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AISI 4140鋼經單步淬火和分配處理后的奧氏體變化
檢測樣品：AISI4140鋼
檢測項目：殘余奧氏體含量
方案概述：本文探討了單步淬火和分配（QP）處理在低硅商業AISI4140鋼中的應用，并采用意大利GNR公司的殘余奧氏體分析儀AREXD對AISI4140鋼進行測試。
近年來，鑒于燃料消耗的減少，汽車行業一直致力于減輕車輛重量。在這種情況下，對能夠結合高機械性能和提高變形能力的新材料的研究開發了先進高強度鋼（AHSS）類別，該類別代表了一類通過成分和熱處理的創新組合獲得的鋼，其特征是微觀結構和性能無法通過傳統途徑開發。鋼類，如雙相、相變誘導塑性（TRIP）、復合相、孿晶誘導塑性、淬火和分配（QP）等，屬于AHSS家族。QP這種熱處理旨在穩定馬氏體基體中的一部分殘余奧氏體（RA）。RA的存在能夠提高鋼在馬氏體條件下的延展性，此外，當受到外部載荷時，通過TRIP效應發生應變誘導轉變為馬氏體，這在保持高機械性能的同時提高了延展性。隨著應變誘導轉變延遲頸縮的開始，總伸長率（TE）和均勻伸長率（UE）增加。最終結果是一種具有極限抗拉強度（UTS）和延展性的鋼，這是傳統處理方法難以獲得的。該處理包括馬氏體開始溫度和完成溫度之間的初始淬火，而后續步驟涉及等溫保持過程中的碳分配。在分配過程中，碳從過飽和馬氏體擴散到奧氏體相，并增強了其在室溫下的穩定性。
RA的量、形態和穩定性是與熱處理有效性相關的因素。奧氏體中較高的碳濃度與較高的穩定性相關，即應變過程中能量吸收的增加和較高應變下頸縮的延遲。在應變過程中，奧氏體晶粒通過應變誘導轉變逐漸轉變為馬氏體，從不太穩定的晶粒開始，向更穩定的晶粒移動。
由于整個過程基于碳擴散，QP鋼的化學成分經過了調整，以最大限度地提高處理效果。在分配過程中，碳從過飽和馬氏體中擴散，通過這種方式回火。根據分配條件，這種現象會導致馬氏體變形的減少，這種變形可能或多或少地強烈，從而導致不同的本體特性。碳應在奧氏體內部擴散，多項研究表明，添加高于1.5%的硅可以增強奧氏體的穩定性。
本文探討了單步淬火和分配（QP）處理在低硅商業AISI 4140鋼中的應用，并采用意大利GNR公司的殘余奧氏體分析儀AREX D對AISI 4140鋼進行測試。
在許多工業生產加工過程中，對殘余奧氏體含量的控制非常嚴格，精確測量其含量，對于鋼鐵熱處理過程中產品特性和質量的控制有重大意義。因為化學蝕刻和傳統金相研究存在靈敏度和準確度較低的情況，所以無法做到工業生產中對殘余奧氏體的精確測量，而X射線衍射法可以測量低至0.5%的殘余奧氏體含量，故ASTM頒布E975標準方法：X射線法測量近無規結晶取向鋼中殘余奧氏體的含量。AREX D正是根據此標準設計開發，并且為專用的殘余奧氏體分析儀，無需依靠 搭載模塊在常規XRD上 實現殘余奧氏體測試，具有操作簡便、檢測速度快、數據準確等特點，對操作人員要求不高，做到輕松上手。
根據計算結果，對直徑為10 mm、高度為7 mm的圓柱形試樣進行了一組開發的單步QP熱處理。將試樣在850°C下浸泡7分鐘，并在空氣中正火以使微觀結構均勻化。然后，試樣最初在850°C下奧氏體化，在多功能爐中浸泡7分鐘，然后在由240°C下的商用混合物組成的鹽浴中分配，其中試樣被分配了1到20分鐘的不同時間。根據約束碳平衡計算的最佳溫度Topt為255°C，分配處理設置為240°C，以減少第一次淬火后的奧氏體分數，從而減少第二次淬火階段形成的新鮮馬氏體。
所應用的QP處理條件如圖1所示。 進行了進一步的分析，以比較研究RA的存在對材料拉伸性能的影響。對照樣品接受QT處理。這些處理旨在引入與QP樣品相同回火水平的馬氏體顯微組織。QT樣品的熱處理如下：1）在850°C下奧氏體化7分鐘；2） 室溫油淬；3）在240°C下回火1/5/10/20分鐘。然后將所得QT樣品與相應的QP條件進行比較。
通過AREX D和測量QP處理后鋼中RA%含量，結果如表3所示。RA含量范圍為4.6%至7.8 %，這些含量低于約束碳平衡模型的理論含量，因為模型的假設，即沒有碳化物沉淀、分配和固定界面，在實際情況下并不成立。在熱處理過程中，由于化學成分未受影響，碳化物沉淀沒有得到抑制，而分配溫度和時間不足以實現的碳分配。因此，有效或部分穩定奧氏體的碳量減少，從而減少了RA的最終量。可以很容易地觀察到，分配持續時間會影響RA的最終量，RA在10分鐘左右開始變大，之后開始減少。這一趨勢表明，可以確定使RA量的佳時間。
本文成功地將單步QP處理應用于AISI 4140（42CrMo4）低合金鋼。所提出的QP處理在室溫下有效地穩定了商用低合金鋼馬氏體微觀結構中相當一部分RA（4.6%至7.8%）。在所研究的條件中，AISI 4140在240°C下10分鐘的QP提供了最高含量的RA。
參考文獻：Belfi, M., Barella, S., Gruttadauria, A., etc., On the Strain Hardening and Tensile Properties of AISI 4140 Steel via Single-Step Quenching and Partitioning Treatments. steel research int. 2025, 96: 2400513.
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