平衡, 并且當(dāng)保溫時(shí)間為1300 s時(shí), 奧氏體中Mn元素含量達(dá)到最大值2.51%.
(2) 經(jīng)Q&P工藝處理后, 室溫組織為大量塊狀馬氏體、少量板條狀馬氏體、少量板條間彌散分布的碳化物顆粒和極少量的殘余奧氏體, 而經(jīng)I&Q&P工藝處理后, 室溫組織中塊狀馬氏體含量大幅減少, 主要為板條狀馬氏體形貌, 而殘余奧氏體含量顯著增多, 達(dá)到4.3%, 抗拉強(qiáng)度為1310 MPa, 延伸率為12.0%, 強(qiáng)塑積達(dá)到15720 MPa·%以上.
(3) Q&P工藝處理后鋼中只含有少量由C配分作用穩(wěn)定的殘余奧氏體, 而I&Q&P工藝處理后鋼中殘余奧氏體由富Mn的殘余奧氏體和經(jīng)C配分作用穩(wěn)定的殘余奧氏體組成, 顯著提高室溫下鋼中殘余奧氏體的含量和機(jī)械穩(wěn)定性, 從而提高高強(qiáng)鋼的室溫成形能力.
免責(zé)聲明:本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有,如果涉及侵權(quán),請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。

官方微信
《腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
- 投稿聯(lián)系:編輯部
- 電話(huà):010-62316606
- 郵箱:fsfhzy666@163.com
- 腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方QQ群:140808414