基于淬火碳分配工艺研究的概述

研究证明,经淬火碳分配工艺处理后的钢可获得优异的强度和塑韧性等综合力学性能,其室温组织由贫碳的马氏体和富碳的残余奥氏体组成,马氏体组织保证了钢的强度,而残留奥氏体提高了钢的塑性。文章对近年来淬火-碳分配工艺的研究进展做了概述,并对该工艺未来的发展趋势做了展望。

新型热成形-淬火碳分配工艺

基于变形、相变、和碳分配同时实现的高强度钢设计思想,利用奥氏体区变形来细化晶粒,利用淬火与分配工艺使钢发生相变且进行碳分配来实现对硬相马氏体和软相残余奥氏体的调控,既一种新型热成形-淬火碳分配碳分配工艺,最终获得纳米级含有错位型马氏体和残余奥氏体的双相复合组织,这种工艺在不损害高强度钢强度的前提下,提高其力学性能,值得推广。

汽车用高强钢的热成形-淬火碳分配工艺与组织性能

对热轧态Fe-Mn-Si-B系汽车用高强钢进行了热成形-淬火碳分配处理,研究了淬火温度和等温碳分配温度及时间对高强钢物相组成、组织与力学性能的影响。结果表明,热挤压成形后快淬至室温的试样中形成了马氏体组织,而淬火-碳分配工艺下都形成了细小的马氏体和残留奥氏体双相组织;不同热成形-淬火碳分配工艺下高强钢的强塑积都明显高于热成形后直接淬火至室温的试样,采用325℃×45 s淬火-碳分配后高强钢具有最高的强塑积（22 663 MPa·%）,继续延长碳分配时间至60 s,高强钢的强塑积反而降低,这主要是由于韧性残留奥氏体发生部分分解而形成了下贝氏体组织。

淬火-碳分配-回火钢的低温组织和性能

Fe-0.25C-1.5Mn-1.2Si-1.5Ni-0.05Nb(质量分数,%)钢通过淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺抗拉强度可达1250 MPa以上兼具良好塑性(大于17%),显微组织为位错型板条马氏体、微合金碳化物和薄片状残留奥氏体。通过低温拉伸试验分析了Q-P-T钢在-85～25℃下的力学性能并采用透射电镜观察了试样在25℃和-85℃时拉伸前后的显微组织。结果表明,Q-P-T钢在-70～25℃时显示了良好的低温力学性能,仅当拉伸温度低于-70℃时试样塑性开始出现大幅下降;残留奥氏体在未变形前具有良好的低温稳定性,但在变形过程中会发生马氏体相变,产生相变诱发塑性(TRIP)效应,这是Q-P-T钢具有高强度和良好塑性的主要原因。

热冲压高强钢B1500HS的淬火-碳分配试验研究

为克服现行热冲压制件塑性较差的缺点,研究将淬火-碳分配(Quenching-Partitioning)工艺与热冲压工艺结合的可行性。通过热冲压高强钢B1500HS的全马氏体转变、Q&P一步法和Q&P两步法的热模拟试验、拉伸试验、显微组织观察等方法,研究了不同Q&P热处理工艺参数对材料性能的影响。结果表明,在合适的工艺参数下,Q&P一步法能获得恰当的马氏体和残留奥氏体组织,在基本保证热冲压制件超高强度的同时有效提高其伸长率,从而提升制件的综合力学性能。试验结果显示,与代表现行热冲压工艺的全马氏体转变相比,Q&P一步法提高强塑积约24%。

用于超高强度钢的淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工艺

为进一步提高钢的强度,改造淬火-碳分配(Q-P)工艺,在超高强度钢的成分设计中加入碳化物形成元素Nb或(和)Mo,使在马氏体基体上析出碳化物,提出淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工艺。将按设计超高强度钢大致成分的钢进行Q-P-T处理后,得钢的抗拉强度高达>2000MPa,总断后伸长率>10%。和迄今发展的各类含碳小于0.5%钢的综合力学性能相比,Q-P-T钢可能成为优异的超高强度钢。

将淬火—碳分配—回火(Q-P-T)及塑性成形一体化技术用于TRIP钢的创议

为改善环保,节约能源和原材料,降低车辆重量,亟需提高用于汽车件的TRIP钢强度。应用淬火—碳分配—回火(Q-P-T)工艺代替TRIP的一般热处理工艺,钢的抗拉强度已能高达2000MPa以上,断后伸长率在10%以上,但不能保证具有足够的残留奥氏体量。为此创议将Q-P-T工艺及塑性成形一体化技术用于TRIP钢,其精选工艺根据应力作用下的相变原理制定,既能达到显著提高的力学性质,如抗拉强度1500～2000MPa,断后伸长率10%～15%,适量的残留奥氏体,如约12%,还能进一步节能和改善环保。

淬火&碳分配工艺对27SiMn钢的力学性能和显微组织影响

热冲压工艺能够使材料获得高达1 500MPa的抗拉强度,但是得到的制件塑性较差。将传统热冲压技术与淬火&碳分配工艺(Q&P热冲压工艺)相结合,可有效提高热冲压零件的强塑积。将Q&P热冲压工艺应用于无硼富硅钢27SiMn,进行全马氏体转变和Q&P热模拟试验,通过拉伸试验、显微组织观察等方法,研究了淬火温度和碳分配时间对27SiMn钢力学性能和显微组织的影响。研究表明,Q&P热冲压工艺对于27SiMn钢,在保证制件具有超高强度的同时,可显著提高其延伸率,从而获得优异的综合力学性能。

相变塑性锚杆材料淬火-碳分配-回火热处理工艺研究

研究了可用做超高强度锚杆材料的低碳Si-Mn系TRIP钢的Q-P-T热处理的力学性能,结果表明:经Q-P-T得到的显微组织主要是具有高位错密度的细条状马氏体和10%～15%的残留奥氏体,马氏体上析出了细小共格复杂碳化物。在延伸率≥17.3%的条件下,最佳综合性能σb×σs为1 874 520 MPa,其中抗拉强度σb=1 640 MPa。

淬火-碳分配处理中碳化物析出行为研究

对0.23C-1.79Al-1.50Mn实验钢进行了不同碳分配时间的淬火-碳分配(Q-P)处理,通过SEM、TEM分析,结合JMatPro 6.0软件热力学计算,对实验钢的碳化物析出进行了研究。结果表明:实验钢室温组织中的碳化物来源于熔炼凝固、锻轧及轧后缓冷,以及Q-P处理奥氏体化、初始淬火、碳分配回火等工艺阶段,其中高温析出碳化物尺寸粗大,形貌不规则,轧后冷却及碳分配回火析出的碳化物以颗粒状弥散分布,结构类型主要为MC、M7C3或M23C6型,ε过渡型碳化物则因初始马氏体自回火而析出,并随合金碳化物的持续析出与长大而被促进溶解;碳分配回火处理时,细小碳化物短时等温即可弥散析出,并具有良好的持续析出行为,析出与长大同时进行;实验钢中,Nb、Ti主要发生高温析出,其碳分配回火析出能力较弱,Cr和Mo是碳分配回火析出主要元素。

淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺浅介

传统淬火-回火工艺不能满足高强度钢兼具一定韧性和廉价的要求,Speer等为在淬火钢内稳定一定量的残留奥氏体,提出淬火-碳分配(Q-P)工艺,即淬火后在一定温度保温一定时间,碳自马氏体分配至残留奥氏体、因富碳而稳定化,以保证淬火高强度钢的塑性和韧性。在Q-P工艺基础上,本文作者于2007年建议一个热处理的新工艺:淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺,即淬火至Ms～Mf后,除作碳分配外,还在一定温度回火一定时间,使析出复杂碳化物,以增加强化作用。Q-P-T钢含<0.5wt%C以防止脆性,含1.5wt%Si阻碍渗碳体的析出,促进碳分配,(1.0～1.5)wt%合金元素Mn(Ni)以降低Ms温度,以及少量复杂碳化物形成元素Nb和Mo。含0.48wt%C的Q-P-T钢经Q-P-T处理后显示抗拉强度为2 160 MPa,总伸长率11%;含0.2wt%C的Q-P-T钢具抗拉强度1 150 MPa,总伸长率17%;含0.1wt%C的Q-P-T钢具有抗拉强度900 MPa和较高韧性。初步设想了Q-P-T工艺的热力学和动力学,有必要作进一步研究使Q-P-T钢的成分和性能进一步优化。

Q-T-P(淬火-回火-碳分配)工艺对M50钢组织及性能的影响

利用Q-T-P（淬火-回火-碳分配）工艺对M50钢进行了热处理以提高其强韧性,并利用透射电镜（TEM）、X射线衍射分析（XRD）以及硬度计和冲击试验机等研究了Q-T-P工艺对M50钢的组织性能的影响。结果表明：经Q-T-P工艺处理后M50钢中的碳化物类型主要为MC和M2C,相较于经Q-T工艺处理后的样品,其中M2C型碳化物相对含量有所升高;对经Q-T和Q-T-P工艺处理后的试样进行二次回火,发现经短时间碳分配的残留奥氏体稳定性增加;经Q-T和Q-T-P工艺热处理后的M50钢硬度基本一致,约为63 HRC;经Q-T-P工艺处理后,由于残留奥氏体富碳稳定性提高,使得试样冲击吸收能量最高可达17.4 J,比Q-T工艺处理后的试样提高约49%。

淬火温度对低碳Q&P钢组织和性能的影响

利用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对Q&P钢的微观组织进行观察和分析,并通过拉伸试验测量钢的抗拉强度、屈服强度和伸长率。结果表明,随着淬火温度的升高,抗拉强度和屈服强度均表现出下降趋势,而残留奥氏体量和伸长率则呈现出先增加后减小的规律;强度的变化是马氏体和下贝氏体共同作用的结果,而伸长率与残留奥氏体量的变化密切相关;下贝氏体的存在,对残留奥氏体量和碳含量,以及钢的强度均有影响。

超高强塑性汽车构件的先进热成形处理AHFT深加工技术

为满足新一代汽车对轻量化、节能和抗冲撞安全的需求,开发了一种新型先进热成形处理（AHFT）技术,以制造强塑积达15-30GPa·%的超高强塑性汽车构件。基于先进高强度钢AHSS塑性化热处理技术和残余奥氏体相变诱导塑性TRIP效应,在传统热冲压成形后随即控制淬火冷却速率和温度,并进行贝氏体等温淬火处理（AT）或淬火-碳分配-回火处理（Q-P-T）,使热成形淬火构件获得超高强度（抗拉强度不小于1.0GPa）铁素体-残余奥氏体型的F-TRIP钢、贝氏体-残余奥氏体型的B-TRIP钢、马氏体-残余奥氏体型的M-TRIP（或Q-P）钢,可以显著提高热成形超高强度构件的伸长率和强塑性。这种先进热成形处理AHFT技术,可以采用22MnB5、TRIP钢、Q-P钢和Q-P-T钢为基础的化学成分,通过传统热连轧宽带钢机组或者短流程CSP薄板坯连铸连轧机组,生产热轧超薄（1.2-2.0mm厚）酸洗板作为原料。先进热成形处理AHFT技术与短流程CSP相结合,生产超高强塑性汽车构件,是高效、节能、环保的短流程深加工技术,可以显著缩短汽车构件的整体制造流程,降低生产成本,大幅度减少汽车构件制造过程中和汽车使用过程中的CO2排放,并拓宽热成形构件产品的种类及其强度和塑性级别范围。

自主创新发展超高强度钢

经总结有关钢的显微组织与力学性能之间的关系，以及超高强度钢发展历史的文献，作出超高强度组织、成分和热处理设计。含〈0．5wt％C，（1～2）％Si，低Mn（Ni）及碳化物形成元素的钢，如0．48C-1．19Mn．1．18Si．0．95Ni-0．2Nb．0．2Mo（wt％）钢，经淬火．碳分配-回火（Q-P-T）新热处理工艺，具抗拉强度〉2000MPa，并总伸长率〉10％的性能，且价格低廉。含较低碳的Q-P-T钢也显示良好的综合性能。

基于Q-P-C-T工艺的NM300耐磨钢组织、综合性能及残余应力调控

为了进一步提高NM300耐磨钢的强韧性、耐磨性等综合力学性能,消减残余应力,在淬火−碳分配−回火(Q-P-T)工艺中的碳分配和回火工序之间增加一个冷热循环工序,形成淬火−碳分配−冷热循环−回火(Q-P-(CT)2-T)的新型热处理工艺,并系统地研究该工艺对NM300耐磨钢的组织、力学性能、耐磨性和残余应力的影响。研究结果表明:新型热处理工艺可促进不稳定残余奥氏体的转变及碳化物的析出,细化马氏体和铁素体组织,所得试样强塑积为20.8 GPa·%,抗拉强度为1057 MPa,屈服强度为792 MPa,伸长率为19.7%,冲击韧性达到128 J·cm^(−2);同时,该工艺下试样耐磨性相对于传统的Q-P-T工艺下试样的耐磨性提高27%。此外,与淬火−碳分配工艺相比,该工艺下NM300耐磨钢的最小残余应力的消减率达到66%。

热处理工艺对30CrNi2MoVNb钢组织和性能的影响

通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、硬度实验、拉伸实验、冲击实验等研究了淬火+回火(Q&T)、等温淬火+回火(A&T)、淬火+碳分配+回火(Q&P&T)3种热处理工艺对30CrNi2MoVNb钢组织和性能的影响。结果表明:经Q&P&T处理后,30CrNi2MoVNb钢的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性分别为1011 MPa、1630.6 MPa和109.7 J/cm2,其冲击韧性比经Q&T处理后提高了19.8%,比经A&T处理后提高了9.7%,而其屈强比由0.82(A&T)下降至0.62。分析表明:组织中存在的薄膜状残留奥氏体是冲击韧性提高的主要原因。

残留奥氏体含量对20SiMn2MoV钢强韧性的影响

采用新型Q-P-T（淬火-碳分配-回火）工艺对20SiMn2MoV钢进行热处理，通过改变淬火介质温度（QT）和碳分配＋回火时间（PT＋TT），改变其组织，旨在提高钢的强韧性。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和力学性能测试等手段，研究了新型Q-P-T工艺对20SiMn2MoV钢、微观组织及其对力学性能的影响。结果表明，20SiMn2MoV钢经Q-P-T工艺处理获得了板条马氏体＋含量较多的残留奥氏体，残留奥氏体含量为8％～11％；试样拉断后，测量试样中残留奥氏体的体积分数变化，显示了残留奥氏体量明显减少。通过对比应力-应变曲线发现，在缩颈前试样曲线斜率发生了明显变化．因此，20SiMn2MoV钢在拉伸过程中表现出明显的相变诱发塑性（TRIP）效应；淬火介质温度为110℃，碳分配90s时。钢的抗拉强度为1331MPa，伸长率达23．0％，强塑积为30613MPa％，具有优良的强韧性匹配．强韧性得到提高。

一种新型热处理工艺对中碳钢组织性能影响

为提高钢的强塑性,基于传统淬火-碳分配-回火(quenching-partitioning-tempering,Q-P-T)工艺,结合热变形技术,提出变形-淬火-碳分配-回火(deforming-quenching-partitioning-tempering,D-Q-P-T)的设计思想,通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和拉伸试验,研究变形作用对试验钢的微观组织结构和力学性能影响,讨论了变形-淬火-碳分配-回火工艺提高钢的强塑性机理,采用变形-淬火-碳分配-回火工艺最终获得了具有高位错密度的板条状马氏体和残余奥氏体组织,实现了钢的多相组织的设计思想,在870℃变形量为60%,变形速率为1s-1条件下,D-Q-P-T工艺可使钢的抗拉强度比传统淬火-碳分配-回火工艺提高58 MPa,伸长率增大5%,对于实现汽车轻量化,拓宽高强钢的应用领域具有重要意义。

相变诱导塑性汽车用钢的发展现状与趋势

论述了相变诱导塑性(TRIP)钢的发展现状及其在汽车工业上的应用,重点讨论了TRIP效应的机理及TRIP钢性能的影响因素。介绍了2种采用新型工艺(低温贝氏体转变和淬火-碳分配工艺)的TRIP钢,并且通过对TRIP钢研究的最新数据,对比了2种工艺下TRIP钢的高速拉伸性能;最后对汽车用TRIP钢的研究方向进行了展望。