時效溫度對含Cu高強鋼組織和性能的影響

馬長文 樊艷秋 李少坡 張 海 丁文華

(1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043； 2.北京市能源用鋼工程技術研究中心，北京 100043)

傳統的高強度鋼板是在低碳低合金鋼的基礎上，通過調質熱處理獲得回火索氏體組織，以達到高強度和高韌性的配合。為了確保較厚規格鋼板具有足夠的淬透性，鋼中通常需要添加較高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素。鋼的強度級別越高，添加的合金元素含量也相應增加。但合金元素含量的增加會導致碳當量大幅度增加，對焊接性能產生不利影響[1- 3]。Cu作為強化元素常被添加到鋼中，以提高鋼的強度、耐腐蝕性、抗疲勞性、抗蠕變強度和沖擊韌性，同時改善材料的焊接性能、成型性能與機加工性能等[4- 8]。本文設計了一種含Cu高強鋼，研究了其在不同溫度時效后組織和性能的變化，并探討了Cu的析出強化規律，為后續的工藝設計與優化提供指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗鋼采用50 kg真空感應爐冶煉，化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

1.2 軋制及熱處理工藝

將鋼錠加熱到1 000 ℃鍛造成130 mm×130 mm×260 mm的坯料，鋼坯于1 200 ℃保溫2 h后，經7道次軋至20 mm厚，然后冷卻至室溫，再分別于450、500、550、600 ℃保溫30 min空冷進行時效處理。

1.3 試驗方法

將時效后試樣沿軸向切開，經磨、拋后，用體積分數為3%的硝酸酒精溶液腐蝕，在LSM 700型光學顯微鏡下觀察顯微組織。沿鋼板橫向切取拉伸試樣，尺寸φ3 mm×15 mm，在Schenck- 100 kN型液壓伺服拉伸試驗機上進行常溫拉伸試驗。沿鋼板橫向切取V型缺口沖擊試樣，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為-30、-40 ℃。利用DHV- 1000Z型維氏硬度計測量硬度，試驗力為10 g。用電解雙噴減薄法制備透射電鏡(TEM)薄膜試樣，電解液的成分及體積分數為5%高氯酸+95%甲醇，雙噴液溫度為-20 ℃，電壓為18 V，使用H- 800型透射電鏡對析出相進行微觀分析。采用EPMA- 1720型電子探針分析儀對析出相進行元素面掃描。

2 試驗結果及分析

2.1 時效溫度對組織和硬度的影響

如圖1所示，試驗鋼在不同溫度時效處理后的顯微組織以貝氏體為主。試驗鋼在熱機軋制(thermo mechanical control process, TMCP)態下的組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，及部分板條貝氏體，如圖1(a)所示。經450、500 ℃時效30 min后，組織發生了一定程度的合并，但晶粒長大并不明顯，如圖1(b,c)所示。當時效溫度提高至550、600 ℃時，多邊形鐵素體的比例明顯升高，粒狀貝氏體和板條貝氏體的比例明顯下降，如圖1(d,e)所示。即隨著時效溫度的升高，組織逐漸向多邊形鐵素體轉變。不同時效溫度下試樣的顯微硬度如圖2所示。與TMCP態試樣相比，時效處理后試樣的硬度整體下降，且隨著時效溫度的升高，硬度逐漸下降。TMCP態試樣的平均硬度約237 HV0.01，450、500、550、600 ℃時效試樣的平均硬度分別降至227、219、212、198 HV0.01。即隨著時效溫度的升高，組織在向平衡態轉變的過程中硬度逐漸下降，發生了一定程度的軟化。

圖1 試驗鋼在不同溫度時效30 min后的顯微組織Fig.1 Microstructures of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

圖2 試驗鋼在不同溫度時效30 min后的硬度Fig.2 Hardness of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

2.2 時效溫度對性能的影響

試驗鋼的拉伸性能隨時效溫度的變化如圖3(a)所示。整體上，試樣的屈服強度和抗拉強度均隨著時效溫度的升高而不斷升高，550 ℃達到時效峰值，之后繼續升高溫度，強度有所下降。其中，TMCP態試樣的屈服強度和抗拉強度分別為616、744 MPa。450 ℃時效30 min試樣的屈服強度和抗拉強度分別提高了約34、15 MPa。500 ℃時效30 min試樣的屈服強度和抗拉強度分別提高至672、764 MPa。隨后，550 ℃時效的強度達到峰值，屈服強度和抗拉強度分別為692、789 MPa。當溫度進一步上升至600 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別下降至668、770 MPa。與傳統X80管線鋼相比，試驗鋼經不同工藝時效處理后，其屈服強度提高了90～170 MPa，抗拉強度提高了130～160 MPa。隨著時效溫度的升高，試樣的斷后伸長率在14%～16%之間，變化幅度較小。試驗鋼在不同時效溫度下的低溫沖擊性能變化如圖3(b)所示。對比可見，試驗鋼在550 ℃時效后的沖擊性能優于在其他溫度時效后的沖擊性能。因此，在550 ℃時效30 min的試驗鋼的力學性能最優。

圖3 不同時效溫度下試驗鋼的力學性能Fig.3 Mechanical properties of the tested steels under different aging temperatures

2.3 時效溫度對析出相的影響

如圖4所示，試驗鋼經450、500、550 ℃時效30 min后，基體中析出了大量納米級析出物且均勻分布。550 ℃時效析出相的EPMA面分析結果如圖5所示，顯示其為富Cu析出物。時效溫度升高至600 ℃，富Cu析出物略有長大，如圖4(c)所示。即隨著時效溫度的升高，Cu元素偏聚程度增加，導致析出相長大。

時效溫度是影響時效后強度的一個重要因素，因為溫度直接影響Cu在基體中的擴散系數，由擴散公式：

(1)

式中：D為擴散系數，D0為頻率因子，Q為擴散激活能，R為常數，T為溫度。可以看出，溫度T越高，擴散系數D越大。即隨著溫度的升高，Cu原子在鋼中的擴散加快，析出相數量不斷增多，析出強化導致的強度增量計算公式為：

(2)

式中：泰勒因子M=2，G為剪切模量(室溫下為80 GPa)，伯格斯矢量b為0.248 nm，?為泊松系數(0.291)，d為粒子的平均直徑，f是析出物的體積分數。可以看出，強度增量與第二相的體積分數成正比，與第二相尺寸成反比。因此，一方面，隨著時效溫度的升高，析出物的數量不斷增多，體積分數不斷增大，導致析出強化效果不斷增強。但當溫度升高至600 ℃時，組織的軟化效果進一步增強，析出強化效果與組織軟化效果的綜合作用導致強度有所下降，因此，550 ℃時效鋼的強度達到峰值。

圖4 試驗鋼中富Cu納米析出相的TEM圖像Fig.4 TEM images of Cu- rich nanoprecipitates in the tested steels

圖5 試驗鋼在550 ℃時效30 min后的析出相形貌(a)及EPMA面掃圖(b～f)Fig.5 Morphology (a) and EPMA surface scans(b～f) of precipitated phase in the tested steel after aging at 550 ℃ for 30 min

3 結論

(1)隨著時效溫度的升高，試驗鋼的組織逐漸向多邊形鐵素體轉變，硬度逐漸下降，組織發生了一定程度的軟化。

(2)隨著時效溫度的升高，試驗鋼的強度和低溫沖擊韌性總體上不斷升高，且在550 ℃達到時效峰值。

(3)600 ℃時效時，組織軟化效果進一步增強，析出強化效果與組織軟化效果的綜合作用導致鋼的強度有所下降。