不同回火溫度對一種低碳高強鋼顯微組織及力學性能的影響

蘆 甜 ，溫國棟 ，馬曉琳 ，李 駿 ，居 培 ，王世清

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安石油大學 材料學院，陜西 西安 710072)

煤炭是重要的不可再生資源，隨著礦區資源的不斷開采，淺層煤炭資源逐漸面臨枯竭。在進一步向更深煤層開采中，定向鉆進技術因鉆孔軌跡精確可控、鉆孔軸線可調整等優點不僅用于煤炭及煤層氣領域，還用于其他事關國家資源戰略和國計民生工程[1-3]。基于鉆探施工高質量發展和減輕鉆孔工作人員勞動強度的理念，定向鉆進裝備輕量化設計與應用對鉆探裝備的發展有著重要意義。因此，鉆探裝備發展需求趨勢對鉆探裝備的強度和性能等提出了更高的要求[4-5]。

低碳高強鋼因其強度高、韌性好以及良好的焊接性能等優點比普通鋼材在生產中更有優勢。針對我國“碳達峰”“碳中和”的目標，采用高強鋼能夠降低鉆探裝備自重，可實現產品輕量化，節約能耗。故已在油氣鉆井裝備、礦山和各類施工所需的鉆機、鉆具等結構件中開展應用[6-7]。

鉆探裝備中使用的低碳高強鋼，通常使用淬火加高溫回火的方式得到回火索氏體組織，從而獲得較好的韌性與強度[8-10]。低碳高強鋼在不同回火溫度下其組織和力學性能確有差異，針對筆者所研究的這種低碳高強鋼，目前已有的研究中多采用中溫回火工藝[11]或回火后時間保溫較長[12]，缺少在鉆探裝備工程生產中通常使用的淬火加高溫回火工藝研究。因此為保障低碳高強鋼在礦井和油氣裝備等領域重要結構件服役中的安全性，筆者以礦井和油氣裝備領域使用的一種低碳高強鋼為研究對象，開展熱處理工藝試驗，深入研究不同回火工藝參數對顯微組織、拉伸性能和沖擊性能。不僅為工程技術人員在低碳高強鋼熱處理工藝規范和方法選擇方面提供科學依據和理論指導，也為低碳高強鋼鉆探裝備的安全應用提供有力的理論支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選自某鋼廠生產的低碳熱軋制高強鋼材，化學成分見表1。原材料供貨狀態為熱軋態，其微觀組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，金相組織如圖1a所示。通過圖1b 可以看到，材料原始奧氏體晶粒比較細小。

圖1 低碳高強鋼原材料顯微組織Fig.1 Microstructure of raw materials of low-carbon high-strength steel

表1 試驗鋼化學成分Table 1 Chemical composition of the experimental steel

1.2 試驗方法

該鋼的Ac3為852℃，Ac1溫度為725℃。Ms 相變溫度為418℃[11]，根據其相變臨界冷卻速度，本試驗采用的調質熱處理工藝，淬火溫度為940℃，保溫時間為1 h 后水淬直至鋼材溫度降到室溫。根據工程生產經驗，回火溫度分別為610、630、650℃，保溫1 h 后空冷至室溫，隨后進行顯微組織與力學性能的對比。

金相腐蝕劑為4%硝酸乙醇溶液，腐蝕后的試樣通過MR3000 倒置三目金相顯微鏡和Zeiss Sigma 300 掃描電鏡對其微觀組織進行觀察分析，解釋回火溫度對顯微組織的影響規律。拉伸試樣根據GB/T 228.1?2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》制作，采用SANS SHT4000 電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為1.2 mm/min。硬度測試采用1 000 g 載荷且保壓12 s。沖擊試樣尺寸為V 型缺口的10 mm×10 mm×55 mm 夏比沖擊試樣，采用擺錘式沖擊試驗機進行試驗。

2 結果與討論

2.1 不同回火溫度對顯微組織的影響

在不同回火溫度下試樣經掃描電鏡檢測后的微觀組織形貌如圖2 所示。從圖2a 中可以看到，經過610℃回火后，原始組織中的奧氏體晶界依稀可見。回火后，其板條特征并未完全消失，在板條上彌散有大量細小的析出碳化物，這些碳化物的形狀呈顆粒狀和棒狀，試樣在此溫度下的組織為回火馬氏體+回火索氏體[12-13]。當回火溫度增加至630℃后，原奧氏體邊界消失，回火馬氏體組織開始出現回復并變寬，板條特征消失[12-14]，故圖2b 中的主要為回火索氏體。由圖2c 中可以得到，當回火溫度進一步增加至650℃后，奧氏體晶界完全消失，顯微組織發生再結晶，此時棒狀與顆粒狀的碳化物隨著回火溫度的升高，逐漸變短、變粗，最后成為近球狀的碳化物分布在回火索氏體中[12-15]。

圖2 不同回火工藝SEM 組織Fig.2 SEM structure of different tempering processes

2.2 不同回火溫度下拉伸力學特征

圖3 為原材料在不同回火溫度下的拉伸特性曲線，圖4 為母材在不同回火溫度下的屈服強度變化曲線。從圖3、圖4 可以看出，經過淬火+高溫回火工藝后材料的屈服強度與母材相比均有所提高。在回火溫度為610℃時，抗拉強度從由母材的810 MPa 可提升至1 060 MPa，提升了31%；屈服強度由750 MPa 可提升至1 020 MPa，提高了36%，強度性能最佳。此后繼續增加回火溫度，抗拉強度和屈服強度逐漸下降。圖5中的斷面收縮率和斷后伸長率均表現出相同的規律，即在回火溫度為610℃時，材料的斷面收縮率和斷后伸長率最高，表現出較好的塑性性能。

圖3 母材與不同回火溫度下試樣的拉伸特性曲線Fig.3 Tensile characteristic curves at different tempering temperatures

圖4 母材與不同回火工藝溫度下試樣的屈服強度Fig.4 Yield strength of the base material and samples at different tempering temperatures

圖5 母材與不同回火工藝溫度下試樣的斷后伸長率和斷面收縮率Fig.5 The elongation and reduction of the base material and samples at different tempering temperatures

這是因為一方面隨著回火溫度從610℃增加至650℃，熱能為大量的位錯提供能量，使其發生遷移，位錯之間的相互作用力降低，出現位錯合并消失，位錯增殖能力降低，使位錯對晶界的釘扎效果減弱，故而位錯密度降低，試樣的拉伸性能出現下降[12-13]。另一方面鐵素體對碳的固溶度較低，當溫度較低時，溶質原子和溶劑原子直徑不同，在溶質原子周圍形成了晶格畸變應力場，該應力場和位錯產生交互作用，從而使屈服強度提高；反之，溫度升高超過固溶度的碳將會以碳化物的形式析出，當溫度升高時，碳化物從顆粒狀逐漸球化，從而使屈服強度受到影響[13]。

拉伸斷口形貌如圖6 所示。可以觀察到在母材和調質后的試樣拉伸斷口中，均分布有大量韌窩，表明試樣具有較好的塑性。圖6a、圖6b 中的韌窩比圖6c、圖6d 的韌窩更多，且韌窩分布更加均勻，特別是圖6b中分布有大量的形狀規則的韌窩。圖6c、圖6d 的斷口除存在撕裂棱還有韌窩混雜在一起，韌窩呈拋物線狀，在切應力的作用下沿拉伸方向拉長，為拉長韌窩。由此可見，在這種斷裂方式下的接頭斷裂方式為混合型斷裂，其斷裂模式仍是以韌性斷裂方式為主。韌窩的大小和深度決定于第二相粒子的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應變硬化指數。結合拉伸特性曲線進行分析，在母材和回火溫度610℃的試樣中，斷裂方式為韌性斷裂，當溫度高于610℃時，斷裂方式趨向于混合斷裂。

圖6 不同回火溫度試樣的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of samples at different tempering temperatures

2.3 不同回火溫度下沖擊力學特征

圖7 為不同試樣在常溫下沖擊結果。母材的沖擊功最低，平均沖擊功僅為28 J。隨著回火溫度的提高，沖擊功也逐漸提升，當回火溫度為610、630、650℃時，平均沖擊功分別為65、91、114 J。因母材組織與鐵素體+珠光體鋼相比存在貝氏體，故其沖擊功低。通過分析圖8 中沖擊斷口形貌，可以得到原材料的斷口形貌(圖8a)呈現河流狀花樣，其解理面清，為解理斷裂形貌。圖8b 是試樣在610℃回火時，室溫下的沖擊斷口，為韌窩斷口。該斷口分布有大量規則的韌窩，符合韌性斷裂的特征。隨著回火溫度的增加，斷口逐漸出現撕裂棱和斷裂帶，這些斷裂帶中存在有一定數量細小的韌窩(圖8c、圖8d)。但與圖8a 中的韌窩相對比，其韌窩較少、較淺。

圖7 母材與不同回火工藝溫度下試樣的沖擊功Fig.7 Impact energy of the base material and samples at different tempering temperatures

圖8 不同回火溫度試樣的沖擊斷口形貌Fig.8 Impact fracture morphology of samples at different tempering temperatures

當回火溫度逐漸升高時，淬火后的馬氏體組織開始發生回復與再結晶，基體逐漸軟化，相比未經處理的原材料，其塑性得到提升，沖擊吸收能量升高。當回火溫度大于610℃后，部分回火馬氏體組織開始發生回復，形成軟化程度更高的回火索氏體，材料進一步變軟，抵抗裂紋擴展的能力進一步得到提升，韌性沖擊吸收能量增加[16-18]。因此，該高強鋼在不同回火溫度的拉伸性能與沖擊性能的趨勢不相同。

2.4 不同回火溫度下硬度特征

使用維氏硬度計分別測量原材料和不同回火溫度下組織的顯微硬度，如圖9 所示。原材料的平均顯微硬度為268 HV，610℃回火溫度下平均顯微硬度為332 HV，630℃回火溫度下平均顯微硬度為303 HV，650℃回火溫度下平均顯微硬度為280 HV。從圖9可以看出，隨著回火溫度的增加，顯微硬度逐漸下降，與試樣的拉伸性能呈現相同趨勢。這是因為，隨著回火溫度升高，位錯開始滑移，并合并消失。馬氏體逐漸分解，鐵素體基體中合金元素固溶度降低，碳化物逐漸析出，形成回火索氏體組織，位錯的消失，使其對晶界的“釘扎”阻礙作用減少，故顯微硬度下降[17-18]。從而使硬度降低[17-18]。

圖9 母材與不同回火工藝溫度下試樣的顯微硬度Fig.9 Microhardness of the base material and samples at different tempering temperatures

3 結論

a.試驗鋼610℃回火時，顯微組織為回火馬氏體+回火索氏體。當回火溫度在630～650℃時，回火馬氏體發生回復和再結晶，組織以回火索氏體為主。

b.在回火溫度為610～650℃時，試驗鋼的屈服強度隨回火溫度的增加逐漸降低，最高可達1 020 MPa(回火溫度610℃)，與原材料相比提升36%。抗拉強度與顯微硬度呈現相同規律。

c.回火之后的試樣沖擊功比原材料沖擊功高，且隨著回火溫度的增加，沖擊功也增加。650℃回火溫度下的沖擊功最高，平均沖擊功可達100 J。

d.回火溫度為610℃時，拉伸斷口和沖擊斷口均展現出韌性斷裂的特征；當回火溫度高于610℃時，拉伸斷口和沖擊斷口混合斷裂模式。

e.通過調節可有效提升該低碳高強鋼的抗拉強度和沖擊功。為滿足該低碳高強鋼在工程生產中的應用，可后續對不同規格尺寸的低碳高強鋼進行回火工藝研究，以滿足其在工程生產中推廣應用。