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摘 要:本文对传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分进行了改善，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制成新型的Q-P-T钢。
关键词：压力容器；Q-P-T钢；力学性能；冲击功
压力容器是指工业生产中具有特定工艺功能并能承受一定压力的设备。它的用途十分广泛，在石油化学工业、能源工业、军工等国民经济的各个部门都起着重要作用。
Q&P和Q-P-T钢是一种具有高强度和较高延伸率结合的新钢种，具有较高的屈服强度和抗拉强度，高的应变硬化率和相对较高的高延伸率等特点。本文的主要研究目的是通过改善传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的Q-P-T热处理工艺，在实验室条件下试制新型的压力容器用Q-P-T钢。希望将该Q-P-T钢用在压力容器上，利用其强度高兼有好的塑性的优点，适当减少压力容器的厚度，节约材料，减轻容器的重量。
实验用Q-P-T钢由莱芜钢铁股份有限公司熔炼，并最终轧制成12mm的厚板，为了让组织更均匀，我们对钢试样加热到900℃进行了1h的均匀化退火，炉冷至室温后，最终得到实验所用的的厚板退火母材。
通过对设计钢种进行Q-P-T工艺热处理，得到了研究所用的Q-P-T钢。Q-P-T处理工艺具体如下：Q-P-T一步法处理，记为QPT-1：拉伸试样和冲击试样920℃奥氏体化保温300s，然后在330℃盐浴炉内保温90s，最后水冷到室温。Q-P-T两步法处理，记为QPT-2：拉伸试样和冲击试样920℃奥氏体化保温300s，然后在330℃盐浴炉内保温10s，再在425℃盐浴炉内保温90s，最后水冷到室温。
Q-P-T钢的热处理工艺示意图如图1-1所示。其中AT代表奥氏体化温度，QT初始淬火温度，PT(或TT) 代表碳分配温度（或者回火温度），RT为和室温。
作为对比试样，热轧Q235、Q345钢采取正火处理：拉伸试样和冲击试样均900℃完全奥氏体化保温5分钟后空冷到室温。
（a）一步法处理QT=PT=330℃ （b）两步法处理QT=330℃，PT=425℃
图1-1 Q-P-T钢热处理工艺示意图，AT=920℃
所有材料通过热处理后，经过扫描电镜组织观察可以看出，QPT-1钢中的组织与Q235、Q345钢的组织明显不同，其主要以板条状马氏体基体为主，同时含有少量的残余奥氏体，分布于基体马氏体板条间。由于碳分配温度太低，碳分配的效果不明显，此外在碳分配过程中残余奥氏体也可能发生其它相变，因此一步法处理Q&P钢的组织由马氏体和极少量残余奥氏体组成，这是其塑性不高的重要原因。
而QPT-2钢中的组织主要以板条状马氏体基体为主，同时含有少量的残余奥氏体，且残余奥氏体的含量比QPT-1钢一步法的多。因为两步法处理的碳分配温度相比一步法要高，碳分配的效果明显，因此残余奥氏体的含量会比一步法的多，这也是两步法塑性比一步法高的重要原因。
钢经设计Q-P-T工艺处理后的屈服强度和抗拉强度都明显比Q235和Q345高，QPT-1屈服强度达到了1034.42Mpa，抗拉强度也达到了1552.65Mpa，QPT-2屈服强度达到了1041.705Mpa，抗拉强度也达到了1194.11Mpa。QPT-1的延伸率和断面收缩率远低于压力容器标准要求，QPT-2的延伸率和断面收缩则满足标准要求。试样经两步法碳分配90S处理后其屈服强度为1041.705MPa，抗拉强度为1194.11MPa，总延伸率达17%左右。其综合力学性能最佳，组织分析表明其显微组织由板条马氏体基体和适量的残余奥氏体复合组成，这是其具有高强度和高塑性結合的原因。
从冲击实验结果我们得到，两步法得到的Q-P-T钢室温和低温（-40℃）下也具有良好的冲击韧性。Q-P-T一步法得到的室温与低温（-40℃）冲击功比较低。两种钢组织中均存在一定量的氧化铝和二氧化硅夹杂，从而影响钢的塑性和冲击性能。因此，在进行Q-P-T钢的炼制时应尽可能的消除其中的杂质元素。
最后，我们得到的主要结果有：分析了Q-P-T钢组织和性能之间的关系，结果表明Q-P-T钢组织由马氏体基体和马氏体板条间残余奥氏体复合组成，其强度主要取决于组织中马氏体含量，而残余奥氏体则起着提高塑性和韧性的作用。与传统压力容器用钢的Q235和Q345的性能相比，Q&P钢具有高强度和可观的塑性相结合的优秀综合力学性能。
参考文献
[1]. Speer, J.; Matlock, D. K.; De Cooman, B. C., et al., Carbon partitioning into austenite after martensite transformation[J]. Acta Materialia 2003, 51 (9), 2611-2622.
[2]. Matlock, D. K.; Brautigam, V. E.; Speer, J. G. In Application of the quenching and partitioning (Q&P) process to a medium-carbon, high-Si microalloyed bar steel, Materials Science Forum[C], Madrid, 2003; Chandra, T.; Torralba, J. M.; Sakai, T., Eds. Madrid, 2003; pp 1089-1094.
[3]. Speer, J. G.; Matlock, D. K., Recent developments in low-carbon sheet steels[J]. JOM 2002, 54 (7), 19-24.
[4]. 中国机械工程学会热处理专业分会热处理手册编委会, 第一卷., 工艺基础, 机械工业出版社, 北京， 2001
[5] 徐祖耀. 钢热处理的新工艺[D]. 2007.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：压力容器；Q-P-T钢；力学性能；冲击功
压力容器是指工业生产中具有特定工艺功能并能承受一定压力的设备。它的用途十分广泛，在石油化学工业、能源工业、军工等国民经济的各个部门都起着重要作用。
Q&P和Q-P-T钢是一种具有高强度和较高延伸率结合的新钢种，具有较高的屈服强度和抗拉强度，高的应变硬化率和相对较高的高延伸率等特点。本文的主要研究目的是通过改善传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的Q-P-T热处理工艺，在实验室条件下试制新型的压力容器用Q-P-T钢。希望将该Q-P-T钢用在压力容器上，利用其强度高兼有好的塑性的优点，适当减少压力容器的厚度，节约材料，减轻容器的重量。
实验用Q-P-T钢由莱芜钢铁股份有限公司熔炼，并最终轧制成12mm的厚板，为了让组织更均匀，我们对钢试样加热到900℃进行了1h的均匀化退火，炉冷至室温后，最终得到实验所用的的厚板退火母材。
通过对设计钢种进行Q-P-T工艺热处理，得到了研究所用的Q-P-T钢。Q-P-T处理工艺具体如下：Q-P-T一步法处理，记为QPT-1：拉伸试样和冲击试样920℃奥氏体化保温300s，然后在330℃盐浴炉内保温90s，最后水冷到室温。Q-P-T两步法处理，记为QPT-2：拉伸试样和冲击试样920℃奥氏体化保温300s，然后在330℃盐浴炉内保温10s，再在425℃盐浴炉内保温90s，最后水冷到室温。
Q-P-T钢的热处理工艺示意图如图1-1所示。其中AT代表奥氏体化温度，QT初始淬火温度，PT(或TT) 代表碳分配温度（或者回火温度），RT为和室温。
作为对比试样，热轧Q235、Q345钢采取正火处理：拉伸试样和冲击试样均900℃完全奥氏体化保温5分钟后空冷到室温。
（a）一步法处理QT=PT=330℃ （b）两步法处理QT=330℃，PT=425℃
图1-1 Q-P-T钢热处理工艺示意图，AT=920℃
所有材料通过热处理后，经过扫描电镜组织观察可以看出，QPT-1钢中的组织与Q235、Q345钢的组织明显不同，其主要以板条状马氏体基体为主，同时含有少量的残余奥氏体，分布于基体马氏体板条间。由于碳分配温度太低，碳分配的效果不明显，此外在碳分配过程中残余奥氏体也可能发生其它相变，因此一步法处理Q&P钢的组织由马氏体和极少量残余奥氏体组成，这是其塑性不高的重要原因。
而QPT-2钢中的组织主要以板条状马氏体基体为主，同时含有少量的残余奥氏体，且残余奥氏体的含量比QPT-1钢一步法的多。因为两步法处理的碳分配温度相比一步法要高，碳分配的效果明显，因此残余奥氏体的含量会比一步法的多，这也是两步法塑性比一步法高的重要原因。
钢经设计Q-P-T工艺处理后的屈服强度和抗拉强度都明显比Q235和Q345高，QPT-1屈服强度达到了1034.42Mpa，抗拉强度也达到了1552.65Mpa，QPT-2屈服强度达到了1041.705Mpa，抗拉强度也达到了1194.11Mpa。QPT-1的延伸率和断面收缩率远低于压力容器标准要求，QPT-2的延伸率和断面收缩则满足标准要求。试样经两步法碳分配90S处理后其屈服强度为1041.705MPa，抗拉强度为1194.11MPa，总延伸率达17%左右。其综合力学性能最佳，组织分析表明其显微组织由板条马氏体基体和适量的残余奥氏体复合组成，这是其具有高强度和高塑性結合的原因。
从冲击实验结果我们得到，两步法得到的Q-P-T钢室温和低温（-40℃）下也具有良好的冲击韧性。Q-P-T一步法得到的室温与低温（-40℃）冲击功比较低。两种钢组织中均存在一定量的氧化铝和二氧化硅夹杂，从而影响钢的塑性和冲击性能。因此，在进行Q-P-T钢的炼制时应尽可能的消除其中的杂质元素。
最后，我们得到的主要结果有：分析了Q-P-T钢组织和性能之间的关系，结果表明Q-P-T钢组织由马氏体基体和马氏体板条间残余奥氏体复合组成，其强度主要取决于组织中马氏体含量，而残余奥氏体则起着提高塑性和韧性的作用。与传统压力容器用钢的Q235和Q345的性能相比，Q&P钢具有高强度和可观的塑性相结合的优秀综合力学性能。
参考文献
[1]. Speer, J.; Matlock, D. K.; De Cooman, B. C., et al., Carbon partitioning into austenite after martensite transformation[J]. Acta Materialia 2003, 51 (9), 2611-2622.
[2]. Matlock, D. K.; Brautigam, V. E.; Speer, J. G. In Application of the quenching and partitioning (Q&P) process to a medium-carbon, high-Si microalloyed bar steel, Materials Science Forum[C], Madrid, 2003; Chandra, T.; Torralba, J. M.; Sakai, T., Eds. Madrid, 2003; pp 1089-1094.
[3]. Speer, J. G.; Matlock, D. K., Recent developments in low-carbon sheet steels[J]. JOM 2002, 54 (7), 19-24.
[4]. 中国机械工程学会热处理专业分会热处理手册编委会, 第一卷., 工艺基础, 机械工业出版社, 北京， 2001
[5] 徐祖耀. 钢热处理的新工艺[D]. 2007.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。