軋制加熱溫度對高強度低合金鋼組織及沖擊性能的影響

陳 剛， 羅小兵， 柴 鋒， 楊才福， 張正延， 楊 麗

(1. 鋼鐵研究總院有限公司 工程用鋼研究院, 北京 100081；2. 清華大學 材料科學與工程學院， 北京 100084)

高強度低合金(HSLA)鋼采用降C加Cu的成分設計，以其優良的強韌性和焊接性能，廣泛應用于造船、管線和采油平臺等領域[1-4]。近些年為保障海洋資源的開發，船體結構用鋼朝著高速化、大型化的方向發展。由于特殊的極地服役環境，對船體結構用鋼的強韌性提出了更高的要求。而對于以Cu沉淀強化鋼為代表的船體結構鋼，針對其強度升級和強韌化機理的研究一直是該領域的研究熱點[5-6]。HSLA鋼采用超低C的成分設計，雖然降低了碳當量，改善了鋼板的焊接性能，但是C和部分其他合金元素含量的降低對鋼的淬透性造成了較大的影響。同時海洋工程的開發需要用到更多大厚規格的鋼板，而厚板的生產過程中由于軋制不同位置處的變形量不同、淬火冷速的不同等都會顯著影響其顯微組織，從而造成性能的不均勻性，導致韌性控制問題比強度更為突出[7-9]。

鋼的軋制工藝是影響鋼板性能的關鍵工序，其決定了鋼板的變形過程，從而影響了鋼板的表面和心部變形程度的差異，最終會對鋼板的性能產生影響。一般情況下，較低的軋制加熱溫度有利于細化鋼的原始奧氏體晶粒尺寸。然而奧氏體晶粒尺寸的大小同時又會影響軋制過程中的相變過程。對于HSLA鋼，相變后的組織類型、大角度晶界密度、板條寬度、殘留奧氏體含量和M/A島形態及分布均會影響鋼的韌性[10-11]。本文利用掃描電鏡(SEM)、電子背散射衍射(EBSD)及透射電鏡(TEM)研究了不同軋制加熱溫度條件下HSLA鋼的相變組織和板條亞結構的變化規律，探究其與低溫韌性的關系。通過統計不同軋制加熱溫度條件下試驗鋼的原始奧氏體晶粒尺寸、M/A島的尺寸分布及大小角度晶界密度的變化趨勢，分析了不同軋制加熱溫度下HSLA鋼中相變組織及亞結構對韌性的協同影響機制。

1 試驗材料及方法

HSLA試驗鋼化學成分(質量分數，%)為0.05C、0.67Mn、0.21Si、2.01Ni、1.36Cu、0.027Nb、0.014Ti，以及適量的Cr和Mo，余量Fe。從工業鑄坯取樣，然后對鑄坯進行不同溫度(1000～1250 ℃)加熱，采用相同的道次及變形量進行軋制。然后對不同加熱溫度軋制條件下的熱軋板測試-40 ℃的Charpy沖擊吸收能量。在不同軋制加熱溫度下的熱軋板上截取試樣，經研磨拋光后采用4%硝酸酒精溶液浸蝕，在S-4300場發射掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織。將從沖擊試樣上切割的試樣電解拋光后，進行電子背散射衍射(EBSD)分析，加速電壓20 kV，工作距離17.6 mm，傾轉角70°，掃描步長0.2 μm，試驗數據用CHANNEL-5軟件包進行分析處理。用H-800透射電鏡對試樣的板條形貌及M/A 島形態進行觀察。

2 試驗結果與分析

HSLA鋼-40 ℃的Charpy沖擊吸收能量與軋制加熱溫度的關系如圖1所示。可見，隨著軋制加熱溫度的提高，沖擊性能呈現降低的趨勢。當加熱溫度從1000 ℃升高到1150 ℃時，沖擊吸收能量緩慢降低，當軋制加熱溫度高于1150 ℃時，沖擊吸收能量呈現急劇下降的趨勢。

圖1 試驗HSLA鋼-40 ℃沖擊吸收能量與軋制加熱溫度的關系Fig.1 Relationship between impact absorbed energy at -40 ℃ and rolling heating temperature of the tested HSLA steel

HSLA鋼在1000～1250 ℃加熱條件下的原始奧氏體晶粒如圖2所示。由圖2可知，加熱溫度越高，試驗鋼的晶粒尺寸越大，奧氏體晶粒發生了明顯的長大過程。在這個過程中，晶界由彎曲態逐漸趨于平直態，晶粒的形狀和尺寸也逐漸趨于穩定。

不同加熱溫度下選取5張顯微組織照片，對試驗鋼的奧氏體平均晶粒尺寸進行統計和對比，結果如圖3 所示。在相同的保溫時間下，當加熱溫度由1000 ℃升高至1250 ℃時，奧氏體平均晶粒尺寸由8.1 μm增加到了36.4 μm，晶粒尺寸隨溫度的變化呈近似指數型增長規律。可以看出，在1000～1100 ℃溫度范圍內，加熱溫度較低，晶粒長大較緩慢，晶粒尺寸僅增加4.6 μm。隨著加熱溫度的升高，在1150 ℃時，奧氏體長大速度逐漸增大，平均晶粒尺寸達到17.6 μm。當溫度超過1150 ℃時，晶粒呈現急劇長大的趨勢，從17.6 μm增加到36.4 μm。

HSLA鋼采用相同的軋制工藝，經不同加熱溫度軋制后的顯微組織如圖4所示。熱軋后的試驗鋼主要有少量的準多邊形鐵素體及粒狀貝氏體構成，其中可以清晰地看到粗大的粒狀M/A島。隨著軋制加熱溫度的升高，M/A島的尺寸呈現增大的趨勢。當加熱溫度從1000 ℃升高到1150 ℃，M/A島呈粒狀，趨于彌散分布。當加熱溫度進一步升高至1200 ℃及1250 ℃時，M/A島尺寸明顯增大，為2.6～3.4 μm。

圖4 不同軋制加熱溫度下試驗HSLA鋼的SEM圖像Fig.4 SEM images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃

對不同軋制條件下的試驗鋼進行TEM觀察，如圖5所示，可見隨著軋制溫度的升高，試驗鋼板條寬度增加，同時在試驗鋼基體中可以觀察到多邊形的M/A島分布。關于M/A島對性能的影響已有較多研究[12-15]，由于較高的硬度，M/A島易成為裂紋形核源[12]，且它們在相變后期生成，因此，也易于在相鄰基體內造成顯著的應力集中，從而誘發裂紋[12-13]，對沖擊性能有害；目前的普遍觀點認為，相較于粗大的M/A島，細小彌散的M/A島對于沖擊性能損害更少[14-15]。單純從M/A 島形態的角度考慮，可以定性解釋隨著軋制加熱溫度的升高，試驗鋼低溫韌性降低的現象。M/A島并非影響沖擊性能的唯一因素，除了M/A島之外，已經證明大角晶界能夠有效阻擋、偏折解理裂紋，阻礙裂紋擴展，從而提高沖擊性能[16-17]，大角度晶界(HAB)密度被認為是另一個影響沖擊性能的指標[18]，在大角度晶界的分割下，晶界兩側晶粒內脆性裂紋通常沿{100}解理面擴展，它們之間具有較大取向差，裂紋不易通過大角度晶界從一個晶粒擴展到另一個晶粒，大角度晶界對材料的沖擊性能具有重要影響，并已被證實[19]。通常認為取向差大于15°的晶界為大角度晶界，在對不同角度晶界對裂紋擴展阻礙能力的研究中，Sarikaya等[16]發現能夠有效阻礙裂紋的大角度晶界為有效大角度晶界，或有效晶粒邊界。圖6為HSLA鋼在不同軋制加熱溫度條件下的EBSD分析，圖7為大小角度晶界密度的分布情況。可以看出隨著軋制加熱溫度的升高，有效晶粒尺寸增加，大角度晶界密度明顯降低。

圖5 不同軋制加熱溫度下試驗HSLA鋼的TEM圖像Fig.5 TEM images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a,d) 1000 ℃; (b,e) 1100 ℃; (c,f) 1250 ℃

圖6 不同軋制加熱溫度下試驗HSLA鋼的EBSD圖像Fig.6 EBSD images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃

圖7 不同軋制加熱溫度下試驗HSLA鋼中晶界分布Fig.7 Grain boundary distribution of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures

大角度晶界有效阻止裂紋擴展，有利于提高材料韌性[17]。選取1100 ℃軋制加熱條件下試驗鋼的沖擊斷口，鍍鎳后進行EBSD分析，如圖8所示。可以明顯看到裂紋擴展到大角度的板條束界或者板條塊界時，裂紋擴展被板條界抑制或者產生偏折，這表明板條束界可以有效阻礙解理裂紋的擴展。板條束界均為大角度界面，從EBSD分析結果可以看出，隨著板坯加熱溫度的降低，大角度晶界密度升高，因此在斷裂過程中更好地抑制裂紋的擴展，從而吸收更高的能量，獲得良好的沖擊性能。

圖8 試驗HSLA鋼沖擊試樣裂紋擴展形貌(軋制加熱溫度1100 ℃)Fig.8 Crack propagation morphologies of the tested HSLA steel impact specimen (rolling heating temperature is 1100 ℃)

綜合考慮大角度晶界以及M/A島的微結構變化，可以較好地理解沖擊性能的變化：當板坯加熱溫度在1000～1150 ℃范圍內，隨著加熱溫度的升高，M/A島尺寸雖略有增加，但相變后生成的大角度晶界密度較高，同時M/A島趨于均勻分布，尺寸較小，沖擊性能較好；當板坯加熱溫度升高到1150 ℃時，M/A島尺寸明顯增大，同時大角度晶界密度降低，導致沖擊性能急劇惡化。因此在實際生產中雖然板坯低溫軋制能大幅度節能，降低生產成本，但是為了保證良好的沖擊性能，同時考慮軋機安全扭矩，軋制溫度不宜過高，建議選擇1100～1150 ℃比較適宜。

3 結論

1) HSLA鋼沖擊性能與軋制加熱溫度相關，加熱溫度從1000 ℃升高到1150 ℃，沖擊吸收能量開始降低，-40 ℃沖擊吸收能量均在100 J以上。當加熱溫度超過1150 ℃，沖擊吸收能量急劇下降。

2) 隨著軋制加熱溫度的升高，HSLA鋼的組織中細小彌散分布的顆粒狀M/A島逐漸粗化；當軋制加熱溫度超過1150 ℃時，M/A島尺寸出現明顯粗化。同時HSLA鋼中大角度晶界密度呈現降低的趨勢。

3) M/A島尺寸粗化及大角度晶界密度降低的綜合作用導致HSLA鋼低溫沖擊性能隨軋制加熱溫度的升高而降低。