配分溫度對0.2C-2.96Mn-1.73Si鋼組織和力學性能的影響

馮樹明，萬德成，胡進朋，李 杰

（華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210）

為滿足汽車輕量化的要求，增加高強鋼在汽車制造中的占比是一種有效的方式。但隨著材料強度的增加往往導致其塑性下降，降低了車輛的安全性，因此汽車用鋼在追求高強度的同時還要兼顧塑性的要求。Speer等[1]提出的QP工藝，通過配分控制C的擴散和富集獲得大量亞穩態的殘留奧氏體，利用殘留奧氏體的TRIP效應改善塑性，合理調控軟硬相比例、分布，可以獲得優異的強塑性配合，能夠滿足第3代汽車用鋼的需求。

相比完全奧氏體化后進行配分處理（FQP）獲得馬氏體和殘留奧氏體的雙相組織，采用部分奧氏體化后再進行配分熱處理（IQP）獲得鐵素體、馬氏體和殘留奧氏體的多相組織，這種多相組織鋼的塑性改善明顯，強塑積更高[2]。對于普通低Mn（Mn含量低于2%）系QP鋼，由于奧氏體穩定化元素C、Mn含量偏低，配分熱處理后殘留奧氏體的含量不高，難以大幅提高材料的綜合力學性能。有研究表明[3-4]，增加QP鋼中的Mn含量，可以明顯提高殘留奧氏體含量，且細化組織，使得強度和塑性明顯提高。配分溫度直接影響馬氏體內碳原子向未轉變奧氏體中擴散的速率，同時也會影響配分階段的碳分配競爭機制，進而決定了殘留奧氏體的體積分數和穩定性[5-7]，最終影響QP鋼的強度和塑韌性匹配。QP鋼中添加微合金元素Nb可以細化晶粒，縮短C的擴散距離，有利于增加殘留奧氏體穩定性而增加強塑積[8]。因此，本文設計了成分為0.2C-2.96Mn-1.73Si-0.04Nb的QP鋼，采用IQP熱處理工藝獲得多相組織，研究配分溫度對組織演變和力學性能的影響規律，并對拉伸變形過程中的加工硬化行為進行分析。

1 試驗材料和方法

試驗鋼采用真空感應爐冶煉，鑄錠被鍛造成厚度為40 mm的矩形坯料。熱軋坯料在1230℃加熱爐中保溫，隨后使用350熱軋機進行6道次軋制。采用兩階段控制軋制，嚴格控制軋制溫度，確保終軋溫度為870℃，熱軋后鋼板厚度為4.5 mm，然后空冷至室溫。熱軋板經550℃回火1 h后通過酸洗去除氧化鐵皮，在四輥冷軋試驗機上進行冷軋，總壓下量為66.7%，最終冷軋板厚為1.5 mm。使用Thermo-Cale熱力學軟件計算試驗鋼的A1和A3溫度分別為653℃和806℃。

在冷軋板上沿軋向切取熱處理試樣，根據A1、A3確定IQP熱處理工藝，如圖1所示。熱處理試樣首先在770℃的箱式爐中保溫10 min，取出后立即淬入150℃的鹽浴中保溫10 s，然后分別放入溫度為300、350、400和450℃的鹽浴中保溫5 min，取出試樣后水淬至室溫。

圖1 Q&P工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Q&P process

將熱處理后的試驗鋼加工成拉伸試樣，標距為25 mm，使用SUNS5305電子萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm/min。在熱處理試樣上切取尺寸為5 mm×10 mm的金相試樣，經砂紙打磨、機械拋光、采用體積分數為4%硝酸酒精腐蝕后，在FEI Quanta 650場發射掃描電鏡上觀察顯微組織。切取尺寸為10 mm×10 mm的XRD試樣，經砂紙打磨、機械拋光后再經10%（體積分數）高氯酸酒精溶液電解拋光，使用D8 ADVANCE X射線衍射儀對鋼中奧氏體和鐵素體的衍射峰進行檢測，計算殘留奧氏體的體積分數和碳含量。

2 試驗結果與分析

2.1 配分溫度對顯微組織的影響

圖2為不同配分溫度下試驗鋼的SEM圖像。由圖2可知，室溫下的組織主要由鐵素體（F）、馬氏體和殘留奧氏體（RA）構成。鐵素體多呈等軸狀或長條狀，分布均勻，大部分尺寸在1μm左右。馬氏體分為回火馬氏體（TM）和新生馬氏體（M2）。回火馬氏體尺寸較大，主要由淬火階段形成的一次馬氏體（M1）回火形成。新生馬氏體未回火，呈塊狀分布在組織內，尺寸小于回火馬氏體。殘留奧氏體多為白亮的塊狀，大部分尺寸小于1μm。

300℃配分時，新生馬氏體的含量較高，如圖2（a）所示。尺寸較大的一次馬氏體未觀察到明顯的回火特征。配分溫度為350℃時（見圖2（b）），新生馬氏體的含量有所降低，另外，一次馬氏體發生了明顯的回火。400℃配分時（見圖2（c）），由于溫度升高，新生馬氏體的含量降低，一次馬氏體的回火程度明顯增加，板條逐漸粗化合并。450℃配分時（見圖2（d）），新生馬氏體的含量較少，一次馬氏體的回火程度更加嚴重，板條形貌消失，同時觀察到白色細小的碳化物彌散析出。

圖2 不同配分溫度下試驗鋼的SEM圖Fig.2 SEM images of the tested steel at different partitioning temperatures

2.2 配分溫度對殘留奧氏體的影響

圖3為不同配分溫度下試驗鋼中殘留奧氏體的體積分數和碳含量。隨配分溫度的升高，殘留奧氏體的體積分數先升高后降低。300℃配分后獲得的殘留奧氏體的體積分數最低，而400℃配分后殘留奧氏體的體積分數最高。殘留奧氏體中的碳含量則隨配分溫度升高不斷增加。

圖3 不同配分溫度下試驗鋼中殘留奧氏體體積分數和碳含量Fig.3 Volume fraction and carbon content of retained austenite in the tested steel at different partitioning temperatures

配分溫度為300℃時，由于配分溫度較低，碳在未轉變奧氏體中的擴散速率較慢，奧氏體中能夠富集的碳含量偏低。擴散慢也導致M/A界面處未轉變奧氏體一側的碳含量較高，而距離界面較遠處未轉變奧氏體區域碳含量偏低。碳含量偏低，均勻化程度不夠，導致室溫下穩定存在的殘留奧氏體含量最少。隨著配分溫度的提高，碳的擴散速率增加，未轉變奧氏體中富集的碳原子逐漸增多，而且均勻化程度增加，更多的奧氏體被保留下來。配分溫度為400℃時，殘留奧氏體含量達到13.66%，平均碳含量也顯著增加。450℃配分時，碳在馬氏體和奧氏體中的擴散速率最高，但由于馬氏體內碳化物析出動力增加，固定了部分碳原子，導致擴散到未轉變奧氏體中碳原子數量減少，不利于穩定殘留奧氏體[9]。此外，由于配分溫度較高，未轉變奧氏體更易發生分解，析出碳化物[7]、轉變為貝氏體[5，10-11]均會降低殘留奧氏體的含量。

2.3 配分溫度對力學性能的影響

圖4為不同配分溫度下試驗鋼的力學性能。隨著配分溫度的升高，試驗鋼的抗拉強度逐漸下降，屈服強度和伸長率均先增大后減小。由于試驗鋼采用較低的奧氏體化溫度，配分處理后獲得超細化的鐵素體、馬氏體和殘留奧氏體的混合組織，細晶強化作用明顯，使得試驗鋼均獲得較高的強度。400℃配分時，試驗鋼的抗拉強度為1444 MPa，伸長率達到20.13%，強塑積達到29 GPa·%，力學性能最佳。

圖4 不同配分溫度下試驗鋼的力學性能Fig.4 Mechanical properties of the tested steel at different partitioning temperatures

配分溫度為300℃時，組織內存在大量的新生馬氏體，殘留奧氏體的體積分數最低且穩定性較差，試驗鋼的抗拉強度最高，伸長率最低。350℃配分，殘留奧氏體的體積分數有所增加，穩定性進一步提高，伸長率升高。新生馬氏體的含量減少，同時一次馬氏體的回火程度增加，使試驗鋼的抗拉強度降低。配分溫度為400℃時，試驗鋼中殘留奧氏體的體積分數最大，對塑性貢獻明顯提高。同時隨著配分溫度的升高，一次馬氏體的回火程度增加，固溶的碳原子減少，馬氏體基體軟化從而改善塑性。一次馬氏體的回火效果也會提高屈服強度，因此試驗鋼獲得了最大屈服強度和伸長率，但抗拉強度略有降低。450℃配分時，由于配分溫度較高，回火效果更加明顯，使得強度降低。回火效應可以進一步改善塑性，但由于殘留奧氏體含量的降低，塑性反而下降。

圖5為不同配分溫度下試驗鋼的工程應力-工程應變曲線。低溫配分（300、350℃）時，最終淬火階段形成的新生馬氏體含量較高，由于馬氏體相變產生體積膨脹會對鄰近鐵素體造成擠壓，導致鐵素體內產生大量幾何必須位錯（GND）[12-13]，這些可動位錯致使屈服在較低應力下出現，降低屈服點。因此，配分溫度低于400℃時，屈服強度較低，而且工程應力-工程應變曲線表現為拱形連續屈服，類似于典型DP鋼的拉伸曲線。400℃配分時，一次馬氏體的回火程度增大，碳化物析出阻礙位錯運動，起到了析出強化的作用，另外新生馬氏體的含量降低使試驗鋼的屈服強度升高，達到最大值。450℃配分時，過高的配分溫度削弱了析出強化的作用，使試驗鋼的屈服強度下降。不同于低溫配分的工程應力-工程應變曲線，高溫配分（400、450℃）時，試驗鋼的工程應力-工程應變曲線出現鋸齒流變現象。

圖5 不同配分溫度下試驗鋼的工程應力-應變曲線Fig.5 Engineering stress-strain curves of the tested steel at different partitioning temperatures

圖6為試驗鋼加工硬化率的變化規律。由圖6可知，經過不同配分溫度處理試驗鋼的加工硬化率明顯不同。高溫配分（400、450℃）試驗鋼的加工硬化率可以分為3個階段：①在變形初期快速下降階段；②加工硬化率緩慢增加，且出現明顯波動；③緩慢降低階段。低溫配分（300、350℃），試驗鋼的加工硬化速率沒有第②階段，呈現明顯的兩階段。而且，配分溫度越低，變形初始階段的加工硬化率越高。

圖6 不同配分溫度下試驗鋼的加工硬化率曲線Fig.6 Work hardening rate curves of the tested steel at different partitioning temperatures

加工硬化率變化的第一階段主要與鐵素體內的位錯滑移有關[14-15]。配分溫度越低，試驗鋼中馬氏體含量越高，變形主要集中在鐵素體，內部大量可動位錯快速增殖，位錯交割阻力明顯增加，提高加工硬化率。第二階段主要與亞穩殘留奧氏體的TRIP效應有關[16-18]。隨應變的增加，試驗鋼中殘留奧氏體逐漸轉變為馬氏體，提高加工硬化率。低溫配分（300、350℃）時，鋼中殘留奧氏體的穩定性較差，相變初期快速轉變為硬相馬氏體，隨應變增加，加工硬化能力不斷降低，因此沒有明顯的第二階段。高溫配分（400、450℃）時，第二階段加工硬化率呈現明顯的波動，這應該與殘留奧氏體的不連續轉變相關。400℃配分時，試驗鋼中殘留奧氏體的含量最高，穩定性增加，在第二階段加工硬化率波動也最明顯，表明具有更持久的加工硬化能力，試驗鋼獲得了最佳的均勻變形能力，這也是試驗鋼塑性最高的主要原因。而450℃配分時，鋼中殘留奧氏體的含量明顯降低，限制了TRIP效應的發揮，導致第二階段的應變范圍縮小。第三階段，殘留奧氏體基本轉變完成，TRIP效應對加工硬化的影響可以忽略，變形集中在鐵素體和馬氏體中，加工硬化能力減弱，因此加工硬化率不斷降低。

3 結論

1）對0.2C-2.96Mn-1.73Si鋼進行IQP處理后，室溫組織主要由超細化鐵素體、馬氏體和殘留奧氏體構成。隨配分溫度的升高，一次馬氏體的回火程度不斷增加。配分溫度升高導致碳在奧氏體內的擴散速率增加，試驗鋼中殘留奧氏體的含量不斷升高，400℃配分時含量達到最高。配分溫度升高到450℃，殘留奧氏體含量反而下降，這可能是由于馬氏體內析出碳化物降低，可擴散的碳原子以及殘留奧氏體發生分解導致。

2）隨配分溫度的升高，試驗鋼的抗拉強度逐漸下降，屈服強度和伸長率均先增大后減小。配分溫度越低，試驗鋼中馬氏體含量越高，殘留奧氏體穩定性越差，初始變形階段加工硬化率越高，但隨應變增加不斷降低。增加配分溫度，殘留奧氏體的TRIP效應顯著增加，加工硬化率先下降后緩慢上升，然后再降低。配分溫度為400℃時，試驗鋼中殘留奧氏體的含量最高，穩定性增強，能夠提供持久的加工硬化，試驗鋼獲得了最高的均勻變形能力，抗拉強度為1444 MPa，伸長率為20.13%，強塑積達到29 GPa·%，綜合力學性能最佳。