预处理组织对低碳钢IQ&P工艺下组织及性能影响

工程科学学报，第38卷，第2期：223-229,2016年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.2:223-229,February 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.010:http://journals.ustb.edu.cn 预处理组织对低碳钢IQ&P工艺下组织及性能影响 陈连生”，张健杨”，田亚强四，宋进英”，徐勇2，张士宏 1)河北联合大学治金与能源学院，唐山0630092)中国科学院金属研究所，沈阳110016 ☒通信作者，E-mail:tyqwylf6ve@163.com 摘要采用y单相区和y+双相区轧制并淬火工艺以及双相区再加热一淬火一碳配分(IQ心P)工艺，研究预处理组织对低 碳钢室温状态多相组织特征及力学性能的影响规律.实验用低碳钢经两种工艺轧制并淬火处理，获得马氏体和马氏体+铁 素体的预处理组织，再经双相区Q&P工艺处理后均获得多相组织.马氏体预处理钢的室温组织由板条状亚温铁素体、块状 回火马氏体以及一定比例的针状未回火马氏体和8.2%的针状残余奥氏体组成：马氏体+铁素体预处理钢由板条状亚温铁素 体、块状和针状未回火马氏体以及14.3%的短针状或块状残余奥氏体组成.在相同的双相区IQ&P工艺参数下，预处理组织 为马氏体的钢抗拉强度为770MPa,伸长率为28%，其强塑积为21560MPa·%:而预处理组织为马氏体+铁素体的钢抗拉强度 为834MPa,伸长率增大到36.2%，强塑积达到30190MPa%,获得强度与塑性的优良结合. 关键词低碳钢：多相钢：预处理组织：形态：力学性能 分类号TG142.2 Effect of pretreated microstructure on the morphology and mechanical properties of low-carbon steel with 10&P treatment CHEN Lian-sheng",ZHANG Jian-yang,TIAN Ya-qiang,SONG Jin-ying,XU Yong,ZHANG Shi-hong? 1)School of Metallurgy and Energy Engineering,Hebei United University,Tangshan 063009,China 2)Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China Corresponding author,E-mail:tyqwylfive@163.com ABSTRACT The effects of pretreated microstructure on the multiphase microstructure features at room temperature and the mechani- cal properties of low-earbon steel were studied by the treatment of water cooling after hot-rolling in the y phase region or in the y+ phase region followed by the treatment of intereritical reheating-quenching-partitioning (IQ&P).Two different pretreated microstruc- tures,which are martensite and martensite ferrite,are obtained by the two different hot-rolling and quenching processes.After Q&P,the steel with martensite as pretreated microstructure,in which the volume fraction of retained austenite is 8.2%,is turned into a multi-phase structure composed of lath intercritical ferrite,block tempered martensite,needle-like untempered martensite,and retained austenite.While the steel with martensite ferrite as pretreated microstructure,in which the volume fraction of retained austenite is 14.3%,is turned into a multi-phase structure composed of lath intercritical ferrite,block or needle-ike untempered martensite,and short needle-like or block retained austenite.With the same IQ&P process parameters,the tensile strength of the steel with martensite as pretreated microstructure is 770 MPa,the elongation is 28%,and the product of strength and elongation is 21560 MPa%.While the tensile strength of the steel with martensite +ferrite as pretreated microstructure is 834 MPa,the elongation increases to 36.2%,and the product of strength and elongation reaches to 30190 MPa%.In other words,the steel has obtained a good combination of strength and ductility. 收稿日期：2014-11-26 基金项目：国家自然科学基金项目资助项目(51254004,51304186)：河北省自然科学基金资助项目(2014209191)：河北省教育厅科研资助项 目(YQ2013003)

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期: 223--229，2016 年 2 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 2: 223--229，February 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 02． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 预处理组织对低碳钢 IQ＆P 工艺下组织及性能影响 陈连生1) ，张健杨1) ，田亚强1) ，宋进英1) ，徐 勇1，2) ，张士宏2) 1) 河北联合大学冶金与能源学院，唐山 063009 2) 中国科学院金属研究所，沈阳 110016  通信作者，E-mail: tyqwylfive@ 163． com 摘 要 采用 γ 单相区和 γ + α 双相区轧制并淬火工艺以及双相区再加热--淬火--碳配分( IQ＆P) 工艺，研究预处理组织对低 碳钢室温状态多相组织特征及力学性能的影响规律． 实验用低碳钢经两种工艺轧制并淬火处理，获得马氏体和马氏体 + 铁 素体的预处理组织，再经双相区 IQ＆P 工艺处理后均获得多相组织． 马氏体预处理钢的室温组织由板条状亚温铁素体、块状 回火马氏体以及一定比例的针状未回火马氏体和 8. 2% 的针状残余奥氏体组成; 马氏体 + 铁素体预处理钢由板条状亚温铁素 体、块状和针状未回火马氏体以及 14. 3% 的短针状或块状残余奥氏体组成． 在相同的双相区 IQ＆P 工艺参数下，预处理组织 为马氏体的钢抗拉强度为 770 MPa，伸长率为 28% ，其强塑积为 21560 MPa·% ; 而预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢抗拉强度 为 834 MPa，伸长率增大到 36. 2% ，强塑积达到 30190 MPa·% ，获得强度与塑性的优良结合． 关键词 低碳钢; 多相钢; 预处理组织; 形态; 力学性能 分类号 TG142. 2 收稿日期: 2014--11--26 基金项目: 国家自然科学基金项目资助项目( 51254004，51304186) ; 河北省自然科学基金资助项目( E2014209191) ; 河北省教育厅科研资助项 目( YQ2013003) Effect of pretreated microstructure on the morphology and mechanical properties of low-carbon steel with IQ＆P treatment CHEN Lian-sheng1) ，ZHANG Jian-yang1) ，TIAN Ya-qiang1)  ，SONG Jin-ying1) ，XU Yong1，2) ，ZHANG Shi-hong2) 1) School of Metallurgy and Energy Engineering，Hebei United University，Tangshan 063009，China 2) Institute of Metal Ｒesearch，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China  Corresponding author，E-mail: tyqwylfive@ 163． com ABSTＲACT The effects of pretreated microstructure on the multiphase microstructure features at room temperature and the mechani￾cal properties of low-carbon steel were studied by the treatment of water cooling after hot-rolling in the γ phase region or in the γ + α phase region followed by the treatment of intercritical reheating--quenching--partitioning ( IQ＆P) ． Two different pretreated microstruc￾tures，which are martensite and martensite + ferrite，are obtained by the two different hot-rolling and quenching processes． After IQ＆P，the steel with martensite as pretreated microstructure，in which the volume fraction of retained austenite is 8. 2% ，is turned into a multi-phase structure composed of lath intercritical ferrite，block tempered martensite，needle-like untempered martensite，and retained austenite． While the steel with martensite + ferrite as pretreated microstructure，in which the volume fraction of retained austenite is 14. 3% ，is turned into a multi-phase structure composed of lath intercritical ferrite，block or needle-like untempered martensite，and short needle-like or block retained austenite． With the same IQ＆P process parameters，the tensile strength of the steel with martensite as pretreated microstructure is 770 MPa，the elongation is 28% ，and the product of strength and elongation is 21560 MPa·% ． While the tensile strength of the steel with martensite + ferrite as pretreated microstructure is 834 MPa，the elongation increases to 36. 2% ，and the product of strength and elongation reaches to 30190 MPa·% ． In other words，the steel has obtained a good combination of strength and ductility．

·224· 工程科学学报，第38卷，第2期 KEY WORDS low-earbon steel:multiphase steel;pretreated microstructure:morphology:mechanical properties 为适应节约能源、降低成本、汽车轻量化和提高安 奥氏体化 全性的要求，研发具有低成本的高强高塑钢是未来汽 车用钢发展的一个基本定位.通过合理的组织调控获 得高强度与高塑性相结合的低碳钢是目前钢种开发的 750.30min 热轧 重点.从铁素体+马氏体双相钢(DP)-网、铁素体+ ---一-1 贝氏体+残余奥氏体组成的相变诱导塑性(TRP) 水许 单相区 学+u双相区 钢可以及马氏体+残余奥氏体为主的淬火一碳配分 轧制、 一轧制 3501.180= (Q&P)钢-等，均通过组织调控实现低碳硅锰钢高 -M 水 水泽 强度和高塑性.研究表明-，TRP效应是提高材料 -200-1” 塑性的有效方法，采用不同的热处理工艺对组织中残 P 余奥氏体进行调控使其产生更多的TP效应成为现 今的研究热点.近年来，Santofimia等通过临界区再 图1热处理工艺示意图 加热一淬火一中温碳配分(IQ&P工艺)热处理方法对低 Fig.I Schematics of heat treatment processes 碳硅锰钢进行组织调控，获得由亚温铁素体、马氏体及 上进行室温拉伸试验，应变速率为103s.切取 残余奥氏体组成的多相钢，实现强度与塑性的良好结 10mm×10mm样品，经研磨、抛光和4%硝酸乙醇溶液 合.显然，通过调控基体中多相组织，在各类基体中获 侵蚀后，由SSX-550扫描电镜(SEM)进行显微组织观 得弥散而稳定的残余奥氏体是获得优良强塑性的核心 察，利用透射电镜(TEM)分析残余奥氏体形貌，利用 问题，也是现阶段研究的重点 D/MAX2500PCX射线衍射仪(XRD)对多相钢中残余 因此，笔者以低碳硅锰钢为研究对象，采用γ单相 奥氏体含量进行定量计算(Cu靶，扫描角度40°~ 区和y+α双相区热轧后直接淬火工艺获得2种不同 100°，工作电压40kV,电流150mA,步宽0.02°，扫描速 的预处理组织（马氏体及马氏体+铁素体），随后经双 率0.3°·min).为了减少织构的影响，提高测量精 相区IQ&P处理工艺，研究低碳钢不同预处理组织对 度，采用五峰法a分别选择奥氏体的(200)，(220)， IQ&P工艺处理后的多相组织特征、残余奥氏体形貌以 (311),以及铁素体的(200)。、(211).衍射峰进行研 及力学性能的影响规律，为高强度与高塑性低碳钢的 究，对各晶面的衍射线累积强度进行计算，最终得到残 生产奠定实践基础 余奥氏体的体积分数 1 实验材料及方法 2实验结果及分析 实验用钢化学成分（质量分数，%）为：C0.20, 2.1经热轧淬火后钢的预处理组织特征 Si0.37,Mn1.37,P0.0032,S0.0014,B0.0018,余量 图2为实验钢的预处理组织形貌.其中图2(a)为 为Fe.材料经50kg真空熔炼炉冶炼后，锻造成厚度为 在γ单相区轧制淬火得到的典型的板条马氏体组织， 80mm的小方坯.采用热膨胀法测得A3=844℃， 同一晶粒内含有不同位向的板条马氏体.图2(b)为 A。=718℃，A3=737℃，A4=625℃，M,=345℃.轧 在y+α双相区轧制淬火得到的马氏体+铁素体组 制工艺以及热处理工艺如图1所示(T为温度，【为时 织，钢中马氏体组织呈板条状或块状，而铁素体组织存 间).将实验用钢在高温箱式加热炉中加热到1200℃ 在于原奥氏体晶界处或马氏体块内部，呈近似等轴状， 保温2h,1100℃开轧经3道次轧制到55mm待温，至 尺寸较小.这是由于在Y+α双相区轧制，铁素体优先 950℃经过7道次轧制成5mm厚的钢板，终轧温度为 在奥氏体晶界处形核并长大，继续变形在铁素体晶粒 850℃(y单相区)和700℃(y+a双相区)，水冷至室 内部将产生大量的位错和亚结构，由于来不及回复再 温，得到2种不同预处理组织的钢.将上述两种钢再 结晶使得未转变的奥氏体晶粒中出现大量的变形带， 加热到750℃保温30min,随后以60℃·sˉ的冷速冷 作为铁素体形核位置，促进铁素体在奥氏体内部形成， 却到220℃保温10s,迅速放置在箱式电阻炉中350℃ 从而细化奥氏体晶粒 保温180s,最后水淬至室温(IQ&P工艺). 2.2经IQ&P处理后钢的显微组织特征 将上述热处理后的钢板线切割成拉伸试样，尺寸 图3为预处理组织为马氏体的钢经IQ心P处理后 为4mm×9.6mm×59mm,标距为25mm.按照国标 的显微组织.由图3(a)可见，经过IQ&P处理后钢由 GB/T228一2002在INSTR0N5969型电子万能试验机 亚温铁素体(F)、回火马氏体(TM)及一定比例的

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 KEY WOＲDS low-carbon steel; multiphase steel; pretreated microstructure; morphology; mechanical properties 为适应节约能源、降低成本、汽车轻量化和提高安 全性的要求，研发具有低成本的高强高塑钢是未来汽 车用钢发展的一个基本定位． 通过合理的组织调控获 得高强度与高塑性相结合的低碳钢是目前钢种开发的 重点． 从铁素体 + 马氏体双相钢( DP) ［1--2］、铁素体 + 贝氏 体 + 残余奥氏体组成的相变诱导塑性( TＲIP) 钢［3--5］以及马氏体 + 残余奥氏体为主的淬火--碳配分 ( Q＆P) 钢［6 － 8］等，均通过组织调控实现低碳硅锰钢高 强度和高塑性． 研究表明［9--14］，TＲIP 效应是提高材料 塑性的有效方法，采用不同的热处理工艺对组织中残 余奥氏体进行调控使其产生更多的 TＲIP 效应成为现 今的研究热点． 近年来，Santofimia 等［15］通过临界区再 加热--淬火--中温碳配分( IQ＆P 工艺) 热处理方法对低 碳硅锰钢进行组织调控，获得由亚温铁素体、马氏体及 残余奥氏体组成的多相钢，实现强度与塑性的良好结 合． 显然，通过调控基体中多相组织，在各类基体中获 得弥散而稳定的残余奥氏体是获得优良强塑性的核心 问题，也是现阶段研究的重点． 因此，笔者以低碳硅锰钢为研究对象，采用 γ 单相 区和 γ + α 双相区热轧后直接淬火工艺获得 2 种不同 的预处理组织( 马氏体及马氏体 + 铁素体) ，随后经双 相区 IQ＆P 处理工艺，研究低碳钢不同预处理组织对 IQ＆P 工艺处理后的多相组织特征、残余奥氏体形貌以 及力学性能的影响规律，为高强度与高塑性低碳钢的 生产奠定实践基础． 1 实验材料及方法 实验用 钢 化 学 成 分( 质 量 分 数，% ) 为: C 0. 20， Si 0. 37，Mn 1. 37，P 0. 0032，S 0. 0014，B 0. 0018，余量 为 Fe． 材料经 50 kg 真空熔炼炉冶炼后，锻造成厚度为 80 mm 的 小 方 坯． 采 用 热 膨 胀 法 测 得 Ac3 = 844 ℃， Ac1 = 718 ℃，Ar3 = 737 ℃，Ar1 = 625 ℃，Ms = 345 ℃ ． 轧 制工艺以及热处理工艺如图 1 所示( T 为温度，t 为时 间) ． 将实验用钢在高温箱式加热炉中加热到 1200 ℃ 保温 2 h，1100 ℃开轧经 3 道次轧制到 55 mm 待温，至 950 ℃经过 7 道次轧制成 5 mm 厚的钢板，终轧温度为 850 ℃ ( γ 单相区) 和 700 ℃ ( γ + α 双相区) ，水冷至室 温，得到 2 种不同预处理组织的钢． 将上述两种钢再 加热到 750 ℃ 保温 30 min，随后以 60 ℃·s － 1的冷速冷 却到 220 ℃保温 10 s，迅速放置在箱式电阻炉中 350 ℃ 保温 180 s，最后水淬至室温( IQ＆P 工艺) ． 将上述热处理后的钢板线切割成拉伸试样，尺寸 为 4 mm × 9. 6 mm × 59 mm，标距为 25 mm． 按照国标 GB / T228—2002 在 INSTＲON5969 型电子万能试验机 图 1 热处理工艺示意图 Fig． 1 Schematics of heat treatment processes 上进 行 室 温 拉 伸 试 验，应 变 速 率 为 10 － 3 s － 1 ． 切取 10 mm × 10 mm 样品，经研磨、抛光和 4% 硝酸乙醇溶液 侵蚀后，由 SSX--550 扫描电镜( SEM) 进行显微组织观 察，利用透射电镜( TEM) 分析残余奥氏体形貌，利用 D /MAX2500PC-X 射线衍射仪( XＲD) 对多相钢中残余 奥氏体含量进行定量计算( Cu 靶，扫 描 角 度 40° ～ 100°，工作电压40 kV，电流150 mA，步宽0. 02°，扫描速 率 0. 3°·min － 1 ) ． 为了减少织构的影响，提高测量精 度，采用五峰法［16］分别选择奥氏体的( 200) γ、( 220) γ、 ( 311) γ以及铁素体的( 200) α、( 211) α 衍射峰进行研 究，对各晶面的衍射线累积强度进行计算，最终得到残 余奥氏体的体积分数． 2 实验结果及分析 2. 1 经热轧淬火后钢的预处理组织特征 图 2 为实验钢的预处理组织形貌． 其中图2( a) 为 在 γ 单相区轧制淬火得到的典型的板条马氏体组织， 同一晶粒内含有不同位向的板条马氏体． 图 2( b) 为 在 γ + α 双相区轧制淬火得到的马氏体 + 铁素体组 织，钢中马氏体组织呈板条状或块状，而铁素体组织存 在于原奥氏体晶界处或马氏体块内部，呈近似等轴状， 尺寸较小． 这是由于在 γ + α 双相区轧制，铁素体优先 在奥氏体晶界处形核并长大，继续变形在铁素体晶粒 内部将产生大量的位错和亚结构，由于来不及回复再 结晶使得未转变的奥氏体晶粒中出现大量的变形带， 作为铁素体形核位置，促进铁素体在奥氏体内部形成， 从而细化奥氏体晶粒． 2. 2 经 IQ＆P 处理后钢的显微组织特征 图 3 为预处理组织为马氏体的钢经 IQ＆P 处理后 的显微组织． 由图 3( a) 可见，经过 IQ＆P 处理后钢由 亚温铁素体( IF) ［15］、回火马氏体( TM) 及一定比例的 · 422 ·

陈连生等：预处理组织对低碳钢IQ&P工艺下组织及性能影响 ·225· 5 jm 图2钢经热轧淬火后的预处理组织形貌.(a)y单相区轧制后水淬：(b)Y+a双相区轧制后水淬 Fig.2 Pretreated microstructures of the steels after hot-rolling and water quenching (F-ferrite:M-martensite):(a)water quenching after hot- rolling in the y phase region:(b)water quenching after hot-rolling in the y+a phase region 】m 图3预处理组织为马氏体的钢经IQ&P处理后的显微组织扫描电镜图像.()显微组织：(b)区域I的放大图像：()区域Ⅱ的放大图像 Fig.3 SEM images of the steels with martensite as pretreated microstructure treated by 1Q&P process:(a)microstructure:(b)enlarged image of Square I (c)enlarged image of Square II.IF-intercritical ferrite,TM-tempered martensite,RA/UM-retained austenite or untempered martensite 残余奥氏体/未回火的马氏体(RA/UM)7-多相组 由于新生成的奥氏体晶粒易在低温组织的界面上 织构成.亚温铁素体呈板条状，回火马氏体多呈块状 形核回，因此预处理组织为马氏体的钢加热到750℃ 并分布于原奥氏体晶界上.图3(b)为图3(a)中黑色 时，奥氏体逆转变m首先发生在原奥氏体晶界和马 方框I区域内块状回火马氏体组织的放大像.由 氏体板条界间.随着保温时间的延长，晶界处形核的 图3(b)可见，块状马氏体内部因350℃短暂回火而变 逆转奥氏体不断向周围组织中长大，并呈块状分布 得易腐蚀，使弥散析出的碳化物清晰的显现，在马氏体 于原奥氏体晶界处：马氏体板条界间形核的逆转奥 边缘保留少量的块状残余奥氏体或未回火马氏体. 氏体则沿板条界方向不断长大，形成针状逆转奥氏 图3(c)为图3(a)中黑色方框Ⅱ区域内细针状组织的 体.在随后淬火至220℃过程中，不稳定的逆转奥氏 放大像.由图3()可见，位于原奥氏体晶粒内的残余 体（块状或针状）将发生马氏体转变，并在350℃的 奥氏体/未回火马氏体则呈细针状分布，并且同一晶粒 等温处理过程中发生马氏体回火转变.然而从图3 内取向一致.细针状残余奥氏体/未回火马氏体长度 中可以看出，只有块状马氏体呈现出回火马氏体的 较长，约为5m,呈平行状分布. 形貌特征.这可能是由于在双相区保温过程中，发生

陈连生等: 预处理组织对低碳钢 IQ＆P 工艺下组织及性能影响 图 2 钢经热轧淬火后的预处理组织形貌． ( a) γ 单相区轧制后水淬; ( b) γ + α 双相区轧制后水淬 Fig． 2 Pretreated microstructures of the steels after hot-rolling and water quenching ( F—ferrite; M—martensite) : ( a) water quenching after hot￾rolling in the γ phase region; ( b) water quenching after hot-rolling in the γ + α phase region 图 3 预处理组织为马氏体的钢经 IQ＆P 处理后的显微组织扫描电镜图像． ( a) 显微组织; ( b) 区域Ⅰ的放大图像; ( c) 区域Ⅱ的放大图像 Fig． 3 SEM images of the steels with martensite as pretreated microstructure treated by IQ＆P process: ( a) microstructure; ( b) enlarged image of Square Ⅰ; ( c) enlarged image of Square Ⅱ． IF — intercritical ferrite，TM — tempered martensite，ＲA /UM — retained austenite or untempered martensite 残余奥氏体/未回火的马氏体( ＲA /UM) ［17--18］ 多相组 织构成． 亚温铁素体呈板条状，回火马氏体多呈块状 并分布于原奥氏体晶界上． 图 3( b) 为图 3( a) 中黑色 方框Ⅰ区 域 内 块 状 回 火 马 氏 体 组 织 的 放 大 像． 由 图 3( b) 可见，块状马氏体内部因 350 ℃ 短暂回火而变 得易腐蚀，使弥散析出的碳化物清晰的显现，在马氏体 边缘保留少量的块状残余奥氏体或未回火马氏体． 图 3( c) 为图 3( a) 中黑色方框Ⅱ区域内细针状组织的 放大像． 由图 3( c) 可见，位于原奥氏体晶粒内的残余 奥氏体/未回火马氏体则呈细针状分布，并且同一晶粒 内取向一致． 细针状残余奥氏体/未回火马氏体长度 较长，约为 5 μm，呈平行状分布． 由于新生成的奥氏体晶粒易在低温组织的界面上 形核［19］，因此预处理组织为马氏体的钢加热到 750 ℃ 时，奥氏体逆转变［20--21］首先发生在原奥氏体晶界和马 氏体板条界间． 随着保温时间的延长，晶界处形核的 逆转奥氏体不断向周围组织中长大，并呈块状分布 于原奥氏体晶界处; 马氏体板条界间形核的逆转奥 氏体则沿板条界方向不断长大，形成针状逆转奥氏 体． 在随后淬火至 220 ℃ 过程中，不稳定的逆转奥氏 体( 块状或针状) 将发生马氏体转变，并在 350 ℃ 的 等温处理过程中发生马氏体回火转变． 然而从图 3 中可以看出，只有块状马氏体呈现出回火马氏体的 形貌特征． 这可能是由于在双相区保温过程中，发生 · 522 ·

·226· 工程科学学报，第38卷，第2期 C、Mn元素向逆转奥氏体中富集，从而导致M点的 图4为预处理组织为马氏体+铁素体的钢经 降低2-.相对于块状逆转奥氏体，针状逆转奥氏 IQ&P处理后的显微组织.由图4(a)可见，经过IQ&P 体更易于富集C、Mn元素，使其M,点要相对更低，故 处理后钢由亚温铁素体、未回火马氏体以及残余奥氏 而当淬火至220℃时，块状的逆转奥氏体发生马氏体 体多相组织构成.图4(b)和图4(c)分别为图4(a)中 转变，而针状逆转奥氏体则不会发生马氏体转变.后 黑色方框I及Ⅱ区域内块状残余奥氏体/未回火马氏 续350℃的等温处理实际上则是C元素向针状奥氏 体组织的放大像.由图4(6)和图4(c)可知：亚温铁素 体中进一步富集过程，以及块状马氏体的回火过程. 体呈板条状：而残余奥氏体/未回火马氏体存在两种形 这可能就是在上述多相钢中只看到块状回火马氏体 貌特征，一种是呈颗粒状分布于原奥氏体晶界上，另一 的原因 种则呈细针状位于原奥氏体晶粒内. 图4预处理组织为马氏体+铁素体的钢经IQ&P处理后的扫描电镜图像.(a)显微组织：()区域I的放大图像：()区域Ⅱ的放大图像 Fig.4 SEM images of the steels with martensite ferrite as pretreated microstructure treated by IQ&P process:(a)microstructure:(b)enlarged image of Square I (c)enlarged image of Square II 由图4中残余奥氏体/未回火马氏体形貌可推知， 位向的马氏体板条束，因此钢再加热到750℃时，马氏 预处理组织为马氏体+铁素体的钢加热到750℃时， 体板条界间生成的逆转奥氏体呈现出杂乱无序的排列 首先在铁素体晶粒内和原始奥氏体晶界处形成细小的 特征. 粒状奥氏体，在马氏体板条界处则形成针状奥氏体 预处理组织为马氏体+铁素体的钢，在750℃保 对比图3和图4中马氏体形貌可知，这些逆转奥氏体 温30min后淬火至室温过程中的热膨胀曲线如图5所 都要明显小于预处理组织为马氏体的钢在750℃时生 示.对图中曲线作切线，求出该热处理工艺下钢的马 成的逆转奥氏体（块状或针状），主要是因为在双相区 氏体转变开始温度M.为205℃.可见，经过双相区 轧制时，铁素体和奥氏体晶粒内部都产生大量的亚结 750℃等温处理之后钢的M要比平衡状态下显著降 构a,钢加热到750℃时，奥氏体易在能量较高的亚 低，并且远低于淬火温度220℃.这说明在750℃再加 结构处形核并长大，丰富的亚结构提高了奥氏体形核 热保温过程中，铁素体与奥氏体共存，奥氏体中的C、 率，从而使奥氏体晶粒相对较小.另外，图4(a)中针 M元素含量提高，使得双相区奥氏体自身稳定性增 状马氏体呈杂乱无序排列并且长度较短.这主要是由 加.此外，Y+α双相区轧制工艺使得预处理组织中引 于双相区变形过程中，未转变的奥氏体晶粒由于来不 入大量变形带，可以细化逆转奥氏体晶粒，晶粒细化也 及回复再结晶从而引入大量的变形带，将其分割成不 有利于提高奥氏体自身的稳定性.这是图4组织中并 同的小晶粒，在随后的淬火过程中，这些小晶粒将转变 未出现回火马氏体组织形貌的主要原因 为马氏体，这样同一个奥氏体晶粒内将生成许多不同 需要说明的是，扫描电镜照片还不能完全清楚地

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 C、Mn 元素向逆转奥氏体中富集，从而导致 Ms点的 降低［22--25］． 相对于块状逆转奥氏体，针 状 逆 转 奥 氏 体更易于富集 C、Mn 元素，使其 Ms点要相对更低，故 而当淬火至 220 ℃ 时，块状的逆转奥氏体发生马氏体 转变，而针状逆转奥氏体则不会发生马氏体转变． 后 续 350 ℃ 的等温处理实际上则是 C 元素向针状奥氏 体中进一步富集过程，以及块状马氏体的回火过程． 这可能就是在上述多相钢中只看到块状回火马氏体 的原因． 图 4 为 预 处 理 组 织 为 马 氏 体 + 铁 素 体 的 钢 经 IQ＆P 处理后的显微组织． 由图 4( a) 可见，经过 IQ＆P 处理后钢由亚温铁素体、未回火马氏体以及残余奥氏 体多相组织构成． 图 4( b) 和图 4( c) 分别为图 4( a) 中 黑色方框Ⅰ及Ⅱ区域内块状残余奥氏体/未回火马氏 体组织的放大像． 由图 4( b) 和图 4( c) 可知: 亚温铁素 体呈板条状; 而残余奥氏体/未回火马氏体存在两种形 貌特征，一种是呈颗粒状分布于原奥氏体晶界上，另一 种则呈细针状位于原奥氏体晶粒内． 图 4 预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢经 IQ＆P 处理后的扫描电镜图像． ( a) 显微组织; ( b) 区域Ⅰ的放大图像; ( c) 区域Ⅱ的放大图像 Fig． 4 SEM images of the steels with martensite + ferrite as pretreated microstructure treated by IQ＆P process: ( a) microstructure; ( b) enlarged image of Square Ⅰ; ( c) enlarged image of Square Ⅱ 由图 4 中残余奥氏体/未回火马氏体形貌可推知， 预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢加热到 750 ℃ 时， 首先在铁素体晶粒内和原始奥氏体晶界处形成细小的 粒状奥氏体，在马氏体板条界处则形成针状奥氏体． 对比图 3 和图 4 中马氏体形貌可知，这些逆转奥氏体 都要明显小于预处理组织为马氏体的钢在 750 ℃ 时生 成的逆转奥氏体( 块状或针状) ，主要是因为在双相区 轧制时，铁素体和奥氏体晶粒内部都产生大量的亚结 构［26］，钢加热到 750 ℃ 时，奥氏体易在能量较高的亚 结构处形核并长大，丰富的亚结构提高了奥氏体形核 率，从而使奥氏体晶粒相对较小． 另外，图 4( a) 中针 状马氏体呈杂乱无序排列并且长度较短． 这主要是由 于双相区变形过程中，未转变的奥氏体晶粒由于来不 及回复再结晶从而引入大量的变形带，将其分割成不 同的小晶粒，在随后的淬火过程中，这些小晶粒将转变 为马氏体，这样同一个奥氏体晶粒内将生成许多不同 位向的马氏体板条束，因此钢再加热到 750 ℃ 时，马氏 体板条界间生成的逆转奥氏体呈现出杂乱无序的排列 特征． 预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢，在 750 ℃ 保 温 30 min 后淬火至室温过程中的热膨胀曲线如图 5 所 示． 对图中曲线作切线，求出该热处理工艺下钢的马 氏体转变开始温度 Ms 为 205 ℃ ． 可见，经过双相区 750 ℃等温处理之后钢的 Ms 要比平衡状态下显著降 低，并且远低于淬火温度 220 ℃ ． 这说明在 750 ℃再加 热保温过程中，铁素体与奥氏体共存，奥氏体中的 C、 Mn 元素含量提高，使得双相区奥氏体自身稳定性增 加． 此外，γ + α 双相区轧制工艺使得预处理组织中引 入大量变形带，可以细化逆转奥氏体晶粒，晶粒细化也 有利于提高奥氏体自身的稳定性． 这是图 4 组织中并 未出现回火马氏体组织形貌的主要原因． 需要说明的是，扫描电镜照片还不能完全清楚地 · 622 ·

陈连生等：预处理组织对低碳钢IQ&P工艺下组织及性能影响 ·227· 需要借助透射电子显微镜、X射线衍射仪等设备来进 行进一步的表征和测量. 2.3经IQ&P处理后钢中残余奥氏体形貌及含量 图6为钢经IO&P处理后的残余奥氏体的透射电 镜像.由图可知：在预处理组织为马氏体的钢中，残余 奥氏体在铁素体基体上以针状形态出现：在预处理组 11=205: 织为马氏体+铁素体的钢中，残余奥氏体则以短针状 或块状形态出现.这与上述图3和图4中扫描电镜图 像的测定相吻合.由此可见，在预处理组织为马氏体 150 200 250 300 350400 温度℃ 的钢中，细长的针状逆转奥氏体相对于块状逆转奥氏 图5预处理组织为马氏体+铁素体的钢经750℃保温30min后 体更易富集C、Mn元素而提高自身稳定性，而被稳定 淬火至室温的温度一膨胀量曲线 下来；在预处理组织为马氏体+铁素体的钢中，由于前 Fig.5 Dilatometry curve of specimens obtained by reheating to 750 期双相区轧制工艺对晶粒带来的细化作用，以及C、 C for30 min,direct quenching to room temperature for the steel with M元素在逆转奥氏体内的富集，这两方面的作用使得 martensite ferrite as pretreated microstructure 短针状或块状逆转奥氏体被稳定到室温。从而形成 表征出上述2种钢组织中残余奥氏体及其分布特征， 图6中不同形貌的残余奥氏体组织. 0.14m 0.1m 0.1m 0.1n 图6钢经IO&P处理后的残余奥氏体的透射电镜像.(a,b)预处理组织为马氏体的钢中残余奥氏体的明场和暗场像：(c,d)预处理组织为 马氏体+铁素体的钢中残余奥氏体的明场和暗场像 Fig.6 TEM morphology of retained austenite in the steels treated by IQ&P process:(a,b)bright and dark field images of retained austenite in the steels with martensite as pretreated microstructure:(c,d)bright and dark field images of retained austenite in the steels with martensite ferrite as pretreated microstructure 采用X射线衍射对钢中残余奥氏体含量进行测残余奥氏体. 定.相关的X射线衍射图谱如图7所示.从图7中可2.4经IQ&P处理后钢的力学性能 见，预处理组织为马氏体以及马氏体+铁素体的钢中 图8为2种不同预处理组织的钢经过Q&P热处 都有明显的奥氏体峰.残余奥氏体含量的计算结果如 理后的工程应力一工程应变曲线和真应力一真应变曲 表1所示.经IQ&P处理后，两类钢中残余奥氏体的体 线.表1给出两类钢经Q&P工艺处理后的力学性能 积分数分别约为8.2%和14.3%.这说明对预处理组 参数.结合图表可知，通过改变热处理前的轧制工艺， 织为马氏体+铁素体的钢进行组织调控将产生更多的 两类钢获得相同的屈服强度，但相对于预处理组织为

陈连生等: 预处理组织对低碳钢 IQ＆P 工艺下组织及性能影响 图 5 预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢经 750 ℃保温 30 min 后 淬火至室温的温度--膨胀量曲线 Fig． 5 Dilatometry curve of specimens obtained by reheating to 750 ℃ for 30 min，direct quenching to room temperature for the steel with martensite + ferrite as pretreated microstructure 表征出上述 2 种钢组织中残余奥氏体及其分布特征， 需要借助透射电子显微镜、X 射线衍射仪等设备来进 行进一步的表征和测量． 2. 3 经 IQ＆P 处理后钢中残余奥氏体形貌及含量 图 6 为钢经 IQ＆P 处理后的残余奥氏体的透射电 镜像． 由图可知: 在预处理组织为马氏体的钢中，残余 奥氏体在铁素体基体上以针状形态出现; 在预处理组 织为马氏体 + 铁素体的钢中，残余奥氏体则以短针状 或块状形态出现． 这与上述图 3 和图 4 中扫描电镜图 像的测定相吻合． 由此可见，在预处理组织为马氏体 的钢中，细长的针状逆转奥氏体相对于块状逆转奥氏 体更易富集 C、Mn 元素而提高自身稳定性，而被稳定 下来; 在预处理组织为马氏体 + 铁素体的钢中，由于前 期双相区轧制工艺对晶粒带来的细化作用，以及 C、 Mn 元素在逆转奥氏体内的富集，这两方面的作用使得 短针状或块状逆转奥氏体被稳定到室温． 从而形成 图 6中不同形貌的残余奥氏体组织． 图 6 钢经 IQ＆P 处理后的残余奥氏体的透射电镜像． ( a，b) 预处理组织为马氏体的钢中残余奥氏体的明场和暗场像; ( c，d) 预处理组织为 马氏体 + 铁素体的钢中残余奥氏体的明场和暗场像 Fig． 6 TEM morphology of retained austenite in the steels treated by IQ＆P process: ( a，b) bright and dark field images of retained austenite in the steels with martensite as pretreated microstructure; ( c，d) bright and dark field images of retained austenite in the steels with martensite + ferrite as pretreated microstructure 采用 X 射线衍射对钢中残余奥氏体含量进行测 定． 相关的 X 射线衍射图谱如图 7 所示． 从图 7 中可 见，预处理组织为马氏体以及马氏体 + 铁素体的钢中 都有明显的奥氏体峰． 残余奥氏体含量的计算结果如 表 1 所示． 经 IQ＆P 处理后，两类钢中残余奥氏体的体 积分数分别约为 8. 2% 和 14. 3% ． 这说明对预处理组 织为马氏体 + 铁素体的钢进行组织调控将产生更多的 残余奥氏体． 2. 4 经 IQ＆P 处理后钢的力学性能 图 8 为 2 种不同预处理组织的钢经过 IQ＆P 热处 理后的工程应力--工程应变曲线和真应力--真应变曲 线． 表 1 给出两类钢经 IQ＆P 工艺处理后的力学性能 参数． 结合图表可知，通过改变热处理前的轧制工艺， 两类钢获得相同的屈服强度，但相对于预处理组织为 · 722 ·