CN107480328B - 一种基于q＆p工艺的碳配分理论计算方法 - Google Patents

一种基于q＆p工艺的碳配分理论计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Q&P工艺的碳配分理论计算方法，该方法主要讨论的是配分阶段的碳配分时间与温度之间的定量关系，该方法主要分为三步：计算碳从马氏体中向马氏体和奥氏体(M/A)界面处扩散所需的时间；计算马氏体相变完成的时间；计算碳从M/A界面处向奥氏体中的扩散，并最终均匀地分布在奥氏体中的时间。本发明可为Q&P工艺中碳配分温度和时间提供理论计算基础，为实际生产中Q&P工艺参数的设置提供一套完整的碳配分参数计算方法，降低生产过程工艺参数设置的盲目性，降低废品率。为Q&P钢在汽车上的应用作出理论贡献，有利于减轻车重，提高安全性，降低生产成本，节能减排。

Description

一种基于Q＆P工艺的碳配分理论计算方法
技术领域
本发明涉及一种碳配分理论计算方法，特别涉及一种基于Q&P工艺的碳配分理论计算方法。
背景技术
由于汽车的轻量化技术在缓解能源、环境的危机方面有着巨大的潜力，引起了世界各国的高度重视，针对这一状况，研究者们采用多种途径来尽可能的使汽车达到安全性、轻量化及舒适性的统一。采用兼具超高强度和良好的塑性的淬火-配分(Q&P)钢是实现这一目的的有效手段之一。由于Q&P工艺的整个热处理过程存在两次马氏体形成过程和一次碳元素的配分过程，两次马氏体的形成过程提高了最终Q&P钢的强度指标，而其塑性的支撑只是依靠一次淬火后的碳元素配分过程所稳定下来的残余奥氏体。虽然目前研究者们在工艺和成分上对Q&P钢进行了诸多研究，但是在对于如何准确控制元素配分参数以最大限度地获取残余奥氏体的问题上，研究者们目前还没有达成一致意见。而对残余奥氏体含量的准确控制是保证Q&P钢优良力学性能所不可或缺的，也是研究者们亟需解决的问题。
发明内容
针对以上不足之处，本发明提出一种基于Q&P工艺的碳配分理论计算方法，目的是通过本发明实现对Q&P工艺碳配分参数的准确计算，从而获取Q&P钢优良力学性能所需的残余奥氏体含量。本碳配分理论计算方法中主要讨论的是配分阶段的碳配分时间与温度之间的定量关系。本发明的碳配分理论方法主要分为三步：1、计算碳从马氏体向马氏体和奥氏体(M/A)界面处扩散所需的时间。2、计算马氏体相变完成的时间。3、计算碳从M/A界面处向奥氏体中扩散，并最终均匀地分布在奥氏体中(配分过程)的时间。
所述步骤1中的碳从马氏体中向M/A界面处扩散时间的计算根据Cottrell方程：
Figure GDA0003758689410000011
Figure GDA0003758689410000012
Figure GDA0003758689410000013
所述式1-1和1-2中，tM为碳从马氏体向M/A界面处扩散的时间，碳配分时间的理论计算方法中以碳原子为研究对象，N(t)为单位位错线上所含溶质原子数(原子数/cm)，N0为基体中的溶质原子数(原子数/cm3)，A为3×10-20dyn·cm2，k为波尔兹曼常数，D为碳在马氏体内的扩散系数，ρ为位错密度，T为淬火温度(K)，R为气体常数，C0为未脱溶马氏体中碳的含量，C1为配分完成时使奥氏体保留到室温时的最低碳含量。
本发明中材料在被淬火到室温时，根据Ms计算公式1-4计算室温下奥氏体中的碳含量C1，将各参数带入式1-1中得到tM。
Ms＝535-317[C]-33[Mn]-28[Cr]-17[Ni]-11[Si+Mo+W] 1-4
所述式1-4中合金元素符号代表的是该元素的质量分数，在实际计算Ms时应该将误差温度考虑在内。
所述步骤2中在计算马氏体相变完成时间t2时，取马氏体的平均宽度为2×10-5cm，马氏体的平均长大速率为1×10-1cm/s，可获得t2。
所述步骤3中在计算碳从M/A界面向奥氏体中扩散的均匀化时间时有Fick第二定律扩散方程式：
Figure GDA0003758689410000021
所述式1-5的高斯误差解为：
Figure GDA0003758689410000022
所述式1-6中，C表示浓度(ωt.％)；W、Y、Z为待定系数；t为配分时间(s)；d为奥氏体宽度(m)，D为碳在奥氏体中的扩散系数(m2/s)。
所述式1-6中碳在奥氏体中的扩散系数D由式1-7获得：
Figure GDA0003758689410000023
所述式1-7中T表示配分温度(K)，Q为碳在奥氏体中的扩散激活能，wc为奥氏体中平均碳含量，C1可根据公式1-4求出。
所述式1-6中待定参数W、Y、Z由边界条件求出，所述边界条件为：
当t＝0,-d/2＜x＜d/2时，W+Y-Z＝C0 1-10
当t＝t2、x＝-d/2时，
Figure GDA0003758689410000024
当t＝t2、x＝d/2时，
Figure GDA0003758689410000025
本发明在计算时按残余奥氏体两边的碳原子正好扩散到中间时配分完成来计算，即在奥氏体的中间位置取
Figure GDA0003758689410000026
得到误差值为：
Figure GDA0003758689410000031
所述式1-13得到的值可认为是近似于于1的，将
Figure GDA0003758689410000032
及各数值带入式1-11和式1-12可得：W＝(2C1-C0)/0.05、Y＝-Z＝(C1-C0)/0.05；当碳配分刚好完成时x＝0，将W、Y、Z带入式1-6可得式1-14，并最终得到1-15：
Figure GDA0003758689410000033
Figure GDA0003758689410000034
所述式1-15可算出配分温度为T时所需的碳配分保温时间t。
本发明的有益之处在于：碳配分方法可为Q&P工艺中碳配分温度和时间提供理论计算基础，为实际生产中Q&P工艺参数的设置提供一套完整的碳配分参数计算方法，降低生产过程中工艺参数设置的盲目性，降低废品率。为Q&P钢在汽车上的应用作出理论贡献，有利于减轻车重，提高安全性，降低生产成本，节能减排。
附图说明
图1是本发明的碳配分方法示意图。
图2是本发明实施例1的金相组织照片。
图3是本发明的实施例1的力学性能测试结果。
图4是本发明的实施例2的金相组织照片。
图5是本发明的实施例2的力学性能测试结果。
图6是本发明的实施例3的金相组织照片。
图7是本发明的实施例3的力学性能测试结果。
图中，M、马氏体，A、奥氏体，d、奥氏体宽度，C、碳含量，t0、配分开始的时刻，t1、配分完成的时刻，C1、配分完成时使奥氏体保留到室温时的最低碳含量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明具体实施方式。
本发明实施例中的金相试样在光学显微镜下拍摄而获得微观组织照片；拉伸试样按ASTME8标准制得，并利用WDW-100E型电子万能试验机在室温下以1mm/min的拉伸速率进行拉伸测试。
实施例1
实际生产中采用的材料为0.18C-1.3Mn-0.23Si，根据碳配分理论方法和试验钢的成分，计算出的240℃配分温度下所需的碳配分理论保温时间为60.01s，设置以下工艺参数：
(1)奥氏体化：将材料快速加热到940℃，保温3min。
(2)碳配分：将材料快速转移至240℃，保温60s，进行盐浴处理。
(3)淬火：将材料水淬至室温。
实施例2
实际生产中采用的材料为0.18C-1.3Mn-0.23Si，根据碳配分理论方法和试验钢的成分，计算出的250℃配分温度下所需的碳配分理论保温时间为30.76s，设置以下工艺参数：
(1)奥氏体化：将材料快速加热到940℃，保温3min。
(2)碳配分：将材料快速转移至250℃，保温30s，进行盐浴处理。
(3)淬火：将材料水淬至室温。
实施例3
实际生产中采用的材料为0.18C-1.3Mn-0.23Si，根据碳配分理论方法和试验钢的成分，计算出的260℃配分温度下所需的碳配分理论保温时间为16.17s，设置以下工艺参数：
(1)奥氏体化：将材料快速加热到940℃，保温3min。
(2)碳配分：将材料快速转移至260℃，保温16s，进行盐浴处理。
淬火：将材料水淬至室温。

Claims (2)

1.一种基于Q&P工艺的碳配分理论计算方法，其特征是通过以下步骤实现：
(1)计算碳从马氏体中向马氏体和奥氏体(M/A)界面处扩散所需的时间；
(2)计算马氏体相变完成的时间；
(3)计算碳从M/A界面处向奥氏体中扩散，并最终均匀地分布在奥氏体中的时间；
所述步骤(1)中的碳从马氏体中向M/A界面处扩散时间的计算根据Cottrell方程：
Figure FDA0003776953720000011
Figure FDA0003776953720000012
Figure FDA0003776953720000013
所述式1-1和1-2中，tM为碳从马氏体向M/A界面处扩散的时间，碳配分时间的理论计算方法中以碳原子为研究对象，N(t)为单位位错线上所含溶质原子数，N0为基体中的溶质原子数，A为3×10-20dyn·cm2，k为波尔兹曼常数，D为碳在马氏体内的扩散系数，ρ为位错密度，T为淬火温度，R为气体常数，C0为未脱溶马氏体中碳的含量，C1为配分完成时使奥氏体保留到室温时的最低碳含量；
本发明中材料在被淬火到室温时，根据Ms计算公式1-4计算室温下奥氏体中的碳含量C1，将各参数带入式1-1中得到tM；
Ms＝535-317[C]-33[Mn]-28[Cr]-17[Ni]-11[Si+Mo+W] 1-4
所述式1-4中合金元素符号代表的是该元素的质量分数，在实际计算Ms时将误差温度考虑在内；
所述步骤(2)中在计算马氏体相变完成时间t2时，取马氏体的平均宽度为2×10-5cm，马氏体的平均长大速率为1×10-1cm/s，获得t2；
所述步骤(3)中在计算碳从M/A界面向奥氏体中扩散的均匀化时间时有Fick第二定律扩散方程式：
Figure FDA0003776953720000014
所述式1-5的高斯误差解为：
Figure FDA0003776953720000015
所述式1-6中，C表示浓度；W、Y、Z为待定系数；t为配分时间；d为奥氏体宽度，D为碳在奥氏体中的扩散系数；
所述式1-6中碳在奥氏体中的扩散系数D由式1-7获得：
Figure FDA0003776953720000021
所述式1-7中T表示配分温度，Q为碳在奥氏体中的扩散激活能，wc为奥氏体中平均碳含量，C1根据公式1-4求出；
所述式1-6中待定参数W、Y、Z由边界条件求出，所述边界条件为：
当t＝0,-d/2<x<d/2时，W+Y-Z＝C0 1-10
当t＝t2、x＝-d/2时，
Figure FDA0003776953720000022
当t＝t2、x＝d/2时，
Figure FDA0003776953720000023
本发明在计算时按残余奥氏体两边的碳原子正好扩散到中间时配分完成来计算，即在奥氏体的中间位置取
Figure FDA0003776953720000024
得到误差值为：
Figure FDA0003776953720000025
所述式1-13得到的值近似于1，将
Figure FDA0003776953720000026
及各数值带入式1-11和式1-12得：W＝(2C1-C0)/0.05、Y＝-Z＝(C1-C0)/0.05；当碳配分刚好完成时x＝0，将W、Y、Z带入式1-6得式1-14，并最终得到1-15：
Figure FDA0003776953720000027
Figure FDA0003776953720000028
所述式1-15算出配分温度为T时所需的碳配分保温时间t；其中，d为奥氏体宽度。
2.根据权利要求1所述的一种基于Q&P工艺的碳配分理论计算方法，其特征是：在计算时按照残余奥氏体两边的碳原子正好扩散到中间时配分完成来计算。
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