清华大学Acta Mater.：先进高强钢中残余奥氏体的热动力学设计

【引言】

开发具有优良强度和塑性匹配的先进高强度钢(AHSSs)，对于汽车行业轻量化和提高车身安全性具有重要意义。在过去的几十年中，为了同时提高强度和塑性，科研工作者们已经做了大量的工作来调控钢的显微组织，发现亚稳态残余奥氏体（RA）对于先进高强钢强度和塑性具有重要作用。通过引入亚稳残留奥氏体相，科研人员开发出了具有高强塑性的第三代先进高强钢，包括无碳化贝氏体钢，中锰TRIP钢和淬火-分配（Q＆P）钢。最近，清华大学金属材料研究人员深入研究相变和合金元素分配的热力学/动力学，设计了TRIP和Q＆P钢中残余奥氏体的多相微观结构。

【成果简介】

近日，清华大学博士生代宗标 (第一作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于先进高强钢残余奥氏体设计的文章，题为“Thermo-kinetic design of retained austenite in advanced high strength steels”。 基于合金元素界面配分行为对相变热动力学的影响，作者建立了适用于AHSS微观组织（特别是亚稳残余奥氏体相）精确调控的热动力学集成计算模型。该模型可以很好地预测合金成分和工艺参数对第一代相变诱发塑性（TRIP）钢和第三代淬火-配分（Q&P）钢的显微组织的影响。

图 先进高强钢显微组织调控摘要图

【图片导读】

图1 TRIP钢和Q＆P钢工艺过程及相变行为

(a) 冷轧TRIP钢工艺及组织演化示意图；

(b) 热轧TRIP钢工艺及组织演化示意图；

(c) 冷轧Q＆P钢工艺及组织演化示意图。

图2 等温截面图

(a) 铁素体向奥氏体相变等温截面图；

(b) 奥氏体向铁素体相变等温截面图；

(c) NPLE/PLE转变相图。

图3 第一代先进高强度TRIP钢显微组织预测与实验验证

(a) 0.12C-1.2Mn-1.2Si冷轧TRIP钢组织中各相体积分数计算与实验对比；

(b) 0.2C-1.2Mn-1.2Si冷轧TRIP钢组织中各相体积分数计算与实验对比；

(c) 0.3C-1.2Mn-1.2Si冷轧TRIP钢组织中各相体积分数计算与实验对比；

(d) 0.4C-1.2Mn-1.2Si冷轧TRIP钢组织中各相体积分数计算与实验对比。

图4第三代先进高强度Q&P钢显微组织预测与实验验证

(a-b) 0.2C-2.3Mn-1.4Si-0.2Cr Q&P钢残余奥氏体体积分数与碳浓度和淬火温度关系；

(c) 0.2C-2.2Mn-1.5Si-0.2Cr Q&P钢残余奥氏体碳浓度和配分温度关系；

(d-e) 0.2C-4.0Mn-1.6 Si-1.0Cr Q&P钢残余奥氏体体积分数与碳浓度和淬火温度关系；

(f) 0.3C-4.0Mn-1.6Si-1.0Cr Q&P钢残余奥氏体体积分数和淬火温度关系。

图5 Q&P钢中残余奥氏体体积分数及其碳含量与淬火温度和配分温度的等值线图

(a, b) 0.2C-1.5Mn-1.5Si Q&P钢残余奥氏体体积分数与碳浓度；

(c, d) 0.3C-1.5Mn-1.5Si Q&P钢残余奥氏体体积分数与碳浓度；

(e, f) 0.2C-3.0Mn-1.5Si Q&P钢残余奥氏体体积分数与碳浓度。

【小结】

在本工作中，作者提出了基于局部平衡理论的热动力学集成计算模型，系统地探讨了通过两相区退火+等温贝氏体相变（第一代TRIP钢）工艺和淬火-配分工艺（第三代Q＆P钢）生产的Fe-C-Mn-Si钢显微组织中亚稳奥氏体相与合金成分和工艺参数的关系。对于常规的低锰 TRIP和Q＆P钢，通过淬火-配分工艺获得的最大残留奥氏体量与两相区退火+等温贝氏体相变工艺所得到的一致。同样有趣的是，在两相区退火+等温贝氏体相变过程中残余奥氏体的分数几乎不依赖于两相区退火温度。该模型预测结果与一系列常规TRIP和Q＆P钢的实验结果非常吻合。此外，模型还预测出增加Mn含量（例如达到3wt％）并不是提高TRIP和Q＆P钢中残余奥氏体量的最佳方案，相反C含量的增加对奥氏体的保留有着显著效果。

文献链接：Thermo-kinetic design of retained austenite in advanced high strength steels (Acta Mater., 21 April, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.04.040)

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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