中间温度淬火与部分Si-to-Al替代协同调控残余奥氏体板条形貌提升中碳Q&P钢扩孔性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhanced Stretch-Flangeability of Medium-Carbon Q&P Steels by Quenching at an Intermediate Temperature and Partial Si-to-Al Substitution

　　

研究人员研究了将中间温度淬火与部分Si-to-Al替代相结合的策略，以在不显著牺牲拉伸性能的前提下改善中碳淬火-配分（quenching and partitioning, Q&P）钢的扩孔性能（stretch-flangeability）。在所研究的三个淬火温度中，中间淬火温度产生了最细的残余奥氏体（retained austenite, RA）板条，尽管较低温度淬火后残余奥氏体区域更小。在中间淬火温度下，部分Si-to-Al替代进一步细化了残余奥氏体板条并提高了扩孔率（hole expansion ratio, HER），同时基本保持拉伸性能。DICTRA模拟表明，贝氏体铁素体（bainitic ferrite, BF）长大与碳配分（carbon partitioning）之间的相互作用可能有助于解释较低淬火温度下残余奥氏体板条厚度的增加。与Si-to-Al替代相关的额外细化可归因于贝氏体铁素体形核密度增加，这可能由更大的过冷度（undercooling）导致。抗拉强度和均匀伸长率（uniform elongation, UEL）主要受固溶强化（solid-solution strengthening）和相分数控制，而后均匀伸长率（post-uniform elongation, PEL）和扩孔率与残余奥氏体板条厚度的倒数呈强相关。这些结果表明，将中间淬火温度与部分Si-to-Al替代相结合，可通过残余奥氏体形貌控制增强扩孔性能，而不显著牺牲拉伸性能，是一种有效策略。

研究背景：汽车用第三代先进高强钢（advanced high-strength steels, AHSS）的开发中，淬火-配分（Q&P）热处理具有吸引力。Q&P工艺将钢淬火至马氏体开始转变温度（M_s）以下，再在淬火温度或以上进行等温配分，使碳由马氏体配分至残余奥氏体，从而提高奥氏体稳定性。低周碳Q&P钢在配分时通常不发生奥氏体分解，组织主要为马氏体和残余奥氏体；中碳Q&P钢在配分期间还会发生贝氏体转变，形成由回火马氏体、贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的复杂多相组织。贝氏体铁素体可将块状奥氏体细化为薄膜状，并促进邻近奥氏体碳富集，从而改变残余奥氏体形貌和稳定性，已有研究报告其可改善塑性和韧性。然而，中碳Q&P钢多相组织与力学性能之间的关系尚未充分理解；既往研究多关注相分数和常规拉伸性能，对残余奥氏体形貌影响局部成形性的关注不足。扩孔性能对汽车板材十分重要，因为剪切边附近在成形时会发生严重应变局部化，控制局部成形性的组织因素可能与控制整体拉伸性能的因素不同。既往TRIP辅助AHSS扩孔研究主要关注剪切影响区尺寸或相分数。因此，如何通过有效控制残余奥氏体形貌来改善扩孔性能并保持拉伸性能，是中碳Q&P钢开发中的重要问题。研究人员据此考察不同淬火温度和Si-to-Al替代对中碳Q&P钢组织、拉伸行为与扩孔性能的影响，并重点寻找在不显著牺牲拉伸性能前提下改善扩孔性能的策略；同时结合DICTRA模拟分析贝氏体铁素体长大和碳配分对残余奥氏体板条厚度演变的贡献，系统研究残余奥氏体形貌、拉伸性能与扩孔性能之间的关系。其意义在于提出通过中间温度淬火与部分Si-to-Al替代协同调控残余奥氏体形貌，从而改善局部成形性的组织设计思路。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用不同化学成分和热处理条件的中碳Q&P冷轧钢板（厚1–2 mm），设置高、中、低淬火温度条件以及中间淬火温度下不同Si、Al含量的IQT-SA和IQT-S条件。利用膨胀仪记录Q&P热循环及相变引起的尺寸变化，并在盐浴中实施奥氏体化、淬火和配分处理；按ASTM E8M进行拉伸试验，按ISO 16630:2017进行扩孔试验并计算HER；采用SEM、EBSD、XRD和TEM表征组织、残余奥氏体分数及板条形貌；采用DICTRA模拟配分期间奥氏体演变。样本为实验室制备的中碳Q&P钢冷轧板，无临床队列来源。

研究结果：

3.1 Q&P过程中的相变与组织演变（Phase transformation and microstructural evolution during Q&P processing）。通过膨胀曲线、XRD、SEM/EBSD及析出物分析，研究人员发现所有钢的M_s约为280±5 °C，淬火均至M_s以下；淬火时发生马氏体（α_M）转变，配分时膨胀主要归因于贝氏体（α_B）转变。贝氏体转变量随淬火温度升高而增加，与淬火后可用于配分转变的奥氏体分数较大有关。相同淬火温度下，IQT-S在配分时奥氏体分解更明显，残余奥氏体分数较低，并检测到较多渗碳体，说明渗碳体析出消耗了可用于稳定奥氏体的碳；IQT-SA的残余奥氏体分数与IQT相近且未观察到渗碳体，表明部分Si-to-Al替代仍有效抑制渗碳体析出。HQT中残余奥氏体较粗，部分奥氏体稳定不足并在终冷转变为二次马氏体。所有钢均呈板条状多相组织，HQT组织相对较粗。

3.2 淬火温度和Si-to-Al替代对残余奥氏体板条形貌的影响（Effects of quenching temperature and Si-to-Al substitution on retained austenite lath morphology）。通过TEM测量约60条残余奥氏体板条，研究人员发现三个淬火温度条件中HQT板条最厚、IQT最细；五种条件中IQT-SA平均表观板条厚度最小，但厚度分布存在明显重叠，IQT与LQT、IQT-SA与IQT-S之间较小差异需谨慎解释。淬火温度由HQT降至IQT时板条细化，与配分前奥氏体细化及贝氏体组织细化一致；由IQT进一步降至LQT时板条厚度反而增加，说明淬火温度与残余奥氏体板条厚度呈非单调关系。DICTRA一维模拟将γ→α界面迁移解释为贝氏体铁素体长大，结果表明初始奥氏体宽度减小时残余奥氏体板条厚度增加，归因于周围马氏体碳配分贡献增大；这为较低淬火温度下板条增厚提供了可能解释。部分Si-to-Al替代后，计算得到的T₀温度由IQT的602 °C升至IQT-SA的617 °C，400 °C下过冷度由202 °C增至217 °C；若贝氏体铁素体形核密度与过冷度成正比，形核密度可由4.0增至约4.3 nuclei/μm，DICTRA预测形核密度增加会降低残余奥氏体板条厚度，从而支持Si-to-Al替代带来的额外细化。

3.3 与残余奥氏体特征相关的拉伸性能和扩孔性能（Tensile properties and stretch-flangeability in relation to retained austenite characteristics）。通过拉伸和扩孔试验及相关分析，研究人员发现随淬火温度由HQT降至LQT，UTS和YS升高，与残余奥氏体分数呈相反趋势；UEL随残余奥氏体分数增加而提高，可归因于TRIP效应及颈缩延迟，HQT因存在新鲜马氏体而屈服强度较低、初始应变硬化率较高。PEL和HER在IQT最高，并未简单随残余奥氏体分数变化，说明局部成形性还受其他组织因素影响。成分比较中，IQT的UTS最高，与Si较Al具有更强固溶强化作用一致；IQT-S的YS最高，与其残余奥氏体分数较低、硬相分数较高有关，其UEL较低。IQT-SA和IQT-S的PEL和HER均高于IQT；IQT-SA在UTS和HER与IQT-S相当的情况下具有显著更高的UEL，表明部分Si-to-Al替代可在降低Si含量时保持均匀伸长并保留局部成形性改善。补充淬火温度测量支持PEL和HER在中间淬火温度达到最大；PEL与HER之间存在线性相关。PEL和HER与残余奥氏体板条厚度的倒数呈强线性相关，而与残余奥氏体分数及其他组织因素相关性较弱；这些相关性不建立直接因果关系，但表明板条厚度是与后均匀变形和扩孔性能相关的重要组织参数，与碳富集薄膜状残余奥氏体逐渐发生应变诱导转变、促进应变分配并抑制孔边应变局部化的认识一致。

讨论与结论：讨论表明，中间温度淬火与部分Si-to-Al替代相结合，可通过控制残余奥氏体板条形貌改善扩孔性能，同时基本保持拉伸性能；残余奥氏体板条厚度比残余奥氏体分数更能解释PEL和HER的变化趋势。研究结论翻译如下：本研究证明，通过协同控制淬火温度和Si-to-Al替代，可有效增强中碳Q&P钢的扩孔性能；通过组织表征、力学 testing 和DICTRA模拟，系统考察了残余奥氏体形貌、拉伸性能与扩孔性能之间的关系。主要结论为：在三个淬火温度条件中，UTS和YS随淬火温度降低而升高，UEL随残余奥氏体分数增加而提高；相反，PEL和HER在中间淬火温度最高，并未简单随残余奥氏体分数变化，表明其他组织因素也影响局部成形性。TEM观察显示，中间淬火温度在三个淬火温度条件中产生最细的残余奥氏体板条；板条厚度由HQT至IQT降低，但由IQT至LQT再次增加，说明淬火温度与残余奥氏体板条厚度之间为非单调关系。DICTRA模拟将γ→α界面迁移解释为配分期间贝氏体铁素体长大，为较低淬火温度下残余奥氏体板条厚度增加提供了可能解释：在相对较高淬火温度下，淬火后剩余奥氏体区域细化导致残余奥氏体板条更细；在较低淬火温度下，广泛马氏体转变缩小剩余奥氏体区域，增加了周围马氏体碳配分的相对贡献，因而提高最终残余奥氏体板条厚度。中间淬火温度下部分Si-to-Al替代进一步细化残余奥氏体板条，并相对于原成分提高PEL和HER，同时基本保持拉伸性能；额外细化可归因于更大过冷度相关的贝氏体铁素体形核密度增加，这与模拟板条厚度对形核密度的敏感性一致。PEL和HER与残余奥氏体板条厚度的倒数呈强线性相关，而与残余奥氏体分数及其他组织因素的相关性相对较弱；这些相关性表明，残余奥氏体板条厚度是与后均匀变形和扩孔性能相关的重要组织参数，并且在所研究条件下，将中间淬火温度与部分Si-to-Al替代相结合，是在不显著牺牲拉伸性能前提下改善局部成形性的有前景方法。