铁素体不锈钢Q&P处理后高Cr含量残余奥氏体在变形下的转变行为研究

Ferritic stainless steels (FSSs) have the shortcoming of poor mechanical properties. The applicant has found that employing the quenching and partitioning (Q&P) process which has been used in producing advanced C-Mn high-strength steels for manufacturing FSSs can improve not only mechanical properties but also corrosion resistance, showing promising applications. The mechanical properties of steels by Q&P process can be related to the transformation behavior of retained austenite (RA) during deformation. The in-depth understanding of the transformation behavior of RA with high Cr content during deformation of FSSs by Q&P process is believed to be the key point for manufacturing high performance FSSs by Q&P process. However, no investigation has been carried out. In order to resolve these problems, in this project, the evolutions of the carbon content, size, morphology, distribution and texture of RA with high Cr content in FSSs by different Q&P processes will be investigated. The effects of the above-mentioned characteristics of RA, and the deformation temperature, strain rate, stress state on transformation behavior of RA during deformation will be elucidated. On this basis, the processing parameters for 17%Cr FSSs having RA which gradually transform into martensite during deformation will be acquired. Finally, the results will be provided to support the industrialization of FSSs by Q&P process.

铁素体不锈钢存在力学性能较差的问题，而申请人研究发现，在铁素体不锈钢的制造流程中引入先进C-Mn高强钢的淬火-配分（Q&P）工艺不仅可提高力学性能，还可显著改善耐蚀性能，展现了良好的前景。Q&P处理后钢的力学性能与钢中残余奥氏体在变形下的转变行为紧密相关。研究铁素体不锈钢Q&P处理后高Cr含量残余奥氏体在变形下的转变行为，并掌握有效的控制方法，是基于Q&P工艺制备高性能铁素体不锈钢的关键，但是目前国际国内仍未开展此项研究。本项目重点研究铁素体不锈钢在Q&P工艺条件下高Cr含量残余奥氏体的碳含量、尺寸、形态、分布和织构等内部特征的演变规律，揭示上述残余奥氏体的内部特征，以及变形温度、应变速率和应力状态等外部环境对钢中高Cr含量残余奥氏体在变形下转变行为的影响机理，并据此找到17%Cr铁素体不锈钢获得变形时发生渐进式转变的残余奥氏体的工艺窗口，最终可为铁素体不锈钢Q&P工艺产业化提供重要支撑。

本项目针对节约型不锈钢力学性能较差的问题，将Q&P工艺引入铁素体不锈钢的热处理过程中，分析了Q&P工艺对铁素体不锈钢组织性能的影响规律，揭示了Q&P工艺对钢中残余奥氏体在变形下转变行为的影响规律。随着淬火温度的降低、配分温度及时间的增加，残余奥氏体的稳定性逐渐增加，最终导致变形过程中加工硬化指数降幅逐渐减弱。明确了变形温度及应变速率对Q&P处理后铁素体不锈钢组织性能的影响规律，揭示了变形温度及应变速率对钢中残余奥氏体在变形下转变行为的影响规律。变形温度在300℃以下时，随着变形温度的增加，残余奥氏体的层错能增加，变形过程中的应力集中程度较弱，不利于形变诱导马氏体相变的发生；当变形温度为300℃以上时，随变形温度的升高，马氏体内碳化物析出增加，残余奥氏体分解倾向增加，最终残余奥氏体机械稳定性先升高后降低。同时，通过合金设计开发出TRIP型双相不锈钢，揭示了高强塑性节约型双相不锈钢形变过程中显微组织和加工硬化行为的变化规律，阐述了节约型双相不锈钢的形变机理。基于高强塑性节约型双相不锈钢晶粒尺寸的控制，分析了晶粒尺寸对形变过程中组织演变及加工硬化行为的影响规律，澄清了晶粒尺寸对变形机制的作用机理。细化节约型双相不锈钢中奥氏体晶粒可抑制形变诱导马氏体相变的发生，促进形变诱导孪生的发生，这一变化主要是由于亚稳奥氏体稳定性的提高。构建了高强塑性节约型双相不锈钢变形机制、层错能与变形温度间依赖关系，阐明了层错能对变形机制的影响机理，揭示了变形温度对力学性能的影响规律。随着变形温度的升高，奥氏体的层错能增加，其变形机制由形变诱导马氏体相变转变为形变诱导马氏体相变和孪生相互竞争机制，再转变为孪生，最终完全转变为滑移机制。正是由于这一变化规律，导致随变形温度的升高钢的强度基本呈降低趋势，而延伸率则先升高后降低再升高。研究成果可为高强塑性节约型不锈钢的产业化提供理论与技术指导。