简介QPT超高强度钢课件

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1、简介简介Q-P-T超高强度钢超高强度钢徐祖耀徐祖耀上海交通大学材料科学与工程学院上海交通大学材料科学与工程学院徐祖耀，我国应尽早发展高强度钢。中国工程院化工、冶金与材料学部第六届学术会议论文集。薛群基主编，化学工业出版社，2007, 403-406.为改善环保、节能和节约原材料（包括铁矿石），急宜将器件轻量化、提高钢的强度（15002000MPa或以上）、降低钢产量。超高强度钢发展简史超高强度钢发展简史20世纪60年代以来，发展出马氏体时效钢，如0.013C-18Ni-0.4Mo钢 (Floreen S., Physical metallurgy of maraging steels. Met

2、all. Rev., 1968, 13B:115-128.)经马氏体相变及中间相(Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo)沉淀强化马氏体二次时效钢：马氏体强化及碳化物沉淀强化 (Machmeier P. M., Little C. D., Horowitz M. H., Oates R. P. Development of a strong martensitic steel having good fracture toughness. Met. Technol., 1979: 291-296. Ayer Raghavan, Machmeier P. M. Microstructural bas

3、is for the effect of chromium on the strength and toughness of AF1410-based high performance steels. Metall. Mater. Trans., 1996, 27A: 2510-2518. )如0.16C-10Ni-2Cr-1Mo-14Co钢，0.24C-11Ni-3Cr-1.2Mo-13.4Co钢，AF1410，AerMet100钢: 抗拉强度1500MPa以上，接近甚至超过2000MPa, 韧性60J。含高合金元素、冶炼、加工要求较复杂，成本较高。 Bhadeshia等研发的很强大件钢：含

4、0.78-0.98wt%C及Si、Mn、Cr（V、Co、Al）等合金元素。抗拉强度高达2.5GPa，硬度超过600HV，断裂韧度大于30-40MPam1/2 (Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H., Mowella J. A., Jones D. G., Brown P. Very strong low temperature bainite. Mater. Sci. Technol., 2002, 78: 279-284. Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H., Very strong bainite. Curr

5、ent opinion in solid state and mater. Sci., 2004, 8: 251-257. Bhadeshia H. K. D. H. Large chunks of very strong steel. Mater. Sci. Technol., 2005, 21: 1293-1302. Bhadeshia H. K. D. H. Bainitic balk nanocrystalline steel. Proc. the 3rd Inter Conf: Advanced Structural Steels (ICASS), Gyeongju, Korea,

6、2006: 3340. ) 等温时间较长（2-60天，加入Co或Al后缩短至半小时），含碳量过高，易形成Fe3C，潜在脆性。范长刚等提出在4340钢的基础上提高碳含量至0.5wt%，即0.37%Si钢中含碳量比4340提高0.10%，1.75%Si钢中碳含量比300M提高0.07%，其他成分相近，经真空电弧电渣重熔，控制S0.005%，P0.01%及气体含量，经900淬火: *0.37%Si钢经200回火得：条状马氏体，碳化物及2%的残余奥氏体， Rm=2205MPa, KIC=61.5MPam1/2 *1.75%Si钢经270回火得：条状马氏体，碳化物及0.5%，会有潜在脆性危险。 (范长刚

7、，董瀚，时捷，刘燕林，雍岐龙，惠卫军，王毛球，翁宇庆。2200MPa超高强度低合金钢的组织和力学性能. 兵器材料科学与工程, 2006, 29(2): 31-35.) (Krauss G. Deformation and fracture in martensitic carbon steelstempered at low temperatures. Metall. Trans., 2001, 32B: 205-221.)Fracture response, under conditions of tensile loading, as a function of tempering tem

8、perature and steel carbon content in carbon and low-alloy steels quenched from austenite to martensite淬火钢中残余奥氏体的作用淬火钢中残余奥氏体的作用 改善钢的塑性和韧性，如： *条状马氏体被几纳米厚的残奥所包围，增加了韧性。 (徐祖耀.马氏体相变与马氏体(第二版，第三章). 北京:科学出饭社,1999. Lai G.Y., Wood W. E., Clark R. A., Zackay V. F., Parker E. R. The effect of austenization tempe

9、rature on the microstructure and mechanical properties of as-quenched 4340 steel. Metall. Trans.,1974, 5: 1663-1670.) *奥氏体的热稳定化现象使工具钢无变形淬火和高速钢的无变形回火。 (Gordon P., Cohen M., Rose R. S. Effect of quenching-bath temperature on the tempering of high speed steel. Trans. ASM, 1944, 33: 411-454. 徐祖耀，奥氏体稳定化及

10、其对热处理的作用。北京钢铁工业学院学报，1957(4) : 26-33。 徐祖耀，周济源。9XC钢工具的等温淬火(无变形淬火)。北京钢铁工业学院学报，1957(4) : 34-41。 徐祖耀，周济源。P18钢杆形工具的等温淬火。北京钢铁工业学院学报，1957(4) : 42-44。 徐祖耀，周济源。工具钢的无变形淬火。机械工程学报，1957(5): 249-255。 徐祖耀，张万祯。奥氏体在回火时的催化作用和稳定化现象。科学记录，1957，1(3): 59-63。 Hsu Tzu-yao(徐祖耀), Chang Wan-chen(张万祯). The conditioning and stabi

11、lization of austenite during tempering. Science Record, New Series,1957, 1(3): 65-70. 徐祖耀，张万祯。高速钢在回火时奥氏体稳定化现象。北京钢铁工业学院学报，1958(6) : 85-91。 徐祖耀。高速钢的回火。金属学报，1965(8) : 443-454。 Hsu Tzu-yao(徐祖耀). The tempering of high speed steel. Scientia Sinica, 1965, 14: 1509-1522. 徐祖耀。高速钢工具的无变形回火。机械工程学报，1958(6): 203-

12、206。 徐祖耀，嵇铃，杨嘉韦华。高速钢回火新工艺。首届中国热处理学会年会论文选集。北京: 机械工业出版社，1966: 196-202。) *氢脆裂纹受阻于奥氏体: 300M钢（含残奥约3%）对比4340钢（残奥2%），同样析出碳化物， 但应力腐蚀速度慢一个数量级。 (Ritchic R., Cedeno M. H. C., Zackay V. F., Parker E. R. Effects of silicon additions and retained austenite on stress corrosion cracking in ultra-high strength steel

13、s. Metall. Trans., 1978, 9A: 35-40.) *低碳钢中残余奥氏体的重要作用。 (徐祖耀。低碳钢中的残余奥氏体。 上海金属，1995，17(1): 1-6。)Thomas等在1979及1981年由高分辨电镜及场离子显微镜原子探针揭示：含0.27wt%C钢经淬火后，低碳条状马氏体为1.04wt% C残余奥氏体所包围。 (Rao B. V., Thomas G. Transmission electron microscopy characterization of dislocated “lath” martensite. Proc Inter Conf: Marte

14、nsiticTransformations-79, MIT, 1979: 12-16. Sarikaya M., Thomas G. Lath martensites in carbon steels are they bainitic. Proc Inter Conf: Solid to Solid Phase Transformations. Ed. Aaronson H. I., Laughlin D. E., Sekerka R. E., Wayman C. M.，1981. TMS-AIME, 1982: 999-1004.)他们认为淬火时碳由马氏体分配(不同相间的扩散)至奥氏体所致

15、。 (Sarikaya M., Thomas G., Steeds J. W.，Barnal S. I., Smith G. D. W. Solute element partitioning and austenite stabilization in steels. Proc. Inter. Conf: Solid to Solid Phase Transformations, 1981. Ed. Aaronson H. I., Laughlin D. E., Sekerka R. E., Wayman C. M.，1981. TMS-AIME, 1982: 1421-1425.)徐祖耀等

16、于1983年发表碳分配计算结果，称：在淬火过程中碳分配使残余奥氏体增碳能基本、或稍迟后完成。(徐祖耀，李学敏。低碳马氏体形成时碳的扩散. 金属学报，1983，19 : A83-88。徐祖耀，李学敏。低碳马氏体形成时碳的扩散(续)。金属学报，1983，19 A: 505-510。Hsu T. Y. ( Xu Zuyao), Li Xuemin. Diffusion of carbon during the formation of low-carbonmartensite. Scripta Metall., 1983, 17: 1285-1288.)在上世纪，已发现Si钢中贝氏体相变时碳会向奥氏

17、体扩散，形成“无碳化物贝氏体”。 (Bhadeshia H. K. D. H. Bainite in steels. London: The Inst. Materials, Cambridge Press, 2001: 373; 385.)含较高Si钢经室冷形成无碳化物贝氏体。 (Matlock D. K., Krauss G., Speer J. G. Microstructures and properties of direct-cooled forging steels, Materials Processing Technology, 2001, 117: 324-328.)Mn-

18、Si Trip钢在中间退火时，碳由铁素体向奥氏体分配。 (Decooman B. C. Ed. Proc. Inter Conf on TRIP-aided high strength ferrous alloys. Gardracht Redaktions and Industrie Press Service, Bad Harzberg, Germany, 2002.)淬火淬火-分配（分配（Q-P）工艺和淬火）工艺和淬火-分配分配-回火（回火（Q-P-T）工艺：）工艺：Speer等提出Q-P工艺，即将含硅钢(如他们开始试用的0.35 C-1. 3 Mn- 0. 74 Si钢)淬火至Ms一M

19、f间，并再在一定温度等温使碳由马氏体分配至残余奥氏体，将一定量奥氏体富碳稳定至室温，以保证钢的塑性和韧性。 (Speer J. G., Matlock D. K., DeCooman B. C., Schroch J. G. Carbon partitioning austenite after martensite transformation. Acta Mater., 2003, 51: 2611-2622)上文中Q-P热力学和动力学部分并不成功，但分配功效显著。Q-P工艺对发展超高强度钢卓有功绩。Q-P-T热处理工艺热处理工艺为进一步提高钢的强度，在Q-P工艺基础上，提出淬火一碳分配一

20、回火(Q-P-T)工艺。即除碳分配外，在含一定量Si的钢中有意识地加入复杂碳化物形成元素，使在一定温度等温时，析出复杂碳化物或在低碳等温（均属回火）析出碳化物，除分配至残余奥氏体韧化外，还增加沉淀强化。淬火-碳分配-回火（Q-P-T）工艺示意图（AT, QT, PT, TT和RT分别表示奥氏体化温度，淬火温度，碳分配温度，回火温度和室温）Schematic Quenching-Partitioning-Tempering (Q-P-T) process(AT、QT、PT 、TT and RT are austenitizing, quenching, partitioning, temperi

21、ng and room temperatures respectively) （徐祖耀。钢热处理的新工艺。第九次全国热处理大会论文集。中国机械工程学会热处理学会, 大连, 2007: 1-12。徐祖耀。钢热处理的新工艺。热处理, 2007, 22(1): 1-11。 Hsu T. Y. ( Xu Zuyao). Design of structure, composition and heat treatmeat process for high strength steel. Invited paper: Pacific Rim Inter. Conf. Advanced Materials

22、 and Processing, Korea, 2007. Phase Transformation Session. Mater. Sci. Forum, 2007, 561-565: 2283-2286. 徐祖耀。用于超高强度钢的淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工艺。热处理，2008，23(2): 1-5。 Hsu T. Y. ( Xu Zuyao). Quenching-partitioning-tempering(Q-P-T) process for ultra-high strength steel. International Heat Treatment and Surf

23、ace Engineering, 2008, 2(2): 64-68. 徐祖耀。白主创新发展超高强度钢。上海金属，2009，31(2): 1-6。 徐祖耀。淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺浅介。金属热处理，2009，34(6)：1-8。) Q-P-T钢的组织成分及热处理工艺设计钢的组织成分及热处理工艺设计显微组织:具高位错密度的细条状（全部或部分纳米级条宽）马氏体；马氏体上析出复杂碳化物或碳化物；避免析出Fe3C；马氏体条间含一定量(厚度)、一定碳含量的残余奥氏体；原始奥氏体具细晶组织。成分：C0.5wt%，以免脆性；Si或Al约1-2wt%，抑制Fe3C形成，稳定()碳化物，保证碳分配；

24、Mn或Ni等合金元素少量，作固溶强化，降低Ms; 复杂碳化物形成元素，使Ms下降，并使呈沉淀强化。热处理：Q-P-T处理，淬火温度（QT），分配温度（PT）以及回火（沉淀）温度的确立因所需钢的强、韧度而定。 Q-P-T钢经热处理后的组织与力学性质示例钢经热处理后的组织与力学性质示例 1. 0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb钢：850奥氏体化300s，淬火至95盐浴，再经400分配，进行碳分配及回火后水淬至室温。经400保温10s后，试样含残余奥氏体4.1%，30s后含量增至6.4%。经400保温10s后，形成几十纳米宽的马氏体条，外包残余奥氏体，Nb复杂碳

25、化物呈纳米级大小的弥散沉淀（经40010s的尺寸为(52)nm，1800s后为(3510)nm）。 (Wang X. D., Zhong N., Rong Y. H., Hsu T. Y. ( Xu Zuyao). Novel ultra-high nano-lath martensitic steel by quenching-partitioning-tempering process. J. Mater. Research, 2009, 24: 260-267.)含0.48wtC超高强度钢显微组织TEM像(a)淬火至95明场像 (b)淬火至95的暗场像象及选区衍射 (c)400C回火10

26、s明场像 (d) 400C回火10s暗场像及选区衍射TEM micrograph of an ultra-high strength steel containing 0.48wt%C(a) quenched in 95C, bright field image; (b) quenched in 95C, dark field image; (c) tempered at 400C for 10s, bright field image; (d) tempered at 400C for 10s, dark field image含0.48 wtC超高强度钢经400分配及回火10s后其中碳化物

27、沉淀的TEM像(a)明场像 (b)暗场像TEM micrograph of carbide precipitation in an ultra-high strength steel containing 0.48wt%C after partitioning and tempering at 400C for 10s(a) bright field image; (b) dark field image含0.48 wtC超高强度钢经400分配及回火1800s后其中碳化物沉淀的TEM像TEM micrograph of carbide precipitation in an ultra-hig

28、h strength steel containing 0.48wt%C after partitioning and tempering at 400C for 1800s(a) bright field image; (b) dark field image含0.48wt%超高强度钢经400保温不同时间后的抗拉强度和总延伸率Ultimate tensile strength and elongation of 0.45wt%C ultra-high strength steel as function of duration at 400C20.2C-1.5Mn-1.5Si-0.O5Nb-

29、0.13Mo钢：920奥氏体化300s，淬火至220盐浴，400碳分配和回火（10，20，40，180s），水淬至室温。400保温10，20，40，80和180s后的试样中的残余奥氏体量分别为4.5%，7.0%，5.4%，5.2%和5.8 %。马氏体条宽：有小于100nm的，有大于100nm的。复杂碳化物呈纳米级大小。 (Zhong N., Wang X. D., Rong Y. H., Wang L. Enhancement of the mechanical properties of a Nb- microalloyed advanced high strength steel trea

30、ted by quenching-partitioning-tempering process. Mater. Sci. Eng., 2009, 506A, 111-116.0.2C QP-T钢经400不同时间碳分配和回火后的抗拉强度和总延伸率Ultimate tensile strength and elongation of 0.2C Q-P-T steel as a function of partitioning and tempering duration at 400C3. 0.1C-1.51Mn-1.48Si-0.02Nb-0.04V-0.015Ti-0.304 Mo钢：1000

31、奥氏体化，淬至223，350保温30s，水淬至室温，得残余奥氏体(0.7wt%C)约6%；保温100 s后残余奥氏体(0.8wt% C)约3.3%;经350120 s后得屈服强度700 MPa，抗拉强度900 MPa； 20吸收能量100J，200为60J。 (Seung Chan Hong, Jae Cheou Ahn, Saug Yong Nam, Kim Seog Ju，Yang Hee Choen, Speer John G., David K. Mechanical properties of high-Si plate steel produced by the quenching

32、-partitioning-tempering process. Metals and Materials Inter., 2007, 13(6): 439.)4. 0.41C-1.27Si-1.30Mn-1.01Ni-0.56Cr钢：金学军等工作（待发表）显示碳化物强化的Q-P-T钢。820奥氏体化10min，淬火至180盐浴，保温30-10800s，水淬至室温。马氏体强化及碳化物析出强化，也属Q-P-T钢。180C分配及回火对力学性质和残余奥氏体体积分数的影响Q-P-T超高强度钢的综合力学性能优于双相钢、超高强度钢的综合力学性能优于双相钢、Trip钢、一般马氏体型钢、钢、一般马氏体型钢、Q

33、-P钢等等。钢等等。 Q-P-T钢的抗拉强度和总延伸率和双相（DP）钢、TRIP钢、一般马氏体型（M）钢、Q-P钢，以及含Ni钢经Q-P处理（、和）的性质作比较Comparison of ultimate tensile strength and total elongation for dual phase (DP), TRIP, martensitic (M), Q-P, Ni-containing Q-P (、 and ) and Q-P-T steels钢研总院结构材料研究所比较钢研总院结构材料研究所比较Q-P-T处理钢以及一般淬火处理钢以及一般淬火-回火钢回火钢(Q-P)的抗拉强度和

34、伸长率，证明的抗拉强度和伸长率，证明Q-P-T钢当荣胜一筹。钢当荣胜一筹。 Q-P-T钢与传统淬火回火钢(Q-T)钢抗拉强度和延伸率的比较 发展发展Q-P-T钢待解决的问题钢待解决的问题 高强度钢的纯洁、均质等尤须冶炼、连铸和轧加工等环节重视。日前我国多数制造厂的技术水平尚需提高。提高产品强度及减轻重量还需由机械设计师来倡试执行。高强度钢，尤其是强度大于2000MPa的超高强度钢的加工和热处理设备、工艺和运行，尚待有关人士通力合作解决。在保证足够韧性的条件下，减小马氏体条宽来提高强度尚有余地，应结合马氏体相变形核率研究做进一步深化。Q-P-T工艺还可试作渗碳，以减少污染、降低成本。Q-P-T钢中含1-2%Si会影响表面质量。以Al代替，当属上策。但连铸中会有结渣等问题，亟待解决。谢谢谢！谢！