港大黃明欣團隊：一種熱處理新方法！獲得超強韌Q&P鋼

2020-09-07 材料material


自2003年研製出淬火配分(Q&P)鋼以來，碳配分被廣泛應用於多相超高強度鋼的設計中。其基本原理是碳在分區處理過程中從馬氏體擴散到奧氏體。配分後的奧氏體變得更加穩定，即使在室溫下也不會發生轉變。在Q&P鋼中，殘餘奧氏體是亞穩態的，在變形過程中不斷轉變為馬氏體，從而發生變形誘導塑性(TRIP)效應。通過控制殘餘奧氏體和TRIP效應可以獲得優良的強度和延展性組合。


現已開發出強度達到1500MPa、延伸率15%的Q&P鋼，但是這種超高強鋼的斷裂韌性較差，限制了Q&P鋼的進一步應用。現有研究仍集中於殘餘奧氏體對斷裂行為的影響，而馬氏體基體對斷裂機理的影響也很重要，所以需要同時研究殘餘奧氏體和馬氏體基體。

日前，香港大學黃明欣團隊提出了一種調整馬氏體基體和殘餘奧氏體的新型熱處理方法，以增強超高強度Q&P鋼的斷裂韌性，同時保持良好的強度-延展性組合（抗拉強度1500MPa，延伸率10%以上）。相關論文以題為「Optimising the strength-ductility-toughness combination in ultra-high strength quenching and partitioning steels by tailoring martensite matrix and retained austenite」發表在International Journal ofPlasticity。


論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102851


本研究的原料為工業用Q&P鋼板材，熱處理方法：以10℃/s的速率升溫至850℃保溫180s，以10℃/s的冷卻速率降溫至190℃，將材料以10℃/s的速率分別升溫至400℃、450℃和500℃（簡稱PT400、PT450和PT500）保溫450s，冷卻至室溫。

研究發現PT400、PT450和PT500中殘餘奧氏體分別為19.3%、17.8%和3.5%。在PT400和PT450中殘餘奧氏體的體積分數和形態相似，PT500中大部分奧氏體已分解為層狀珠光體。對於PT400，殘餘奧氏體在變形過程中緩慢地轉變為馬氏體，這是最佳強延性組合。在PT450中殘餘奧氏體不太穩定，幾乎所有的奧氏體都在縮頸開始前發生了轉變，導致均勻伸長率較低。PT450中殘餘奧氏體的穩定性降低可能是由於碳含量降低和馬氏體基體軟化造成的。

圖1 Q&P鋼的顯微組織(a, b)PT400; (c, d)PT450; (e, f)PT500


圖2 不同狀態下Q&P鋼的拉伸性能

圖3 不同狀態下Q&P鋼的斷裂韌性


圖4 三種狀態下的(a-c)斷口形貌和(d-e)開裂路徑

馬氏體基體對斷裂韌性也有一定影響。在板條馬氏體晶界面積、位錯密度和位錯亞結構方面，PT450和PT500的馬氏體基體比PT400更能充分回復。回復降低了流變應力，促進了微裂紋尖端前的位錯運動，抑制了脆性斷裂的發生。馬氏體中的固溶碳可以通過應變時效阻礙位錯運動，所以PT450和PT500中固溶碳含量較低也是斷裂韌性較好的主要因素之一。過渡碳化物轉變為細小滲碳體能夠消耗固溶碳和減少析出硬化進而降低馬氏體的流變應力，不會引起脆性斷裂。因此，細小滲碳體的形成對提高Q&P鋼的斷裂韌性具有重要意義。


圖5 (a) PT400和(b) PT450的微裂紋

圖6 (a) PT400和(b) PT450的APT分析

圖7 (a) PT400, (b) PT450和(c) PT500中碳化物的TEM圖像

綜上所述，Q&P鋼中獲得較平衡的強度、延展性和斷裂韌性關鍵因素是較高含量的殘餘奧氏體、充分回復的馬氏體基體和形成細小的滲碳體。本文提出了一種針對Q&P鋼的熱處理新方法，能夠進一步擴大Q&P鋼的應用範圍，為其他鋼材的性能改善提供了一種新的思路。（作者：破風）


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