Q&P钢和Q-P-T钢的高速拉伸性能

1概述

Q&P钢和Q-P-T钢为第三代先进高强钢。Q&P钢的工艺过程是将合适成分的钢进行奥氏体化得到全奥氏体组织，随后在马氏体相变的开始温度和终止温度之间的某一温度下淬火，得到一部分过饱和碳的马氏体和未转变的奥氏体，在该淬火温度或者在略高于该淬火温度下保温一段时间，进行碳分配，从而得到脱碳的软化马氏体和由于富碳而更加稳定的奥氏体，然后水淬到室温，最终得到马氏体基体加残余奥氏体的Q&P钢组织。

2应变速率对Q&P钢拉伸变形行为的影响

有文献研究了应变速率对Q&P钢拉伸变形行为的影响，所用钢种的主要化学成分（wt%）为：93.586Fe、0.200C、1.770Si、0.310Mn、1.010Cr、2.690Ni、0.300Mo、0.080V、0.050Nb、0.001S、0.003P。按文中所提供的处理工艺：在905℃保温20min后以50℃/s冷却至250℃并保温30s，之后在440℃再分配300s并最终淬火至室温。显然，从合金成分和处理工艺看，属于Q-P-T钢。将该钢加工成高速拉伸试样，分别在材料疲劳试验机和高速拉伸试验机上进行了准静态（应变速率分别为：10-4、10-2和102（s-1））和动态（应变速率分别为：10、50、70、80、100、200和1000（s-1））拉伸性能测试。应变速率对拉伸性能的影响见图1，屈服强度和抗拉强度随应变速率增加而增大，但延伸率随应变速率的变化较为复杂。在准静态应变范围内，断裂延伸率随应变速率增加逐渐下降，当应变速率大于10s-1后，断裂延伸率大幅升高，到80s-1时达到峰值，之后随应变速率进一步增加，断裂延伸率下降。

对断口附近的显微组织观察表明，随着应变速率的增加，组织中的残余奥氏体减少，未转变的残余奥氏体被明显拉长。对准静态和动态拉伸的断口纤维区和剪切唇区进行比较发现，准静态两个区域的拉伸断口韧窝较深，撕裂棱较多，动态拉伸断口韧窝较浅，撕裂部分变窄。对不同应变速率后的试样进行X光分析，其中未变形的残余奥氏体体积分数为8.22%，拉伸变形后各试样的残余奥氏体体积分数下降。在准静态应变速率范围内，残余奥氏体含量为5.5%-6%，当应变速率为10s-1时，残余奥氏体含量保持在6.4%，应变速率从102-103s-1时，拉伸断裂后试样的残余奥氏体量从4.8%增至5.8%，即TRIP效应和应变速率有明显关系。残余奥氏体的变化与TRIP效应密切相关，从而会影响样品的断裂延伸率。TRIP效应可以降低和消除相界面的应力集中，推迟孔洞的形成、长大和聚合过程，有利于提高材料的延性，特别是均匀延伸率。但在动态应变速率的范围内，拉伸变形时的绝热温升效应增大，温度效应会使样品的温度升高，使残余奥氏体稳定性增加，抑制马氏体转变。在高应变速率范围内（102-103s-1），随应变速率增加，残余奥氏体体积分数增大，即随应变速率增加TRIP效应降低，绝热温升效应会导致材料发生局部软化，使断裂延伸率增大。实测的试验结果是这两种效应不同影响的结果。

3 Q-P-T钢的强化机理

2007年开始，徐祖耀基于Q&P工艺对析出强化认识和应用的不足，利用Q&P钢的基础成分，加入Nb、V、Ti等微合金元素，引入合金碳化物的析出强化作用，提出了淬火分配回火工艺，随后，对这种钢的组织控制与成分设计进行了详细论述。

经过Q-P-T工艺处理后的中碳钢0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb（wt%）抗拉强度大于2000MPa，延伸率大于10%，这几乎接近Bhadeshia等研发的纳米贝氏体钢的强度。这类钢的微观组织特征是由位错型板条马氏体和板条间一定量的残余奥氏体，以及在马氏体基体上的合金碳化物组成。由于合金碳化物的析出沉淀强化，进一步提高了强度，因此Q-P-T钢的强度明显高于Q&P钢。Q-P-T工艺以Q&P工艺为基础发展而来，但二者存在明显的差异：首先，在合金成分设计上，Q-P-T工艺需要加入形成稳定碳化物的合金元素，如Nb、V、Ti、Mo等，这些加入的微合金化元素不仅可以有效细化原奥氏体晶粒获得强化，而且在随后的回火/分配过程中能不断弥散析出碳化物以获得沉淀强化，而析出强化在Q&P工艺中是不允许的；其次，在工艺上，由于Q-P-T工艺注重回火温度以获得最佳的析出强化效应，并由该温度决定碳的分配温度和分配时间，而Q&P工艺仅考虑碳的分配，故碳的分配温度和时间有较大的选择范围；另外，Q-P-T工艺适当增加碳含量以补偿碳化物析出消耗的碳以保持足够的碳从马氏体分配至残余奥氏体，使残余奥氏体富碳并能在随后冷却至室温的过程中保留下来。因此，Q-P-T工艺处理既要确保残余奥氏体增塑，又要考虑马氏体强化、沉淀强化和细晶强化。

有文献研究了Q-P-T钢在高应变速率下的动态力学性能及变形机制，试验用钢0.256C-1.20Si-1.48Mn-1.51Ni-0.053Nb（wt%）经Q-P-T处理，Q-P-T工艺为奥氏体化温度930℃，保温6min，300℃盐浴炉淬火，停留15s，400℃盐浴炉进行不同时间的回火分配处理，时间为30s，然后水淬。经这种处理后的不同应变速率下的力学性能见表1。可以看出，Q-P-T钢在各应变速率下的强塑积都大于Q&P钢，特别是其延伸率远高于Q&T钢，随着应变速率的提升，Q-P-T钢的强度和总延伸率都在提升。而对一般TRIP钢，随着应变速率的升高，强度上升，但塑性略有下降。表1中Q-P-T钢在应变速率103s-1下，和静态速率相比，强度和塑性都有明显提升，因此这一钢种可以拓展至高应变速率下使用。应变速率对Q-P-T钢强度和塑性的影响与下述因素有关：首先，应变速率增加可以激发更多的位错源开动，从而提高组织中的位错密度；其次，应变速率增加，位错的交滑移受到抑制，位错的交互作用增强，这些有利于强度的提升；其三，应变速率提升有可能促进相变诱发残余奥氏体向马氏体转变，从而提高强度。应变速率提升可能会使断裂方式发生改变，随着应变速率提升，断口中的二次裂纹减少，由此有利于延性的提升。在高应变速率下，Q-P-T钢几乎处于绝热状态，拉伸变形时材料温度上升，最高达100-150℃，温升会使基体软化而提高材料塑性。由于绝热效应可以增加残余奥氏体的稳定性，因此会使Q-P-T钢的塑性增强。