淬火分配工艺对低碳低合金钢组织与性能的研究

丰 璞,黄维刚

(四川大学材料科学与工程学院,四川成都 610065)

淬火分配工艺对低碳低合金钢组织与性能的研究

丰 璞,黄维刚

(四川大学材料科学与工程学院,四川成都 610065)

研究了0.15C-Mn-Si-Cr低碳低合金钢在Ms点以下不同温度预淬火-碳分配工艺(Q&P工艺)及贝氏体转变对钢组织与性能影响。结果表明,实验钢经Q&P处理后获得贝氏体/马氏体复相组织,与淬火回火钢相比能获得更多的残余奥氏体量,随着淬火碳分配温度的升高,钢中残余奥氏体量增加,等温温度超过310℃后,钢中析出碳化物,残余奥氏体量减少。在250℃预淬火温度等温碳分配淬火,钢的冲击韧性显著高于传统的淬火回火钢。

Q&P工艺;残余奥氏体;显微组织;力学性能;贝氏体转变

1 引言

Speer等[1,2,3]受TRIP钢的启发提出了淬火和碳分配(Quenching and Partitioning,Q&P)工艺,在室温下获得了由马氏体和残余奥氏体组成的复相组织,显示了较高的强度和良好的塑性及韧性。传统的Q&P工艺是先将钢完全奥氏体化以后快冷到MS点与Mf点之间的TQ温度来获得一定量的马氏体,然后在TQ温度(一步法)或更高的温度TP(两步法)等温进行碳原子的配分[4]。目前国内外的Q&P工艺主要针对中碳钢,在较低温度预淬火后,再在较高温度进行碳分配的两步法Q&P工艺[5,6,7,8],这有利于碳原子从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中,提高奥氏体的稳定性。但是两步法工艺复杂,在实际工业生产上适用性较差。近年来有研究发现了在Ms点以下的温度等温可获得贝氏体组织,称为低温贝氏体。这是贝氏体转变向马氏体转变区的延续。这种组织具有较高的强度和韧性[9,10,11]。本研究采用0.15C-Mn-Si-Cr系低碳低合金钢,研究较长时间的碳分配一步Q&P工艺,探讨在Ms点以下长时间等温的贝氏体转变及碳分配对钢微观组织和力学性能的影响。

2 实验材料及方法

实验钢的化学成分见表1所示。试验用钢在30 kg真空感应熔炼炉冶炼,然后将铸锭在1200～1250℃的温度范围内保温一定时间,然后锻成25 mm×65 mm×100 mm方坯。利用膨胀法测得实验钢的Ac3为865℃,MS点为390℃。

表1 实验钢的化学成分(wt%)

本研究的热处理工艺见图1所示。QT为普通的淬火回火工艺,将试样在940℃奥氏体化,保温20 min后油冷,随后在260℃进行回火2 h处理。一步Q&P工艺的奥氏体化温度为940℃,保温20 min后淬入Ms点以下不同温度的盐浴中等温1 h,最后空冷至室温,不进行回火,等温碳分配温度为250℃、280℃、310℃、340℃。

图1 实验钢不同工艺(a)QT;(b)一步Q&P热处理流程图

冲击韧度测试采用55 mm×10 mm×10 mm V型缺口标准冲击试样,在JB-300B型冲击机上测定。拉伸强度测试采用标距为20 mm,宽6 mm,厚4 mm的板状拉伸试样,在DDL100型电子万能试验机上测定。热处理后的试样研磨抛光后经4%的硝酸酒精腐蚀,使用S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织,并采用DX-2600型X射线衍射仪测定钢中的残余奥氏体含量。残余奥氏体含量采用公式(1)进行计算[12〛：

式中：Vγ—奥氏体相体积分数;

Iα—铁素体(211)晶面衍射峰积分强度;

Iγ—奥氏体(220)晶面衍射峰积分强度。

3 实验结果与讨论

3.1 微观组织

图2为淬火回火与一步Q&P工艺处理后样品的扫描电镜下的微观组织。由图2(a)可见,淬火回火工艺处理后的组织为典型的板条状马氏体。经不同预淬火温度的Q&P工艺处理后的组织发现,预淬火温度为250℃时,组织为板条马氏体组织,与淬火回火的组织相似。淬火温度为280℃和310℃时,发现组织中存在少量的贝氏体组织,见图2(cd)所示,组织为马氏体和贝氏体复相组织。在碳分配的过程中,先形成等温马氏体,然后再发生贝氏体转变。淬火温度与马氏体量的关系由公式(2)给出[13]。

表2 不同淬火温度下的马氏体体积分数

图3为不同工艺下实验钢的XRD图谱。由图可见,淬火回火钢的组织中只存在α相的衍射峰,这表明低碳含量钢的Ms点较高,淬火后奥氏体基本上全部转变为马氏体。Q&P处理后的试样中均发现有奥氏体的衍射峰,表明组织中存在残余奥氏体。根据图2可知,组织为贝氏体,马氏体和残余奥氏体的三相组织。表3为残余奥氏体(Vγ)的计算结果,可以看出,随预淬火的温度升高,残余奥氏体含量增加,预淬火温度为310℃时,残余奥氏体体积分数达到最大值7.5%,随后残余奥氏体的含量降低。这是由于在一定的等温分配的温度下,碳有较充分的时间进行扩散,碳从马氏体中分配到奥氏体使得奥氏体稳定,而且由于Si抑制碳化物的作用,在等温温度较低时没有碳化物的析出,使残余奥氏体得以保留。预淬火温度过高时,马氏体转变量减少,未转变的奥氏体不能从马氏体中分配到足够的碳,奥氏体稳定性不足,随等温时间的增加,贝氏体转变量增多,而且较高的温度使Si的抑制碳化物析出作用消失,促进了碳化物析出,结果残余奥氏体含量降低。由实验结果可知,合适温度的等温分配工艺可以提高奥氏体的稳定性,获得较多的残余奥氏体。

图2 (a)QT;不同淬火温度(b)250℃;(c)280℃;(d)310℃;(e) 340℃实验钢的扫描电镜形貌

表3 不同热处理工艺钢残余奥氏体体积分数

图3 淬火回火工艺与一步Q&P处理工艺钢的XRD衍射图谱

3.2 强塑性和韧性

对不同热处理工艺进行拉伸实验和冲击韧性实验,结果见表4。从表4中的结果可知,淬火回火钢的强度最高,达到了1281 MPa,延伸率为18.6%。Q&P钢的强度随着预淬火温度的上升而降低,预淬火温度为250℃时抗拉强度稍低于淬火回火钢,达到1268 MPa。从冲击韧性的结果可见,等温碳分配工艺在250℃和280℃预淬火温度条件下的冲击韧性均匀高于淬火回火钢,其中250℃等温分配钢的韧性最高,达到115 J。等温分配温度超过280℃,冲击韧性明显降低,甚至低于淬火回火钢。原因可能是等温温度较高时,组织中析出的碳化物和组织长大导致韧性降低。

表4 不同热处理工艺钢的力学性能

由以上实验结果可知,低碳低合金钢采用250℃和280℃预淬火温度等温碳分配淬火工艺,在等温碳分配过程中,发生了贝氏体转变,形成了贝氏体与马氏体的复相组织。而且碳的分配有利于提高奥氏体的稳定性,增加残余奥氏体的含量,使钢的冲击韧性明显提高。等温温度较高时,由于碳化物的析出和组织长大的原因,使冲击韧性降低。

4 结论

通过研究低碳低合金钢一步Q&P工艺对钢的组织和强韧性的关系,得到如下的结论：

(1)在Ms以下一定的温度等温碳分配过程中,有贝氏体转变发生,结果获得贝氏体/马氏体复相组织。

(2)随等温碳分配温度的提高,钢中的残余奥氏体含量增加,等温温度超过310℃时,出现明显的碳化物析出,使残余奥氏体含量降低。

(3)在250℃预淬火温度等温碳分配淬火,钢的冲击韧性显著高于传统的淬火回火钢。

[1] Speer J,Matlock D K,Cooman B C D,et al.Carbon partitioning into austenite after martensite transformation[J].Acta Materialia,2003,51(9)：2611-2622.

[2] Speer J G,Edmonds D V,Rizzo F C,et al.Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite,with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation[J].Current Opinion in Solid State&Materials Science,2004,8(3)：219-237.

[3] Speer J G,Assuncao F C R,Matlock D K,et al.The“quenching and partitioning”process：background and recent progress[J].Materials Research,2005,8(8).

[4] Li H Y,Lu X W,Wu X C,et al.Bainitic transformation during the two-step quenching and partitioning process in a medium carbon steel containing silicon[J]. Materials Science&Engineering A,2010,527(23)：6255-6259.

[5] 朱 帅,邝 霜,姜英花,等.热处理工艺对Q&P钢组织与性能的影响[J].金属热处理,2013(10)：1-4.

[6] 陈连生,杨 栋,田亚强,等.配分温度对低碳高强Q&P钢组织及力学性能影响[J].材料热处理学报, 2014,35(1)：55-59.

[7] 庄宝潼,唐 荻,江海涛,等.Q&P钢配分过程中的组织演变[J].北京科技大学学报,2012,34(11)：1288 -1293.

[8] Li X G,Zhao A M,Zheng H H,et al.Study of the Microstructure and Mechanical Properties of a Medium Manganese Quenching and Partitioning(Q&P)Steel [C]//Materials Science Forum.2016：659-663.

[9] Zhao L,Qian L,Meng J,et al.Below-Ms,austempering to obtain refined bainitic structure and enhanced mechanical properties in low-C high-Si/Al steels[J]. Scripta Materialia,2016,112：96-100.

[10]Bohemen S M C V,Santofimia M J,Sietsma J.Experimental evidence for bainite formation below M s,in Fe-0.66C[J].Scripta Materialia,2008,58(6)：488 -491.

[11]Hase K,Garcia-Mateo C,Bhadeshia H K D H. Bimodal size-distribution of bainite plates[J].Materials Science&Engineering A,2006,438(9)：145-148.

[12]Gao G,Zhang H,Tan Z,et al.A carbide-free bainite/ martensite/austenite triplex steel with enhanced mechanical properties treated by a novel quenching-partitioning-tempering process[J].Materials Science&Engineering A,2013,559(1)：165-169.

[13]Tan X,Xu Y,Yang X,et al.Microstructureproperties relationship in a one-step quenched and partitioned steel[J].Materials Science&Engineering A, 2014,589(2)：101-111.

[14]陈连生,赵 远,田亚强,等.配分时间对低碳高强Q&P钢组织及力学性能影响[J].热加工工艺,2013, 42(20)：63-66.

Study of Quenching and Partitioning Process on the Microstructure and Mechanical Properties of Low-carbon and Low-alloy Steel

FENG Pu,HUANG Weigang
(College of Material Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China)

The effect of quenching and partitioning(Q&P)process with different partitioning temperature below Ms and bainite transformation on the microstructure and mechanical properties of 0.15C-Mn-Si-Crlow-carbon and lowalloy steel were investigated.The results showed that the bainite and martensitemixed microstructure is obtained by Q&P process.With the increase of the partitioning temperature,the volume fraction of retained austenite increases and the volume fraction of retained austenite decreases due to the precipitation of carbides when the partitioning temperature is higher than 310℃.A highervolume fraction of retained austenite can be obtained than the traditional quenching and tempering(QT)steel.The toughness of the steel quenched and partitioned at 250℃has been improved significantlycompared with the traditional QT steel.

quenching and partitioning process,retained austenite,microstructure,mechanical properties, bainite transformation

TG161

A

1001-5108(2017)04-0007-03

丰璞,硕士研究生,主要从事合金钢组织与性能方面的研究。

黄维刚,教授。