Q&P钢的研究现状及前景展望

供稿|王亚东，刘宏亮，王亚芬，王忠东 /

汽车车身制造中使用先进高强度钢板，可有效减轻汽车自重，目前在车身制造中先进高强度钢板主要使用双相钢、相变诱导塑性钢和热成形钢等，但对强度、成形性能及有效减轻车身重量的零件来说具有更高强塑性匹配的Q&P钢无疑是最佳的选择[1]。Q&P钢采用“淬火—配分”工艺生产，其金相组织主要为马氏体+铁素体+残余奥氏体等多相复合组成，利用马氏体带来的超高强度和残余奥氏体的相变诱导塑性效应，使其具有很高的屈服强度、抗拉强度和较好的延展性，冲压成形能力高，用于汽车板可减轻车身的自重，降低油耗；同时高强度配合良好的塑性，使其吸收冲击功的能力较强，能够抵御汽车在撞击时的塑性变形，显著的提高汽车的安全性能，已经成为最具潜力的汽车用先进高强钢[2]。

化学成分

Q&P钢的成分主要有硅锰系、低硅含铝系和低硅含磷系等，均依靠碳的配分富集来稳定残余奥氏体，依靠锰提高淬透性及残余奥氏体的稳定性，铝、硅及磷添加则依据冶炼、焊接及表面质量等因素综合考虑[3]。铝、硅及磷均可在促进铁素体生成的同时避免在配分过程中碳化物的析出，提高残余奥氏体的碳含量以实现在室温时的稳定。其中，铝和硅两种元素的作用相近且含量较多，铝会加大冶炼难度而硅则会降低表面质量[4]，因此在成分设计时要控制好合理的加入量，含磷系的Q&P钢在适当添加硅时还需要提高锰的含量以提高残余奥氏体的稳定性。合理的成分设计是实现Q&P优异强塑性匹配及良好应用性能的关键[5]。

生产工艺

Q&P钢的生产工艺分一步配分及两步配分。一步配分时配分温度等于淬火温度，两步配分时配分温度则高于淬火温度；退火温度多为在奥氏化温度以上，也有的学者选择研究在两相区退火[6]，工艺曲线如图1所示。在奥氏体化温度以上退火时，初始组织为奥氏体，淬火后组织为马氏体及残余奥氏体，强度较高，塑性相对较差；而在两相区退火时，初始组织为铁素体及奥氏体，因存在部分铁素体，原始奥氏体中碳含量及合金含量相对更高，淬火后马氏体中碳含量高于在奥氏体化温度以上退火时，在配分过程中有更多的碳向奥氏体中扩散，使得最终形成的残余奥氏体更加稳定[7]，同时由于铁素体的引入，使其塑性进一步提高[8]，因基体中含有铁素体而导致马氏体含量相对较少，因此强度偏低，最高只能达到1200 MPa级，伸长率要高于在奥氏体化温度以上退火的Q&P钢。

图1 Q&P钢生产工艺曲线：(a) 奥氏体区退火；(b) 两相区退火

随着学者对Q&P工艺的深入研究和对Q&P工艺的改进，Q&P工艺适用的钢种也越来越广泛。改进的Q&P工艺主要有Q&P&T、I&Q&P及Q&P&B工艺等。Q&P&T工艺在钢中加入碳化物形成元素，如铌或钼，使其在一定温度时析出复杂碳化物，增加沉淀强化来进一步提高强度[9]。I&Q&P工艺为首先在两相区保温使碳及合金元素向奥氏体内富集，并进行Q&P工艺处理，从而达到稳定更多残留奥氏体的效果[10]。Q&P&B工艺为在贝氏体区配分，配分阶段开始前得到较高体积分数的奥氏体组织，以弥补在贝氏体区配分时奥氏体向贝氏体的转变，最终得到无碳贝氏体、马氏体和残余奥氏体的三相组织，贝氏体的引入可以协调变形能力进而提高整体塑性，材料整体强度的损失不会太大[11]。三种改进的Q&P工艺，均得到良好的实验结果，其对应的金相组织见图2。对马氏体钢、热成形钢及不锈钢Q&P工艺组织性能的研究，及在原始成分中添加硅或其他合金元素来增加奥氏体稳定性的实验研究，均获得了良好的综合力学性能[12-15]。

Q&P钢的组织与性能

Q&P钢中利用马氏体来提高抗拉强度，残余奥氏体和(或)铁素体及贝氏体提高塑性，使其拥有1500 MPa左右抗拉强度的同时伸长率可达20%以上。抗拉强度主要由一次淬火形成的马氏体决定，马氏体析出相数量及尺寸、配分过程中的回火程度、板条间距等均对抗拉强度有明显的影响。延伸率主要由残余奥氏体决定，残余奥氏体含量直接影响强塑积，研究结果表明强塑积的变化规律与断后伸长率的变化规律基本一致[16]。

图2 三种工艺金相组织图

影响Q&P钢组织性能的因素主要有：①退火温度：两相区退火时成品组织主要为铁素体、马氏体及残余奥氏体，奥氏体区退火时成品组织主要为马氏体和残余奥氏体，两相区退火塑性更高而奥氏体区退火则强度更高。②快冷速度：在最佳的淬火温度下，大于临界冷却速率即满足原始奥氏体向马氏体的转变，但更高的冷却速率则可提高奥氏体向马氏体转变的驱动力，使其形核点增多的同时还可以细化马氏体板条间距进一步提高抗拉强度。③淬火温度：影响最终得到的马氏体、贝氏体及残余奥氏体的比例，合理淬火温度的选择是获得良好力学性能的关键[17]。④配分温度：为保证残余奥氏体的含量，配分温度不能过高，在配分温度过高的情况下奥氏体会发生分解，一次淬火马氏体会发生回火软化，从而降低Q&P钢的伸长率及抗拉强度。⑤配分时间：文献研究表明，有效配分时间在10～100 s，配分时间的延长虽有利于碳从马氏体扩散到残余奥氏体，增加残余奥氏体的稳定性有利于伸长率的提高[18]，但一次淬火马氏体中碳含量的降低则导致抗拉强度降低，因此合理的配分时间对于获得良好性能也非常关键。

针对Q&P钢冲压成形能力，学者通过实验得出Q&P钢可完美解决零件对强度及良好成形性的需求，对汽车安全性和轻量化都具一定的应用价值[19]。零件成形后的延迟断裂现象对汽车使用安全性影响严重，学者对QP980和DP980电化学充氢后在不同预应变条件下强度及伸长率损失规律及断口分析，得出Q&P钢更易受到氢的侵入从而脆化[20]，因此Q&P钢组织中有必要引入一定量的“氢陷阱”[知识小贴士]来避免延迟开裂。通过对比其他先进高强钢S-N曲线和疲劳裂纹扩展速率曲线，Q&P钢组织中部分残余奥氏体随循环次数的增加逐渐转变为马氏体，转变速度和最终转变量和应力水平正相关，当应力水平降低到一定程度时，转变速度和最终转变量不再变化，表明Q&P钢具有更优的疲劳性能。关于Q&P焊接性能的研究表明，其熔核直径对点焊接头疲劳强度的影响很小，点焊接头拉剪疲劳性能与其他先进高强钢相近[21]，焊接性能良好。

结束语

目前宝钢为国内稳定供货Q&P钢的厂家，能够批量生产1200 MPa级冷轧、热镀锌及锌铁合金产品。鞍钢980 MPa及1180 MPa级的Q&P钢也已经成功生产并在国内率先生产出强度达1400 MPa级的Q&P钢。唐钢实现了在传统连续退火生产线上生产出Q&P980产品。本钢和首钢等也对Q&P钢工艺、组织性能、成形性能及焊接性能等进行了深入研究。随着国内外对Q&P钢研发力度加大，能够有效实现车身减重并提高汽车安全性的第三代汽车用钢典型代表之一的Q&P钢因其优异的强塑性能和适合工业化批量生产的技术特点而成为其中最为瞩目的“明星”。

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知识小贴士

随着对氢致开裂和氢脆现象研究的深入，人们基于缺陷捕捉氢的事实提出了氢陷阱的概念。它实质上是一种陷阱：氢原子固溶于金属中，处于晶核间隙位置，占据体心立方金属的四面体位置，面心立方金属的八面体位置。氢原子在这些间隙位置会使周围点阵发生畸变，点阵常数随之改变，因此间隙原子周围存在一个畸变场(即有应变能)。而多晶体各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷周围也有畸变场，它们与氢畸变场作用，把氢吸引到自己周围，可以降低总的畸变能，客观上这些陷阱对氢起了捕获作用，因此被称为“氢陷阱”。