淬火配分（Q&P）工艺420J2马氏体不锈钢中奥氏体化温度对组织演变与力学行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of austenitization temperature on microstructural evolution and mechanical behavior of a Q&P-processed 420J2 martensitic stainless steel

　　

淬火配分（Q&P）处理的马氏体不锈钢的力学性能对残余奥氏体（RA）的稳定性高度敏感。本研究将商用420J2不锈钢进行淬火配分（Q&P）处理，奥氏体化温度范围为900至1200°C，并将所得组织演变与力学行为和常规淬火回火（Q&T）处理进行对比。提高奥氏体化温度促进了粗大M23C6碳化物的溶解，增加了基体碳含量，并提高了首次淬火后残留奥氏体分数。因此，残余奥氏体（RA）分数增加，在1100°C达到最大值0.33。然而，进一步提高奥氏体化温度降低了配分阶段碳富集约的有效性，导致热不稳定奥氏体及最终淬火时新生马氏体的形成。拉伸行为主要由奥氏体稳定性而非其分数主导。在1000°C奥氏体化的钢因变形过程中具有最佳力学稳定性的奥氏体逐渐转变，获得了最优的抗拉强度-延伸率组合（1425 MPa和16%）。相比之下，1100Q&P和1200Q&P表现出提前的马氏体相变和延伸率下降。这些结果表明，在马氏体不锈钢中充分发挥Q&P工艺潜力，优化残余奥氏体稳定性比最大化其分数更为关键。

研究背景与立项依据

轻量化汽车车身需求推动了高强度钢发展，马氏体不锈钢传统采用淬火回火（Q&T）工艺，而淬火配分（Q&P）工艺通过配分阶段碳从马氏体向奥氏体迁移，稳定残余奥氏体（RA）并利用相变诱导塑性（TRIP）效应改善强塑性。已有研究多聚焦Q&P高级高强度钢（AHSS），其高Si抑制碳化物析出；而马氏体不锈钢含高Cr，配分阶段易析出回火碳化物，与奥氏体碳富集约竞争。初始淬火温度（T_q）对RA分数影响已有报道，但奥氏体化温度（T_A）在Q&P马氏体不锈钢中的作用尚不清楚。商用420J2原始组织为铁素体基体中分布粗大M₂₃C₆碳化物，T_A变化会改变碳化物溶解程度、基体碳含量及首次淬火奥氏体分数，因此有必要系统研究T_A对组织与拉伸行为的影响。该研究由Bugra Sahin、Jun-Yun Kang、Jee-Hyun Kang（韩国岭南大学材料科学与工程系）完成，发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

主要技术方法概括

研究人员采用1 mm厚商用冷轧420J2不锈钢（Fe–0.31C–13.25Cr–2.5Ni–0.43Si–0.45Mn，wt%）板材，机加工ASTM E8拉伸试样。设置900、1000、1100、1200°C四种T_A，保温10 min，Q&P工艺为油淬至150°C保持1.5 min再盐浴450°C配分20 min；Q&T对照为油淬室温后450°C回火20 min。组织表征使用X射线衍射（XRD）计算RA分数与晶格常数并结合Dyson-Holmes关系估算RA碳含量，电子背散射衍射（EBSD）相图与先验奥氏体晶粒（PAG）重构，扫描电镜（SEM）观察碳化物与断口；基于Andrews方程算M_s、Koistinen-Marburger方程预测首次淬火残留奥氏体分数；室温拉伸速率5.21×10^-4 s^-1，中断拉伸用XRD追踪RA演变，维氏硬度载荷200 gf。

研究结果

3.1 组织演变

随T_A由900升至1200°C，原始粗M₂₃C₆面积分数从6.3%降至0，基体碳含量升至0.31 wt%，M_s由374°C降至190°C，首次淬火至150°C残留奥氏体分数由0.09增至0.65。Q&P钢最终RA分数在1100°C达峰值0.33，1200°C略降；RA碳含量却由1000°C的0.42 wt%降至1100°C的0.20 wt%和1200°C的0.14 wt%。原因是高T_A下首次淬火奥氏体过多，马氏体碳源相对不足，配分碳富集约被稀释，部分贫碳奥氏体终淬转为新生马氏体；同时先验奥氏体晶粒尺寸（PAGS）由7.1 μm粗化至47.0 μm，进一步削弱奥氏体机械稳定性。Q&T钢RA分数始终更低，组织以回火马氏体为主。

3.2 力学行为

硬度随T_A与RA分数上升而上升，不同于AHSS中Q&P硬度在RA最大处出现极小值，此处因碳化物溶解强化基体占主导。Q&P钢应变硬化率（SHR）对T_A敏感：900Q&P因RA少（类似Q&T）SHR单调下降；1000Q&P在真应变>0.035后SHR下降放缓，RA逐步TRIP转变，获1425 MPa抗拉强度与16%总延伸率；1100Q&P与1200Q&P因RA碳低、稳定性差，屈服前即应力辅助马氏体相变，SHR畸高且提前脆断。Q&T钢SHR单调下降，强化靠固溶与析出。断口显示900Q&P准解理多因残余碳化物促裂；1000Q&P韧窝更明显；1100/1200Q&P因新生马氏体与变形诱发马氏体共存呈扩展准解理；Q&T钢随T_A升高韧窝增多但高T_A出现微裂纹。

讨论与结论翻译

讨论指出T_A通过碳化物溶解—首次淬火奥氏体量—配分碳富集效率链条控制RA稳定性，并非RA分数越高越好；1000°C是首次淬火奥氏体量（配分碳源匹配）与RA稳定性的最优交点。

结论：1）T_A升高促进M₂₃C₆溶解、基体碳升、M_s降、首次淬火奥氏体增；1100°C得最高RA分数0.33，1200°C因配分稀释生成新生马氏体致RA回落；Q&T钢RA更低。2）Q&T拉伸靠析出/固溶强化SHR单调降；Q&P中1000Q&P因RA稳定性最优获1425 MPa/16%组合，1100/1200Q&P因RA不稳早变马氏体致塑性降，证明优化稳定性优于最大化RA分数。3）断口特征印证低稳奥氏体与新生马氏体促准解理，高稳渐进TRIP促韧窝。该研究为马氏体不锈钢Q&P热处理窗口设计提供了依据。