簡(jiǎn)介Q-P-T超高強(qiáng)度鋼

1、簡(jiǎn)介Q-P-T超高強(qiáng)度鋼徐祖耀上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐祖耀，我國(guó)應(yīng)盡早發(fā)展高強(qiáng)度鋼。中國(guó)工程院化工、冶金與材料學(xué)部第六屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集。薛群基主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2007, 403-406.為改善環(huán)保、節(jié)能和節(jié)約原材料（包括鐵礦石），急宜將器件輕量化、提高鋼的強(qiáng)度（15002000MPa或以上）、降低鋼產(chǎn)量。超高強(qiáng)度鋼發(fā)展簡(jiǎn)史20世紀(jì)60年代以來(lái)，發(fā)展出馬氏體時(shí)效鋼，如鋼 (Floreen S., Physical metallurgy of maraging steels. Metall. Rev., 1968, 13B:115-128.)經(jīng)馬氏體相變及中間相(Ni3Mo、Ni3T

2、i、Fe2Mo)沉淀強(qiáng)化馬氏體二次時(shí)效鋼：馬氏體強(qiáng)化及碳化物沉淀強(qiáng)化 (Machmeier P. M., Little C. D., Horowitz M. H., Oates R. P. Development of a strong martensitic steel having good fracture toughness. Met. Technol., 1979: 291-296. Ayer Raghavan, Machmeier P. M. Microstructural basis for the effect of chromium on the strength and t

3、oughness of AF1410-based high performance steels. Metall. Mater. Trans., 1996, 27A: 2510-2518. )如鋼，鋼，AF1410，AerMet100鋼: 抗拉強(qiáng)度1500MPa以上，接近甚至超過(guò)2000MPa, 韌性60J。含高合金元素、冶煉、加工要求較復(fù)雜，成本較高。 Bhadeshia等研發(fā)的很強(qiáng)大件鋼：含0.78-0.98wt%C及Si、Mn、Cr（V、Co、Al）等合金元素?？估瓘?qiáng)度高達(dá)，硬度超過(guò)600HV，斷裂韌度大于30-40MPam1/2 (Caballero F. G., Bhadeshia

4、H. K. D. H., Mowella J. A., Jones D. G., Brown P. Very strong low temperature bainite. Mater. Sci. Technol., 2002, 78: 279-284. Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H., Very strong bainite. Current opinion in solid state and mater. Sci., 2004, 8: 251-257. Bhadeshia H. K. D. H. Large chunks of very st

5、rong steel. Mater. Sci. Technol., 2005, 21: 1293-1302. Bhadeshia H. K. D. H. Bainitic balk nanocrystalline steel. Proc. the 3rd Inter Conf: Advanced Structural Steels (ICASS), Gyeongju, Korea, 2006: 3340. ) 等溫時(shí)間較長(zhǎng)（2-60天，加入Co或Al后縮短至半小時(shí)），含碳量過(guò)高，易形成Fe3C，潛在脆性。范長(zhǎng)剛等提出在4340鋼的基礎(chǔ)上提高碳含量至0.5wt%，即0.37%Si鋼中含碳量比43

6、40提高0.10%，1.75%Si鋼中碳含量比300M提高0.07%，其他成分相近，經(jīng)真空電弧電渣重熔，控制S0.005%，P0.01%及氣體含量，經(jīng)900淬火: *0.37%Si鋼經(jīng)200回火得：條狀馬氏體，碳化物及2%的殘余奧氏體， Rm=2205MPa, KIC=61.5MPam1/2 *1.75%Si鋼經(jīng)270回火得：條狀馬氏體，碳化物及0.5%，會(huì)有潛在脆性危險(xiǎn)。 (范長(zhǎng)剛，董瀚，時(shí)捷，劉燕林，雍岐龍，惠衛(wèi)軍，王毛球，翁宇慶。2200MPa超高強(qiáng)度低合金鋼的組織和力學(xué)性能. 兵器材料科學(xué)與工程, 2006, 29(2): 31-35.) (Krauss G. Deformation

7、and fracture in martensitic carbon steelstempered at low temperatures. Metall. Trans., 2001, 32B: 205-221.)Fracture response, under conditions of tensile loading, as a function of tempering temperature and steel carbon content in carbon and low-alloy steels quenched from austenite to martensite淬火鋼中殘

8、余奧氏體的作用 改善鋼的塑性和韌性，如： *條狀馬氏體被幾納米厚的殘奧所包圍，增加了韌性。 (徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體(第二版，第三章). 北京:科學(xué)出飯社,1999. Lai G.Y., Wood W. E., Clark R. A., Zackay V. F., Parker E. R. The effect of austenization temperature on the microstructure and mechanical properties of as-quenched 4340 steel. Metall. Trans.,1974, 5: 1663-1670.) *

9、奧氏體的熱穩(wěn)定化現(xiàn)象使工具鋼無(wú)變形淬火和高速鋼的無(wú)變形回火。 (Gordon P., Cohen M., Rose R. S. Effect of quenching-bath temperature on the tempering of high speed steel. Trans. ASM, 1944, 33: 411-454. 徐祖耀，奧氏體穩(wěn)定化及其對(duì)熱處理的作用。北京鋼鐵工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1957(4) : 26-33。 徐祖耀，周濟(jì)源。9XC鋼工具的等溫淬火(無(wú)變形淬火)。北京鋼鐵工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1957(4) : 34-41。 徐祖耀，周濟(jì)源。P18鋼桿形工具的等溫淬火。北京鋼鐵工

10、業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1957(4) : 42-44。 徐祖耀，周濟(jì)源。工具鋼的無(wú)變形淬火。機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1957(5): 249-255。 徐祖耀，張萬(wàn)禎。奧氏體在回火時(shí)的催化作用和穩(wěn)定化現(xiàn)象?？茖W(xué)記錄，1957，1(3): 59-63。 Hsu Tzu-yao(徐祖耀), Chang Wan-chen(張萬(wàn)禎). The conditioning and stabilization of austenite during tempering. Science Record, New Series,1957, 1(3): 65-70. 徐祖耀，張萬(wàn)禎。高速鋼在回火時(shí)奧氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象。北京鋼鐵工業(yè)學(xué)院學(xué)

11、報(bào)，1958(6) : 85-91。 徐祖耀。高速鋼的回火。金屬學(xué)報(bào)，1965(8) : 443-454。 Hsu Tzu-yao(徐祖耀). The tempering of high speed steel. Scientia Sinica, 1965, 14: 1509-1522. 徐祖耀。高速鋼工具的無(wú)變形回火。機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1958(6): 203-206。 徐祖耀，嵇鈴，楊嘉韋華。高速鋼回火新工藝。首屆中國(guó)熱處理學(xué)會(huì)年會(huì)論文選集。北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1966: 196-202。) *氫脆裂紋受阻于奧氏體: 300M鋼（含殘奧約3%）對(duì)比4340鋼（殘奧2%），同樣析出碳化物，

12、但應(yīng)力腐蝕速度慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。 (Ritchic R., Cedeno M. H. C., Zackay V. F., Parker E. R. Effects of silicon additions and retained austenite on stress corrosion cracking in ultra-high strength steels. Metall. Trans., 1978, 9A: 35-40.) *低碳鋼中殘余奧氏體的重要作用。 (徐祖耀。低碳鋼中的殘余奧氏體。 上海金屬，1995，17(1): 1-6。)Thomas等在1979及1981年由高分辨電鏡及場(chǎng)

13、離子顯微鏡原子探針揭示：含0.27wt%C鋼經(jīng)淬火后，低碳條狀馬氏體為1.04wt% C殘余奧氏體所包圍。 (Rao B. V., Thomas G. Transmission electron microscopy characterization of dislocated “l(fā)ath” martensite. Proc Inter Conf: MartensiticTransformations-79, MIT, 1979: 12-16. Sarikaya M., Thomas G. Lath martensites in carbon steels are they bainitic.

14、 Proc Inter Conf: Solid to Solid Phase Transformations. Ed. Aaronson H. I., Laughlin D. E., Sekerka R. E., Wayman C. M.，1981. TMS-AIME, 1982: 999-1004.)他們認(rèn)為淬火時(shí)碳由馬氏體分配(不同相間的擴(kuò)散)至奧氏體所致。 (Sarikaya M., Thomas G., Steeds J. W.，Barnal S. I., Smith G. D. W. Solute element partitioning and austenite stabiliz

15、ation in steels. Proc. Inter. Conf: Solid to Solid Phase Transformations, 1981. Ed. Aaronson H. I., Laughlin D. E., Sekerka R. E., Wayman C. M.，1981. TMS-AIME, 1982: 1421-1425.)徐祖耀等于1983年發(fā)表碳分配計(jì)算結(jié)果，稱(chēng)：在淬火過(guò)程中碳分配使殘余奧氏體增碳能基本、或稍遲后完成。(徐祖耀，李學(xué)敏。低碳馬氏體形成時(shí)碳的擴(kuò)散. 金屬學(xué)報(bào)，1983，19 : A83-88。徐祖耀，李學(xué)敏。低碳馬氏體形成時(shí)碳的擴(kuò)散(續(xù))。金屬學(xué)報(bào)

16、，1983，19 A: 505-510。Hsu T. Y. ( Xu Zuyao), Li Xuemin. Diffusion of carbon during the formation of low-carbonmartensite. Scripta Metall., 1983, 17: 1285-1288.)在上世紀(jì)，已發(fā)現(xiàn)Si鋼中貝氏體相變時(shí)碳會(huì)向奧氏體擴(kuò)散，形成“無(wú)碳化物貝氏體”。 (Bhadeshia H. K. D. H. Bainite in steels. London: The Inst. Materials, Cambridge Press, 2001: 373; 385

17、.)含較高Si鋼經(jīng)室冷形成無(wú)碳化物貝氏體。 (Matlock D. K., Krauss G., Speer J. G. Microstructures and properties of direct-cooled forging steels, Materials Processing Technology, 2001, 117: 324-328.)Mn-Si Trip鋼在中間退火時(shí)，碳由鐵素體向奧氏體分配。 (Decooman B. C. Ed. Proc. Inter Conf on TRIP-aided high strength ferrous alloys. Gardracht

18、Redaktions and Industrie Press Service, Bad Harzberg, Germany, 2002.)淬火-分配（Q-P）工藝和淬火-分配-回火（Q-P-T）工藝：Speer等提出Q-P工藝，即將含硅鋼(如他們開(kāi)始試用的0.35 C-1. 3 Mn- 0. 74 Si鋼)淬火至Ms一Mf間，并再在一定溫度等溫使碳由馬氏體分配至殘余奧氏體，將一定量奧氏體富碳穩(wěn)定至室溫，以保證鋼的塑性和韌性。 (Speer J. G., Matlock D. K., DeCooman B. C., Schroch J. G. Carbon partitioning austen

19、ite after martensite transformation. Acta Mater., 2003, 51: 2611-2622)上文中Q-P熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)部分并不成功，但分配功效顯著。Q-P工藝對(duì)發(fā)展超高強(qiáng)度鋼卓有功績(jī)。Q-P-T熱處理工藝為進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度，在Q-P工藝基礎(chǔ)上，提出淬火一碳分配一回火(Q-P-T)工藝。即除碳分配外，在含一定量Si的鋼中有意識(shí)地加入復(fù)雜碳化物形成元素，使在一定溫度等溫時(shí)，析出復(fù)雜碳化物或在低碳等溫（均屬回火）析出碳化物，除分配至殘余奧氏體韌化外，還增加沉淀強(qiáng)化。淬火-碳分配-回火（Q-P-T）工藝示意圖（AT, QT, PT, TT和RT分別表示

20、奧氏體化溫度，淬火溫度，碳分配溫度，回火溫度和室溫）Schematic Quenching-Partitioning-Tempering (Q-P-T) process(AT、QT、PT 、TT and RT are austenitizing, quenching, partitioning, tempering and room temperatures respectively) （徐祖耀。鋼熱處理的新工藝。第九次全國(guó)熱處理大會(huì)論文集。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì), 大連, 2007: 1-12。徐祖耀。鋼熱處理的新工藝。熱處理, 2007, 22(1): 1-11。 Hsu T. Y.

21、( Xu Zuyao). Design of structure, composition and heat treatmeat process for high strength steel. Invited paper: Pacific Rim Inter. Conf. Advanced Materials and Processing, Korea, 2007. Phase Transformation Session. Mater. Sci. Forum, 2007, 561-565: 2283-2286. 徐祖耀。用于超高強(qiáng)度鋼的淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工藝。熱處理，

22、2008，23(2): 1-5。 Hsu T. Y. ( Xu Zuyao). Quenching-partitioning-tempering(Q-P-T) process for ultra-high strength steel. International Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, 2(2): 64-68. 徐祖耀。白主創(chuàng)新發(fā)展超高強(qiáng)度鋼。上海金屬，2009，31(2): 1-6。 徐祖耀。淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝淺介。金屬熱處理，2009，34(6)：1-8。) Q-P-T鋼的組織成分及熱處理工藝設(shè)計(jì)顯微組

23、織:具高位錯(cuò)密度的細(xì)條狀（全部或部分納米級(jí)條寬）馬氏體；馬氏體上析出復(fù)雜碳化物或碳化物；避免析出Fe3C；馬氏體條間含一定量(厚度)、一定碳含量的殘余奧氏體；原始奧氏體具細(xì)晶組織。成分：C0.5wt%，以免脆性；Si或Al約1-2wt%，抑制Fe3C形成，穩(wěn)定()碳化物，保證碳分配；Mn或Ni等合金元素少量，作固溶強(qiáng)化，降低Ms; 復(fù)雜碳化物形成元素，使Ms下降，并使呈沉淀強(qiáng)化。熱處理：Q-P-T處理，淬火溫度（QT），分配溫度（PT）以及回火（沉淀）溫度的確立因所需鋼的強(qiáng)、韌度而定。 Q-P-T鋼經(jīng)熱處理后的組織與力學(xué)性質(zhì)示例 鋼：850奧氏體化300s，淬火至95鹽浴，再經(jīng)400分配，進(jìn)行

24、碳分配及回火后水淬至室溫。經(jīng)400保溫10s后，試樣含殘余奧氏體4.1%，30s后含量增至6.4%。經(jīng)400保溫10s后，形成幾十納米寬的馬氏體條，外包殘余奧氏體，Nb復(fù)雜碳化物呈納米級(jí)大小的彌散沉淀（經(jīng)40010s的尺寸為(52)nm，1800s后為(3510)nm）。 (Wang X. D., Zhong N., Rong Y. H., Hsu T. Y. ( Xu Zuyao). Novel ultra-high nano-lath martensitic steel by quenching-partitioning-tempering process. J. Mater. Resea

25、rch, 2009, 24: 260-267.)含C超高強(qiáng)度鋼顯微組織TEM像(a)淬火至95明場(chǎng)像 (b)淬火至95的暗場(chǎng)像象及選區(qū)衍射 (c)400C回火10s明場(chǎng)像 (d) 400C回火10s暗場(chǎng)像及選區(qū)衍射TEM micrograph of an ultra-high strength steel containing 0.48wt%C(a) quenched in 95C, bright field image; (b) quenched in 95C, dark field image; (c) tempered at 400C for 10s, bright field imag

26、e; (d) tempered at 400C for 10s, dark field image含0.48 wtC超高強(qiáng)度鋼經(jīng)400分配及回火10s后其中碳化物沉淀的TEM像(a)明場(chǎng)像 (b)暗場(chǎng)像TEM micrograph of carbide precipitation in an ultra-high strength steel containing 0.48wt%C after partitioning and tempering at 400C for 10s(a) bright field image; (b) dark field image含0.48 wtC超高強(qiáng)度鋼經(jīng)

27、400分配及回火1800s后其中碳化物沉淀的TEM像TEM micrograph of carbide precipitation in an ultra-high strength steel containing 0.48wt%C after partitioning and tempering at 400C for 1800s(a) bright field image; (b) dark field image含0.48wt%超高強(qiáng)度鋼經(jīng)400保溫不同時(shí)間后的抗拉強(qiáng)度和總延伸率Ultimate tensile strength and elongation of 0.45wt%C u

28、ltra-high strength steel as function of duration at 400C2鋼：920奧氏體化300s，淬火至220鹽浴，400碳分配和回火（10，20，40，180s），水淬至室溫。400保溫10，20，40，80和180s后的試樣中的殘余奧氏體量分別為4.5%，7.0%，5.4%，5.2%和5.8 %。馬氏體條寬：有小于100nm的，有大于100nm的。復(fù)雜碳化物呈納米級(jí)大小。 (Zhong N., Wang X. D., Rong Y. H., Wang L. Enhancement of the mechanical properties of a

29、 Nb- microalloyed advanced high strength steel treated by quenching-partitioning-tempering process. Mater. Sci. Eng., 2009, 506A, 111-116.0.2C QP-T鋼經(jīng)400不同時(shí)間碳分配和回火后的抗拉強(qiáng)度和總延伸率Ultimate tensile strength and elongation of 0.2C Q-P-T steel as a function of partitioning and tempering duration at 400C3. 0.1C-1.51Mn-1.48Si-0.02Nb-0.04V-0.015Ti-0.304 Mo鋼：1000奧氏體化，淬至223，350保溫30s，水淬至室溫，得殘余奧氏體(0.7wt%C)約6%；保溫100 s后殘余奧氏體(0.8wt% C)約3.3%;經(jīng)350120 s后得屈服強(qiáng)度700 MPa，抗拉強(qiáng)度900 MPa； 20吸收能量100J，200為60J。 (Seung Ch