新型QP工艺与传统QT工艺对先进高强度钢组织性能的影响毕业论文定稿.docx
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新型QP工艺与传统QT工艺对先进高强度钢组织性能的影响毕业论文定稿
CHANGCHUNINSTITUTEOFTECHNOLOGY
毕业设计(论文)
新型Q&P工艺与传统Q&T工艺对先进高强度钢组织性能的影响
NewQ&PtechnologyandtraditionalQ&Ttechnologyforadvancedhigh-strengthsteelsorganizationperformance.
长春工程学院
摘要
本文研究了TRIP800钢经Q&P(Quenchingandpartitioning)工艺与Q&T(QuenchingandTempering)工艺处理,以相同的配分温度400℃,在不同的配分时间(30s、60s、120s、300s)对抗拉强度、断面伸长率、屈服强度、晶相组织的影响,得到以下结论:
(1)TRIP800钢Q&P工艺最佳工艺参数为:
在270℃的盐浴温度中保持1min,400℃的配分温度,较长的配分时间(30s~300s)有利于碳的扩散,保证了碳原子由马氏体向残余奥氏体的富集的能力,使得TRIP800钢取得良好的塑性;
(2)Q&P工艺处理的TRIP800钢板组织是马氏体加残留奥氏体,随着配分时间的增加,钢板中的残余奥氏体的含量逐渐增加,其塑性随之增加;
(3)在相同的配分时间下,以400℃的配分温度进行Q-P工艺处理的TRIP800钢比Q-T工艺处理的TRIP800钢具有更高的断面伸长率,即具有更好的塑性;
(4)随碳分配时间的增加,屈强比呈下降趋势,相对于Q-T工艺,Q&P工艺处理的TRIP800钢具有更低的屈强比,即Q&P工艺处理的TRIP800钢具有更优秀的塑性。
关键词
TRIP钢Q&P工艺Q&T工艺热处理配分时间
Abstract
ThispaperstudiestheTRIP800steelafterQ&P(Quenchingandpartitioning)processandQ&T(QuenchingandTempering)process,withthesamedistributionoftemperature400℃,inadifferentpartitiontime(30s,60s,120s,300s)impactsthetensilestrength,thecrosssectionelongationyieldstrength,crystallinephaseorganizational.Thefollowingsaretheconclusions:
(1)TRIP800steelinsaltbathtemperatureof270℃maintains1min.With400℃distributionoftemperature,andthelongertime(30s~300s),thepartitionfavorsthediffusionofcarbonfromthecarbonatomstoensuretheretainedaustenitetomartensiteenrichmentofthebody'sabilitytoobtainsuchgoodductilityTRIP800steel;
(2)Q&PProcesstreatedsteelsheetisTRIP800residualaustenitemartensite,aswiththeincreaseoftime,theresidualaustenitesteelincreasedgradually,itsplasticityincreases;
(3)Atthesametimethepartitioninthepartition400℃temperaturetreatmentprocessofTRIP800QPQTprocesshasahigherelongation,whichhasabetterplasticitythansteelprocessingsectionTRIP800steel;
(4)Withcarbonallocationtimeincreases,theyieldratiodecreased.RelativetotheQTprocess,Q&PProcessofTRIP800steelhasaloweryieldratio,namelyQ&PProcessofTRIP800steelhasbetterductility.
Keywords:
TRIPsteel,Q&PProcess,Q&TTechnology,Heattreatment,Partitiontime。
3.2.2Q&T热处理参数对组织的影响28
1绪论
1.1本课题的来源及研究意义
1.1.1本课题的来源
现如今汽车工业高速发展及人类自身环保意识的不断提高,对燃油效率和增强汽车安全性的能要求日益增强。
据统计,目前全世界拥有6.25亿辆汽车,预计在30年内,这一数字将会上升到10亿辆[1]。
为提高汽车安全性能,使得高强度汽车板的研究成为钢铁材料研究的热点。
低碳环保型汽车的重要标志是排放少、油耗低和利用率高等。
在降低油耗、减少排放的同时,汽车重量的减少已越来越得到汽车行业的重视,资料表明,车重减轻10%,可节省燃油3%-7%,图1-1给出了车重和油耗之间的关系[2]。
图1-1车重和油耗之间的关系
由图1-1可以看出在保证汽车安全性和舒适性的前提下尽量让车身轻量化是减少油耗的途径之一。
如今,镁、铝合金以及碳素纤维等轻量化材料越来越多的用于车身,这些材料本身具有一些目前无法克服的缺点,如焊接性能较差、冲压成形性能不好、原材料成本和技术成本较高等因素,由于这些缺点的存在使目前乃至今后较时间内铝、镁合金等材料不能完全替代钢板在汽车中的应用。
为加强竞争力,满足环保要求、提高汽车的功能,降低汽车制造成本,价格降低,就必然会导致先进高强度钢的应用和开发[3-5]。
在对先进高强度钢的不断开发中,我们探索出了一种新型的热处理工艺——Q&P工艺。
与淬火—回火的传统工艺不同Q&P新型工艺为稳定的残余奥氏体,应用钢中的Si、Al(甚至P)元素,以阻碍渗碳体的析出,将碳自马氏体分配到奥氏体中,奥氏体因富碳,在再次冷却时不易转变为马氏体,为高强度钢兼具韧性提供了新的有效工艺。
1.2Q&P工艺的背景及发展现状
1.2.1Q&P工艺的背景及研究意义
Q&P工艺过程从形成奥氏体化到马氏体化开始温度以下时,通过热处理来使奥氏体富碳,稳定至室温后不会转变为珠光体,目前正在研究含硅钢,随着对含硅球墨铸铁这些材料的实验研究也表明可能获得独特的微观结构性能组织。
大量富含碳的钢中的残余奥氏体通常是在低温下转化,导致含有“无碳化物贝氏体”,包括贝氏体、铁素体与残余奥氏体的微观结构。
如Si或Al等合金添加剂是抑制渗碳体析出,通常伴随着贝氏体的形成。
最近,另一种处理方法,“淬火和分配”(或Q&P),已开发出含奥氏体钢,这是对马氏体与碳分配之间的一个新的认识。
Q&P工艺因获得马氏体和残余奥氏体混合组织而使钢具有较高的强韧性。
事实上,传统的淬火-回火钢,并没有充分利用好马氏体组织和奥氏体组织的优良性能,这是因为淬火产生的马氏体和残余奥氏体在回火过程中都会发生分解,结果因析出渗碳体而转变成一般的珠光体组织。
新的Q&P工艺使淬火钢中保持马氏体基体以提高强度,同时保留适量的残余奥氏体以保证足够的塑性和韧性。
已有的工作表明,这种热处理新工艺为先进高强度钢,如双相(DP)钢、应变诱发塑性(TRIP)钢等,向更加优良的强韧性结合方向的发展开辟了一个新的途径。
1.2.2新型Q&P工艺的国内外发展现状
1.2.2.1国外的研究现状
钢的淬火-分配(Q&P)热处理工艺是2003年由Speer[6]提出的一种钢的热处理新工艺。
针对碳的分配,热力学原理的研究,已经相当深入。
碳之间分配马氏体和残余奥氏体的淬火钢中通常被忽略,因为温度通常太低大量淬火后的碳发生扩散,并且因为不同的原理,消除的马氏体中的碳过饱和。
在回火过程中碳化物析出。
因此,尽管保留富含碳的奥氏体已确定存在一些马氏体钢,碳分区之间的热力对马氏体和残余奥氏体已经几乎没有影响。
最近,已研究出的方法,来解决二氧化碳为淬火马氏体转变为奥氏体,分区条件下的反应,如贝氏体,渗碳体或过渡碳化物析出。
该模型预测的“端点”的分区是当马氏体(即铁素体)与奥氏体保持亚稳平衡。
在奥氏体和铁素体之间的亚稳平衡并不是一个新的观点,置换元素在分区的条件下可以是完整的或不存在的,分别在亚临界温度均衡和准平衡概念被很好地理解。
然而,我们必须承认,平衡或准平衡下发生的转换必然涉及到界面的迁移,因此需要的铁和置换原子的短距离运动,即使在远程替代的扩散中被排除在准平衡的情况下,马氏体或奥氏体界面的位置也会被有效地限制,因为我们认为碳分区之间马氏体和残余奥氏体在相对低的温度下,那么即使短程扩散运动的铁和置换被排除,而这不可能是Fe-C系统(或准平衡多元合金系统中)中的铁素体或奥氏体的混合物,以达到平衡。
亚稳α/γ平衡在一个静止的或受约束的接口的情况下,因此,被称为“约束亚平衡”或CPE。
准平衡和CPE的生成从根本上相比,碳和其他铁在固定性的置换。
因此,这两个条件是密切相关的,尽管这两个观点不被认同,但仍然是讨论的主要内容。
碳化物的形成是一个基本要素约束准平衡模型,因为铁素体和奥氏体的亚稳态的存在之间的平衡被排除这样可以实现更稳定的铁素体加碳化铁的均衡。
因为这些碳原子不再提供丰富的奥氏体,这些碳化物形成有效的“消耗”碳,。
因此,有必要了解和控制碳化物析出过程期间可能发生的Q&P工艺与任何分区的处理。
渗碳体的形成,可以消除或抑制通过添加硅[7-8],并且,铝和磷都可产生类似效果[9]。
因此,这些元素在Q&P过程中发挥了关键作用。
它也被发表到马氏体回火文献,硅抑制渗碳体的形成,或从早期阶段的回火(ε或η碳化物本),在阶段内的回火(在θ-Fe3C中提出)的过渡延迟[10-12]。
在马氏体组织,通常不认为精细的过渡碳化物是有害的,而渗碳体值得关注的。
因此,更大的重点一直是了解渗碳体的形成,而不是碳化物析出就被渡碳化物所取代。
然而,对于Q&P要处理任何减少奥氏体中碳的富集潜力的过渡碳化物的析出,并且有必要开发一种更好的抑制过渡碳化物形成的理论,包括组合物的处理效果。
组织内残余奥氏体与马氏体回火过程中的过渡碳化物析出没有被记录在案。
由于残余奥氏体中的碳的化学势比淬火状态的马氏体中的高得多,从而得出这样的结论:
碳化物成核,将更有可能与铁素体,奥氏体相比。
α/γ界面也形成碳化物。
在Q&P过程中,碳过饱和的马氏体到分区之前过渡碳化物形成一个更大程度上将是可能的贝氏体的生长,在相同的温度时,如果贝氏体铁素体生长与一个碳含量很低的奥氏体比。
(在这方面,应注意的是,在生长过程中的贝氏体、铁素体的碳过饱和度仍然是一个争论的主题)。
在任何情况下,碳化物的形成与抑制的程度将是一个影响的微观结构的关键因素,有必要使用Q&P工艺,并进一步研究,以更清楚的了解合金钢上的碳化物析出和动力学对钢的影响。
1.2.2.2国内研究现状
为节约能源和原材料及环境保护,急须提高钢件强度、减轻钢制品重量,降低钢铁产量[13],针对Q&P工艺对先进高强度刚的影响的进一步研究,徐祖耀提出淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q&P&T)工艺,改造Q&P工艺,即在高强度钢中加入碳化物形成元素Mo或Nb,使碳化物从马氏体基体上析出,得到钢的抗拉强度>2100MPa,总断后伸长率>11%。
和迄今发展的各类含碳小于0.5%钢的综合力学性能相比,Q&P&T钢可能成为优异的高强度钢。
高强度来自于合金元素固溶强化和马氏体的贡献,而高塑性是马氏体中的碳含量与残余奥氏体的含量及其分布决定的。
因此Q&P钢具有较高的抗拉强度和屈服强度,高的应变硬化率与相对较高的高伸展率等特点。
TRIP钢经Q&P处理后,不仅具有一定的塑性,其强度较一般处理的钢有显著的提高。
1.2.3Q&P工艺特点
Q&P热处理工艺的基本特点如下:
将钢在单相奥氏体区或两相区(奥氏体+铁素体)保温后先淬火至Ms-Mf间一定的温度,形成一定数量的马氏体和残余奥氏体,然后在Ms-Mf之间或Ms以上一定的温度停留,使碳由体心立方的马氏体向面心立方的奥氏体分配,形成富碳残余奥氏体。
该工艺得以实现的关键因素在于钢中含非碳化物形成元素,如Si,Al等,以阻碍Fe3C的析出,马氏体只能通过碳原子向周围奥氏体中的扩散即“分配”来降低自身碳含量,使碳得以充分地从马氏体分配到奥氏体,而马氏体周围的奥氏体则由于碳的富集而使得Ms点降低,从而使奥氏体在随后冷却至室温的过程中不会转变为马氏体。
Q&P工艺最大的优点是可以通过控制残余奥氏体的含量而获得所需的强塑性综合性能。
Q&P热处理工艺稳定残余奥氏体的时也会减弱碳原子对马氏体基体的固溶强化作用,但是板条马氏体内碳含量的降低有利于提高它的塑性和韧性,因为基体内固溶的间隙碳原子使晶格的结合力降低,同时裂纹的失稳扩展阻力减少,基体中析出的碳化物会变成裂纹萌生的核心。
除了碳原子的固溶强化以外,马氏体板条中还存在着高密度的位错这也是Q&P钢强化的重要原因。
位错强化了马氏体基体外,同时也减弱了Q&P钢的加工硬化。
此外,Q&P热处理过程中析出的ζ-碳化物同样也能有效强化马氏体基体,但是一方面过渡碳化物析出减少了可用于稳定残余奥氏体的碳,另外一方面ξ-碳化物作为一种不稳定过渡型碳化物,在250℃以上时会分解,令Q&P工艺条件受限。
最后,Q&P钢的原始奥氏体晶粒较大(约201am),经淬火形成的马氏体领域和马氏体板条束也较粗大,Grange[14]和Morito[15]等人的研究结果表明:
马氏体的屈服强度和原始奥氏体晶粒大小、马氏体领域直径的-1/2次方成线性Hall-Petch关系。
要进一步提高Q&P钢的强度,可采用的有效手段为减小原始的奥氏体晶粒尺寸,以此来减小马氏体领域及马氏体板条束的大小。
1.2.4Q&P工艺的应用
Q&P热处理的工艺原理和特点决定了适用于Q&P处理的钢种,Q&P工艺处理的钢中含有阻止碳化物形成的物质。
形成碳化物将会减少碳含量,使能够富集到残余奥氏体中的碳含量减少,这将减少残余奥氏体的形成,从理论上说,钢种含有Si和Al元素的都能进行Q&P处理。
TRIP钢种就含有较多的Al和Si,因此,TRIP钢最先被应用于Q&P工艺的研究,而且应用最广泛。
这类钢的成分特点为低C、高Al和/或高Si,典型的钢种如0.19C、1.96Al、1.46Mn、0.19C、1.16Mn、0.35Si、1.10Al、0.09P、0.17C、1.41Si、1.48Mn、0.25Al等。
经Q&P处理后,TRIP钢可以获得比传统TRIP处理后更为优异的强度与韧性结合。
另外,初步工作表明,中碳钢内含有较高Si等元素的钢也可进行Q&P处理,以提高其综合强韧性。
Q&P热处理所获得的马氏体+残余奥氏体组织决定了其高强度高韧性的特点。
低碳TRIP钢经Q&P处理后可获得强度达800~1500MPa,总伸长率15%~40%的强韧性。
这种优异的强韧性组合,再加上其低碳成分保证了可焊性,使得Q&P钢在汽车用钢中显示出良好的应用前景,将适应汽车等行业轻量化和提高安全性的发展趋势。
1.3TRIP钢的特点及研究状况
1.3.1TRIP钢的研究现状
汽车的轻量化已为定局[16-17]。
在上世纪八十年代,轿车的整车质量中(表1-1),钢铁占80%,铝占3%,树脂为4%。
研究表明[18]:
在其他条件不变的情况下,汽车质量每减轻10%,则油耗可下降8%—10%;而为了提高汽车安全性,又要增加主动与被动安全措施,这将增加汽车的质量,解决这一矛盾的有效手段就是采用高强度钢和先进高强度钢。
从前的高强度钢板,拉延强度虽高于低碳钢板,延伸率只有后者的50%,只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。
现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素,经各种处理轧制而成,其抗拉强度高达420N/mm,是普通低碳钢板的2~3倍,深拉延性能极好,可轧制成很薄的钢板,是车身轻量化的重要材料。
到2000年,其用量已上升到50%左右。
中国奇瑞汽车公司与宝钢合作,2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg,占车身钢板用量的46%,对减重和改进车身性能起到了良好的作用。
轿车材料构成的变化表1.1:
表1.1轿车材料构成的变化
材料/构成
1980年
(kg/车)
1985年
(kg/车)
1990年
(kg/车)
2000年
(kg/车)
钢
铸铁
铝
塑料
玻璃
862
227
54
91
41
726
163
68
109
32
590
113
91
136
23
630
136.07
95
149
34
1.3.2TRIP钢的特点
TRIP钢,即相变诱导塑性钢(TransformationInducedPlasticitySteel),TRIP钢板最先是由V.F.Zackay[19]发现并命名的,是通过相变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核,引入相变强化和塑性增长机制,提高钢板的强度和韧性。
早期的TRIP钢成本高,使用受到限制。
后来Hayami在双相钢中发现其含有残余奥氏体并具有TRIP效应,因此人们开始考虑以硅、锰等廉价的合金元素代替镍、铬等贵重元素来研制TRIP钢板[20]。
TRIP钢具有多相组织,既有软相铁素体,硬相贝氏体,还有亚稳定的残余奥氏体,在冷却过程中转变为马氏体。
TRIP钢的晶相组织使其具有良好的力学性能,所以TRIP钢不仅拥有高强度还具有良好的塑性。
TRIP钢与其他同级别的高强度钢相比,最大特点是兼具高强度和高延伸性能,可冲制较复杂的零件;还具有高碰撞吸收性能,一旦遭遇碰撞,会通过自身形变来吸收能量,而不向外传递。
1.3.3TRIP钢的组织性能
具有代表性的TRIP钢显微组织结构如图1-2所示,残余奥氏体的含量约为6%~10%,铁素体边界分布着贝氏体和残余奥氏体。
文献指出[21-22]:
基体为铁素体,呈等轴晶状分布;贝氏体呈粒状或条状分布于晶界处;残余奥氏体的分布位置如下:
(1)在铁素体的晶间或晶粒内以岛状的结构分布;
(2)在贝氏体与铁素体之间的晶界处以岛状的形态分布;(3)在贝氏体中以针状分布。
以岛状分布的残余奥氏体形态较大,其他形态分布的残余奥氏体形状很小。
图1-2TRIP钢显微组织
贝氏体作为TRIP钢中的硬质相。
能提高TRIP钢的强度。
TRIP钢板在贝氏体转变区做等温处理时,奥氏体逐渐转变为贝氏体,奥氏体对碳的溶解度大于贝氏体对碳的溶解度,随着奥氏体的不断转变,大量的碳溶解到相邻的奥氏体中,使其形成富碳奥氏体。
随着贝氏体区的长大,相邻奥氏体内的碳浓度不断升高,直到奥氏体的临界转变温度T0接近于等温温度,相变逐渐停止[23]。
铁素体是TRIP钢中的基体组织,硬度低,塑性较好,其含量由两相区等温转变过程控制。
1.4传统Q&T工艺
传统的热处理工艺主要是针对淬火和回火进行研究。
钢的综合力学性能体现在强度和韧性上,回火温度决定了强度和韧性的高低,钢材的强度和韧性是相对的,往往提高了钢的强度其韧性便会下降。
近几十年中,为了开发出性能更优秀的高强度钢,不断试验新型的材料及方法,采用碳量很低(或较低)、含合金元素较高的产品,在钢中合金含量过高会导致其加工要求复杂、冶炼难度增大,使成本提高,不能够大量生产和广泛使用。
在半世纪以前已认识到淬火钢中的残余奥氏体能改善钢的塑性和韧性,如条状马氏体被几纳米厚的残余奥氏体所包围,增加了韧性;利用奥氏体的热稳定化现象,提出工具钢无变形淬火和高速钢工件无变形回火热处理工艺。
1.4.1淬火
1.4.1.1淬火目的
淬火的目的是强化钢件充分发挥钢材性能的潜力,在淬火过程中使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体,在得到马氏体组织或贝氏体组织后,用不同的回火温度进行回火,从而提高钢的强度、韧性、耐磨性等性能,使钢材能够满足各种应用的要求。
还可用淬火来改善某些特殊钢的物理或者化学性能,如增强磁钢的铁磁性,提高不锈钢的耐蚀性等。
1.4.1.2淬火工艺
将钢材加热到一定温度并保温一段时间使其失效,然后放入淬冷介质中使其迅速冷却至同等温度。
淬冷介质主要有水、盐和矿物油等。
淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)[24]。
经过Q-T工艺处理,能够有效的提高钢材的力学性能,例如抗拉强度的提高,韧性和塑性的提高,也能够使钢材的耐磨性得到有效的改善。
还可用淬火来改善某些特殊钢的物理或者化学性能,如增强磁钢的铁磁性,提高不锈钢的耐蚀性等。
淬火工艺主要是对钢材的淬火。
钢材在加热到一定温度以上时其内部组织将发生变化,组织大部分转化为奥氏体,这温度为失效温度。
然后马上将钢材放入油或者水中淬火,使奥氏体转变为马氏体从而使钢材的硬度提高。
在淬火过程中钢材内部会产生较大的内应力,内应力会使钢材发生变形,内应力大到一定程度会使钢材开裂甚至断裂。
根据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火四类。
在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。
由于淬火后金属硬而脆,产生的表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度的基础上,消除冷裂纹的手段之一。
淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适,对于过大的零件,淬火深度不够,渗碳也存在同样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。
淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。
钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相,故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。
但是,马氏体的脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力,因而不宜直接应用,必须进行回火。
1.4.1.3淬火方法
常用淬火方法有主要有单介质淬火、双介质淬火、马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火(图1-4)。
选择适当的淬火方法可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下,尽量减小淬火应力,减少工件变形和开裂倾向。
图1-4淬火曲线图
(1)单介质淬火
是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。
这种淬火方法的优点是操作简便,适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬,小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。
缺点对大尺寸和或形状复杂的工件,采用水淬变形开裂倾向大,而油淬冷却速度小淬不硬。
(2)双介质淬火
是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质,在组织即将发生马氏体转变时,立即转入冷却能力弱的介质中冷却。
常用的有“水-油”、“水-空”双介质淬火。
这种方法能有效地减少热应力和相变应力,降低工件变形和开裂的倾向,所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。
但操作时应严格控制工件在水中的停留时间,要求操作工人必须具备丰富的经验和熟练的技术。
(3)马氏体分级淬火
是将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的碱浴或盐浴中保持适当时间,在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火。
这种淬火方法由于工件内外温度均匀并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变,大大
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