低焊接裂紋敏感性鋼回火組織及力學(xué)性能研究

蘭亮云，邱春林，趙德文，高秀華，杜林秀

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧110819，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

低焊接裂紋敏感性鋼回火組織及力學(xué)性能研究

蘭亮云，邱春林，趙德文，高秀華，杜林秀

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧110819，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

為優(yōu)化高強(qiáng)度低焊接裂紋敏感性鋼的力學(xué)性能，對其熱軋態(tài)鋼板進(jìn)行了不同溫度的回火實(shí)驗(yàn).通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡觀察了回火顯微組織的演變特征，并結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)性能檢測手段分析了不同回火溫度下顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系.結(jié)果表明，550℃回火后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)強(qiáng)度分別提高了115和30 MPa，平均沖擊功提高了30 J.此回火溫度下的組織維持了熱軋態(tài)的晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化效果，同時(shí)，彌散細(xì)小析出相分布在位錯(cuò)線上產(chǎn)生的析出強(qiáng)化效果成為提高回火強(qiáng)度的重要原因.650℃回火后組織中出現(xiàn)新相馬氏體沿原始奧氏體晶界和退化板條貝氏體晶界斷續(xù)分布，導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降.

低焊接裂紋敏感性鋼;回火組織;板條貝氏體;位錯(cuò)

低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)鋼(CF鋼)是一類具有優(yōu)良焊接性能和低溫韌性的低合金高強(qiáng)度鋼，可應(yīng)用于高層建筑，橋梁和造船等領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)是對大型高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)可以免除預(yù)熱，焊后熱處理等工序，且不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋［1］.

此鋼種常用生產(chǎn)工藝有直接熱機(jī)械軋制(TMCP)，TMCP+回火以及TMCP+調(diào)質(zhì)處理工藝.TMCP+調(diào)質(zhì)處理是最為常見的工藝，但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高.直接TMCP工藝雖然工藝簡單，但熱軋板往往會(huì)出現(xiàn)各向異性導(dǎo)致成材率較低.有研究表明，適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚳梢源蠓忍岣咪摰膹?qiáng)度，沖擊韌性和延伸率等性能［1－4］.回火工藝的選擇主要取決于鋼中合金元素和熱軋態(tài)顯微組織，具有高強(qiáng)度的板條貝氏體組織在不同回火工藝下的顯微組織演變比較復(fù)雜.對于不同微合金成分設(shè)計(jì)鋼種，回火過程中析出相強(qiáng)化效果以及回火脆性行為也會(huì)存在差異.本文針對一種Mo－Nb－Cu－B系屈服強(qiáng)度為690 MPa級別的低焊接裂紋敏感性鋼進(jìn)行了熱軋和回火實(shí)驗(yàn)，分析不同回火溫度對顯微組織和力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):C 0.063，Si 0.27，Mn 1.71，并添加適量Mo、Cr、Ni、Cu、Nb、V、B等微合金元素.試軋坯料尺寸為130 mm×100 mm×150 mm(長×寬×高)，采用兩階段控制軋制和水幕加速冷卻試制熱軋鋼板.奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制的總壓下量為50%，軋制溫度在1 050～1 150℃，為了細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，此階段采用少道次大壓下量的軋制規(guī)程;奧氏體非再結(jié)晶區(qū)的總壓下量為65%，軋制溫度控制在800～850℃.終軋厚度為20 mm，終軋后進(jìn)行短時(shí)間空冷(鋼板入水前瞬間溫度與終軋溫度相比并沒有明顯下降)，水幕加速冷卻速度為15.8℃，終冷溫度為504℃.

從熱軋鋼板切取回火試樣，回火實(shí)驗(yàn)在普通熱處理爐進(jìn)行.將爐內(nèi)溫度加熱到設(shè)定溫度(320，450，550，650℃)保溫30 min以均勻爐腔內(nèi)溫度.試樣放入爐內(nèi)保溫1 h，然后空冷至室溫.從熱軋態(tài)和回火態(tài)鋼板上取橫向試樣，加工成直徑為φ8 mm的拉伸試樣和尺寸為10 mm×10 mm× 55 mm的沖擊試樣，并按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228，229－2005分別進(jìn)行拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)(沖擊溫度為－20，－40℃.沿軋制方向切取金相試樣，經(jīng)過粗磨拋光后采用2%硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，并在掃描電鏡(FEI Quanta600)和光學(xué)顯微鏡(LEICA DMIRM)下觀察其顯微組織.為了解回火過程中精細(xì)結(jié)構(gòu)的演變，從金相試樣上切取400 μm厚的薄片，經(jīng)過粗磨，沖孔，9%高氯酸溶液中進(jìn)行雙噴等工序制備透射試樣.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 回火過程的顯微組織演變

圖1 熱軋態(tài)和回火態(tài)的顯微組織

圖1給出了熱軋態(tài)和回火后試樣中心厚度處的顯微組織.圖1(a)為熱軋態(tài)的組織形貌，其主要顯微組織為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體組織，保留了明顯的原始奧氏體晶界，在原始奧氏體晶界內(nèi)相互平行的針狀鐵素體形成貝氏體板條束結(jié)構(gòu)，且與原始晶界成一定角度.圖1(b)為經(jīng)過320℃回火后的顯微組織，可以看出低溫回火后主要顯微組織仍為針狀鐵素體+粒狀貝氏體組織，但針狀鐵素體的寬度有所增加.450℃和550℃回火后的顯微組織變化也不大(圖1(c)和(d))，但由于部分亞穩(wěn)態(tài)貝氏體板條束的消失，使粒狀貝氏體含量有所增加.650℃回火的金相顯微組織有明顯的變化(圖1(e))，大量板條結(jié)構(gòu)消失，只有具有高溫回火穩(wěn)定性的少量板條結(jié)構(gòu)存在，形成以粒狀貝氏體為主的顯微組織，粒狀貝氏體中MA組元以及碳化物含量減少，甚至可以觀察到無MA組元分布的準(zhǔn)多邊形鐵素體組織.在原始奧氏體晶界處析出一類黑色組織，這類組織可能是新生成的馬氏體，或者是碳化物析出相.

2.2 回火溫度對板條貝氏體形貌的影響

圖2為熱軋態(tài)和不同回火溫度下板條貝氏體形貌.由于鋼中含有多種穩(wěn)定過冷奧氏體的微合金元素，能夠促進(jìn)中溫相變組織轉(zhuǎn)變，即使終冷溫度在500℃以上，熱軋態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)中存在大量板條貝氏體.根據(jù)板條貝氏體的長度尺寸，可分為短板條束和長板條束兩類，圖2(a)顯示的是板條寬為0.2～0.6 μm，板條長為1～2 μm的短板條結(jié)構(gòu)，與周圍長板條束(板條長度為3～12 μm)相互交叉.板條束的晶界強(qiáng)化效果主要取決于板條束的長度尺寸，由公式(1)可知［5］，短板條結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，增加了板條貝氏體的晶界強(qiáng)化效果.

式中:σg為晶界強(qiáng)度，Kg為常數(shù)，M為與板條貝氏體束尺寸有關(guān)的形狀參數(shù).

圖2(b)為550℃回火后原始奧氏體晶界處的板條貝氏體形貌.在板條貝氏體束頂端保留了清晰的原始奧氏體晶界，原始奧氏體晶界的形成與板條貝氏體的切變形核與長大機(jī)制有關(guān).切變機(jī)制只需鐵原子進(jìn)行調(diào)節(jié)式移動(dòng)，但具有大缺陷的原始奧氏體晶界能阻止鐵原子調(diào)節(jié)式移動(dòng)，使板條貝氏體的生長限制在原始奧氏體晶粒內(nèi)［6］.大部分板條間晶界比較清晰，表明550℃回火的顯微組織仍維持了板條貝氏體晶界強(qiáng)化效果.圖2(c)為650℃高溫回火后板條貝氏體結(jié)構(gòu)，短板條貝氏體保持了清晰的晶界，而長板條貝氏體的大部分板條晶界消失，板條寬度明顯增加，特別是長板條貝氏體束端部已經(jīng)轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)多邊形鐵素體形貌.說明短板條貝氏體的回火穩(wěn)定性比長板條貝氏體的回火穩(wěn)定性要好.同時(shí)長板條結(jié)構(gòu)的消失，使貝氏體板條的晶界強(qiáng)化效果降低.

圖2 熱軋態(tài)和回火態(tài)的板條貝氏體形貌

2.3 回火溫度對位錯(cuò)密度的影響

圖3為不同工藝后板條貝氏體內(nèi)部位錯(cuò)密度變化情況.圖3(a)為熱軋態(tài)板條貝氏體內(nèi)部的高密度位錯(cuò)形貌.這種高密度位錯(cuò)主要來源于兩個(gè)方面［5］:一是在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行總壓下量為65%變形，變形奧氏體中產(chǎn)生了高密度位錯(cuò)，并通過貝氏體切變機(jī)制將母相中的大部分位錯(cuò)繼承下來，二是貝氏體相變時(shí)產(chǎn)生體積效應(yīng)而形成的相變位錯(cuò)，由于貝氏體相變溫度低，相變位錯(cuò)密度就能達(dá)到1014m－2數(shù)量級［7］.高密度位錯(cuò)產(chǎn)生的位錯(cuò)強(qiáng)化效果可由式(2)計(jì)算［8］，

式中:α為常數(shù)，M為泰勒平均因子，b為柏氏矢量，G為剪切模量，ρ為位錯(cuò)密度.當(dāng)位錯(cuò)密度為1014m－2時(shí)，可將強(qiáng)度提高145 MPa.

圖3(b)為550℃回火后板條內(nèi)部的回火位錯(cuò)形貌.回火后，板條內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)的多邊化形成位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)，圖中可看到板條中間出現(xiàn)尺寸約為200 nm長，150 nm寬大位錯(cuò)胞.但板條邊界仍具有較高位錯(cuò)密度.其原因是鋼中存在的C，B，N等間隙原子，在相變過程中這些間隙原子均向晶界發(fā)生偏聚，導(dǎo)致晶界處的位錯(cuò)容納了過飽和間隙原子［7］.這些原子的存在可以阻礙回復(fù)位錯(cuò)移動(dòng)，提高了晶界處位錯(cuò)的回火穩(wěn)定性.圖3(c)為650℃回火后板條內(nèi)部的位錯(cuò)形貌，回火溫度升高，位錯(cuò)密度顯著降低，僅有亞結(jié)構(gòu)周圍纏結(jié)了較高位錯(cuò)密度的位錯(cuò)帶.

圖3 熱軋態(tài)回火態(tài)的板條貝氏體內(nèi)部位錯(cuò)密度演變

2.4 力學(xué)性能結(jié)果

圖4給出了熱軋態(tài)和回火態(tài)力學(xué)性能結(jié)果，力學(xué)性能結(jié)果滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T4137－2005規(guī)定.熱軋態(tài)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為730和885 MPa.320℃低溫回火后，強(qiáng)度沒有明顯變化.回火溫度達(dá)到450℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)均出現(xiàn)小幅度下降.當(dāng)回火溫度上升到550℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)有明顯提高，分別提高了115 MPa和30 MPa.根據(jù)上述分析可知，550℃回火后顯微組織仍保留了熱軋態(tài)的晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化效果.由于試驗(yàn)鋼中含有Nb，V等碳氮化合物形成元素，水幕加速冷卻抑制了析出相的形成，在550℃回火過飽和固溶Nb、V均可彌散析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化效果.Dhua等人對 HSLA－100鋼的回火特性分析表明［2］，550℃回火也是ε－Cu彌散析出的最佳溫度.圖3(b)可觀察到納米級析出相在板條貝氏體內(nèi)位錯(cuò)線上的彌散析出，對位錯(cuò)移動(dòng)有釘扎作用，這也提高了位錯(cuò)強(qiáng)化效果.當(dāng)650℃回火時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)相比分別降低了40和55 MPa，由于高溫回火過程中板條晶界的消失，位錯(cuò)密度的降低等因素削弱了強(qiáng)化效果.圖4(b)為拉伸試樣的延伸率和斷面收縮率隨回火溫度的變化趨勢，延伸率和斷面收縮率在回火溫度為550℃出現(xiàn)下降，650℃回火時(shí)又上升，與強(qiáng)度的變化趨勢正好相反.

圖4 回火溫度對力學(xué)性能的影響

圖4(c)為回火溫度對試驗(yàn)鋼沖擊韌性的影響.由于高位錯(cuò)密度顯微組織以及貝氏體板條束間析出一類長棒狀硼碳析出相(圖5(a)所示)，導(dǎo)致熱軋態(tài)的沖擊吸收功較低.經(jīng)過不同回火溫度后沖擊韌性有所提高，回火溫度為 320和550℃時(shí)，沖擊溫度－40℃時(shí)吸收功高于100 J.但在450℃回火時(shí)出現(xiàn)回火脆性，沖擊溫度為－40℃時(shí)，吸收功為84 J.此時(shí)的回火脆性主要是因?yàn)镾，P等不純雜質(zhì)原子在晶界非平衡偏聚產(chǎn)生的［9］.650℃回火時(shí)，沖擊韌性明顯下降，沖擊溫度－20℃時(shí)，吸收功僅為86 J.TEM觀察到沿原始奧氏體晶界或退化貝氏體的板條晶界處出現(xiàn)第二相組織(如圖5(b)和5(c)所示).EDX能譜分析可知，新相中主要含有Fe，C兩種元素，有時(shí)出現(xiàn)B，Mn，Cr等元素的富集.微區(qū)衍射分析表明，此類組織具有體心立方結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是新生成的馬氏體組織.由于晶界處存在大量間隙原子的偏析，顯著降低了晶界處的Ac3溫度;同時(shí)經(jīng)未再結(jié)晶區(qū)軋制的原始奧氏體晶界儲(chǔ)存了較高的奧氏體形變激活能［10］，降低了奧氏體形核的勢壘，使650℃回火形成了新的奧氏體晶粒.回火后開始冷卻速度較快，使新形成的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體組織.硬脆相馬氏體周圍在沖擊力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，與基體組織發(fā)生分離而形成顯微裂紋，導(dǎo)致此回火溫度下的沖擊韌性明顯降低.

圖5 熱軋態(tài)和650℃回火后的第二相組織形貌

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)鋼熱軋態(tài)顯微組織主要為針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體組織，經(jīng)過不同回火溫度(320～550℃)后，顯微組織僅發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)貝氏體板條回復(fù)，650℃回火后顯微組織以粒狀貝氏體為主，保留少量具有高溫回火穩(wěn)定性的板條結(jié)構(gòu).

2)經(jīng)550℃回火后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)分別提高115和30 MPa，延伸率保持不變，－40℃平均沖擊功提高了30 J.析出強(qiáng)化同時(shí)維持了位錯(cuò)強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化是550℃回火獲得高強(qiáng)度的主要原因.550℃是試驗(yàn)鋼的適宜回火溫度.

3)650℃高溫回火后，由于位錯(cuò)密度的降低和大量板條晶界的消失使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)下降.在原始奧氏體晶界或退化板條貝氏體晶界上生成新相馬氏體導(dǎo)致沖擊韌性下降.

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Tempering structure evolution and mechanical properties of a low welding crack susceptibility steel

LAN Liang-yun，QIU Chun-lin，ZHAO De-wen，GAO Xiu-hua，DU Lin-xiu
(State Key Lab of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

To optimize the mechanical properties of a high strength low welding crack susceptibility steel，different temperature tempering tests were carried out on the hot-rolled steel plates in this study.Optical microscopy，scanning electron microscopy and transmission electron microscopy were employed to observe tempering microstructure evolution，and the relationship of tempering microstructures and corresponding mechanical properties was analyzed according to the results of mechanical properties tests.The results shows that the yield strength and tensile strength of 550℃ tempered specimens are increased by 115 MPa and 30 MPa，and the average impact absorbed energy is enhanced by 30 J compared with that of the hot rolled specimens.Microstructure analyses present that the specimens maintain relatively good boundary strengthening and dislocation strengthening effects.Meanwhile，that quite a number of fine precipitates disperse on dislocation lines is also an important factor to improve the strength.However，under the condition of 650℃ tempering，a new kind of martensite phase occurs along the boundary of prior austenite and degenerated boundary of lath bainite，and results in deterioration of toughness.

low welding crack susceptibility steel;tempering structure;lath bainite;dislocation

TG142;TG156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)02－0042－05

2010－03－22.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50474015);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(N100607001).

蘭亮云(1983－)，男，博士生;

趙德文(1946－)，男，教授，博士生導(dǎo)師;

杜林秀(1962－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 呂雪梅)