淬火-配分（Quenching and Partitioning, Q&P）工艺是先进高强钢的经典热处理工艺，其主要利用回火过程中碳元素从马氏体向奥氏体中的配分来稳定奥氏体。在拉伸过程中，富碳的奥氏体转变为马氏体，诱发TRIP效应（TRansformation-Induced Plasticity, TRIP），实现高强高韧。在回火过程中，碳原子存在两种行为：配分到奥氏体中或者在马氏体中聚集形成碳化物。因此，Q&P钢中通常添加Si元素抑制回火过程中碳化物的形成，使更多的碳原子配分到奥氏体中。如果通过合金设计将马氏体转变温度（Ms温度）提高，使得先形成的马氏体在较高温度下发生自回火，则碳配分就可以在冷却过程中完成，大大简化工艺，即一步Q&P思想。

        热成型过程是将热成型钢加热到奥氏体单相区进行奥氏体化，随后放入模具中成型冷却，形成马氏体。一步Q&P工艺和热成型过程存在诸多相似性，通过合理的设计寻求两者的结合，在热成型钢中引入少量残余奥氏体，将有利于进一步提高热成型钢的力学性能。

        本工作中，研究人员基于Ms温度的计算对合金成分进行了重新设计，并提出了“淬火-快速配分（Quenching & Flash-Partitioning, Q&FP）”的概念，在不改变原热成型工艺的情况下，利用冷却过程中碳元素的快速动态配分来稳定奥氏体，实现了“淬火-快速配分”工艺和热成型过程的完美结合。Q&FP钢的成分为Fe-0.25C-0.24Mn-1.53Si （wt.%），计算得到的Ms温度为410℃。由于高的Ms温度和Si元素的添加，冷却过程中，碳原子在3.0s内（从Ms温度冷却到300℃的时间）就发生了充分地配分，在室温得到了~7.0%体积分数的薄膜状奥氏体。奥氏体在变形过程中发生连续转变，极大地提高了材料的强度和塑性。Q&FP钢的抗拉强度为1660MPa，总延伸率为10.5%，其综合力学性能优于普通的热成型钢。此工作以“Quenching and flash-partitioning enables austenite stabilization during press-hardening processing”为题于2019年发表在期刊Scripta Materialia，通讯作者为东北大学教授、育材堂（苏州）材料科技有限公司董事长&首席科学家易红亮，一作为东北大学才贺龙。

        除了设计的Q&FP钢外，MART和MART-Si两种钢用来和Q&FP钢进行对比。其中MART钢的Ms温度和Q&FP钢相似，但是不含Si；MART-Si中含Si，且Mn含量很高，Ms温度相对较低。三种钢的成分及相变温度如表1所示。

        MART和Q&FP钢的奥氏体化工艺为930℃/5min，MART-Si钢的奥氏体化工艺为900℃/5min。奥氏体化完成后，将样品从炉子转移到成型模具用时~7.0s，马氏体相变前的冷却速率为~100℃/s，具体的热处理温度曲线如图1所示。

        奥氏体化后三种钢的原奥晶粒尺寸相似，为~12μm。热成型完成后，Q&FP钢中观察到了厚度~20nm的奥氏体薄膜（图2 (c, d)），而在MART和MART-Si钢中没有观察到奥氏体的存在。MART钢中存在大量棒状碳化物（图2 (e)），而Q&FP钢和MART-Si钢的碳化物较少。首先对比Q&FP钢和MART-Si钢，两者中的碳化物都较少，但是由于MART-Si钢的Ms温度低，碳原子的扩散距离有限，只有极少量的奥氏体稳定下来（图4 XRD结果）。MART钢的Ms温度虽然很高，但是大部分的碳原子“浪费”形成了碳化物。

        含Si的Q&FP钢和MART-Si钢强度的提高是由于Si元素的固溶强化作用，同时残余奥氏体的存在使得Q&FP钢的延伸率达到了10.5%。

        在快速配分过程中，先形成的马氏体周围的奥氏体中碳的富集程度会更高；而后形成的马氏体周围的奥氏体碳的富集程度相对较低（此时的配分温度低），因此奥氏体薄膜中的碳浓度是不均匀的。在变形过程中，含碳量低的奥氏体稳定性较低，先发生转变；含碳量高的奥氏体在拉伸后期发生转变，表现为拉伸过程中奥氏体含量降低，而奥氏体中的碳含量升高，如图4（b）所示。

        本工作设计的Q&FP钢通过提高Ms温度和添加Si元素，在降低Mn元素的情况下提高了奥氏体的含量。奥氏体中碳元素的不均匀分布，使得其在变形过程中发生连续转变，极大地提高了材料的强度（1660MPa）和塑性（总延伸率10.5%），有望在碰撞过程中展现出更好的能量吸收和延迟失效的能力。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.10.047