閆強(qiáng)軍 溫長(zhǎng)飛 姜在偉 張儀杰 鄧想濤

(1.南京鋼鐵股份有限公司中厚板廠，江蘇 南京 210035；2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

近年來(lái)，工程機(jī)械和礦山機(jī)械等行業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的需求日益增大，對(duì)鋼板強(qiáng)度級(jí)別的要求也在不斷提高[1- 3]。應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對(duì)提高工程機(jī)械裝備的載荷能力、延長(zhǎng)使用壽命、減重和降低能耗都具有十分重要的意義。目前，屈服強(qiáng)度900 MPa以上的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要通過(guò)低碳低合金的成分體系，充分發(fā)揮微合金元素(Nb、V和Ti)的作用，結(jié)合控軋控冷技術(shù)(TMCP)和調(diào)質(zhì)處理來(lái)獲得所需要的高強(qiáng)度、良好韌性和焊接性能[4- 6]。對(duì)于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，淬火溫度的選擇至關(guān)重要，溫度太低則奧氏體化不完全，太高則會(huì)造成奧氏體晶粒的粗化，對(duì)材料的綜合性能不利；加熱時(shí)間也會(huì)對(duì)鋼的奧氏體化過(guò)程產(chǎn)生影響，加熱時(shí)間短，奧氏體成分不均勻，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能源消耗增多，生產(chǎn)效率降低，制造成本增加[7- 9]。因此，本文以屈服強(qiáng)度為1 100 MPa級(jí)的超高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼為研究對(duì)象，研究淬火工藝參數(shù)(溫度和時(shí)間)對(duì)試驗(yàn)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，從而確定能夠獲得最佳綜合力學(xué)性能的淬火工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鋼為厚度8 mm的Q1100熱軋鋼板，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C0.17～0.20，Si 0.20～0.30，Mn 0.80～1.20，P≤0.010，S≤0.005，Cr 0.40～0.60，Ni+Mo<2.0，Nb+V+Ti<0.08，B 0.001～0.002，F(xiàn)e余量。利用全自動(dòng)相變儀，參照GB/T 5056—1985 鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定方法，采用熱膨脹法測(cè)定試驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)。將試樣加工成φ3 mm×10 mm的圓柱試樣，并在試樣的一端加工出φ2 mm×2 mm的盲孔，作為測(cè)溫?zé)犭娕嫉牟蹇?，用焊在插孔底部的鉑- 銠熱電偶測(cè)量溫度。以0.05 ℃/s的速率從室溫加熱到950 ℃，保溫5 min后以50 ℃/s的速率冷卻至室溫。根據(jù)膨脹法測(cè)定試驗(yàn)鋼的平衡相變溫度Ac1和Ac3分別為675和814 ℃，Ms和Mf分別為411和310 ℃。在箱式電阻爐中對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行加熱，根據(jù)Ac3設(shè)定淬火加熱溫度區(qū)間為840～900 ℃，溫度間隔為20 ℃，保溫時(shí)間為5～45 min，水淬至室溫后，再對(duì)鋼板進(jìn)行230 ℃回火。

采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和INSTRON 9250落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同工藝淬火的鋼板的橫向室溫拉伸性能和縱向-40 ℃低溫沖擊韌性。沿鋼板橫剖面(垂直于軋制方向)截取金相試樣，試樣經(jīng)研磨和拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，然后在LEICA DMIRM光學(xué)顯微鏡(OM)和FEI Quanta600掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察試驗(yàn)鋼的顯微組織；采用雙噴電解減薄方法制取透射薄膜試樣，電解液采用體積分?jǐn)?shù)9%的高氯酸酒精溶液，通過(guò)FEI- Tecnai G2 F20透射電鏡(TEM)觀察試樣的精細(xì)組織；將金相試樣重新拋光后用70 ℃的飽和苦味酸水溶液腐蝕出原始奧氏體晶界，然后采用截線法統(tǒng)計(jì)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的原始奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖1所示，熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體，原奧氏體晶粒經(jīng)兩階段控軋后明顯被拉長(zhǎng)。

圖1 熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼的(a)OM和(b)SEM照片F(xiàn)ig.1 (a) OM和 (b) SEM micrographs of hot- rolled test steel

經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖2和圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼的淬火組織均為典型的板條馬氏體，板條形貌在光學(xué)顯微鏡下較難分辨，經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的光學(xué)顯微組織無(wú)明顯差異。由于低碳鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms和終止溫度Mf都較高，因此試驗(yàn)鋼經(jīng)水淬后即可得到全馬氏體組織，不會(huì)出現(xiàn)明顯的殘留奧氏體。由圖3可以看出，通過(guò)SEM能夠清晰地分辨出不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼中的馬氏體板條束和板條尺寸，但板條的形貌仍難以辨別。此外可以看出，840和860 ℃淬火的試驗(yàn)鋼中的馬氏體板條束尺寸明顯要小于880和900 ℃淬火的(圖3(a、d))。

試驗(yàn)鋼淬火后的TEM照片如圖4所示，可見其組織主要由高位錯(cuò)密度的馬氏體板條構(gòu)成，板條寬度為200 nm左右。此外，馬氏體板條內(nèi)部分布著方向各異的ε碳化物，長(zhǎng)度為100 nm左右，這主要是由于試驗(yàn)鋼的Ms點(diǎn)高達(dá)411 ℃，因此在淬火過(guò)程中必然會(huì)發(fā)生一定程度的自回火，從而促使部分碳化物的形成。

圖2 經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of the test steel quenched from different temperatures

圖3 經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的SEM照片 Fig.3 SEM micrographs of the test steel quenched from different temperatures

圖4 淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM micrographs of as- quenched test steel

2.2 原始奧氏體晶粒

經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的原始奧氏體晶粒及其平均晶粒尺寸分別如圖5和圖6所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，淬火溫度為840 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸最小。隨著淬火溫度的升高，晶粒緩慢長(zhǎng)大，當(dāng)淬火溫度進(jìn)一步升至900 ℃時(shí)， 奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大，較840 ℃時(shí)的奧氏體平均晶粒尺寸增大了約4.5 μm。當(dāng)淬火溫度較低時(shí)，微合金元素(Nb、V)的碳- 氮化物釘扎原始奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，所以?shī)W氏體晶粒長(zhǎng)大速度相對(duì)緩慢。隨著淬火溫度的升高，尤其當(dāng)溫度升高到900 ℃時(shí)，微合金元素(主要是V)的碳化物由于固溶到奧氏體中從而使釘扎奧氏體晶界的作用減弱，所以該溫度下奧氏體晶粒長(zhǎng)大比較明顯。

圖5 經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的原奧氏體晶粒形貌Fig.5 Morphologies of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

圖6 經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的平均奧氏體晶粒尺寸Fig.6 Average sizes of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

相關(guān)研究表明[10- 12]，對(duì)于板條馬氏體鋼，馬氏體板條束(packet)和板條塊(block)的尺寸與原始奧氏體晶粒尺寸呈線性關(guān)系，板條束尺寸隨著原始奧氏體晶粒尺寸的減小而減小，屈服強(qiáng)度和沖擊韌性均隨著板條束尺寸的減小而增大，因此板條束尺寸是控制板條馬氏體鋼強(qiáng)韌性的重要組織因素。

2.3 力學(xué)性能

經(jīng)不同溫度淬火的試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著淬火溫度的升高，屈服強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)?40 ℃淬火的鋼的奧氏體平均晶粒尺寸最小，進(jìn)而得到尺寸較小的馬氏體板條束，根據(jù)霍爾佩奇公式σs=σ0+kd-1/2，細(xì)化晶粒能夠提高屈服強(qiáng)度，對(duì)于板條馬氏體鋼，d代表板條束的尺寸。淬火溫度相同，隨著保溫時(shí)間的增加，屈服強(qiáng)度先升高后下降，在保溫時(shí)間為15 min時(shí)，屈服強(qiáng)度基本達(dá)到最高值(見圖7a)。隨著淬火加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的增加，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率均不斷降低，且當(dāng)保溫時(shí)間少于15 min時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率較高，隨后繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，斷后伸長(zhǎng)率的變化不明顯(見圖7b)。分析認(rèn)為，這是由于保溫時(shí)間較短時(shí)晶粒比較細(xì)小，可以在更多的晶粒內(nèi)開動(dòng)位錯(cuò)和增殖位錯(cuò)， 即細(xì)小的晶粒能使塑性變形更均勻，減小不均勻變形造成的應(yīng)力集中，從而得到較高的塑性。隨著淬火溫度的升高和保溫時(shí)間的增加，試驗(yàn)鋼的低溫沖擊韌性先升高后降低，并且在較高淬火溫度(900 ℃)和較長(zhǎng)保溫時(shí)間(45 min)時(shí)，沖擊吸收能量下降得更為明顯。當(dāng)淬火溫度為860 ℃、保溫時(shí)間為10 min時(shí)，試驗(yàn)鋼的韌性最佳。

圖7 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of quenching processes on mechanical properties of the test steel

從強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)看，當(dāng)淬火溫度為840 ℃、加熱時(shí)間15 min時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度最高，雖然獲得最佳沖擊韌性的加熱時(shí)間為10 min，但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，此時(shí)的沖擊吸收能量較屈服強(qiáng)度有更多的富余值，所以應(yīng)優(yōu)先考慮強(qiáng)度指標(biāo)。為得到優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，8 mm厚Q1100試驗(yàn)鋼板的最佳淬火工藝為840～860 ℃加熱，保溫10～15 min。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)淬火溫度由840 ℃增加到900 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的奧氏體平均晶粒尺寸由9 μm增加到12.5 μm。

(2)隨著淬火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均逐漸降低，而低溫沖擊韌性則先升高后降低；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性先升高后降低，而斷后伸長(zhǎng)率降低到一定程度后基本保持不變。

(3)淬火工藝為840～860 ℃加熱、保溫10～15 min時(shí)，試驗(yàn)鋼能夠獲得最優(yōu)的強(qiáng)韌性。