配分时间对1000MPa级Q&P钢性能的影响

　　通过两相区退火结合一步淬火配分热处理工艺，在热模拟条件下对1000MPa级Q&P钢进行不同配分时间下的Q&P工艺处理，利用扫描电镜和X射线衍射仪分析配分时间对相组成、残余奥氏体体积分数及其碳含量的影响，通过拉伸试验测定Q&P钢的力学性能，研究组织演变对性能的影响。结果表明：试验材料的显微组织主要由铁素体、马氏体和残余奥氏体构成。随着配分时间的延长，抗拉强度呈下降趋势，马氏体自身属性在配分过程中的变化，残余奥氏体体积分数及其碳含量共同决定断后伸长率呈先升高后降低最后又升高的趋势，在配分时间为600s时试验材料可获得最佳的强塑性匹配。

　　目前，第三代先进高强钢主要是通过相变强化、晶粒细化和位错强化等常规机制来保证高强度，并在基体中引入残余奥氏体，其相变诱导塑性效应有利于塑性和成形性的提高。Q&P钢是第三代先进高强钢中最具应用前景的材料之一。Q&P工艺中的淬火过程，通过淬火温度控制可以调整基体中所需的马氏体及残余奥氏体的最佳体积分数，随后重新加热到配分温度进入过时效段，即两步Q&P工艺进行碳配分，或以淬火温度不经升温直接进入过时效段，即一步Q&P工艺进行碳配分，在一定时间范围内使碳在配分温度下从过饱和马氏体中扩散到未转变奥氏体，在这一阶段中，因成分中添加Si和/或Al，碳化物析出将被显著抑制，由于碳的富集，未转变奥氏体的热稳定性显著提高，在最终冷却阶段淬火马氏体的形成受到抑制，这些奥氏体可以在室温下保持稳定。虽然残余奥氏体的含量相对较低，但它是一种重要的组成相，因为相变诱导塑性效应可以通过改善局部硬化来提高钢的强度和塑性。Q&P工艺中的热处理参数，如奥氏体化温度、淬火温度、配分温度及时间，对于控制由此产生的显微组织演变和力学性能至关重要。淬火温度根据马氏体转变动力学决定初始马氏体和未转变奥氏体的体积分数，而配分温度和配分时间主要影响碳扩散过程，关系到最终组织中残余奥氏体的体积分数和稳定性，这三个参数都是控制最终微观结构所必需的。两相区退火在基体组织中引入部分铁素体，与完全奥氏体化处理工艺相比具有良好的强塑性匹配，且两相区退火更适合于实际的连续退火生产线，同时与两步Q&P工艺相比，一步Q&P工艺简单，更适合大规模的工业化生产。因此，本试验针对C-Si-Mn系Q&P钢通过两相区退火结合一步淬火配分热处理工艺，进行不同配分时间下的连续退火热模拟，基于热力学微观组织调控理论，分析残余奥氏体的演变规律，研究不同配分时间对1000MPa级Q&P钢组织性能的影响。

　　1、试验材料和方法

　　试验材料为工业生产的TRIP780冷硬板，其化学成分如表1所示。试验材料所用钢坯热轧至厚度为3.5mm，通过前段冷却方式冷却至680℃，在620℃下进行卷取，随后进行空冷。将热轧板酸洗并冷轧至最终厚度为1.4mm，使总厚度减少60%。在冷轧带材上沿轧制方向切取尺寸为400mm×150mm的试样用于连退热模拟试验。使用相变仪测定材料相变点，其中Ac1为760℃，Ac3为870℃，Ms为380℃，通过约束碳平衡(CCE)模型估算的最佳淬火温度并考虑两相区退火及缓慢冷却过程均对合金元素向奥氏体进一步富集的影响，本试验中淬火温度选择为350℃。试验钢在两相区退火，可以引入一定量的铁素体提高延性，有利于合金元素更多的向奥氏体富集且不使晶粒过分粗大。将两相区退火温度设定在810℃，缓冷温度设定为700℃，配分时间由工艺速度决定，在一步配分工艺下配分时间在500-900s左右，因此配分时间选择400s、600s、800s和1000s进行连退热模拟。

　　依据工业生产实际结合试验方案的连续退火工艺如图1所示，试验材料以大于临界冷速30℃/s的冷却速度冷却至淬火温度350℃，在此配分温度下保持等温进行不同配分时间热处理，最终以15℃/s的冷却速率淬火至室温。在热模拟后的试样上按标准制作拉伸试样与组织表征试样，进行力学性能检验、显微组织分析、残余奥氏体体积分数及残余奥氏体碳含量测定。

　　2、试验结果和分析讨论

　　2.1显微组织

　　观察试验材料经不同配分时间下的扫描电镜照片，可以看出，显微组织均主要由铁素体、马氏体和残余奥氏体构成，因添加了微合金元素试验材料表现出精细的显微组织。试验材料经缓慢冷却处理，此过程中生成一定体积分数的取向附生铁素体，马氏体呈板条状，因配分温度较低马氏体回火特征不明显，在1000s配分时间处理下个别马氏体领域出现板条粗化、弯曲及间断的回火特征，残余奥氏体呈块状分布于铁素体晶界或呈膜状分布于马氏体板条之间。试验材料中添加元素硅以抑制马氏体基体中碳化物的形成，同时还抑制分配过程中渗碳体的形成，即使在质量分数低至1.5%的情况下。从不同配分时间下的扫描电镜照片可以看出，未见明显碳化物析出情况出现，仅在最长的1000s配分时间下发现少量碳化物析出，表明硅的添加量足以抑制碳化物的形成。

　　图2为试验材料经不同配分时间下残余奥氏体体积分数与残余奥氏体中平均碳含量的变化曲线。从图2可以看出，配分温度为350℃时，残余奥氏体体积分数随配分时间的延长呈逐渐升高趋势，在配分时间为1000s时达到最大值，除了持续的碳配分导致残余奥氏体体积分数升高，另一个原因为试验材料成分设计中添加了Nb和Ti，纳米级碳化物析出细化奥氏体晶粒有利于在配分过程中降低碳扩散距离，提高残余奥氏体的体积分数。实际生产中较长的配分时间代表着较低的工艺速度，从冷却速度及生产效率考虑，虽然1000s的配分时间可以获得最高体积分数的残余奥氏体，但综合力学性能和生产效率达不到良好的匹配。残余奥氏体中的平均碳含量则随配分时间的延长呈逐渐降低趋势，在配分时间为400s时，残余奥氏体的平均碳含量达到最大值，试验材料中添加的Nb和Ti由于形成相应的碳化物而导致碳消耗，可能是造成残余奥氏体平均碳浓度较低的原因之一。

　　2.2力学性能

　　图3为试验材料经不同配分时间下的力学性能与强塑积变化曲线。从图3可以看出，随配分时间的延长，试验材料的抗拉强度呈逐渐降低趋势，当配分时间为1000s时，试验材料的抗拉强度已经低于1000MPa，主要原因是随着配分时间的增加，马氏体中的碳含量逐渐降低导致固溶强化效果降低以及马氏体部分回火导致位错强化效果减弱。断后伸长率的变化较复杂，呈先升高再降低最后又升高趋势，首先的升高是因为残余奥氏体体积分数的升高以及残余奥氏体自身平均碳含量较高，应变过程中可持续提供应变诱导塑性效应，因此呈现出上升趋势，接下来的降低是因为残余奥氏体自身平均碳含量已经达到较低水平，稳定性较低，在拉伸变形初期可能大部分转变为马氏体，后续变形过程中应变诱导塑性效应降低，因此断后伸长率呈下降趋势，至于最后的升高主要原因为随着碳配分以及马氏体回火的持续进行导致固溶强化以及位错强化减弱，增加了马氏体协调变形能力导致断后伸长率呈略微升高趋势。

　　3、结论

　　1)试验材料经不同配分时间处理后的组织均由铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体组成，残余奥氏体呈块状分布于铁素体晶界或呈膜状分布于马氏体板条之间;

　　2)随着配分时间的延长，残余奥氏体体积分数增加，残余奥氏体中的平均碳含量下降，导致残余奥氏体稳定性降低，在配分时间800s以上情况下，已不能提供明显的应变诱导塑性效应;

　　3)当分配时间为600s时，试验材料获得最佳的强塑性匹配，强塑积为19909MPa·%。