正火處理對(duì)新型低溫鋼組織和力學(xué)性能的影響*

侯志國(guó)，劉希琴，劉子利，周雙雙，田青超

（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

作為性能優(yōu)異的低溫鋼材料，奧氏體不銹鋼的鎳合金元素含量較高；因此其成本昂貴且主要應(yīng)用于接近-196°C的深低溫工作環(huán)境中［1-4］。隨著極寒地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)用鋼、工程機(jī)械用鋼的迅速發(fā)展和海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)的持續(xù)加強(qiáng)，開(kāi)發(fā)低成本、低溫用結(jié)構(gòu)鋼成為鋼鐵材料研發(fā)的重點(diǎn)［5-6］。微合金化和控軋控冷（TMCP）細(xì)晶制備技術(shù)是開(kāi)發(fā)低成本、低溫用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的重要手段［7-12］。寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼股份）嘗試采用TMCP工藝開(kāi)發(fā)出滿足英國(guó)BS EN 10210-1—2006《非合金和細(xì)晶粒鋼熱軋結(jié)構(gòu)鋼管（空心管材）第1部分交貨技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的新型熱軋細(xì)晶粒低溫低合金鋼板。TMCP工藝?yán)眯巫兒拖嘧儚?qiáng)化來(lái)改善鋼材性能，但是采用TMCP工藝生產(chǎn)的厚鋼板，其組織不均勻、性能波動(dòng)大，因此進(jìn)行軋后熱處理是必不可少的環(huán)節(jié)［13］。本文主要研究正火處理對(duì)新型高性能低溫鋼組織、力學(xué)性能及斷裂機(jī)理的影響。

1 試驗(yàn)方法

采用寶鋼股份開(kāi)發(fā)的TMCP新型低溫低合金鋼（簡(jiǎn)稱TMCP試樣）進(jìn)行試驗(yàn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。參照文獻(xiàn)［14］提出的合金元素對(duì)Fe-Fe3C平衡相圖中下臨界溫度AC1和上臨界溫度AC3影響的關(guān)系式（1）和（2），可得出該低溫鋼的奧氏體化轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度AC1和結(jié)束溫度AC3分別為715，845℃。

表1 寶鋼股份新型低溫鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)中采用三階段控制軋制（即奧氏體再結(jié)晶區(qū)和奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制，以及在鐵素體+奧氏體兩相區(qū)追加一道次變形）和控制冷卻工藝（以1～10℃/s的冷卻速度冷卻到600～650℃）來(lái)制備試驗(yàn)鋼。軋制控制參數(shù)為：開(kāi)軋溫度1 200℃，終軋溫度900℃，單道次壓下量∧8%。

正火處理試驗(yàn)分為兩相區(qū)不完全正火和完全正火處理。將試樣放入SXL-1200試驗(yàn)電爐中，分別加熱到770，830，860，920，1 000℃并保溫1 h，隨后空冷至室溫。

采用CMT-5105拉伸試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試室溫下TMCP試樣和正火處理試樣的拉伸性能。采用JB-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試-20，-50℃下TMCP試樣和正火處理試樣的沖擊性能，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量垂直于沖擊方向上斷面的寬度。通過(guò)選取3組平行試樣進(jìn)行測(cè)試并取平均值，以獲得試樣的拉伸性能和沖擊性能。采用XJ-16A光學(xué)顯微鏡觀察TMCP試樣和正火處理試樣的顯微組織，采用直線截距法測(cè)量鐵素體晶粒的平均尺寸，以確定其晶粒等級(jí)。采用Canon A620數(shù)碼照相機(jī)對(duì)經(jīng)超聲波清洗后的沖擊斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察。采用S-4800掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口微觀形貌，并配合能譜（EDS）分析確定夾雜物顆粒成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 TMCP試樣的力學(xué)性能

TMCP試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為625，780 MPa，屈強(qiáng)比為0.8，斷后伸長(zhǎng)率為20%。鋼的屈強(qiáng)比高，則其變形時(shí)塑性變形的儲(chǔ)備能力差，應(yīng)力集中部位的應(yīng)力再分配能力低，容易產(chǎn)生脆性斷裂［15-16］。圖1所示為T(mén)MCP試驗(yàn)鋼板不同部位3組平行試樣的夏比V型缺口沖擊吸收功。從圖1可看出：不同TMCP試樣的沖擊性能波動(dòng)較大。這是因?yàn)榭乩潆A段的冷卻速度較快，不同部位所取試樣的冷卻速度不同；因此其終態(tài)組織與內(nèi)應(yīng)力存在差異［17］。在-20，-50℃下，TMCP試樣的夏比V型缺口沖擊吸收功平均值分別為18，10 J；試樣低溫沖擊韌性較差，脆性敏感。

圖1 TMCP試樣鋼板不同部位3組平行試樣的夏比V型缺口沖擊吸收功

2.1.2 正火處理對(duì)TMCP試樣力學(xué)性能的影響

圖2所示為不同溫度下正火處理試樣的力學(xué)性能。由圖2（a）可知：正火處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均小于TMCP試樣。當(dāng)正火溫度低于830℃時(shí)，不完全正火處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨正火溫度的增加而降低；當(dāng)正火溫度高于830℃時(shí)，完全正火處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨正火溫度的增加而提高；而斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律與強(qiáng)度相反。其中，不完全正火處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在830℃達(dá)到最小值，分別為400，677 MPa，相比于TMCP試樣分別下降了36%、14%，而斷后伸長(zhǎng)率則達(dá)到最大值22%。由圖2（b）可知：當(dāng)正火溫度低于860℃時(shí)，正火處理試樣在-20，-50℃下的夏比V型缺口沖擊吸收功均隨正火溫度的增加而提高；當(dāng)正火溫度高于860℃時(shí)，正火處理試樣的沖擊吸收功則隨正火溫度的升高而降低。由此可知：860℃完全正火處理試樣的低溫沖擊性能最佳，在-20，-50℃下夏比V型缺口沖擊吸收功分別為60，38 J，相比于TMCP試樣約提高了2倍；920℃完全正火處理試樣的綜合力學(xué)性能最佳，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率分別為480 MPa、740 MPa、20.5%，在-20，-50℃下夏比V型缺口沖擊吸收功分別為45，30 J。

圖2 不同溫度下正火處理試樣的力學(xué)性能

2.2 組織分析

2.2.1 TMCP試樣的顯微組織

圖3所示為T(mén)MCP試樣的顯微組織。其中，白色區(qū)域?yàn)殍F素體，分為條狀鐵素體和少量針狀鐵素體；黑色區(qū)域?yàn)樗魇象w。條狀鐵素體板條粗大，晶界清晰；針狀鐵素體不規(guī)則，晶界模糊，無(wú)完整連續(xù)晶界，粒度大小不一。試樣開(kāi)軋溫度為1 200℃，總加熱時(shí)間為50～60 min，加熱階段會(huì)出現(xiàn)超溫、超時(shí)，奧氏體晶粒粗大，晶界面積減小，為針狀鐵素體的切變形核提供了較大的相變驅(qū)動(dòng)力，可得到針狀鐵素體［18］。從圖3中還可以看出：TMCP試樣的組織中還存在明顯的珠光體條帶。鋼坯在凝固過(guò)程形成的枝晶偏析，會(huì)在熱變形加工過(guò)程中延伸，形成珠光體與鐵素體交替的條帶［19］。

圖3 TMCP試樣的顯微組織

在TMCP試樣組織中，由切變形成的針狀鐵素體位錯(cuò)密度高，并形成位錯(cuò)纏結(jié)和亞晶結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與位錯(cuò)及亞晶界相遇的幾率提高，容易形成位錯(cuò)林、位錯(cuò)塞積和交割，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，金屬的強(qiáng)度提高［20］。高密度的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)上會(huì)彌散分布著細(xì)小的碳氮化合物，這些化合物會(huì)在組織中形成應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)之間的交互作用也會(huì)使基體強(qiáng)化［13］。而針狀鐵素體的“楔形”效應(yīng)或者針狀鐵素體沿一定方向排列會(huì)造成韌性惡化［21］。另外，TMCP試樣組織中的帶狀組織及內(nèi)應(yīng)力會(huì)提高金屬的強(qiáng)度，惡化其塑性和低溫沖擊性能。

2.2.2 正火處理對(duì)TMCP試樣組織的影響

圖4所示為正火處理后TMCP試樣的顯微組織。隨著正火溫度的增加，經(jīng)正火處理后的TMCP試樣，其組織中的針狀鐵素體逐漸消失，晶粒逐漸細(xì)化并伴隨等軸化，組織均勻性改善（圖4a~c）。770℃不完全正火處理試樣的組織發(fā)生部分奧氏體化，導(dǎo)致過(guò)冷奧氏體內(nèi)產(chǎn)生富碳和富錳偏聚區(qū)，此區(qū)域內(nèi)奧氏體的穩(wěn)定性會(huì)提高，推遲了珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程，轉(zhuǎn)變組織中除珠光體外還存在一部分粒狀貝氏體。粒狀貝氏體是大塊狀或針狀鐵素體內(nèi)分布著眾多小島的復(fù)相組織，碳化物呈連續(xù)分布，試樣的塑性和低溫沖擊韌性惡化［22］。830℃不完全正火處理試樣組織中的未溶條狀鐵素體含量減少，晶粒趨于無(wú)畸變等軸狀，位錯(cuò)密度顯著降低，內(nèi)應(yīng)力也得到消除，試樣的強(qiáng)度最低，塑性優(yōu)異。860℃和920℃完全正火處理試樣的組織為等軸鐵素體和細(xì)小珠光體，鐵素體晶粒尺寸分別為11.5，12.1 μm，晶粒度分別為10.0，9.5級(jí)，組織均勻程度高（圖4c~d）。860℃完全正火處理試樣的組織晶粒均勻、細(xì)小，位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低，試樣沖擊韌性最佳。920℃完全正火處理試樣中，由于釩的“溶質(zhì)拖曳”效應(yīng)，以及冷卻階段析出的彌散細(xì)小碳氮化物在晶界處產(chǎn)生沉淀釘扎，都會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒［23］。860℃和920℃完全正火處理消除了TMCP試樣組織內(nèi)應(yīng)力，位錯(cuò)纏結(jié)程度減輕，加之晶粒度級(jí)別提高，試樣綜合力學(xué)性能得到改善。提高正火處理溫度至1 000℃時(shí)，雖然正火處理已完全消除了TMCP所產(chǎn)生的帶狀組織，但奧氏體化的均勻化過(guò)程進(jìn)行充分，晶粒長(zhǎng)大粗化，其鐵素體晶粒尺寸達(dá)到22.7 μm，晶粒度為7.5級(jí)，組織均勻程度下降，出現(xiàn)了魏氏體組織（圖4e）。魏氏體組織的形成取決于鋼的成分、奧氏體晶粒大小和冷卻速度，TMCP試樣在1 000℃正火并保溫1 h，其組織中的奧氏體晶粒粗化，為魏氏體的切變形核提供了驅(qū)動(dòng)力，符合魏氏體形成條件，因而產(chǎn)生魏氏體組織［24］。魏氏體組織會(huì)割裂基體組織，造成尖端應(yīng)力集中甚至形成裂紋核心，并沿著鐵素體擴(kuò)展，使材料的沖擊性能和塑性惡化，強(qiáng)度提高［18，25］。

圖4 正火處理后TMCP試樣的顯微組織

2.3 正火處理對(duì)TMCP試樣斷裂類型的影響

2.3.1 沖擊斷口宏觀形貌分析

圖5所示為-20℃時(shí)TMCP試樣、860℃及920℃完全正火處理試樣沖擊斷口宏觀形貌。

從圖5可以看出：TMCP試樣垂直于沖擊方向斷面寬度沒(méi)有變化，860，920℃完全正火處理試樣垂直于沖擊方向斷面已經(jīng)發(fā)生較大的塑性變形，其寬度分別增大至10.52 mm和10.36 mm，表明完全正火處理試樣在沖擊過(guò)程中能夠吸收大量的沖擊功。TMCP試樣斷口平齊，基本無(wú)塑性變形，中部放射區(qū)特征明顯，纖維區(qū)面積小，幾乎沒(méi)有剪切唇；860℃完全正火處理試樣的斷口凹凸不平，呈暗灰色，斷口邊緣有較大的塑性變形，纖維區(qū)和剪切唇面積明顯增大；920℃完全正火處理試樣的斷口上有少量結(jié)晶區(qū)出現(xiàn)，邊部仍呈灰色纖維狀且具有較小的塑性變形。剪切唇、纖維區(qū)面積很小的TMCP試樣在沖擊載荷作用下易發(fā)生脆性斷裂，低溫沖擊韌性較差，而經(jīng)860，920℃完全正火處理后的試樣，其低溫沖擊性能有明顯改善。

2.3.2 沖擊斷口微觀形貌分析

圖6所示為-20℃時(shí)TMCP試樣、860℃及920℃完全正火處理試樣沖擊斷口微觀形貌。TMCP試樣的斷口呈河流狀花樣，準(zhǔn)解理小平面之間以撕裂棱相接，并存在少量結(jié)晶狀顆粒（圖6a）。TMCP試樣在斷裂過(guò)程中消耗的能量較少，沖擊斷裂韌性較差，斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂。解理裂紋沿著兩個(gè)相互平行的解理面同方向擴(kuò)展，擴(kuò)展一段距離后匯聚，形成一個(gè)新的解理面（圖6b）。TMCP試樣的組織中存在大量位錯(cuò)和內(nèi)應(yīng)力，解理?xiàng)l紋在擴(kuò)展路徑上遇到缺陷阻礙，引起擴(kuò)展方向偏移，通過(guò)解理、撕裂等方式與另一解理面匯聚，形成一個(gè)新的解理面［26］。正火處理試樣斷口中布滿具有一定方向性的橢圓形韌窩，尺寸較大的韌窩周?chē)嬖谥№g窩（圖6c~d）。韌窩是材料內(nèi)部空洞在位錯(cuò)滑移作用下逐漸長(zhǎng)大、擴(kuò)展、聚合而成的［27］。在圖6（c）~（d）中，韌窩的方向性表明斷裂是以撕裂方式發(fā)生，撕裂過(guò)程會(huì)吸收大量能量，試樣沖擊韌性優(yōu)異，為韌性斷裂。與920℃完全正火處理試樣相比，860℃完全正火處理試樣的斷口中韌窩尺寸較大、深度較深，方向性更加明顯。從920℃完全正火處理試樣斷口韌窩中能觀察到夾雜物粒子，通過(guò)能譜（EDS）分析，該夾雜物粒子是CaS、MnS、Al2O3等（圖7）。通常，夾雜物的尺寸都較大，超過(guò)了裂紋形核的臨界尺寸，會(huì)割斷鋼的基體連續(xù)性，容易形成顯微空洞，引起裂紋的形核［28-29］。完全正火處理試樣的斷裂類型由TMCP試樣的準(zhǔn)解理斷裂變?yōu)轫g性斷裂，沖擊韌性顯著改善，斷口形貌與沖擊韌性變化規(guī)律一致。

圖5 -20℃時(shí)TMCP試樣、860℃及920℃完全正火處理試樣沖擊斷口宏觀形貌

3 結(jié) 論

（1）TMCP試樣的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比高，易產(chǎn)生應(yīng)力集中及脆性斷裂，低溫沖擊性能差。正火處理會(huì)降低TMCP試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，不完全正火處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨正火溫度的增加而降低，完全正火處理試樣的隨正火溫度的增加而提高，正火處理試樣的伸長(zhǎng)率和夏比V型缺口沖擊吸收功變化規(guī)律與其強(qiáng)度變化規(guī)律相反。920℃完全正火處理試樣的綜合力學(xué)性能最佳，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別為480 MPa、740 MPa、20.5%，在-20，-50℃下的夏比V型缺口沖擊吸收功分別為45，30 J。

（2）TMCP試樣的組織為粗大條狀鐵素體、索氏體和少量針狀鐵素體，存在明顯的珠光體條帶。隨著正火溫度的增加，不完全正火處理試樣組織中的針狀鐵素體逐漸消失，晶粒逐漸細(xì)化并伴隨等軸化；860，920℃完全正火處理試樣的組織為等軸鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒尺寸分別為11.5，12.1 μm；待正火溫度提高至1 000℃時(shí)，試樣的組織晶粒發(fā)生粗化，鐵素體晶粒尺寸達(dá)到22.7 μm，并出現(xiàn)魏氏體組織。

（3）TMCP試樣垂直于沖擊方向斷面寬度沒(méi)有變化；860，920℃完全正火處理試樣垂直于沖擊方向斷面已經(jīng)發(fā)生較大的塑性變形，其寬度分別增大至10.52 mm和10.36 mm。TMCP試樣宏觀斷口平齊，微觀形貌中存在大量的準(zhǔn)解理小平面和撕裂棱；860，920℃完全正火處理試樣宏觀沖擊斷口表面凹凸不平，微觀形貌特征為大量尺寸不一的橢圓形韌窩，試樣的斷裂形式由準(zhǔn)解理斷裂變?yōu)轫g性斷裂。

圖6 -20℃時(shí)TMCP試樣、860℃及920℃完全正火處理試樣沖擊斷口微觀形貌

圖7 920℃完全正火處理試樣夾雜物的微觀形貌及EDS能譜分析

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