Q&P处理工艺对中锰钢组织结构及相关力学行为的研究

论文摘要

轻量化和高安全化是汽车行业的重要发展方向,要求新一代汽车用钢具有高强度、高塑性和高强塑积（抗拉强度（Rm）和断后伸长率（A）的乘积）的力学性能。传统马氏体钢的热处理工艺是淬火之后再回火,所得马氏体组织能够得到相对较好的强度和塑性,但作为汽车钢的应用还需要进一步提高。近年来,美国科学家提出了一个新的热处理工艺概念—"Quenching and Partitioning Process"（Q&P,淬火和配分工艺）,指出并证实了可以调控马氏体中的残余奥氏体,从而达到进一步改善材料塑性但不显著降低强度。目前大量的研究基于传统马氏体钢的C的配分而没有对其它具有奥氏体稳定性的合金化元素和碳化物析出抑制元素（Mn,Si和Al等）进行探讨和研究。论文通过对几种不同碳含量的中锰钢（5%Mn）进行Q&P工艺处理的试验,研究了不同奥氏体化温度（AT）、淬火温度与时间（QT、t2）、配分温度和时间（PT,t3）对含C和Mn的中锰钢微观组织结构及力学性能的影响,并与传统的马氏体钢进行了对比,初步探讨了Q&P工艺对材料微观组织结构和力学性能的影响规律。同时本文在中锰钢的基础上进一步添加Si或Al,研究了Si和Al对Q&P处理中锰钢的微观组织结构演化和力学性能规律,发现可以通过Si或Al的添加,抑制Q&P处理过程中的碳化物的析出,稳定了钢中的奥氏体相,从而进一步提高中锰钢的综合力学性能。通过扫描电镜,电子背散射取向成像和X-射线衍射技术,对Q&P处理的中锰钢的微观组织结构进行了表征和分析。结果表明中锰钢经过Q&P工艺处理后主要由先形成马氏体、新鲜马氏体和残余奥氏体组成。这几种相的形态、数量和分布随着奥氏体化温度、淬火温度和时间、以及配分温度和时间发生明显的变化。两相区的低温奥氏体化后,各相组织均以连续条状组织存在,而且奥氏体含量最多,基本不受到后续淬火和配分的影响。而单相区的高温奥氏体化后,组织形态和数量受到淬火温度时间及配分温度和时间的影响而发生明显的不同。较高温淬火和较高温度配分有利于增加奥氏体的含量,但各相的组织形态主要以不连续的条状或多边的块状存在。另外Si和Al的添加进一步提高了残余奥氏体的含量。力学性能测试结果表明,通过Q&P工艺处理后,中锰钢的力学性能也与Q&P处理工艺参数密切相关。两相区奥氏体化后可以获得最高的强塑积,但其抗拉强度明显低于单相区奥氏体化的。对力学性能的综合分析表明,通过单相区奥氏体化后进行较高温度的淬火和较高温度的配分可以获得强度和塑性匹配较好的力学性能。另外添加Si和Al,可以明显提高钢的塑性和强度,得到了强度约为1500MPa,塑性约为20%的Q&P处理钢。通过对Q&P处理中锰钢的组织结构和力学性能的分析,初步认为提高钢中奥氏体的含量是提高钢的强塑积的重要因素。本研究为新一代汽车钢的研发提供了材料设计和热处理工艺制定等方面的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 影响高强度和高塑性的因素
• 1.2.1 高强度高塑性的组织结构
• 1.2.2 提高强度的因素
• 1.2.3 提高塑性的因素
• 1.3 奥氏体的稳定化和获得方法
• 1.3.1 奥氏体的热稳定化
• 1.3.2 奥氏体的力学稳定化
• 1.3.3 奥氏体的化学稳定化
• 1.3.4 奥氏体的相致稳定化
• 1.3.5 奥氏体的获得方法
• 1.3.5.1 传统淬火回火工艺处理获得奥氏体的方法（逆相变法获得奥氏体）
• 1.3.5.2 Q&P工艺处理获得奥氏体的方法（Quenching&Paritioning,正相变）
• 1.4 残余奥氏体的稳定性与TRIP效应（其中包括合金元素残余奥氏体的获得及稳定性的影响）
• 1.5 课题主要研究的内容和意义
• 第二章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 热处理设备
• 2.2.2 热处理方法
• 2.2.2.1 传统淬火回火工艺处理
• 2.2.2.2 Q&P工艺处理
• 2.2.3 力学性能分析
• 2.2.4 微观组织分析
• 2.2.4.1 扫描电镜（SEM）分析
• 2.2.4.2 EBSD分析
• 2.2.4.3 XRD测定残余奥氏体及含碳量的计算
• 第三章 中锰钢在淬火回火及Q&P处理过程中的组织结构演变
• 引言
• 3.1 淬火回火工艺对中锰钢组织形貌的影响
• 3.2 Q&P工艺对中锰钢组织形貌的影响
• 3.2.1 组织形貌的变化
• 3.2.1.1 奥氏体化温度（AT）对组织形貌的影响
• 3.2.1.2 淬火温度（QT）对组织形貌的影响
• 3.2.1.3 配分温度（PT）对组织形貌的影响
• 3.2.1.4 淬火时间（t2）对组织形貌的影响
• 3.2.1.5 配分时间（t3）对组织形貌的影响
• 3.2.1.6 不同碳含量对组织形貌的影响
• 3.2.2 残余奥氏体含量的变化
• 3.2.2.1 温度和时间对淬火回火工艺残奥量的影响规律
• 3.2.2.2 温度和时间对Q&P工艺残奥量的影响规律
• 3.3 Si和Al对微观组织的影响
• 3.3.1 Si、Al元素对Q&P组织形貌的影响
• 3.3.1.1 Si元素对Q&P组织形貌的影响
• 3.3.1.2 Al元素对Q&P组织形貌的影响
• 3.3.3 Si、Al元素对Q&P残余奥氏体量的影响
• 3.3.4 微观组织EBSD结构表征
• 3.4 小结
• 第四章 中锰钢在淬火回火及Q&P处理工艺的力学性能
• 引言
• 4.1 淬火回火工艺对中锰钢力学性能的影响
• 4.2 Q&P工艺对中锰钢力学性能的影响
• 4.2.1 淬火温度（QT）对中锰钢力学性能的影响
• 4.2.2 配分温度（PT）对中锰钢力学性能的影响
• 4.2.3 淬火时间（t2）对力学性能的影响
• 4.2.4 不同含碳量对中锰钢力学性能的影响
• 4.2.5 传统淬火回火工艺与Q&P工艺力学性能的对比
• 4.3 残余奥氏体对力学性能的影响
• 4.4 中锰钢的加工硬化行为
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录 （攻读学位期间发表论文目录）
• 致谢