配分过程对热轧直接淬火配分钢拉伸性能及冲击韧性的影响

李志伟,欧阳泽宇,李雪锋

(东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819 )



配分过程对热轧直接淬火配分钢拉伸性能及冲击韧性的影响

李志伟,欧阳泽宇,李雪锋

(东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819 )

基于一种低碳硅锰系成分，结合热轧直接淬火配分工艺，开发了一种厚规格热轧直接淬火配分钢，研究了配分过程对实验钢微观组织，力学性能和冲击韧性的影响.用SEM、XRD、TEM分析观察材料的微观组织.研究结果显示，实验钢抗拉强度为 1 080～1 400 MPa，屈强比为0.6～0.79，强塑积高达 28 000 MPa%.等温配分钢的低温冲击韧性较动态配分钢更好，并且随着冲击温度的降低，等温配分钢冲击功比动态配分钢下降更慢.实验钢残余奥氏体含量(体积分数)为16%-28%，碳质量分数为1.05%-1.35 %.同时等温配分钢较动态配分钢具有更高的残余奥氏体含量和更低的残余奥氏体碳含量.

HDQ&P钢；碳配分；微观组织；力学性能

众所周知，兼具高强高塑性同时具备优异韧性和成形性的高强钢备受关注[1].随着先进高强钢的不断发展，一种新型的淬火配分(Q&P)工艺被提出用于生产一种兼具高强高塑性的先进高强钢[2-4].其工艺思路为，钢经全奥氏体化后直接淬火至Ms和Mf之间某一温度以得到部分马氏体，然后在适当温度下进行等温处理，使碳原子从碳过饱和马氏体向未转变奥氏体扩散富集，最后淬火至室温.其最终组织为马氏体加残余奥氏体[5-7].近年来，有研究者将Q&P思想直接运用到热轧生产线上提出一种高效节能型的热轧直接淬火配分(HDQ&P)工艺，在此基础之上亦有研究者提出一种动态配分思想，并由此产生一种热轧直接淬火动态配分(HDQ&DP)工艺[8-10].目前为止，HDQ&P钢的研究主要集中在汽车用薄规格(2～4 mm)热轧板，所研究的内容主要集中在微观组织演变及拉伸性能上.而对于厚规格(10 mm 以上)的HDQ&P钢的微观组织，力学性能尤其是冲击韧性研究较少.本文以低碳硅锰系成分为研究对象，着眼于HDQ&P钢工艺，开发了一种厚规格HDQ&P钢，重点研究了配分过程对实验钢微观组织及力学性能的影响.

1 实验材料及方法

本研究实验钢化学成分如表1所示.在传统TRIP型成分的基础上，添加一定量的Ti元素.Ti与氮具有很强的亲和能力，易形成氮化钛析出，且其在钢凝固过程中就已经形成，因此Ti质量分数在0.02%以下时，Ti基本不参与强化.提高w[Ti]至0.1%，使得在低温奥氏体区或者铁素体/奥氏体两相区能够形成一定量的碳化钛，并有部分Ti仍固溶在基体中，从而通过析出强化和固溶强化提高材料的力学性能.

利用全自动相变仪采用膨胀法测定实验钢Ac1，Ac3，Ms和Mf分别为775、910、390和220 ℃左右.实验钢经真空冶炼炉冶炼后铸造成150 kg的铸锭，再锻造成60 mm×60 mm的锻坯.锻坯经1200 ℃奥氏体化并保温2 h后，经3道次轧至38 mm 厚，待温至920 ℃再经3道次轧至15 mm厚，终轧温度为930 ℃左右，随后直接通过超快速冷却装置以50～70 ℃/s的冷速快速冷却至 370 ℃ 左右.然后，将两块实验钢板放到400 ℃的空气电阻炉中分别等温配分5 min和15 min，之后空冷到室温；另一块实验钢直接空冷到室温，即所谓热轧动态配分工艺.

利用CMT5105-SANS拉伸试验机测定了实验钢拉伸性能，同时测定了实验钢常温，-20 ℃和-40 ℃条件下的冲击韧性.实验钢试样经线切割制备，再经研磨抛光，用4%硝酸酒精腐蚀后，利用JEOL JXA-8530F场发射电子探针显微分析仪(EPMA)观察试样二次电子形貌及进行EDX成分分析.在TECNAI G220 透射电镜下观察精细结构和析出形貌.利用D/max 2400 X射线衍射仪(Cu靶)，采用文献[8]中的方法测定试样室温残余奥氏体含量及其平均碳含量.

表1 实验钢化学成分(质量分数)

2 实验结果及讨论

实验钢经4%硝酸酒精腐蚀后的金相组织如图1所示，可见实验钢为典型的板条马氏体形貌，等温配分5 min和15 min的实验钢较空冷动态配分钢的马氏板条束更明显，同时等温配分15 min的实验钢较其他实验工艺具有更宽的马氏体板条.其原因在于等温配分较动态配分具有更高的温度和更长的时间供碳原子从过饱和马氏体板条内部向马氏体板条或马氏体板条束边界扩散偏聚，导致马氏体板条或马氏体板条束边界附近碳原子富集，因此在金相腐蚀过程中更容易将马氏体板条腐蚀出来.同时因为等温过程中马氏体会出现位错回复，伴随板条与板条之间小角度晶界消失或残余奥氏体分解，马氏体板与板条会出现合并现象，因此等温配分时间延长会出现马氏体板条宽化现象.相关报道证实Q&P钢等温配分过程中可能存在的马氏体奥氏体间界面迁移也可能导致马氏体板条宽化.

部分实验钢的二次电子像如图2所示，可见空冷动态配分钢具有更细的马氏体板条结构，同时无论是空冷动态配分试样还是等温配分15 min试样，马氏体板条中均未发现明显的碳化物，换言之，等温配分15 min过程中马氏体未发生明显的回火分解，实验钢中所添加的含量相对较高的Si可以有效地抑制渗碳体的形成，这能充分保证碳以固溶态的形式存在于钢中，为碳从过饱和马氏体中向未转变奥氏体中扩散富集提供前提条件.同时图2显示，等温配分15 min试样中马氏体板条与板条之间的浮凸效果较空冷动态配分钢更加明显，换言之，试样中白色浮凸相更多，根据相关研究显示，马氏体板条间极可能是残余奥氏体，因此初步推断等温配分15 min的试样中残余奥氏体较空冷动态配分试样更多.同时由于实验钢厚度相对较厚，表层组织和中心层组织存在不均匀性，总体表现为表层组织为典型马氏体组织，而中心层组织为典型贝氏体组织特别是等温配分时间较长的试样中贝氏体特征更加明显，如图2(d)所示配分15 min试样中存在明显上贝氏体组织，可能是等温配分过程中形成也可能是厚板中心层因冷速不够，在冷却过程中形成.空冷动态配分试样及等温配分15 min试样透射电镜下残余奥氏体的明场像及相应暗场像、衍射斑如图3所示.由图可见无论动态配分还是等温配分钢中残余奥氏体都得以稳定下来，同时残余奥氏体主要以薄膜状的形态存在于马氏体板条之间，马氏体板条宽度在200～400 nm之间，残余奥氏体薄膜宽度在 50～150 nm 之间.由透射形貌进一步可见马氏体板条中碳化物几乎不存在，碳化物被有效抑制也是残余奥氏体得以充分稳定下来的前提.

图2 部分实验钢二次电子像

图3 实验钢残余奥氏体透射形貌

实验钢拉伸性能如表2所示，可见实验钢屈服强度均在660 MPa和 1 110 MPa 之间，抗拉强度在 1 080 MPa 到 1 400 MPa 之间，屈强比为 0.6-0.79.实验钢延伸率在16.7%到26.3%之间，强塑积均在 20 000 MPa%以上，部分实验钢强塑积高达 28 000 MPa%.实验钢部分屈服强度相对较低的原因在于厚板冷却过程中中心层和表层温降不同，导致内外温度条件不一样，进而中心

层的组织更趋于高温组织，最终导致拉伸过程中屈服强度较传统马氏体奥氏体型Q&P钢低很多.

表2 实验钢拉伸性能

实验钢拉伸曲线及冲击韧性如图4所示，可见空冷动态配分实验钢和等温配分15 min实验钢较等温配分5 min实验钢有更低的强度和更高的延伸率.15 min配分工艺下抗拉强度的下降可以归结为长时间配分下马氏体板条宽化，根据Holl-Petch公式，屈服强度下降.而对于空冷工艺而言，由于中厚板厚度影响温降速率较慢，使得整体在高温段动态停留的时间较长，足以实现碳的配分以及马氏体板条的宽化，从而在力学性能上趋近与15 min配分工艺结果.实验钢常温冲击功为50～80 J，-20 ℃冲击功为30～40 J，-40 ℃ 冲击功为10～35 J.同时由冲击性能结果可见，等温配分钢的低温冲击韧性比动态配分钢高，并且随着冲击温度的降低，等温配分钢冲击功比动态配分钢下降更慢.

实验钢XRD测试结果如图5所示，可见实验钢残余奥氏体含量(体积分数)为16%～28%，碳含量(质量分数)为1.05%～1.35%.同时等温配分钢较动态配分钢具有更高的残余奥氏体含量和更低的残余奥氏体碳含量.残余奥氏体(简称残奥)碳含量的降低主要源于相对较大的残奥含量提升，可能残奥含量提升之后，残奥中碳元素分布更加均匀，导致平均碳含量有所下降，而空冷动态配分钢中残奥碳含量偏高，残奥含量偏低，主要源于残奥碳含量分布不均匀，局部极其富碳的残奥得以稳定.

图4 实验钢拉伸性能及冲击韧性

图5 XRD测试结果

图6 冲击断口形貌

实验钢部分典型冲击断口形貌如图6所示，可见实验钢常温冲击断口存在大量韧窝为典型韧性断裂形貌，而-40 ℃断口存在大量的河流花样形貌，为典型穿晶解理脆性断裂形貌.同时，常温冲击断口显示等温配分15 min试样中韧窝较空冷动态配分试样更细小，而低温冲击断口显示空冷动态配分试样较配分15 min试样中解理断裂形貌更明显.这与冲击性能结果基本一致.

3 结 论

将热轧直接淬火配分工艺应用到中厚板生产中，研究了不同配分工艺对实验钢微观组织，拉伸性能和冲击韧性的影响，主要结论如下：

(1) 实验钢屈服强度为660～1 110 MPa 之间，抗拉强度为1 080～1 400 MPa 之间，屈强比为0.6～0.79.实验钢延伸率在16.7%到26.3%之间，实验钢强塑积高达 28 000 MPa%.空冷动态配分实验钢和等温配分15 min实验钢较等温配分5 min实验钢有更低的强度和更高的延伸率.

(2)实验钢常温冲击功为50～80 J，-20 ℃冲击功为30～40 J，-40 ℃冲击功为10～35 J.等温配分钢的低温冲击韧性较动态配分钢更好，并且随着冲击温度的降低，等温配分钢冲击功比动态配分钢下降更慢.

(3)实验钢通过等温配分与动态配分均能有效地稳定奥氏体，残余奥氏体含量(体积分数)为16%～28%，碳含量(质量分数)为1.05%～1.35 %.其残余奥氏体薄膜宽度在50～150 nm之间.

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Effect of partitioning procedure on tensile properties and Charpy impact toughness of a hot-rolled directly quenched and partitioned steel

Li Zhiwei，Ouyang Zeyu，Li Xuefeng

(School of Materials Science and Engineering,Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Based on a low-C SiMn-type steel, a thick hot-rolled direct quenched and partitioned (HDQ&P) steel was developed combined with the Thermal Mechanical Control Processing (TMCP) technology. Effects of partitioning procedure on the microstructure, tensile properties and Charpy impact toughness of the steel were investigated. Microstructures of the steel were characterized by SEM, XRD and TEM. The results showed that the tensile strength of the specimens is between 1 080 MPa and 1 400 MPa, the yield ratio is about 0.6～0.79 and the product of strength and elongation can be up to 28 000 MPa%. The isothermally partitioned specimens exhibit better low temperature impact toughness and the impact toughness decreases much in the isothermally partitioned specimens compared with the dynamically partitioned specimen with decrease of the test temperature. The volume fraction of residual austenite is about 16%-28%, and the average carbon content (volume fraction) in residual austenite is about 1.05%～1.35%. Meanwhile, the isothermally partitioned specimens possess much more residual austenite and much lower carbon of residual austenite compared with the dynamically partitioned specimen.

HDQ&P steel; carbon partition; microstructure; mechanical properties

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.011

TG 161

A

1671-6620(2016)03-0214-06