Q&PB工艺对钢的组织演变及显微硬度的影响

卢茜倩 谷海容 崔 磊 肖洋洋 冷德平

0 引言

2003年，美国的Speer等[1]率先提出了淬火配分工艺（Quenching and Partitioning，Q&P），该工艺主要是通过制定合理的碳配分，从而使其室温组织获得一定量稳定的残余奥氏体和马氏体[2-3]，显示了较高的强度和良好的塑性及韧性[4-6]。

Q&P[8]工艺主要包括奥氏体化、淬火到Ms-Mf温度、配分阶段和最终淬火到室温4个步骤，配分温度不高于Ms点可以避免贝氏体组织的形成，在配分阶段，碳元素从过饱和的马氏体扩散到贫碳的奥氏体组织，奥氏体富碳从而在最终的淬火过程中保留下来。

Q&PB（Quenching and Partitioning in bainite zone）[7-9]工艺采用较高的淬火温度，在配分开始前得到较高体积分数的奥氏体组织，配分温度高于Ms温度，高温配分加快碳元素的扩散和均匀化过程，钢中Si元素抑制碳化物的析出，促使贝氏体区配分阶段得到无碳贝氏体组织。无碳贝氏体会向周围的奥氏体排碳，为奥氏体富碳提供新的碳元素来源，同时缩短碳扩散到奥氏体的距离，最终得到无碳贝氏体+马氏体+残余奥氏体的三相组织。

Q&PB热处理工艺与Q&P工艺的最大差异在于在高于Ms温度的贝氏体区域配分，通过得到无碳贝氏体组织提供新的碳元素来源，同时缩短碳元素的扩散距离。

1 试验材料及方法

试验材料选用某钢厂的Q&P 980酸轧试验钢板，成分设计以C-Si-Mn系钢为母体，添加微量的Nb等微合金元素，其化学成分如表1所示。坯料经线切割加工成板厚×5×10 mm的长方体试样。

试验在DIL805A/D淬火变形膨胀仪上进行，热膨胀法测得，Q&P980的相变起始温度Ac1为739.5℃，相变终止温度Ac3为925.6℃。图1（a）为Ms测定工艺路线，将试样先以10℃/s的加热速率加热至退火温度（850℃、900℃、950℃），并保温300 s，然后以50℃/s的冷率冷却至室温，研究不同退火温度条件下的马氏体初始形成温度Ms。测定退火温度为850℃，900℃，950℃，马氏体相变开始温度分别为362℃，376℃，401℃。因此Q&PB工艺淬火温度设定略低于Ms点为300℃，配分温度设定略高于Ms点为400℃。如图1（b）为Q&PB工艺路线，将试样先以10℃/s的加热速率加热至退火温度（800℃、850℃、900℃），并保温300 s，使其完全奥氏体化以及成分均匀化。然后以50℃/s的冷却速率将试样冷至300℃淬火，保温5 s，然后以10℃/s的加热速率加热至配分温度（350℃、400℃、450℃），保温一定时间（10 s、30 s、100 s、1 000 s）后冷却至室温，研究不同退火温度、配分温度和时间对试验钢组织性能的影响。

采用荷兰帕纳科生产的X'PERT MRD X射线衍射仪（XRD），光源Co靶，电压35 KV，电流30 mA，扫描范围45-110度，步长0.02度，扫描速度1.09/min，来测定热处理后钢中残余奥氏体含量。然后将式样进行镶嵌，进行机械研磨和抛光，再用4%体积分数的硝酸酒精溶液腐蚀15-30 s，试样腐蚀后用酒精清洗，吹干。硬度性能测试采用日本（Akashi）明石生产的Akashi HM-125金相显微硬度计，通过在Axio Imager A2m光学显微镜上进行金相组织观察，美国FEI+EDAX生产的QUANTA450+APOLLOX扫描电镜+能谱仪上进行扫面电镜图像采集，研究Q&PB工艺对钢的组织和性能的影响。

2 结果与分析

2.1 退火温度对最终组织的影响

图2是850℃，900℃，950℃退火，300℃淬火5s，400℃配分30s，Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜组织及XRD图谱。由图2（a）（b）可知，850℃，900℃两相区退火，经Q&PB工艺处理后，室温组织主要由铁素体（F）＋块状马氏体（M）＋粒状贝氏体（GB）＋板条状贝氏体（LB）＋残余奥氏体（RA）组成。图2（c）可知，950℃退火，经Q&PB工艺处理后，室温组织主要由少量铁素体（F）＋板条马氏体（M）＋残余奥氏体（RA）组成。由图可以明显看出，随着退火温度的升高，试样中铁素体的体积分数组件减小，相反马氏体的体积分数增加，且随着奥氏体化温度的提高，原奥氏体晶粒尺寸增加，最终组织中马氏体内部板条相貌逐渐清晰。

图2（d）为不同退火温度Q&PB工艺后试样XRD图谱，由图可知800℃退火Q&PB工艺后室温下残余奥氏体的含量为16%，随着退火温度提高到850℃，残余奥氏体含量增加到20.1%，退火温度900℃，残余奥氏体含量达到最大为22.5%。可以看到，随着奥氏体化温度的提高，残余奥氏体中的含量呈增加趋势。主要是因为随着退火温度的提高，高温下奥氏体含量越多，冷却到最终组织时残余的奥氏体含量越多。

表1试验钢化学成分（质量分数，%）

图1试验钢热处理工艺流程（a）Ms测定工艺路线，（b）Q&PB工艺路线

2.2 配分时间和温度对最终组织及硬度的影响

考虑到现场连续退火工艺生产线退火最高温度为850℃，因此本文研究退火温度为850℃，配分时间和温度对最终组织及硬度的影响。配分温度的高低和时间的长短，决定了配分过程中C原子的扩散速率与扩散程度，从而影响未转变过冷奥氏体的稳定性。合理搭配配分温度和配分时间，可以实现试验钢良好力学性能。

如图3是850℃退火，300℃淬火5s，450℃配分10 s、30 s、100 s、1000 s的Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜形貌。由图3可以看出，450℃配分10 s后，基体主要为铁素体（F）＋块状马氏体（M）＋粒状贝氏体（GB）＋板条状贝氏体（LB）＋残余奥氏体（RA）组成。随着配分时间的延长，马氏体组织回火转变特征变得明显，马氏体板条变宽且发生间断，如图3（d）配分时间1000 s，此时能看到明显的白色点状渗碳体，且渗碳体颗粒主要分布在板条之间的界面或原始奥氏体晶界处。

图4为不同配分温度残余奥氏体含量及显微硬度与配分时间的关系。由图4（a）可知残余奥氏体的含量随着配分时间的延长先增加后减少。当配分温度为450℃时，残余奥氏体含量随配分时间的变化更加明显，在配分30s时，残余奥氏体含量最大25.40%，配分1000s，残余奥氏体含量最小17.50%。在350℃、400℃配分10 s、30 s时，配分时间较短，碳原子不足以充分的扩散至残余奥氏体内，使得残余奥氏体稳定性降低。当配分时间延长至100 s时，碳原子有足够的时间扩散至残余奥氏体内，因此，在配分完成后，残余奥氏体逐渐增加达到24.5%。当配分时间为1000 s，保温时间过长，部分碳元素析出，导致残余奥氏体含量略有降低。而450℃配分，温度较高，碳元素更容易扩散，且足够的配分时间，碳元素将以碳化物的形式析出，消耗了残余奥氏体中的碳原子，降低了残余奥氏体中的碳含量，致使其稳定性降低，因此室温状态下只有少量的残余奥氏体保留。

由图4（b）可知显微硬度随配分时间的变化规律与残余奥氏体含量的变化规律基本一致。350℃、450℃配分，显微硬度随着配分时间的延长先增大后减小，可见在配分30s时碳的扩散就已经完成，随着配分时间延长到100s、1000s时，部分奥氏体发生分解，生成铁素体和碳化物，因此硬度降低。而400℃配分10s时，碳的扩散就已经完成，此时显微硬度最大为362HV。

如图5是850℃退火，300℃淬火5s，350℃、400℃、450℃配分100 s的Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜形貌。由图5可以看出，基体主要为铁素体（F）＋块状马氏体（M）＋粒状贝氏体（GB）＋板条状贝氏体（LB）＋残余奥氏体（RA）组成。随着配分温度的增加，马氏体组织回火转变特征变得明显，且在马氏体板条内部亦有碳化物析出逐渐增多。

图6为配分温度对Q＆P 980残余奥氏体含量及其显微硬度的影响，由图6（a）可以看出在配分时间为10s和30 s时，残余奥氏体的含量随配分温度的升高呈逐渐增加的趋势，其中450℃配分30 s残余奥氏体含量最大达25.40%，说明随着配分温度的升高，碳从马氏体向残余奥氏体转移的量增多，增加了残余奥氏体的稳定性，室温下的残余奥氏体量就多;配分时间为100 s时，残余奥氏体的含量随配分温度的升高呈现先升高然后下降的趋势，原因是400℃、450℃时配分过程在100 s前已经完成，残余奥氏体的量达到最大值，之后由于配分温度升高，钢中由于马氏体和残余奥氏体分解析出了渗碳体，消耗了大量的碳，使最终室温下保留的残余奥氏体量减少为17.50%。

图2不同退火温度Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜组织及XRD图谱（a）850℃，（b）900℃，（c）950℃，（d）XRD图谱

由图6（b）可以看出配分时间为10 s，显微硬度随着配分温度的升高先增大后减小，当配分温度较低350℃时，碳原子扩散速率相应降低，马氏体中的碳原子不足以扩散至残余奥氏体内，并稳定其至室温，因此淬火后不稳定的残余奥氏体将转变为马氏体，从而提高了Q&P钢的显微硬度；随着配分温度的升高，碳原子的扩散系数不断增大，从而使扩散至马氏体板条间残余奥氏体内的碳原子增多，足以将更多的残余奥氏体稳定至室温，同时也使得马氏体中碳元素含量降低，从而导致Q&P钢的显微硬度降低。配分时间为30 s，配分温度对显微硬度的影响不是很大。而配分时间为100 s和1 000 s时，显微硬度随着配分温度的增加而减小，这主要是因为配分时间为100 s时，就已经完成碳的扩散，温度越高奥氏体发生分解，生成铁素体和碳化物，因此硬度降低。

当配分时间短时，可以适当提高配分温度；当配分温度低时，可以适当延长配分时间，都可以增加残余奥氏体的碳含量，提高残余奥氏体的稳定性，但过度的增加配分时间与配分温度，则会析出渗碳体等碳化物，最终室温下的残余奥氏体降低，影响材料力学性能。因此，综合比较发现，在400℃配分100 s，试验钢的残余奥氏体含量24.70%与显微硬度315.6HV的匹配值最佳。

3 结论

利用DIL805A/D淬火变形膨胀仪对Q&P钢进行Q&PB工艺模拟，研究了退火温度、配分温度、配分时间对QP钢组织演变、残留奥氏体含量和显微硬度性能的影响，得到如下结论：

（1）试验Q&P钢经Q&PB工艺处理后，室温组织主要由铁素体（F）＋块状马氏体（M）＋粒状贝氏体（GB）＋板条状贝氏体（LB）＋残余奥氏体（RA）组成。随着退火温度的升高，铁素体的体积分数减小，马氏体内部板条相貌逐渐清晰。随着配分温度的提高，配分时间的增加，马氏体组织回火转变特征变得明显，渗碳体逐渐析出。

图3 450℃配分不同时间Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜形貌（a）10 s，（b）30 s，（c）100 s，（d）1000 s

图4配分时间对Q&P980残余奥氏体含量及其显微硬度的影响（a）配分时间与残余奥氏体含量曲线关系，（b）配分时间与显微硬度曲线关系

（2）残余奥氏体含量随着退火温度增加而增大，随着配分时间的增加先增大后减小，而残余奥氏体的含量与配分温度的关系很大程度上受配分时间的影响，即配分时间较短10 s、30 s时，两者线性增加；配分时间较长时100 s、1 000 s，残余奥氏体的含量随配分温度先增加后减小。450℃配分30 s时，残余奥氏体含量最大25.40%。

（3）显微硬度随配分时间的变化规律与残余奥氏体含量的变化规律基本一致，基本上都是先增大后减小；而显微硬度与配分温度的变化规律与配分时间有关。400℃配分10 s时，显微硬度最大为362 HV。

（4）综合比较，400℃配分100 s，试验钢的残余奥氏体含量24.70%与显微硬度315.6 HV的匹配值最佳。

图5不同温度配分100s Q&PB工艺后Q&P980的扫描电镜形貌（a）350℃，（b）400℃，（c）450℃

图6配分温度对Q&P980残余奥氏体含量及其显微硬度的影响（a）配分温度与残余奥氏体含量曲线关系，（b）配分温度与显微硬度曲线关系