超高強度鋼Q-P-T工藝
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為節(jié)約能源和原材料及環(huán)境保護，急須提高鋼件強度、減輕鋼制品重量，降低鋼鐵產(chǎn)量。根據(jù)高強度鋼應(yīng)具備的顯微組織，作出超高強度鋼的成分和熱處理工藝設(shè)計。Speer等提出的淬火-碳分配（Q＆P）工藝，使淬火鋼中含有馬氏體基體以提高強度，和適量的殘余奧氏體為相當?shù)乃苄院晚g性作出貢獻。這在Fe-Mn-Si（Al）TRIP鋼中獲得證明。含Ni的中碳鋼中也顯示Q-P工藝的有效性。為使淬火鋼具有更高的強度，引入復(fù)雜碳化物沉淀強化機制，改造Q-P工藝，發(fā)展出淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q-P-T）熱處理的新工藝。和Q-P工藝阻礙碳化物析出不同，在Q-P-T鋼中加入碳化物形成元素，如Nb或（和）Mo，在Q-P-T處理中須使馬氏體基體上析出復(fù)雜碳化物，以進一步增加鋼的強度。
Q-P-T鋼的顯微組織、成分和熱處理設(shè)計
為獲得具有相當韌性、抗拉強度接近或超過2000MPa，且價格較低廉的超高強度鋼，其顯微組織宜為: 較薄納米級的條狀馬氏體，包有相當厚度的殘余奧氏體，以此為基體，析出細微的復(fù)雜碳化物，但不含滲碳體，并且其奧氏體晶粒應(yīng)細化。由此其成分（wt%）設(shè)計為:含C﹤0.5%，1%～2%Mn或（和）Ni以降低Ms并呈固溶強化，1%～2%Si（或～1%Al）以阻礙滲碳體的析出；加入0.02%Nb或（和）0.2%Mo，使奧氏體化時晶粒細化，回火時彌散析出碳化物。設(shè)計的Q-P-T熱處理工藝為:較低溫度奧氏體化，淬火至一定溫度（QT）以獲得適量的馬氏體。Magee-Koistinen-Marburger公式表示鋼的Ms、淬火溫度（Tq或本文的QT）和所得的馬氏體分數(shù)f間的關(guān)系。
對碳鋼，淬火溫度或馬氏體量為決定鋼最終強度的主要因素之一。條狀馬氏體形成時，碳可能由馬氏體擴散（分配）至鄰近奧氏體。在淬火溫度，也可能自馬氏體沉淀出ε（η）過渡碳化物。為使更多殘余奧氏體富碳，并穩(wěn)定至室溫，常用較高（Ms以上）溫度停留、進行碳分配。復(fù)雜碳化物的沉淀可在分配溫度（PT）下進行，也可在PT較高或略低溫度下（TT）進行。最后水淬至室溫（RT）。熱處理的示意圖如圖1所示。
淬火溫度（QT）、分配溫度（PT）和在分配溫度下停留的時間，以及回火（沉淀）溫度（TT）和時間、決定馬氏體量及其碳含量，以及殘余奧氏體量及其含碳量，從而決定鋼的強度、斷后伸長率和韌性。
Q-P-T工藝的熱力學和動力學
Rao和Thomas以高分辨電鏡，及Thomas和Sarikaya以場離子顯微鏡原子探針揭示:低碳條狀馬氏體為富碳殘余奧氏體所包圍。本文作者等早在1983年就指出:由于碳在bcc馬氏體和fcc奧氏體中溶解度的不同，低碳馬氏體形成時，碳將由馬氏體擴散到奧氏體，按一些文獻中的數(shù)據(jù)，可將碳在兩相中的分配如圖2所示。
在淬火-碳分配-回火處理中，除碳擴散和碳化物沉淀外，還可能發(fā)生其他相變，尤其在較長時間保溫時，奧氏體還將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w鐵素體（無碳化物貝氏體）。碳擴散到奧氏體（圖2）的動力學，由Fick定律計算，或以DICTRA軟件作計算。在Q-P-T過程中，碳擴散（分配）、碳化物沉淀和貝氏體相變的綜合動力學需另辟蹊徑，加以描述。如本文作者所指出:Speer等提出Q-P工藝熱力學基礎(chǔ)為限制條件準平衡（CPE），后改稱限制條件碳平衡（CCE），其前提是:在分配過程中，（1）僅碳原子作長程擴散，（2）碳化物析出被完全抑制，（3）馬氏體/殘余奧氏體的相界面保持不變；這不為事實所支持。因此，由CCE模型計算所得結(jié)果與實驗值存在較大差值。如經(jīng)Q-P處理后殘余奧氏體量的理論預(yù)測值比實驗值高達一倍，如圖3?？梢姡赒-P工藝中，碳不能由馬氏體“完全”分配至奧氏體。事實上，在Q-P過程中，不但有碳化物析出，而且近來實驗證明，馬氏體/殘余奧氏體的相界面明顯遷動。Speer等對此表示認可，認為這使狀況更復(fù)雜化。
Q-P-T工藝熱力學是以穩(wěn)態(tài)平衡為基準，計算碳化物沉淀和貝氏體相變的ΔG，以ΔG=0求得上述兩個相變的臨界溫度。馬氏體/殘余奧氏體的數(shù)量及它們的含碳量都因發(fā)生上述兩個相變而改變。Q-P-T動力學待以后進一步討論。
將上述設(shè)計的大致成分0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb（質(zhì)量分數(shù)，%）鋼進行如下的Q-P-T處理: 850℃奧氏體化300s，淬火至95℃鹽浴保溫10s，再經(jīng)400℃鹽浴分別保溫10s，30s，60s，300s進行碳分配及碳化物沉淀后水淬至室溫。經(jīng)400℃保溫10s分配后呈現(xiàn)抗拉強度達2160MPa和斷后伸長率11%；這可能是含碳量小于0.5%、具相當塑性的最高強度級馬氏體鋼。保溫小于60s的保持抗拉強度大于2000MPa。殘余奧氏體量在淬火態(tài)為4.1%，經(jīng)400℃分配10s后增至6.4%，足見碳分配的功效；隨保溫時間延長，因發(fā)生其他相變，殘余奧氏體量將遞減。實驗揭示，因復(fù)雜碳化物的析出，鋼的抗拉強度比淬火態(tài)的增高130MPa，顯示回火沉淀強化的作用。此鋼在Q-P-T處理中顯微組織和性能變化的詳情將另文發(fā)表。初步研究又顯示:鋼經(jīng)Q-P-T處理后強度和塑性的綜合性質(zhì)優(yōu)于雙相鋼、TRIP鋼、一般馬氏體型鋼、Q-P鋼和經(jīng)Q-P處理的含Ni鋼的性質(zhì)；見圖4（以[17]中Fig4為基礎(chǔ)，加入Q-P-T鋼）。Q-P-T鋼的成分和熱處理工藝還待進一步優(yōu)選。
設(shè)計含碳小于0.5%，1%～2%Si（或～1%Al）（質(zhì)量分數(shù)）、低合金元素Mn（Ni）和碳化物形成元素Nb或（和）Mo鋼，經(jīng)淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q-P-T）熱處理，能獲得抗拉強度達>2000MPa和斷后伸長率>10%。Q-P-T工藝較Q-P工藝能使鋼獲得較高強度。詳情需進一步研究。