回火溫度對(duì)800MPa級(jí)低碳貝氏體鋼組織及性能的影響

孔德南 劉艷玲 齊樂 魏玉芝 周茂奇

( 安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

低碳貝氏體鋼是一種具有強(qiáng)度高、韌性好、良好的加工性能和焊接性能的鋼種。采用TMCP 工藝生產(chǎn)的800 MPa 級(jí)低碳貝氏體鋼，為了更好的消除應(yīng)力和得到優(yōu)良的綜合性能，采用回火處理。軋制后的熱處理工藝對(duì)800 MPa 低碳貝氏體鋼的組織類型、組織比例、組織細(xì)化程度及第二相粒子的析出行為具有很大影響，回火溫度對(duì)材料的組織及性能至關(guān)重要。為此，筆者就不同回火溫度對(duì)Mn －Mo －Nb－B 系800 MPa 級(jí)低碳貝氏體鋼的強(qiáng)塑性、韌性及顯微組織的影響進(jìn)行了分析探討。

1 試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)材料

為了能確定回火溫度對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響，試驗(yàn)材料選取TMCP 工藝軋制后強(qiáng)度相對(duì)適中而沖擊韌性較低的材料，進(jìn)行不同溫度的回火試驗(yàn)，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分見表1。回火處理前試驗(yàn)材料的力學(xué)性能見表2。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 wt%

表2 試驗(yàn)材料TMCP 工藝軋制后的性能

1．2 工藝路線

試驗(yàn)材料所采用的工藝流程: 鐵水預(yù)處理→復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 爐→板坯連鑄→3500 mm 爐卷軋機(jī)→熱處理生產(chǎn)線。

1．3 試驗(yàn)方法

回火試驗(yàn)在輥底式無氧化熱處理爐中進(jìn)行，熱處理加熱系數(shù)K =3，加熱溫度偏差控制在±5 ℃。試驗(yàn)材料分別進(jìn)行400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃等不同溫度的回火處理，然后分別進(jìn)行力學(xué)性能及金相組織檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)鋼經(jīng)過不同溫度的回火處理后，其性能出現(xiàn)了較大差異，回火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼強(qiáng)塑性及韌性的影響如圖1、圖2 所示。

圖1 回火溫度對(duì)強(qiáng)塑性的影響

圖2 回火溫度對(duì)韌性的影響

由圖1 可以看出，回火溫度在400 ℃～550 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度在750 MPa ～760 MPa 之間，基本沒有多大變化，隨著回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度逐漸降低。抗拉強(qiáng)度在400 ℃回火時(shí)基本不變，在500 ℃～550 ℃回火時(shí)抗拉強(qiáng)度下降到820 MPa 左右，下降了40 MPa，隨著回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度急劇下降，其下降幅度明顯大于屈服強(qiáng)度的下降趨勢(shì)。

由圖2 可以看出，沖擊韌性隨回火溫度的升高，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，沖擊韌性在550 ℃左右達(dá)到最高值。

2．2 回火溫度對(duì)顯微組織的影響

為進(jìn)一步了解回火溫度對(duì)800 MPa 級(jí)低碳貝氏體鋼性能的影響，利用ZEISS Observer A1m 金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)鋼軋制態(tài)及回火后熱處理態(tài)試樣進(jìn)行顯微組織觀察，軋態(tài)及不同回火溫度的顯微組織如圖3 所示。

圖3 不同回火溫度下的顯微組織

由圖3 可以看出，軋制態(tài)試樣的顯微組織為在壓扁的原始奧氏體晶粒內(nèi)部形成的板條貝氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織，原始奧氏體界清晰可見，在一個(gè)原始奧氏體晶粒內(nèi)可將明顯的分區(qū)現(xiàn)象，各個(gè)分區(qū)的邊界明顯，板條貝氏體的板條方向一致，相互平行，貝氏體束的尺寸較大，板條較長。經(jīng)400 ℃回火處理后，顯微組織仍為板條貝氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織，組織沒有根本性轉(zhuǎn)變，只是貝氏體鐵素體板條略微粗化;回火溫度為500 ℃時(shí)，部分板條貝氏體的板條束開始合并，并有部分板條轉(zhuǎn)換成粒狀貝氏體;550 ℃回火時(shí)，板條貝氏體束進(jìn)一步合并，數(shù)量減少，粒狀貝氏體含量增加，并開始出現(xiàn)多邊形鐵素體;600 ℃回火時(shí)，板條貝氏體束開始消失，大角度晶粒減少，晶粒變大;650 ℃回火時(shí)，較大的粒狀貝氏體較多，晶粒相對(duì)粗大。

3 討論

資料［1］顯示，低碳貝氏體鋼的軋制態(tài)組織為中溫轉(zhuǎn)變的微米及亞微米級(jí)貝氏體組織，尤其是板條貝氏體，這種組織本身是一種亞穩(wěn)組織，具有自發(fā)向平衡態(tài)組織及多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變的傾向。然而從系列回火溫度的顯微組織顯示，經(jīng)回火處理后仍然難以變成平衡態(tài)組織，這主要是由于低碳貝氏體鋼軋態(tài)組織中的板條貝氏體內(nèi)的位錯(cuò)密度較高，且鋼中含有的微合金Nb、Ti 等在軋制及回火處理過程中會(huì)形成大量細(xì)小的第二相粒子，這些細(xì)小彌散的析出粒子會(huì)釘扎位錯(cuò)，從而阻礙亞穩(wěn)態(tài)組織向平衡組織的轉(zhuǎn)變。一般認(rèn)為，鋼中形成多相組織的混合組織對(duì)獲得強(qiáng)韌性良好的綜合性能較為有利。從試驗(yàn)結(jié)果來看，回火溫度在500 ℃～550 ℃時(shí)的綜合性能最好，強(qiáng)度較軋制態(tài)略有下降，而沖擊韌性卻有大幅度提高。這主要是在500 ℃～550 ℃回火時(shí)，相變位錯(cuò)首先發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度下降，固溶強(qiáng)化作用減弱，微細(xì)板條狀貝氏體組織在回火過程中，板條內(nèi)部分位錯(cuò)消失，大部分位錯(cuò)形成胞狀結(jié)構(gòu)，貝氏體板條展寬，板條間發(fā)生合并，并形成多邊形鐵素體［2］，造成強(qiáng)度降低。但回火時(shí)原有混亂狀態(tài)存在的位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)的重組形成有一定取向差的亞結(jié)構(gòu)，使有效晶粒尺寸變小，同時(shí)有細(xì)小的第二相粒子大量析出，M/A 島分解細(xì)化，以及多邊形鐵素體的比例增加，沖擊韌性得到大幅度提高。但隨著回火溫度的增高，一方面碳氮化物析出粒子逐漸長大，并粗化，位錯(cuò)開始脫離析出物的釘扎，因而使位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化效果明顯減弱，同時(shí)貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發(fā)生合并，形成多邊形鐵素體，因此強(qiáng)度隨之下降。另一方面殘余奧氏體大量分解［3］、大角度晶界減少、有效晶粒尺寸變大等，導(dǎo)致強(qiáng)度和沖擊韌性都大幅度降低。因此只有采用合理的回火工藝，才能獲得良好的綜合性能。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同回火溫度得到的顯微組織及力學(xué)性能的研究分析，得出:

1) 回火溫度對(duì)800 MPa 級(jí)低碳貝氏體鋼的顯微組織和性能有著顯著的影響。回火溫度過低時(shí)，雖然強(qiáng)度變化幅度較小，但沖擊韌性不能得到有效改善。而回火溫度過高時(shí)，強(qiáng)度大幅度下降，同時(shí)沖擊韌性也得不到改善。

2) 就試驗(yàn)鋼的成分體系而言，回火溫度采用500 ℃～550 ℃回火，可以得到良好的綜合性能。

［1］王克魯，魯世強(qiáng)，陳慶軍，等．回火溫度對(duì)熱軋低碳貝氏體鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］．機(jī)械工程材料，2009，33(5): 9－11．

［2］賀信萊，尚成嘉，楊善武，等．高性能低碳貝氏體鋼［M］． 北京:冶金工業(yè)出版社，2008:191 －193．

［3］彭金明，羅毅，汪宏斌，等．回火溫度和時(shí)間對(duì)貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的影響［J］．上海金屬，2009，31(3) :16 －19．