清华大学《Acta Materialia》：快速加热先进高强钢（Q&P钢）！

导读：先进高强度钢的显微组织通常是通过调整冷却时的奥氏体分解行为来设计的，而对加热时奥氏体的形成关注较少。本文探讨了快速加热在调整QP钢的显微组织和机械性能方面的潜力，重点分析了成分不均匀的作用。发现化学不均匀性可以在很大程度上改变临界奥氏体的分解和冷却时的碳分配，并在提高奥氏体的热稳定性方面起显著作用。经快速加热处理的高强度钢(FQP)的抗拉强度变化范围非常宽(从980到1180MPa)，并具有良好的延展性，显著优于传统的高强度钢(CQP)。该研究开辟了另一种途径，创造了独特的微观结构，提高了高强度钢的力学性能。

为了实现汽车轻量化和结构安全性的目标，人们付出了巨大的努力来开发先进的高强度钢。到目前为止，已经开发了三种具有宽机械性能范围的第三代AHSS。许多奥氏体不锈钢的加工通常从加热时形成奥氏体开始，然后冷却时进行奥氏体分解。在过去的几十年里，人们付出了很多努力来开发新的冷却途径和调整奥氏体分解行为，以实现具有不同微观结构和机械性能的奥氏体不锈钢，例如双相钢，相变诱发塑性钢，QP钢等。在冷轧奥氏体不锈钢的连续退火过程中，钢带以缓慢的速度(5-10℃/秒)加热，在此过程中，奥氏体在大量再结晶后开始形成，并需要保温(> 100秒)，以实现部分或全部奥氏体化和合金均匀化。

快速加热技术可以通过感应加热实现100-300℃/s的加热速率，以降低带钢生产过程中的能耗并提高加工效率。快速加热技术首次用于加工具有单一铁素体相的冷轧超低碳钢。已经发现，快速加热可以在很大程度上延迟再结晶，并诱导临界间奥氏体的爆发形核，这实质上影响随后冷却时奥氏体到铁素体的转变行为，然后有效地细化铁素体晶粒，快速加热还能有效地细化双相钢的多相显微组织。

临界奥氏体中化学不均匀性的存在会改变奥氏体分解和元素分配行为，进而改变奥氏体不锈钢的最终显微组织。化学不均匀性(如偏析)通常不受欢迎，但它最近被用于构建微观结构和改善钢的机械性能。化学不均匀性/模式随后被临界间奥氏体继承，这导致钢中新的显微组织。如果对钢进行快速加热，化学不均匀性可能会被亚临界奥氏体晶粒继承，这将改变奥氏体分解和碳分配行为。

在此，清华大学陈浩团队系统地研究了闪速加热钢在淬火和分配过程中的相转变和元素分配行为，讨论了化学不均匀性在稳定奥氏体中的作用。还分析了热处理前后钢的显微组织与力学性能的关系。发现化学不均匀性可以在很大程度上改变临界奥氏体的分解和冷却时的碳分配，并在提高奥氏体的热稳定性方面起显著作用。经热处理的高强度钢(FQP)具有宽范围的抗拉强度(从980MPa到1180MPa)和良好的延展性，显著优于传统的高强度钢(CQP)。相关研究成果以题“On the role of chemical heterogeneity in phase transformations and mechanical behavior of flash annealed quenching & partitioning steels”发表在金属顶刊Acta materialia。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420307965

图1 (a)扫描电镜图像显示研究钢的初始微观结构；(b)珠光体团的放大扫描电镜图像，黄线为纳米俄歇电子能谱扫描线；(c)沿(b)扫描线的俄歇锰谱。

图2 (a-d)经m -马氏体、f -铁素体退火后淬火(250°C/s)和冷却(70°C/s)的FQP和CQP样品的SEM图像;(e)所研究的FQP和CQP试样的膨胀(F s-铁素体形成的起始温度，F F -铁素体形成的整理温度，ms -马氏体形成温度，qt -淬火温度，pt分配温度)

图3所示。CQP、FQP1、FQP2、FQP3样品的EBSD图像:(a, d, g, j) BCC相(红色区域)和FCC相(绿色区域)相色图叠加的EBSD图像质量图;(b, e, h, k) FCC相IPF map;(c, f, i, l) BCC阶段IPF图。RD表示滚动方向，ND表示法线方向。CQP试样IPF(FCC)图像中的白色虚线圈是马氏体相变前的奥氏体晶界。

图4 FQP1样品(a-f)和FQP3样品(g-l)中残留奥氏体的化学异质性:(a, d, g, j)通过图像对比显示化学图案痕迹的SEM图像。黄线为纳米俄歇电子能谱(AES)扫描线;(b, e, h, k)叠加奥氏体相色图的EBSD图像质量图(绿色);(c, f, i, l)沿扫描线测量的锰剖面。

图53D-APT重构显示了(a) FQP1和(b) FQP2样品中C和Mn在不同界面上的分布。黄色和红色的球分别代表Mn和C原子。Mn(黄色)的等组成表面是用3 at的阈值构建的。%。(c-f)通过(a, b)中圆柱体所划定的体积，得到不同界面的一维浓度分布。

图6 (a) FQP和CQP试样的工程应力-应变曲线。(ys -屈服强度，ts -拉伸强度，tel -总伸长率);(b)对应试样的真应力和加工硬化率。

图7 用准原位EBSD法分析了FQP3试样拉伸过程中RA晶粒的力学稳定性。(a)应变为0 ~ 18.6%的FQP3试样ND面有10×6μm2的IQ +相图;(b)不同应变水平下CQP和FQP3试样中RA体积分数的演变;(c)不同应变水平下单个RA晶粒的IQ +相图，显示变形诱发的马氏体相变;(d)图c4和c12中沿扫描线测量的锰剖面。

图8 说明了在常规加热和闪蒸加热过程中的微观结构演变示意图。

图9 FQP和CQP样品临界退火后Mn在奥氏体和铁素体中的分布示意图。

图10 (a, b) FQP和(c, d) CQP两种不同tem温度下，FQP和CQP两种不同tem温度下微观组织演变的相场模拟。

图11 相场模拟了FQP情况(a)中分配过程中微观组织的演变过程和对应不同时间的碳谱(b)。

图12 FQP处理过程中的相变行为(a)和残余奥氏体的力学响应(b)(奥氏体的颜色代表不同的取向)。

表1 样品退火参数

(hr -加热速率，at -退火温度，at -退火时间，cr冷却速率，QT-淬火温度，rht -再加热速率，pt分配温度，pt分配时间)

综上所述，本文系统地研究了快速加热在调质钢相变和力学行为中的作用。在初始珠光体-铁素体显微组织中锰的化学不均匀性被发现在快速加热过程中由临界奥氏体继承，在奥氏体分解和碳分配中起显著作用。在快速处理的样品中，晶粒细化和亚临界奥氏体晶粒中的锰偏析能加速铁素体的形成，促进碳向奥氏体的分配，这对奥氏体的稳定起着重要作用。总的来说，FQP样品的机械性能优于CQP样品。FQP样品机械性能的提高归因于晶粒细化、残余奥氏体和独特的相组成。