淬火-分配-回火工艺和多循环淬火-分配-回火工艺

综述了由徐祖耀院士提出的淬火-分配-回火(Q-P-T)新工艺的背景和发展现状。总结了先进Q-P-T钢从超高强度到高强塑性的发展,重点论述了在形变中残留奥氏体增强超高强度钢的塑性的微观机制。鉴于单循环Q-P-T工艺对大尺寸工件和不同尺寸热轧板(或H型钢)处理的局限性,提出了多循环淬火-分配-回火(MQ-P-T)工艺及其在冶金行业热轧板(或H型钢)的工程应用。最后列举了MQ-P-T工艺在机械行业的应用实例。

钢的淬火-分配(Q-P)处理研究现状与进展

钢的淬火-分配(Q-P)热处理工艺是2003年由美国Speer等提出的一种钢的热处理新工艺。Q-P工艺因获得马氏体+残留奥氏体混合组织而使钢具有较高的强韧性。结合作者的研究工作,对国内外Q-P工艺的研究现状与进展加以概述,并对其实现工业化生产提出展望。

淬火-分配工艺对高强钢疲劳失效的影响

高强钢是目前应用最广泛的一类钢铁材料。为提高抗疲劳失效性能,对贝氏体高强钢采用淬火-分配(quenching-partitioning,简称Q&P)热处理,采用岛津USF-2000型超声波疲劳试验机(频率为20kHz)进行超声波疲劳振动试验。经过Q&P热处理后的贝氏体高强钢的抗拉强度和超高周疲劳强度分别为1 688和875 MPa,疲强比(疲劳强度/抗拉强度)达到0.52。通过扫描电镜、透射电镜观察发现,经Q&P处理的钢产生大量的膜状的残留奥氏体。通过XRD测量可知,残留奥氏体的体积分数为22%,残留奥氏体中的碳质量分数为1.2%。疲劳结果表明,残留奥氏体对疲劳裂纹有阻碍作用,可有效提高钢的抗疲劳性能。

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。

以35CrMnSiA为例分析淬火分配商品钢的力学行为

采用商品钢35CrMnSiA为材料,对比了其经过淬火-分配(Q-P)和调质热处理后的显微组织及力学性能,并通过分子动力学(MD)模拟方法研究Q-P组织的力学机理。研究表明,商品钢35CrMnSiA经Q-P处理可获得抗拉强度/总伸长率为1523 MPa/17.86%,高于传统调质处理后的1145 MPa/15.23%。实验数据与MD模拟均表明,Q-P提高钢的塑性主要通过残留奥氏体在应力作用下诱发马氏体转变而产生的相变诱发塑性(TRIP)实现的。另外,应力诱发马氏体转变同时能促进钢的应变强化。

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。

新型Q-P-T钢性能及其微观组织

为了提高钢的综合强塑性能,根据徐祖耀提出的淬火-分配-回火(Q-P-T)热处理新工艺,即在Fe-Mn-Si-C钢中加入合金元素Nb和V,利用碳化物弥散析出强化,开发出了性能比Q&P钢更为优越的Q-P-T钢,证实了Q-P-T工艺设想的预期结果。通过微观结构和力学性能表征着重研究了淬火温度对残留奥氏体含量和性能的影响,从而获得了试验钢最佳的淬火温度。

Q-P-T工艺对20SiMn2MoV钢组织与性能的影响

采用Q-P-T工艺对20SiMn2MoV钢进行热处理，利用扫描电镜、透射电镜研究其微观组织，使用XRD分析残留奥氏体的含量，并通过拉伸试验、冲击试验研究了Q-P-T工艺对钢力学性能的影响。结果表明，20SiMn2MoV钢经Q-P-T处理获得了板条马氏体＋残留奥氏体＋弥散析出碳化物的组织，残留奥氏体含量为4％～7％。淬火介质温度越高，残留奥氏体含量越高，钢的塑性、冲击韧性越好。碳分配时间应适中，过短则奥氏体稳定化不够，过长则发生碳化物析出及残留奥氏体分解。当淬火介质温度为90℃，碳分配60s时，钢的抗拉强度为1344MPa，伸长率达18．8％，强塑积为25267MPa·％，具有优良的强塑性匹配。

表面凹槽形态对Q-P-T钢成形能力预测的影响

为了确定成形极限图(FLD)理论的凹槽模型中合理的凹槽角度和凹槽深度比,以新型淬火-分配-回火(Q-P-T)钢为研究对象,分别制备了凹槽深度比为5%,10%,15%,25%和凹槽角度为45°,60°,90°的拉伸试样,经单轴拉伸试验后,采用不同的本构模型对拉伸曲线进行拟合,随后利用Swift-Hill公式对单轴拉伸条件下的极限应变值进行了计算,并将理论预测值与经验数据进行比较。结果表明:合适的FLD理论计算应取凹槽深度比为5%左右,凹槽角度等于或小于45°;单轴拉伸条件下极限应变值的计算方法为构成完整FLD的其它加载方式下的极限应变理论预测奠定了基础。

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-长分配工艺对V-Ti-N微合金化高强钢组织和性能的影响

使用扫描电镜、X射线衍射仪、万能试验机和冲击试验机研究了淬火-长分配(Q-LP)工艺对V-Ti-N微合金化高强钢组织和性能的影响。结果表明,试验钢经一步Q-LP和两步Q-LP工艺处理后,其显微组织均由马氏体、残留奥氏体和少量贝氏体组成。随着分配时间的延长,各试样中残留奥氏体含量均减少,但在相同分配时间下,两步Q-LP试样中的残留奥氏体含量高于一步Q-LP试样。一步Q-LP试样的屈服强度随分配时间的延长而降低,而伸长率和冲击性能随分配时间的延长而增加,分配时间为60 min时获得最佳的综合力学性能。两步Q-LP试样的屈服强度、伸长率和冲击性能随分配时间的延长先增加而后趋于稳定,分配时间为30 min时获得最佳的综合力学性能。在同一分配时间下,经两步Q-LP工艺处理的试样展现出的综合力学性能优于经一步Q-LP工艺处理的试样。相较于一步Q-LP试样,两步Q-LP试样中更多的残留奥氏体,以及更高分配温度导致的组织软化和残余内应力的释放,是提高其性能的关键。

马氏体钢力学性能和耐磨性的关系

对自行研制的新型马氏体耐磨钢20Si2Ni3进行了Q-P-T(淬火-分配-回火)及传统淬火-回火(Q-T)热处理,用MLD-10型动载磨料磨损实验机比较在1.5J冲击能量、石英砂磨料条件下,20Si2Ni3钢和高锰钢ZGMn13的冲击磨料磨损性能,并用X射线测量磨损实验前后20Si2Ni3钢残余奥氏体量的变化,用扫描电镜(SEM)分析磨损机理。结果表明:经两种热处理工艺后的20Si2Ni3钢,其冲击磨料磨损性能均优于高锰钢。相比传统Q-T热处理工艺,经Q-P-T热处理后的20Si2Ni3钢,在保持较高硬度的同时,冲击韧性得到了较大提高;不同热处理工艺后,在硬度均约HRC45.5时,20Si2Ni3钢的冲击磨料磨损性能随着冲击韧性的增加而提高,磨损机理以显微犁削为主。

热处理工艺对ZG26SiMnMo及ZG26SiMnV力学性能的影响

对比研究了ZG26Si Mn Mo及ZG26Si Mn V经Q-P-T工艺以及直接碳分配处理后的显微组织和力学性能。结果表明：两种试验钢经Q-P-T处理后,组织为板条马氏体＋少量残余奥氏体。抗拉强度达到1500 MPa左右,伸长率保持在5%~9%,常温下的冲击功11~20 J。经Q-P-T工艺处理的力学性能明显优于直接碳分配工艺,强度最大差距达到500 MPa。对比两种铸钢材料,ZG26Si Mn V在强度上有所降低,而塑性和韧性有所升高。通过合理的淬火保温时间和分配时间,有利于增加残余奥氏体的含量,从而进一步提高钢的塑性和韧性。

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。