簡介Q-P-T超高強度鋼

簡介Q-P-T超高強度鋼徐祖耀上海交通大學材料科學與工程學院2024/8/281徐祖耀，我國應盡早發(fā)展高強度鋼。中國工程院化工、冶金與材料學部第六屆學術會議論文集。薛群基主編，化學工業(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、提高鋼的強度（1500—2000MPa或以上）、降低鋼產量。2024/8/282超高強度鋼發(fā)展簡史20世紀60年代以來，發(fā)展出馬氏體時效鋼，如0.013C-18Ni-0.4Mo鋼

(FloreenS.,Physicalmetallurgyofmaragingsteels.Metall.Rev.,1968,13B:115-128.)經馬氏體相變及中間相(Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo)沉淀強化馬氏體二次時效鋼：馬氏體強化及碳化物沉淀強化

(MachmeierP.M.,LittleC.D.,HorowitzM.H.,OatesR.P..Developmentofastrongmartensiticsteelhavinggoodfracturetoughness.Met.Technol.,1979:291-296.AyerRaghavan,MachmeierP.M..MicrostructuralbasisfortheeffectofchromiumonthestrengthandtoughnessofAF1410-basedhighperformancesteels.Metall.Mater.Trans.,1996,27A:2510-2518.)如0.16C-10Ni-2Cr-1Mo-14Co鋼，0.24C-11Ni-3Cr-1.2Mo-13.4Co鋼，AF1410，AerMet100鋼:抗拉強度1500MPa以上，接近甚至超過2000MPa,韌性60J。含高合金元素、冶煉、加工要求較復雜，成本較高。2024/8/283Bhadeshia等研發(fā)的很強大件鋼：含0.78-0.98wt%C及Si、Mn、Cr（V、Co、Al）等合金元素?？估瓘姸雀哌_2.5GPa，硬度超過600HV，斷裂韌度大于30-40MPa·m1/2

(CaballeroF.G.,BhadeshiaH.K.D.H.,MowellaJ.A.,JonesD.G.,BrownP..Verystronglowtemperaturebainite.Mater.Sci.Technol.,2002,78:279-284.CaballeroF.G.,BhadeshiaH.K.D.H.,Verystrongbainite.Currentopinioninsolidstateandmater.Sci.,2004,8:251-257.BhadeshiaH.K.D.H..Largechunksofverystrongsteel.Mater.Sci.Technol.,2005,21:1293-1302.BhadeshiaH.K.D.H..Bainiticbalknanocrystallinesteel.Proc.the3rdInterConf:AdvancedStructuralSteels(ICASS),Gyeongju,Korea,2006:3340.)

等溫時間較長（2-60天，加入Co或Al后縮短至半小時），含碳量過高，易形成Fe3C，潛在脆性。2024/8/284范長剛等提出在4340鋼的基礎上提高碳含量至0.5wt%，即0.37%Si鋼中含碳量比4340提高0.10%，1.75%Si鋼中碳含量比300M提高0.07%，其他成分相近，經真空電弧電渣重熔，控制S≤0.005%，P≤0.01%及氣體含量，經900℃淬火:

*0.37%Si鋼經200℃回火得：條狀馬氏體，

碳化物及<2%的殘余奧氏體，

Rm=2205MPa,KIC=61.5MPa·m1/2*1.75%Si鋼經270℃回火得：條狀馬氏體，

碳化物及<11%的殘余奧氏體和少量的孿晶馬氏體，Rm=2235MPa，KIC=52.3MPa·m1/2

*高強度鋼含C>0.5%，會有潛在脆性危險。

(范長剛，董瀚，時捷，劉燕林，雍岐龍，惠衛(wèi)軍，王毛球，翁宇慶。2200MPa超高強度低合金鋼的組織和力學性能.兵器材料科學與工程,2006,29(2):31-35.)

2024/8/285(KraussG..Deformationandfractureinmartensiticcarbonsteels

temperedatlowtemperatures.Metall.Trans.,2001,32B:205-221.)Fractureresponse,underconditionsoftensileloading,asafunctionoftemperingtemperatureandsteelcarboncontentincarbonandlow-alloysteelsquenchedfromaustenitetomartensite2024/8/286淬火鋼中殘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:科學出飯社,1999.LaiG.Y.,WoodW.E.,ClarkR.A.,ZackayV.F.,ParkerE.R..Theeffectofaustenizationtemperatureonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofas-quenched4340steel.Metall.Trans.,1974,5:1663-1670.)*奧氏體的熱穩(wěn)定化現(xiàn)象使工具鋼無變形淬火和高速鋼的無變形回火。

(GordonP.,CohenM.,RoseR.S..Effectofquenching-bathtemperatureonthetemperingofhighspeedsteel.Trans.ASM,1944,33:411-454.

徐祖耀，奧氏體穩(wěn)定化及其對熱處理的作用。北京鋼鐵工業(yè)學院學報，1957(4):26-33。徐祖耀，周濟源。9XC鋼工具的等溫淬火(無變形淬火)。北京鋼鐵工業(yè)學院學報，1957(4):34-41。徐祖耀，周濟源。P18鋼桿形工具的等溫淬火。北京鋼鐵工業(yè)學院學報，1957(4):42-44。徐祖耀，周濟源。工具鋼的無變形淬火。機械工程學報，1957(5):249-255。徐祖耀，張萬禎。奧氏體在回火時的催化作用和穩(wěn)定化現(xiàn)象?？茖W記錄，1957，1(3):59-63。

HsuTzu-yao(徐祖耀),ChangWan-chen(張萬禎).Theconditioningandstabilizationofausteniteduringtempering.ScienceRecord,NewSeries,1957,1(3):65-70.

徐祖耀，張萬禎。高速鋼在回火時奧氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象。北京鋼鐵工業(yè)學院學報，1958(6):85-91。徐祖耀。高速鋼的回火。金屬學報，1965(8):443-454。

HsuTzu-yao(徐祖耀).Thetemperingofhighspeedsteel.ScientiaSinica,1965,14:1509-1522.

徐祖耀。高速鋼工具的無變形回火。機械工程學報，1958(6):203-206。徐祖耀，嵇鈴，楊嘉韋華。高速鋼回火新工藝。首屆中國熱處理學會年會論文選集。北京:機械工業(yè)出版社，1966:196-202。)2024/8/287

*氫脆裂紋受阻于奧氏體:

300M鋼（含殘奧約3%）對比4340鋼（殘奧<2%），同樣析出

碳化物，但應力腐蝕速度慢一個數(shù)量級。

(RitchicR.,CedenoM.H.C.,ZackayV.F.,ParkerE.R..Effectsofsiliconadditionsandretainedausteniteonstresscorrosioncrackinginultra-highstrengthsteels.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。)2024/8/288Thomas等在1979及1981年由高分辨電鏡及場離子顯微鏡原子探針揭示：含0.27wt%C鋼經淬火后，低碳條狀馬氏體為1.04wt%C殘余奧氏體所包圍。

(RaoB.V.,ThomasG.Transmissionelectronmicroscopycharacterizationofdislocated“l(fā)ath”martensite.ProcInterConf:MartensiticTransformations-79,MIT,1979:12-16.SarikayaM.,ThomasG..Lathmartensitesincarbonsteelsaretheybainitic.ProcInterConf:SolidtoSolidPhaseTransformations.Ed.AaronsonH.I.,LaughlinD.E.,SekerkaR.E.,WaymanC.M.，1981.TMS-AIME,1982:999-1004.)他們認為淬火時碳由馬氏體分配(不同相間的擴散)至奧氏體所致。

(SarikayaM.,ThomasG.,SteedsJ.W.，BarnalS.I.,SmithG.D.W..Soluteelementpartitioningandaustenitestabilizationinsteels.Proc.Inter.Conf:SolidtoSolidPhaseTransformations,1981.Ed.AaronsonH.I.,LaughlinD.E.,SekerkaR.E.,WaymanC.M.，1981.TMS-AIME,1982:1421-1425.)2024/8/289徐祖耀等于1983年發(fā)表碳分配計算結果，稱：在淬火過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，李學敏。低碳馬氏體形成時碳的擴散.金屬學報，1983，19:A83-88。徐祖耀，李學敏。低碳馬氏體形成時碳的擴散(續(xù))。金屬學報，1983，19A:505-510。HsuT.Y.(XuZuyao),LiXuemin.Diffusionofcarbonduringtheformationoflow-carbonmartensite.ScriptaMetall.,1983,17:1285-1288.)2024/8/2810在上世紀，已發(fā)現(xiàn)Si鋼中貝氏體相變時碳會向奧氏體擴散，形成“無碳化物貝氏體”。

(BhadeshiaH.K.D.H..Bainiteinsteels.London:TheInst.Materials,CambridgePress,2001:373;385.)含較高Si鋼經室冷形成無碳化物貝氏體。

(MatlockD.K.,KraussG.,SpeerJ.G.Microstructuresandpropertiesofdirect-cooledforgingsteels,MaterialsProcessingTechnology,2001,117:324-328.)Mn-SiTrip鋼在中間退火時，碳由鐵素體向奧氏體分配。

(DecoomanB.C..Ed.Proc.InterConfonTRIP-aidedhighstrengthferrousalloys.GardrachtRedaktionsandIndustriePressService,BadHarzberg,Germany,2002.)2024/8/2811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(如他們開始試用的0.35C-1.3Mn-0.74Si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。

(SpeerJ.G.,MatlockD.K.,DeCoomanB.C.,SchrochJ.G..Carbonpartitioningausteniteaftermartensitetransformation.ActaMater.,2003,51:2611-2622)上文中Q-P熱力學和動力學部分并不成功，但分配功效顯著。Q-P工藝對發(fā)展超高強度鋼卓有功績。2024/8/2812Q-P-T熱處理工藝為進一步提高鋼的強度，在Q-P工藝基礎上，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的鋼中有意識地加入復雜碳化物形成元素，使在一定溫度等溫時，析出復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分別表示奧氏體化溫度，淬火溫度，碳分配溫度，回火溫度和室溫）SchematicQuenching-Partitioning-Tempering(Q-P-T)process(AT、QT、PT、TTandRTareaustenitizing,quenching,partitioning,temperingandroomtemperaturesrespectively)2024/8/2813

（徐祖耀。鋼熱處理的新工藝。第九次全國熱處理大會論文集。中國機械工程學會熱處理學會,大連,2007:1-12。徐祖耀。鋼熱處理的新工藝。熱處理,2007,22(1):1-11。

HsuT.Y.(XuZuyao).Designofstructure,compositionandheattreatmeatprocessforhighstrengthsteel.Invitedpaper:PacificRimInter.Conf.AdvancedMaterialsandProcessing,Korea,2007.PhaseTransformationSession.Mater.Sci.Forum,2007,561-565:2283-2286.

徐祖耀。用于超高強度鋼的淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工藝。熱處理，2008，23(2):1-5。

HsuT.Y.(XuZuyao).Quenching-partitioning-tempering(Q-P-T)processforultra-highstrengthsteel.InternationalHeatTreatmentandSurfaceEngineering,2008,2(2):64-68.

徐祖耀。白主創(chuàng)新發(fā)展超高強度鋼。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。)2024/8/2814

皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴重損害的，全身性疾病，而且不少患者同時伴有惡性腫瘤。它的1癥狀表現(xiàn)如下：1、早期皮肌炎患者，還往往伴有全身不適癥狀，如-全身肌肉酸痛，軟弱無力，上樓梯時感覺兩腿費力；舉手梳理頭發(fā)時，舉高手臂很吃力；抬頭轉頭緩慢而費力。皮肌炎圖片——皮肌炎的癥狀表現(xiàn)Q-P-T鋼的組織成分及熱處理工藝設計顯微組織:具高位錯密度的細條狀（全部或部分納米級條寬）馬氏體；馬氏體上析出復雜碳化物或

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；原始奧氏體具細晶組織。成分：C<0.5wt%，以免脆性；Si或Al約1-2wt%，抑制Fe3C形成，穩(wěn)定

(η)碳化物，保證碳分配；Mn或Ni等合金元素少量，作固溶強化，降低Ms;復雜碳化物形成元素，使Ms下降，并使呈沉淀強化。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、韌度而定。2024/8/2816Q-P-T鋼經熱處理后的組織與力學性質示例1.0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb鋼：850℃奧氏體化300s，淬火至95℃鹽浴，再經400℃分配，進行碳分配及回火后水淬至室溫。經400℃保溫10s后，試樣含殘余奧氏體4.1%，30s后含量增至6.4%。經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復雜碳化物呈納米級大小的彌散沉淀（經400℃~10s的尺寸為(5±2)nm，1800s后為(35±10)nm）。

(WangX.D.,ZhongN.,RongY.H.,HsuT.Y.(XuZuyao).Novelultra-highnano-lathmartensiticsteelbyquenching-partitioning-temperingprocess.J.Mater.Research,2009,24:260-267.)2024/8/2817含0.48wt％C超高強度鋼顯微組織TEM像(a)淬火至95℃明場像(b)淬火至95℃的暗場像象及選區(qū)衍射

(c)400

C回火10s明場像(d)400

C回火10s暗場像及選區(qū)衍射TEMmicrographofanultra-highstrengthsteelcontaining0.48wt%C(a)quenchedin95

C,brightfieldimage;(b)quenchedin95

C,darkfieldimage;(c)temperedat400

Cfor10s,brightfieldimage;(d)temperedat400

Cfor10s,darkfieldimage含0.48wt％C超高強度鋼經400℃分配及回火10s后其中碳化物沉淀的TEM像(a)明場像(b)暗場像TEMmicrographofcarbideprecipitationinanultra-highstrengthsteelcontaining0.48wt%Cafterpartitioningandtemperingat400

Cfor10s(a)brightfieldimage;(b)darkfieldimage2024/8/2818含0.48wt％C超高強度鋼經400℃分配及回火1800s后其中碳化物沉淀的TEM像TEMmicrographofcarbideprecipitationinanultra-highstrengthsteelcontaining0.48wt%Cafterpartitioningandtemperingat400

Cfor1800s(a)brightfieldimage;(b)darkfieldimage含0.48wt%超高強度鋼經400℃保溫不同時間后的抗拉強度和總延伸率Ultimatetensilestrengthandelongationof0.45wt%Cultra-highstrengthsteelasfunctionofdurationat400

C2024/8/28192．0.2C-1.5Mn-1.5Si-0.O5Nb-0.13Mo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。復雜碳化物呈納米級大小。

(ZhongN.,WangX.D.,RongY.H.,WangL..EnhancementofthemechanicalpropertiesofaNb-microalloyedadvancedhighstrengthsteeltreatedbyquenching-partitioning-temperingprocess.Mater.Sci.Eng.,2009,506A,111-116.2024/8/28200.2CQ–P-T鋼經400℃不同時間碳分配和回火后的抗拉強度和總延伸率Ultimatetensilestrengthandelongationof0.2CQ-P-Tsteelasafunctionofpartitioningandtemperingdurationat400

C2024/8/28213.0.1C-1.51Mn-1.48Si-0.02Nb-0.04V-0.015Ti-0.304Mo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100s后殘余奧氏體(0.8wt%C)約3.3%;經350℃~120s后得屈服強度700MPa，抗拉強度900MPa；20℃吸收能量100J，200℃為60J。(SeungChanHong,JaeCheouAhn