微合金低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧性、焊接性能优良的新一代钢种 ,主要应用在工程机械、造船和石油天然气输送管线等行业 ,由于该钢种高的强度和优异的低温韧性 ,引起世界各国研究者的瞩目<1 > 。低碳贝氏体钢主要分为两大类 :一类是以美国和加拿大为代表的Fe Cu Nb B系列 ,另一类是以日本为代表的Fe Mn Nb B系列。此类钢大幅减少了碳的含量 ,钢的强度不再依赖碳的含量 ,而是以贝氏体基体组织中的位错强化、微合金钢经控轧控冷后组织细化强化及V、Nb、Ti微合金元素的析出强化和ε Cu沉淀强化为主 ,从而使该类钢强韧性匹配极佳 ,尤其是焊接性能较传统的HY系列等钢种有了大幅度提高<2 > ,在 0℃以上不需进行预热和焊后热处理 ,所以制造和维修成本都得到降低。通过采取不同的冷却工艺 ,可以改变微合金低碳贝氏体钢中相变产物的类型、各相变组织的比例、组织细化等 ,从而改善钢的性能。本文主要是通过研究不同的回火温度对高强低碳贝氏体组织性能的影响 ,从而确定最佳的生产工艺。1 试验材料和方法1 1 试验材料实验用钢是在北京科技大学高温冶炼实验室真空感应电炉上冶炼的。其主要化学成分见表 1。表 1 实验用钢的化学成分 (wt%)Table 1 Chemicalcompositionoftestedsteel (wt%)CSiMnPSTiNbCuNiMoB0 0 580 4 0 1 4 10 0 10 0 0 0 4 80 0 80 0 4 80 4 50 310 2 10 0 0 501 2 试轧工艺及冷却制度将钢锭热锻成 80mm× 90mm× 1 1 0mm热轧坯 ,在二辊实验轧机上进行了轧制实验 ,经过 8道次轧制成厚 1 2mm的板。根据实验钢化学成分特点 ,将加热温度确定为 1 2 5 0℃ ,保温时间为 1h。将钢板的轧制分两个阶段进行 ,开轧温度为 1 1 2 0℃ ,高温阶段轧制温度控制在 1 0 0 0℃以上 ,目的是通过轧制道次之间的反复再结晶充分细化奥氏体组织。低温阶段的轧制控制在 95 0℃以下轧制 ,控制在 95 0℃以下 ,目的是通过未再结晶区内的变形 ,使相变时的形核位置增加 ,非再结晶区累积变形量要求大于 6 0 %,该钢种终轧温度为 85 0℃ ,采取驰豫析出控制相变工艺 ,轧后空冷到 75 0℃ ,然后油淬至室温 ,油淬的冷却速度为1 1℃ s。1 3 热处理工艺轧制后的试样进行热处理 ,将试样分别加热至要求的温度 (40 0℃、5 0 0℃、5 5 0℃、6 0 0℃和 6 5 0℃ ) ,保温1h ,然后空冷至室温。2 试验结果及分析2 1 热处理前后的力学性能根据GB T2 2 8 2 0 0 2要求 ,将热处理前后的试样 ,在MTS81 0试验机上对力学性能进行了测试。其试验结果见表 2。表 2 热处理前后轧制试样的力学性能Table 2 Mechanicalpropertiesofas receivedandheat treatedplatesSpecimenNo Temperingtemperature ℃ σs MPaσb MPaδ5 %σs σbNo 1— 687 891 2 1 33 0 77No 2 4 0 0 70 0 836 1 6 0 0 0 84No 3 50 0 71 3 796 1 9 33 0 90No 4 550 774 845 2 0 670 92No 5 60 0 81 4 864 2 3 0 0 0 94No 6 650 80 0 840 1 9 670 95不同热处理温度对力学性能的影响见图 1。图 1 热处理温度对 70 0MPa级贝氏体钢性能的影响Fig.1 Effectoftemperingtemperatureonpropertiesof70 0MPagradebainiticsteel从图 1中可以看出 ,不同的热处理温度对钢的力学性能有明显的影响。轧后未经热处理时 ,此钢的屈服强度、抗拉强度分别为 6 87MPa和 891MPa ,伸长率为 2 1 33%;热处理温度 4 0 0℃、保温 1h后 ,屈服强度提高到 70 0MPa ,抗拉强度有所降低 ,而伸长率却下降至 1 6 0 0 %;当热处理温度为 5 0 0℃时 ,屈服强度上升至 71 3MPa ,比未热处理的试样提高了 2 6MPa ,但抗拉强度却比未热处理试样下降了 95MPa ,伸长率略有提高 ,达到 1 9 33%;当热处理温度为 5 5 0℃时 ,钢的屈服强度为 774MPa ,抗拉强度为 84 5MPa ,伸长率与未热处理的试样差别不大 ;当热处理温度为 6 0 0℃时 ,钢的屈服强度与抗拉强度都达到了最大值 ,此时屈服强度为 81 4MPa ,比未经热处理的试样提高了 1 2 7MPa ,抗拉强度为 86 4MPa ,比未经热处理的试样略有降低 ,伸长率略有提高 ;当热处理温度为 6 5 0℃时 ,屈服强度与抗拉强度比热处理温度为 6 0 0℃时的试样有所降低。从图 1还可以看出 ,热处理温度对钢的屈服强度的影响更为明显 ,而对抗拉强度的影响相对较小 ,伸长率随热处理温度的变化规律较为复杂 ,温度为6 0 0℃时的伸长率最高 ,达到 2 3%;热处理温度 4 0 0℃时 ,伸长率最低 ,为 1 6 0 0 %,同时随着热处理温度的增加 ,屈强比提高。2 2 热处理前后轧制试样的显微组织热处理前后轧制试样的显微组织见图 2。从图 2可以看出 ,将油淬后的试样分别加热至5 0 0℃、6 0 0℃和 6 5 0℃ ,保温 1h后 ,微合金低碳贝氏体钢组织发生的变化。未经热处理时 ,钢的轧态组织为粒状贝氏体和细小板条贝氏体的混合组织 ;经 5 0 0℃的热处理后 ,从图 2 (b)中看到 ,虽然仍有少量细小的板条贝氏体组织存在 ,但多数贝氏体组织的板条宽度有了明显的增加 ,原贝氏体板条束部分已合并在一起 ;如果热处理温度提高到 6 0 0℃和 6 5 0℃ ,如图 2(c)、(d)所示 ,钢中出现了明显的准多边形铁素体组织 ,并且残余奥氏体小岛也发生了较明显的分解 ,如图 2 (d)所示 ,准多边形铁素体量约 2 0 %,在钢板内出现的各种组织中 ,准多边形的铁素体组织最稳定 ,其次为粒状贝氏体组织 ,而板条状贝氏体组织最不稳定 ,组织演变的终点应该为平衡态组织—多边形铁素体。从实验中看出 ,经过温度 6 5 0℃、1h的保温后 ,钢板的显微组织仍然难以达到平衡态组织 ,这说明由于所研究钢轧态组织中板条贝氏体内的位错密度较高 ,且大量细小的析出相粒子 (包括 (Nb ,Ti) (C ,N)粒子和ε Cu粒子 )在位错上析出会钉扎位错 ,从而会阻碍回复过程 ,随着回火温度的提高 ,准多边形铁素体量增加 ,其强度非但没有降低而是提高 ,主要原因是析出相粒子的析出强化。2 3 轧制试样热处理前后的析出物采用TMCP和驰豫析出控制相变 (RPC)工艺生产微合金高强度低碳贝氏体钢 ,能够实现贝氏体组织的细化 ,在这种工艺中 ,微量元素Nb、Ti等除起到阻碍奥氏体再结晶和析出强化等作用外 ,还起到了特殊的作用 ,在驰豫阶段大量变形位错会发生回复和重新排列 ,形成大量细小的多边形位错胞结构 ,由于Nb、Ti原子在位错墙上的偏聚以及大量细小的碳、氮化物在胞壁上的析出 ,从而稳定了这种有一定取向差的多边形胞状组织 ,这种胞状结构实际起到了细化奥氏体晶粒的作用<3 > 。同时 ,冷却过程中 ,当变形晶粒内存在有较大颗粒的析出时 ,钢材在冷却到板条贝氏体形成图 2 不同热处理温度的钢板显微组织Fig.2 Microstructureofplates heattreatedatdifferenttemperatures(a)microstructureofrolledplate;(b) 5 0 0℃ ;(c) 6 0 0℃ ;(d) 6 5 0℃图 3 热处理前后轧制试样的析出物形貌Fig.3 TEMimagesshowingthemorphologyofdifferentprecipitatesintheas receivedandheat treatedsteel(a)as received ;(b) (c) 6 0 0℃ ;(d)diffractionpatternofprecipitatesin(c)之前 ,会在这些析出物上先形成针状铁素体或条带状贝氏体 ,由于这些针状或条状组织的形成 ,事先分割了原始变形奥氏体组织 ,这种针状或条状组织把其两侧后续生成的板条贝氏体束切割成不同的部分 ,大大细化了贝氏体板条束<4> 。另外 ,轧制及冷却过程中析出的细小的Nb、Ti元素的碳氮化物 ,将位错钉扎 ,保证了微合金化贝氏体钢组织的回火稳定性。微合金元素在奥氏体中的析出过程一般包括微合金元素的偏聚和析出相的形核、长大、粗化四个阶段。采用金属薄膜试样 ,在H80 0透射电镜下对未热处理的轧制试样中的析出物形貌进行了分析。从薄膜试样中可清晰地看到形状不太规则的析出物 ,其尺寸在 4 0～ 6 0nm之间 ,如图 3(a)所示 ,箭头所指的析出物尺寸约 6 0nm ,能谱分析结果表明 ,该析出物为(Nb ,Ti) (C ,N)。对经过 6 0 0℃、保温 1h热处理后试样的析出物进行分析 ,如图 3(b) (c)所示。从图 3(b)可看出 ,除原有尺寸较大的 (Nb ,Ti) (C ,N)外 ,出现了更为细小的球点状析出物 ,这些析出物
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