铌微合金化对1000 MPa级QP钢组织和性能的影响

供稿|金永盛，郭宏吉 / JIN Yong-sheng, GUO Hong-ji

内容导读

采用C-Si-Mn合金体系，在实验室冶炼含Nb和不含Nb两种Q&P钢，通过连退热模拟机在不同配分时间下，对比Nb微合金化对1000 MPa级Q&P钢组织和性能的影响。结果表明：含Nb的QP钢比不含Nb的QP钢马氏体板条间距变小，残余奥氏体尺寸也细小，弥散分布；随配分时间的增加，两种Q&P钢的残余奥氏体中平均碳含量相近，残余奥氏体分数均呈先增加后减少的趋势，抗拉强度均下降；含Nb的QP钢残余奥氏体分数较高，配分时间为10 s时，残余奥氏体含量达到最大值为14.2%，强塑积可达到25500 MPa·%。

近年来，为降低能源消耗，节约原材料以及保护环境，第三代先进高强钢一直是各钢铁企业研发的重点。第三代高强钢主要目的获得强度和延展性的优异组合，获得较高的强塑积。在降低总重量同时保证碰撞安全性和提高车辆燃料经济性等新要求的驱动下，已经开发出能够实现所需微观组织和性能的淬火配分(QP)钢[1]。一般QP钢的工艺涉及将加热至奥氏体区并保温适当时间的钢快速淬火至马氏体转变开始温度(Ms)和马氏体转变终止温度(Mf)温度之间的某一淬火温度(QT)，以便形成碳过饱和的马氏体和未转变的奥氏体，随后在QT或以上温度进行碳配分，实现碳从过饱和马氏体到奥氏体的扩散，以保持富碳的残余奥氏体在随后冷却至室温期间稳定[2]。QP钢组织中的板条马氏体和薄膜状残余奥氏体使得其具有优异的强塑性匹配。QP钢中要避免渗碳体和过渡型碳化物的形成，因为它们的形成会消耗一部分碳，使得没有足够的碳来稳定奥氏体至室温，最终将降低QP钢的延性。因此，通过添加硅或铝来抑制渗碳体的形成，为碳原子在配分过程中的扩散提供条件，促进碳的局部富集，同时避免渗碳体生成可能导致实验钢脆化倾向。锰可以提高淬透性，并通过降低奥氏体转变温度进一步增加其稳定性，锰还可以增加碳在奥氏体中的溶解度，提高奥氏体的碳富集能力。在QP钢中添加铌可通过晶粒细化进一步提高强度及韧性，并且可以影响残余奥氏体体积分数及其转变行为。到目前为止，微合金元素Nb在QP钢中的作用尚未得到广泛深入的研究。因此，本文旨在研究微合金元素铌在不同配分时间下对QP钢组织形态、性能、残余奥氏体的体积分数及其碳含量的影响规律，有助于为QP钢产品的质量优化提供理论依据。

实验方法

选择C-Si-Mn成分体系作为实验钢的基础合金，即0.18%C-1.6%Si-1.9%Mn(质量分数)作为不含Nb实验钢，添加0.05%(质量分数)的Nb作为含Nb实验钢。两实验钢均经真空感应炉冶炼，锻造后将钢坯热轧至最终厚度为3.8 mm，加热温度为1230℃，保温时间为2h，开轧温度为960℃，终轧温度820℃，卷取温度为550℃。热轧板经酸洗后冷轧至最终厚度为1.0 mm，并加工成400 mm×100 mm的试样，利用Vatron公司MULTIPAS模拟机进行退火工艺模拟。为合理制定工艺参数，采用Gleeble2000热模拟试验机测定实验钢的临界相变温度，因Nb的添加并不明显的影响完全奥氏体化温度(Ac3)和马氏体转变开始温度(Ms)，两实验钢的Ac3温度相近和Ms温度相等，Ac3温度均低于850℃，因此热模拟工艺中的保温温度确定为850℃，Ms温度均为382℃。通过约束碳平衡(CCE)模型估算的Fe-0.18%C二元合金的最佳淬火温度均为350℃，采用一步配分工艺进行模拟，连续退火工艺如图1所示。

实验钢通过扫描电镜(SEM)观察其显微组织，制备拉伸试样测量力学性能，利用X射线衍射仪测定实验钢中残余奥氏体体积分数。数据处理过程选择奥氏体(111)γ，(200)γ，(220)γ和(311)γ衍射峰，马氏体(110)α，(200)α，(211)α和(220)α衍射峰，精确测定对应的衍射角2θ和积分强度I，采用直接对比法计算残余奥氏体体积分数。使用奥氏体(220)γ峰的位置计算残余奥氏体中的碳含量，奥残余氏体中的碳含量通过以下公式进行计算[3]：

式中，ao和Cγ分别是奥氏体中的晶格常数(Å)和碳含量(质量分数，%)。

实验结果和分析

显微组织

图2分别为两种实验钢在配分时间为300 s时的显微组织。从图2可以看出，两实验钢的晶粒基本呈等轴状，对于含Nb钢，晶粒细化明显[4]，组织均为马氏体和残余奥氏体，这是完全奥氏体化Q＆P钢微观结构的典型特征。不含Nb钢显示更大的原始奥氏体晶粒尺寸和更大的马氏体板条束，组织主要由板条马氏体和在板条间分布的残余奥氏体组成。含Nb钢的马氏体主要呈块状或等轴状，部分呈板条状，残余奥氏体呈块状及膜状分布于晶界及马氏体板条之间，块状残余奥氏体比例较不含Nb钢高。

残余奥氏体体积分数及其碳含量

通过X射线衍射仪并结合公式计算出两种实验钢在不同配分时间下残余奥氏体体积分数及其碳含量的关系曲线如图3所示。从图3可以看出，两实验钢的残余奥氏体分数随配分时间的增加整体呈下降趋势，残余奥氏体中的碳含量在较短的配分时间下趋于增加，随配分时间的增加残余奥氏体中的碳含量呈下降趋势，残余奥氏体碳含量的降低是因为随配分时间的延长，由于过渡碳化物的形成，奥氏体分解，通过位错对碳的捕获而造成。

Nb的添加对残余奥氏体中的碳含量影响较小，整体上呈现出增加残余奥氏体稳定性的趋势。对于含Nb钢在不同的配分时间下均含有较高的残余奥氏体体积分数，其较高的残余奥氏体分数与原始奥氏体晶粒的细化有关，较小的原始奥氏体晶粒尺寸导致更细的马氏体板条，通过减少碳需要扩散以逃离马氏体的有效距离来改变碳在奥氏体之间配分以及马氏体内的碳化物沉淀的竞争实现残余奥氏体体积分数的增加。对于不含Nb钢在配分温度为30 s时，残余奥氏体体积分数出现最大值，这主要因为较大的马氏体板条尺寸及间隙，使得碳向奥氏体中扩散的距离增加，在10 s时未完成充分的扩散，随着配分时间增加到30 s，马氏体中的碳基本完成了向奥氏体中的配分扩散。

力学性能

经不同配分时间处理的两实验钢力学性能如图4所示。从图4可以看出，在配分时间10～30 s范围内强度变化明显，屈服强度呈升高趋势，而抗拉强度呈下降趋势。随配分时间的继续延长，屈服强度及抗拉强度变化不明显，变化趋势相近，含Nb钢因明显的组织细化，强度均高于不含Nb钢。抗力强度的降低主要因为随配分时间的延长马氏体回火程度逐渐加剧，在配分初期抗拉强度较高与碳配分到奥氏体中的程度较少有关。马氏体的回火过程中通过松弛马氏体转变相关的内应力或溶质原子钉扎可动位错导致屈服强度的增加。含Nb钢在配分时间为10 s时延伸率达到最大值，这与其在配分时间为10 s时最大体积分数的残余奥氏体及相对低的稳定性相对应，随配分时间的增加延伸率逐渐降低，这与先前组织及残余奥氏体及其碳含量的变化相关，配分时间的增加，即使有相对低的碳含量能保证残余奥氏体的相对稳定使其在变形过程中产生TRIP效应，但因残余奥氏体体积分数降低明显，使得最终延伸率较低。在不同的配分时间下，含Nb钢的延伸率均较高。

结论

1) 对于1000 MPa级Q&P钢，铌微合金化可以有效细化组织并改善不同形态相的匹配，有效提高强度及塑性。

2) 随配分时间的增加，残余奥氏体体积分数整体呈下降趋势，含Nb钢有利于碳在较短的时间内完成配分，残余奥氏体中碳含量相对较高，且表现出较高体积分数的残余奥氏体。

3) 随配分时间的增加，屈服强度整体呈上升趋势，而抗拉强度呈下降趋势，延伸率整体呈先下降趋，在配分时间为10 s时，含Nb钢残余奥氏体体积分数最高，同时对应了最高的延伸率，强塑积达到最大值为25592 MPa·%。