北理工《Acta Materialia》：攻克Q & P钢中过渡型碳化物析出的难题！

2024-04-15 14:56:30 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

淬火-配分（Q & P）钢作为第三代先进高强钢的典型代表，因其良好的强度塑性匹配引起研究学者的广泛关注。Q & P钢的微观组织主要由马氏体基体和残余奥氏体构成，其中马氏体基体提供了高强度，残余奥氏体通过相变诱导塑性（TRIP）效应改善了塑性。残余奥氏体的稳定性是调控TRIP效应的关键，主要取决于配分阶段碳原子自马氏体向奥氏体的富集。然而，传统Q & P工艺在配分阶段存在着竞争反应，如碳在马氏体中的偏聚、碳化物的析出和贝氏体转变等。其中，碳化物析出因消耗较多碳原子引起广泛关注。为避免碳化物析出对碳原子的消耗，传统Q & P钢通常添加一定的Si和/或Al元素（如1.5 wt.%），虽然能抑制渗碳体的析出，但是无法阻碍过渡（ε/η）型碳化物的析出。因此，如何抑制过渡型碳化物的析出，提高利用碳原子稳定残余奥氏体的效率，仍是亟需解决的关键技术问题。

近日，北京理工大学程兴旺教授团队深化前期提出的非均质淬火-配分（PPQ&P）工艺，通过构建片层式锰配分来切割高温奥氏体，调控了Q & P工艺中碳原子的扩散行为，利用贫锰马氏体中碳化物缓慢析出与富锰奥氏体中碳元素快速富集的动力学差异，攻克了Q & P钢中过渡型碳化物析出的难题。相关论文以题为“On the role of chemical heterogeneity in carbon diffusion during quenching and partitioning”发表在Acta Materialia。张超博士为论文第一作者，熊志平长聘副教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119902

该研究采用Fe-0.29C-3.83Mn-1.50Si (wt.%)钢，首先制备具有强烈Mn配分的珠光体作为初始组织，再进行快速奥氏体化构建非均质高温奥氏体，最后进行Q & P处理，制备出由仿珠光体(ghost pearlite, GP)区域和正常马氏体(normal martensite, NM)区域的微观组织(图1a-c, PPQ&P130)。得益于锰元素非均质分布，GP区域马氏体板条中几乎不存在过渡型碳化物，而对照组NM区域则存在明显的碳化物析出；同时，PPQ&P130试样具有比相同淬火-配分参数下的传统Q & P试样(CQ&P130)更高的体积分数和碳含量（图1d）。由此可见，非均质锰分布能够有效抑制过渡型碳化物的析出，削弱配分阶段竞争反应对碳元素的消耗，从而提高Q & P钢利用碳原子稳定残余奥氏体的效率。

尽管快速奥氏体化阶段存在锰元素的扩散，但奥氏体化温度较低、时间较短，导致高温奥氏体中保留了珠光体中的非均质锰分布，锰含量自原渗碳体片层中心向原铁素体片层中心不断降低，形成了以原渗碳体片层为中心的“中间高两边低”的锰元素分布(图2）。进一步地，由于高温奥氏体中碳、锰元素之间的强烈相互作用，导致Q & P处理前高温奥氏体中存在碳元素的不均匀分布，碳元素更多地富集在富锰高温奥氏体中。同时，淬火阶段的自回火过程，存在碳原子自马氏体向奥氏体的少量扩散，因此马氏体与奥氏体界面处存在陡峭的碳浓度梯度。由此可见，非均质高温奥氏体中锰元素和碳元素存在强烈相互作用，限制了高温奥氏体中碳元素的扩散，导致富锰高温奥氏体中含有更多的碳元素，实现了碳元素向富锰区域的“预配分”(图2）。

图1.淬火-配分试样微观组织 (a)PPQ&P130试样低倍组织, (b) PPQ&P130试样仿珠光体(ghost pearlite, GP)区域放大图, (c) PPQ&P130试样正常马氏体(normal martensite, NM)区域放大图; (d)PQ&P130和CQ&P130试样的XRD图谱。

图2. 非均质高温奥氏体直接淬火后仿珠光体区域的APT分析：(a)碳原子的三维分布，(b)锰元素等浓度面（3.0、5.0、7.5和10.0 at.%）的三维分布，(c)沿图b圆柱方向的一维元素分布。

与此同时，研究团队基于钢铁研究总院有限公司工程用钢研究院的材料热力学和动力学计算技术联合开放实验室进行模拟计算，揭示了非均质锰分布对碳原子扩散和碳化物析出的热力学、动力学影响机制。一方面，GP区域更高的位错密度和相互堆叠的纳米尺度片层结构，加速了碳元素向奥氏体的扩散效率，抑制了马氏体中过渡型碳化物的析出，削弱了配分阶段竞争反应对碳元素的消耗(图3)；另一方面，GP区域马氏体呈现碳、锰元素的贫瘠，降低了碳化物析出的形核驱动力，延缓了碳化物析出的动力学（图4）。由此可见，贫锰马氏体中碳化物缓慢析出与富锰奥氏体中碳元素快速富集的动力学差异，为抑制过渡碳化物的析出提供了新思路。